CN102121093A - 金属蒸镀复合坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属蒸镀复合坩埚，包括上端开口的坩埚容器，其特点是：坩埚容器的开口边上设有一个环状水平平台；环状水平平台外固定连接保温套筒，坩埚容器与保温套筒之间形成一个封闭空间，封闭空间内沿坩埚容器壁盘绕有加热丝，保温套筒底部设有一对环状泄流槽。本发明的坩埚通过增加一保温套筒，提高了坩埚的加热效率，在坩埚停止加热时套筒的保温作用防止金属凝结，从而延长坩埚容器的使用寿命。

Description

金属蒸镀复合坩埚

技术领域

本发明涉及一种真空热蒸发装置，特别涉及一种具有保温性能的坩埚。

背景技术

蒸镀法是一种物理气相沉积的真空镀膜技术。它是将蒸镀的材料置于一个坩埚之中，通过对坩埚加热，使材料从固态转化为气态的原子、原子团或分子，然后凝聚到待镀膜的基板表面形成薄膜。该技术广泛应用于太阳能电池、半导体晶片、平板显示、光学镜片等领域。

目前，有机电致发光器件作为下一代平板显示的核心技术正受到越来越多的关注。而器件制备的主要方法就是采用蒸镀法。无论是有机功能层、有机发光层，还是金属电极，都是采用对坩埚加热的方法来蒸镀。

通常用来蒸镀金属电极的镀膜材料包括：用于蒸镀顶发射器件金属阳极的高功函数金属——金(Au)、银(Ag)、镍(Ni)等；用于制备器件金属阴极的低功函数金属——钙(Ca)、镁(Mg)、铝(Al)等。

在蒸镀过程中，盘绕在坩埚容器外侧的加热丝对坩埚加热，坩埚将所获得的热量传导到存放在坩埚容器中的固态金属材料上，使之熔解，并且在熔融的液态下蒸发。蒸镀过程完成后，切断加热丝上的电流，停止加热。但是，停止加热后，通常坩埚容器上各部分降温速度是不一样的，越接近坩埚容器开口的位置，温度下降越快。因而当坩埚容器内部的炽热金属依然处于熔融状态并且随着温度下降而体积收缩时，一部分接近坩埚容器开口处的金属熔液已经冷却凝结，堵塞了坩埚口。坩埚口处凝结的金属会影响到蒸发速率的稳定性，且增加了金属熔液溢到外面电极上引起短路的可能性，且凝结的金属将坩埚堵塞会导致无法再向坩埚中添加金属物料，只好换坩埚，坩埚更换周期缩短。导致生产成本上升。

此外，常见的加热丝加热坩埚的蒸发源，加热丝提供的热量仅有小部分通过坩埚用于加热，大部分热量辐射到加热丝周围的空间，使得腔体温度上升，影响器件性能。如果能够将上述被浪费的热量充分的利用，那么就可以通过降低加热丝两端的电压或者减小流过加热丝的电流，来降低蒸镀金属过程中的能耗，实现节能的目的。

目前常用的金属蒸镀坩埚结构如图5，6，坩埚整体为顶端开口空心圆柱体301。这种形状的坩埚容易出现的问题是：1.在蒸镀过程中，有大量的热能浪费；2.在蒸镀结束后，在坩埚开口处容易凝结金属，导致坩埚的使用寿命严重缩短。因而设计一种能够提高蒸镀过程中的热能利用效率，并且避免在蒸镀结束后由于坩埚散热不均匀而产生坩埚口金属凝结的蒸镀用坩埚就显得很有必要了。

发明内容

本发明是要提供一种具有保温性能的金属蒸镀复合坩埚，该坩埚使得坩埚在蒸镀过程中的加热效率提高，而且在停止加热后坩埚温度下降的不均匀性得到补偿，从而避免了坩埚容器口凝结金属的问题。

本发明是这样实现的：一种金属蒸镀复合坩埚，包括上端开口的坩埚容器，其特点是：坩埚容器的开口边上设有一个环状水平平台；环状水平平台外固定连接保温套筒，坩埚容器与保温套筒之间形成一个封闭空间，封闭空间内沿坩埚容器壁盘绕有加热丝，保温套筒底部设有一对环状泄流槽。

套筒顶部与坩埚容器的水平平台的接触处，设有至少两个向内反扣的咬合件，保温套筒通过咬合件固定在坩埚容器外。

环状水平平台、半环状泄流槽、坩埚主体和保温套筒同心。

坩埚容器开口处的环状水平平台，其宽度为加热丝直径的两到三倍。

保温套筒的内径为坩埚主体加水平平台的直径，深度为坩埚容器高度与加热丝直径之和，保温套筒的壁厚与坩埚容器的壁厚相同。

保温套筒顶部的套筒壁上，垂直于咬合件的方向，开有两个对称的半圆形导引孔，导引孔的直径为加热丝直径与水平平台厚度之和的两倍。

泄流槽的宽度略小于加热丝的直径。

保温套筒上方内扣咬合件的厚度为坩埚壁厚的一到两倍。

本发明的有益效果在于：

1.由于本发明的金属蒸镀坩埚具有一个用较高反射率和保温性能材料制作的保温套筒。因而在真空蒸镀的条件下，加热丝向周围空间辐射的热损耗被该保温套筒反射并维持在坩埚容器周围，从而实现蒸镀过程中加热效率的提高。

2.由于该保温套筒的设计，在蒸镀过程结束后，加热丝和坩埚容器中的余热使得坩埚容器中的熔融金属液能够有充分的时间流动到容器内部，而不会因为局域降温过快造成容器开口处金属熔液凝结，从而提高到坩埚的使用寿命。

3.在该保温套简的底部，在接近底面外边缘处开有两条对称的环形泄流槽，是为了避免在蒸镀过程中，溢出坩埚容器口的金属熔液漫过水平平台并渗入保温套筒内，可以通过泄流槽将上述熔液导出，从而避免了积累在保温套筒中的溢出金属熔液使加热丝短路的情况。

附图说明

图1是本发明实施例之一的结构剖视图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明实施例之二的剖视图；

图4是图3的俯视图；

图5是目前常用的金属蒸镀坩埚结构主剖视图；

图6是图5的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明相似结构或相似变化的，均应列入本发明保护范围。

实施例一：

如图1，2所示，一种金属蒸镀复合坩埚，自内向外包括坩埚容器101和保温套筒102，保温套筒的壁厚与坩埚容器的壁厚相同。坩埚容器101的坩埚壁由开口处向水平方向延伸，形成一个水平环状平台105，环状平台的宽度为加热丝103直径的2.5倍。在保温套筒顶部开口处有两个向内反扣的咬合件107，保温套筒102利用咬合件107反扣在水平平台105上，从而将保温套筒102固定在坩埚容器101之外。咬合件的厚度是套筒壁厚的两倍。在保温套筒102顶部的套筒壁上，垂直于咬合件107的方向，开有一对(两个)半圆形导引孔104，导引孔104的直径为加热丝103直径与水平平台105厚度之和，它用于将加热丝103引入由坩埚容器101(含环状水平平台105)和保温套筒102形成的封闭加热空间。在保温套筒102的底部，接近坩埚底外边缘处，有两段环状的泄流槽106，其宽度略小于加热丝直径。

所述坩埚容器101由导热系数较高、耐高温并且不与镀膜材料发生化学反应的非金属材料。在本实施例中，可以采用的非金属材料为：氮化硼(导热系数为33W/mK，最高耐温3000℃)，而如果采用金属材料，则可以选择钽Ta(导热系数为54W/mK，最高耐温2996℃)制成。

考虑到金属蒸镀通常都在真空环境下进行，在真空环境下，保温套筒102与外界的热交换主要通过辐射方式进行，由于保温套筒102与外界无直接的物质接触，且周围真空环境中没有足够的可以形成对流导热的流体，因此对保温套筒102的材质选择主要考虑其耐温性和反射性。上述的氮化硼和金属材料都具有良好的耐热和反射性(氮化硼为白色固体材料)。因而本例中保温套筒102使用与坩埚容器101相同的材料。

在蒸镀过程中，加热丝103处于坩埚容器101和保温套筒102形成的封闭空间中，加热丝103所发的热量分为两部分，一部分通过与加热丝本身直接接触的坩埚容器101传导到容器内的金属材料上，加热金属至熔融可蒸发状态；另一部分热量则向外辐射散失，由于保温套筒102的存在，向外辐射的那部分热量，被保温套筒102所反射，保持于封闭空间，从而提高了热利用效率。

在蒸镀过程结束后，加热丝103断电迅速冷却，由于坩埚容器101和保温套筒102所形成的封闭加热空间中的余热作用，坩埚容器101中的降温过程相对现有常用坩埚要缓慢，而且降温的均匀性要好于图5，6所示的现有技术。从而解决了由于冷却过快和降温不均匀而造成的坩埚口金属凝结。

另外，在蒸镀过程中，部分金属熔液可能会从坩埚容器101中溢出，漫过水平平台105，沿着套筒壁流入保温套筒102，在保温套筒102底部所开的两条环状泄流槽106，可将上述流入的金属熔液排出保温套筒102之外，否则上述流入的金属熔液在保温套筒102中积累，会导致加热丝短路，引起严重后果。

实施例二：

如图3，4所示，为本发明的另外一个实施例。本实施例中，在坩埚容器201的水平环状平台205上，大于加热丝203直径处，分布了一条圆环状的限流凹槽208，限流凹槽208的深度为坩埚壁的一半，限流凹槽208的宽度为加热丝直径的一半。

该限流凹槽208作用如下：其一，在蒸镀过程中，金属熔液溢出较快时，增加的限流凹槽208能够有效减少漫过水平平台205进入保温套筒202的金属熔液的可能性，一旦流入量也有所减少。其二，在坩埚设计上，坩埚容器201与保温套筒202之间的封闭加热空间的密闭性越好，则加热丝203的加热效率越高，而保温套筒202底部的泄流槽206则破坏了上述密闭性。泄流槽206的宽度越大，则保温套筒202的保温密闭性越差，加热效率越低，反之则能够进一步提高加热效率。所以，在水平平台205上添加了限流凹槽208之后，就可以将泄流槽206的宽度适当减小，提高保温套筒的密闭性，从而提高坩埚整体的加热效率。

本发明的两个实施例中，坩埚各部件的几何尺寸，如：坩埚容器和保温套筒的内外径、水平平台的宽度，限流凹槽和泄流槽的宽度，限流凹槽的深度以及导引孔的半径等等都直接或间接取决于加热丝的外形特征(线圈深度，线圈直径，丝直径等)。

例如根据本发明的一个优选方案：一个绕成4匝，丝直径为2.4mm，线圈直径为12.7mm，线圈深度为12.7mm，丝长为95.25mm的加热丝，与之适配的坩埚的参数为：坩埚容器外直径12.7mm，高12.7mm，壁厚0.8mm，水平平台宽度5.0mm，(限流凹槽宽度1.2mm，深度0.4mm)，保温套筒内径11.15mm，壁厚0.8mm，咬合件厚度1.6mm，宽度1.6mm，导引孔半径3.2mm，泄流槽宽度2.0mm。

如果采用氮化硼材料，可以将坩埚容器和保温套筒分别采用热压成形的技术制备，如果采用钽材料，可以将上述两个部件分别用浇铸成形的技术制备。

Claims (8)

1.一种金属蒸镀复合坩埚，包括上端开口的坩埚容器，其特征在于：坩埚容器的开口边上设有一个环状水平平台；环状水平平台外固定连接保温套筒，坩埚容器与保温套筒之间形成一个封闭空间，封闭空间内沿坩埚容器壁盘绕有加热丝，保温套筒底部设有一对环状泄流槽。

2.根据权利要求1所述的金属蒸镀坩埚，其特征在于，套筒顶部与坩埚容器的水平平台的接触处，设有至少两个向内反扣的咬合件，保温套筒通过咬合件固定在坩埚容器外。

3.根据权利要求1所述的金属蒸镀复合坩埚，其特征在于，所述环状水平平台、半环状泄流槽、坩埚主体和保温套筒同心。

4.根据权利要求1所述的金属蒸镀复合坩埚，其特征在于，所述坩埚容器开口处的环状水平平台，其宽度为加热丝直径的两到三倍。

5.根据权利要求1所述的金属蒸镀复合坩埚，其特征在于，所述保温套筒的内径为坩埚主体加水平平台的直径，深度为坩埚容器高度与加热丝直径之和，保温套筒的壁厚与坩埚容器的壁厚相同。

6.根据权利要求1所述的金属蒸镀复合坩埚，其特征在于：所述保温套筒顶部的套筒壁上，垂直于咬合件的方向，开有两个对称的半圆形导引孔，导引孔的直径为加热丝直径与水平平台厚度之和的两倍。

7.根据权利要求1所述的金属蒸镀复合坩埚，其特征在于：所述泄流槽的宽度略小于加热丝的直径。

8.根据权利要求2所述的金属蒸镀复合坩埚埚，其特征在于：所述保温套筒上方内扣咬合件的厚度为坩埚壁厚的一到两倍。

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