CN102312198A - 一种蒸镀源及蒸镀镀膜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于半导体、LED、太阳能电池领域的镀膜器，尤其涉及一种蒸镀源及其蒸镀镀膜装置。一种蒸镀源，包括温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块和绝热模块，而所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块均设置于蒸镀源本体中，绝热模块包围蒸镀源本体的外表面。蒸镀镀膜装置包括蒸镀源以及包围蒸镀源的真空腔体室。本发明将组成镀膜设备的各功能模块整合在一个单体结构即蒸镀源本体中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高、镀膜均匀的蒸镀源及蒸镀镀膜装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于半导体、LED、太阳能电池领域的镀膜器，尤其涉及一种蒸镀源及其蒸镀镀膜装置。
背景技术
PECVD(等离子增强化学气相沉积)、PVD(溅镀沉积)、VTD(气相传输沉积)和CSS(封闭空间升华、加热蒸发镀膜)是半导体、LED、太阳能等行业中被广泛使用的薄膜镀膜技术。
其中PECVD、PVD的镀膜速度较慢，对于较厚的膜，生产效率不高，而且源材料利用率低。
近年来广泛使用的VTD技术只能进行单片基板的镀膜，由于结构的局限性，薄膜的均匀性不够好、基板尺寸受限制。常规的CSS技术无法进行基板行进中的连续镀膜，源材料温度均匀性不好，也不能连续喂料连续生产。
例如First Solar公司的美国专利US6037241公开了一种半导体镀膜的装置及方法，其使用的镀膜方法是VTD，载气从管状蒸发筒的两边的筒口吹入后，再将源材料蒸汽从蒸发筒的孔状筒壁吹出。该镀膜装置存在着镀膜不均、温度控制不稳定、源材料利用率低的问题。
JP10-226877公开了一种薄膜沉积方法及装置，其可在同一基板的两面同时沉积镀膜，然而该基板是柔性基板如塑料膜或金属箔等材料。
为了改善蒸发容器中温度的不均匀变化、提高薄膜沉积的均匀性，三菱重工株式会社在中国专利CN101942639(2011-1-12)公开了一种真空气相沉积设备，其中的蒸发容器具有线性设置的多个直径相同的排放孔，并且具有多个直径相同的通孔的射流板，然而该方法主要是用于沉积多种蒸发材料，源材料利用率不高。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高、镀膜均匀的蒸镀源。
本发明的目的之二是提供一种结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀镀膜装置。
本发明的第一技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种蒸镀源，包括温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块和绝热模块，而所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块均设置于蒸镀源本体中，所述绝热模块包围所述蒸镀源本体。
本发明的蒸镀源是使源材料挥发成气体沉积到基板上的源或直接将导入的源材料气体沉积到基板上的源，包括但不限于VTD(气相传输沉积)源或CSS(加热蒸发镀膜)源。本发明将组成镀膜设备的各功能模块整合在蒸镀源本体中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀源。
作为本发明技术方案的一种优选，所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块位于构成所述蒸镀源本体的材料的空腔中。
本发明的蒸镀源本体包括经过铸造或机械加工形成的整体结构和叠加块，所述的叠加块可以是左右叠加或垂直叠加。
本发明的蒸镀源本体尤其优选经过铸造或机械加工形成的整体结构，在该整体结构中具有多个空腔，所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块均被设置在各个空腔内，除了这些空腔以外，该整体结构由实心的均一的本体材料构成。
作为本发明技术方案的一种优选，所述蒸镀源具有两个相背的蒸镀源工作面。
本发明的蒸镀源工作面即该蒸镀源进行气相传输工作所在的平面，通常即蒸镀源上喷射口所在的平面。
作为本发明技术方案的一种优选，所述蒸镀源本体的材料熔融温度大于400℃、热导性大于20w/mk。
本发明选择耐高温、导热性好的材料如金、银、铜、铝、钼、钛、钨、不锈钢、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、石墨或石墨陶瓷、石英陶瓷或石墨陶瓷作为蒸镀源本体材料，熔点高、导热性好。
作为本发明技术方案的一种优选，所述蒸镀源本体的材料为铝、铜、不锈钢、钨、碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷或石墨陶瓷。
作为本发明技术方案的一种优选，所述温度控制模块包括加热器和热电偶。
本发明的热电偶用于测量蒸镀源本体的温度，所述加热器和热电偶之间还连接有温度控制器，所述温度控制器位于所述蒸镀源本体外，所述热电偶和所述温度控制器之间连接有加热器电路，通过热电偶对温度的反馈实现温度控制模块对温度的控制，温度均匀易控、镀膜均匀性好、厚度可调节性高，从而可对较大尺寸的非柔性基板如玻璃基板、金属基板或有机基板镀膜。
进一步优选地，所述加热器为电阻加热器、红外加热器或紫外加热器。
进一步优选地，所述温度控制模块包括多个加热器和多个热电偶。
采用多组加热器和热电偶的配合可以产生多区域温度，实现多区域温度控制，进一步提高蒸镀源本体的温度均匀性。
作为本发明技术方案的一种优选，所述载流气体进气模块包括载流气体分布管和与之相连通的载流气体进气口，所述载流气体分布管的材料熔融温度大于400℃，所述载流气体分布管为中空管，所述载流气体分布管的侧壁上分布有多个第一小孔，所述上下相邻第一小孔的间距从进气口往下逐渐变小。
本发明通过对载流气体的结构、材料和第一小孔的间距的优化使载流气体分布更均匀，从而使源材料蒸汽运行速度更均匀，从而使源材料蒸汽均匀沉积到基板上，形成厚度均匀的镀膜。
进一步优选地，所述第一小孔的直径从进气口往下逐渐增大。
通过对小孔直径的优化可加强载流气体分布的均匀性。
作为本发明技术方案的一种优选，所述喂料模块包括源材料室、与所述源材料室相通的源材料蒸汽喷射口，面对所述载流气体模块的所述源材料室的第一侧面以及所述第一侧面的相对面分布有多个第二小孔。
所述源材料室通过位于所述蒸镀源本体外并位于所述源材料室上方的喂料机和料仓进料。
进一步优选地，所述源材料室与所述源材料蒸汽喷射口之间还设有缓冲室。
载流气体从所述载流气体分布管的侧孔喷出后流经所述源材料室的小孔壁，将源材料蒸汽带到所述缓冲室，进一步进行对流和混合，将源材料蒸汽从所述喷射口更均匀地喷射到基板上。
进一步优选地，所述源材料室的第二小孔的孔径为0.001mm～5mm。
作为本发明技术方案的一种优选，所述排气模块包括废气排气口以及与所述废气排气口相连的排气管路。
所述蒸镀源外接有真空泵与所述排气管路相连，载流气体带着少量未被使用的源材料蒸汽进入所述废气排气口，经过所述排气管路被真空泵抽出。由于所述蒸镀源一体化设计的优越性，排气管道的温度与进气口管道温度相同，所以未被使用的源材料蒸气不会在所述蒸镀源外壁形成镀膜，保证了蒸镀源外壁的清洁度和温度的稳定性。
作为本发明技术方案的一种优选，所述绝热模块由绝热板组成。
所述绝热模块的设置可以进一步提高蒸镀源内的温度均匀性，减少能量损失，降低对待镀膜的基板的温度影响。
本发明的第二技术目的是通过以下技术方案实现的：一种蒸镀镀膜装置，包括所述蒸镀源以及包围所述蒸镀源的真空腔体室。
进一步优选地，所述真空腔体室内能承受1mtorr～1atm的气压。
所述真空腔体室内的气压由外接的真空泵调节。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将组成镀膜设备的各功能模块整合在一个单体结构即蒸镀源本体中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高、镀膜均匀的蒸镀源；
2、本发明温度控制模块中的热电偶用于测量蒸镀源本体的温度，通过热电偶对温度的反馈使温度控制器和位于蒸镀源本体内的温度控制模块共同作用实现对温度的控制，温度均匀易控、镀膜均匀性好、厚度可调节性高，从而可对较大尺寸的基板镀膜；
3、本发明的真空腔体室包围所述的蒸镀源并与所述的蒸镀源共同组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀镀膜装置。
附图说明
图1是本发明蒸镀源的第一种实施例的示意图；
图2是本发明蒸镀源的第二种实施例的示意图；
图3是图2所示蒸镀源组成的蒸镀装置的工作示意图；
图4是本发明蒸镀源的温度控制模块与温度控制器连接的示意图；
图5是本发明载流气体进气模块、喂料模块、排气模块的示意图；
图6是本发明蒸镀源的载流气体分布管的示意图；
图中，1-蒸镀源；2-蒸镀源本体；3-热电偶孔；4-加热器孔；5-加热器；6-温度控制器；7-热电偶；8-载流气体分布管；81-第一小孔；9-源材料室；10-缓冲室；11-喷射口；12-基板；13-废气排气口；14-排气管路；15-真空腔体室；16-蒸镀镀膜装置；17-载流气体进气口；18-喂料机；19-料仓；20-气体流量控制器；21-真空泵；22-蒸镀源工作面；23-绝热模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一
如图1所示，蒸镀源1为一体化结构，包括温度控制模块(见图3)、载流气体进气模块(见图4和图5)、喂料模块、排气模块和绝热模块23，五个模块均位于一个蒸镀源本体2中，蒸镀源本体2为经过铸造或切割加工形成的整体结构。蒸镀源本体的材料为碳化硅陶瓷，熔融温度为2700℃、热导性为360w/mk。选择耐高温、导热性好的材料作为蒸镀源本体2的材料，并将组成镀膜设备的各功能模块整合在一个单体结构即蒸镀源本体2中，可以达到稳定均匀的温度控制，组成结构简洁紧凑、整体热导性好、熔点高、温度稳定、源材料利用率高的蒸镀源1。
在蒸镀源1中挖空一些位置如热电偶孔3、加热器孔4放置所需的模块或设备。本实施例的温度控制模块包括一个电阻加热器5和热电偶7，位于蒸镀源本体2之外设有温度控制器6，温度控制器6的两端分别与电阻加热器5及热电偶7相连。电阻加热器5放置在加热器孔4中，热电偶7放置在热电偶孔3中。当然，其他设备也是放在相应的孔中，在图中不一一列出相应的孔。
如图1所示，载流气体进气模块包括载流气体分布管8和与之相连通的载流气体进气口17，载流气体分布管8的材料为钨，熔融温度为3400℃。如图6所示，载流气体分布管8为中空管，载流气体的侧壁上分布有多个第一小孔81，上下相邻的第一小孔81的间距从进气口17往下逐渐变小，第一小孔81的直径从进气口往下逐渐增大。如图5所示，载流气体进气口17与外接的气体流量控制器20相连。
如图1和图5所示，喂料模块包括源材料室9、与源材料室9相通的源材料蒸汽喷射口11、位于源材料室9与源材料蒸汽喷射口11之间的缓冲室10，源材料室的上方连接有位于蒸镀源本体2之外的喂料机18和料仓19。面对载流气体模块的源材料室的第一侧面以及第一侧面的相对面分布有多个第二小孔，第二小孔的孔径为0.5mm。
如图5所示，排气模块包括废气排气口13以及与废气排气口13相连的排气管路14，排气管路14再依次与外接的阀门和真空泵21相连。
蒸镀源本体2为立方体结构，绝热模块23由六块绝热板组成，包围蒸镀源本体2的外表面。如图1所示，蒸镀源1只有一面具有蒸汽喷射口11，因此只有一个蒸镀源工作面22。除了需要与外界连接的地方，如载流气体进气口17和废气排气口13等，蒸镀源本体2的所有表面都被绝热材料包围。这样进一步提高单体内的温度均匀性，减少能量损失，降低对基板温度的影响。
实施例二
蒸镀源1的结构见图2，与实施例一不同的是蒸镀源1具有两个相背的蒸镀源工作面22，温度控制模块包括三对紫外加热器5和三个热电偶7，紫外加热器5和热电偶7之间连接有温度控制器6，其中3个温度控制器6均位于蒸镀源本体2之外；载流气体进气模块包括两个载流气体分布管8和两个载流气体进气口17；喂料模块包括两个源材料室9和两个喷射口11；排气模块包括两个废气排气口13和两个排气管路14。
蒸镀源本体2的材料为石墨陶瓷，熔融温度为3500℃、热导性为150w/mk。
如图3所示，蒸镀镀膜装置16包括所述蒸镀源1以及包围所述蒸镀源1的真空腔体室15。真空腔体室15内的气压由外接的真空泵21调节至0.5atm。载流气体从载流气体分布管的第一小孔喷出，流经源材料室的第二小孔的孔壁，将源材料蒸气带到缓冲空间10，进一步进行对流和混合，再经过喷射口11喷射到基板12上完成镀膜。
本发明的蒸镀镀膜装置16特别适用于源材料为金属材料和其他化合物半导体如CdS，CdTe，CIGS的镀膜。
实施例三
蒸镀源1的结构同实施例二，不同的是源材料室9与源材料蒸汽喷射口11之间无缓冲室10，蒸镀源本体材料为不锈钢，熔融温度为1400℃、热导性为70w/mk。载流气体分布管8的材料为碳化硅，熔融温度为2700℃、热导性为360w/mk。蒸镀源本体2为球形结构，绝热模块23由四块弧形绝热板组成，包围蒸镀源本体2的外表面。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (17)
1.一种蒸镀源(1)，包括温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块、排气模块和绝热模块(23)，其特征在于：所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块均设置于蒸镀源本体(2)中，所述绝热模块(23)包围所述蒸镀源本体(2)的外表面。
2.根据权利要求1所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述温度控制模块、载流气体进气模块、喂料模块和排气模块位于构成所述蒸镀源本体(2)的材料的空腔中。
3.根据权利要求1所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述蒸镀源(1)具有两个相背的蒸镀源工作面(22)。
4.根据权利要求2所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述蒸镀源本体(2)的材料熔融温度大于400℃、热导性大于20w/mk。
5.根据权利要求4所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述蒸镀源本体(2)的材料为铝、铜、不锈钢、钨、碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷或石墨陶瓷。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述温度控制模块包括加热器(5)和热电偶(7)。
7.根据权利要求6所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述加热器(5)为电阻加热器、红外加热器或紫外加热器。
8.根据权利要求6所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述温度控制模块包括多个加热器(5)和多个热电偶(7)。
9.根据权利要求1～5任一项所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述载流气体进气模块包括载流气体分布管(8)和与之相连通的载流气体进气口(17)，所述载流气体分布管(8)的材料熔融温度大于400℃，所述载流气体分布管(8)为中空管，所述载流气体分布管(8)的侧壁上分布有多个第一小孔(81)，所述上下相邻第一小孔(81)的间距从进气口往下逐渐变小。
10.根据权利要求9所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述第一小孔(81)的直径从进气口往下逐渐增大。
11.根据权利要求1～5任一项所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述喂料模块包括源材料室(9)、与所述源材料室(9)相通的源材料蒸汽喷射口(11)，面对所述载流气体模块的所述源材料室(9)的第一侧面以及所述第一侧面的相对面分布有多个第二小孔。
12.根据权利要求11所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述源材料室(9)与所述源材料蒸汽喷射口(11)之间还设有缓冲室(10)。
13.根据权利要求11所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述第二小孔的孔径为0.001mm～5mm。
14.根据权利要求1～5任一项所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述排气模块包括废气排气口(13)以及与所述废气排气口(13)相连的排气管路(14)。
15.根据权利要求1～5任一项所述的一种蒸镀源(1)，其特征在于：所述绝热模块(23)由绝热板组成。
16.一种蒸镀镀膜装置(16)，其特征在于：包括权利要求1～5任一项所述的一种蒸镀源(1)以及包围所述蒸镀源(1)的真空腔体室(15)。
17.根据权利要求16所述的一种蒸镀镀膜装置(16)，其特征在于：所述真空腔体室(15)能承受1mtorr～1atm的气压。
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