CN103502502A - 反应沉积工艺的气体系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了被配置成用于具有多个间隔开的坩埚120的反应沉积工艺的气体喷枪单元，其中在所述坩埚之间提供间隔。气体喷枪单元包括气体导管130和冷凝液导向元件140，所述气体导管130具有用于为反应沉积工艺提供气体4的一个或多个出口30，所述冷凝液导向元件140用于导向尤其是铝冷凝液的冷凝液至间隔之上的一个或多个位置。

Description

反应沉积工艺的气体系统

发明领域

本发明的实施方式涉及用于为反应沉积工艺提供气体的气体喷枪单元、反应沉积装置和反应沉积方法。本发明的实施方式特别涉及被配置成用于具有数个间隔开的坩埚的反应沉积工艺的气体喷枪单元、反应沉积工艺的蒸发装置，和操作蒸发装置的方法。

发明背景

诸如塑料薄膜或箔的柔性基板的处理在包装行业、半导体行业及其他行业中有着高的需求。工艺可包括以诸如金属－－特别是铝－－的所需材料涂布柔性基板。执行此任务的系统通常包括例如圆柱滚子的处理滚筒，所述处理滚筒耦合至用于输送基板的处理系统，且在所述处理滚筒上，基板的至少一部分被处理。卷对卷涂布系统可从而例如为包装行业提供高产量系统。例如，可以沉积如对于氧气和水蒸汽的阻挡层的透明层。

通常，诸如热蒸发工艺的蒸发工艺可用于沉积薄层金属，所述薄层金属可被金属化到诸如塑料或预涂布纸的柔性基板上。然而，蒸发工艺也可用在用于非柔性基板的其他沉积装置中，所述非柔性基板诸如玻璃基板、金属基板、晶片等等。

金属氧化物层可例如通过反应蒸发工艺而蒸发。因此，金属被蒸发且在金属蒸汽中提供诸如氧气的反应气体。蒸发方法可例如用于在基板上沉积氧化铝、氮化铝、氮氧化铝，和其他材料的相应材料。因此，较佳地在铝蒸汽中直接提供氧气或类似气体。鉴于铝蒸汽具有高反应性和侵蚀性且鉴于反应气体需要被导向而接近于铝蒸汽或甚至在铝蒸汽云之内，所以存在多种困难。即使这些困难可能对于反应性沉积的氧化铝尤为关键，但是类似困难也可能对其他沉积工艺发生，在所述其他沉积工艺中，金属或其他材料被反应性地沉积为氧化物、亚硝酸盐或其他形式。典型的进一步材料可以是Bi、Zn、Sn、In和Ag。

鉴于上文，本发明的目的在于提供改进的气体喷枪单元、改进的蒸发装置和改进的蒸发工艺，以克服本技术中的至少一些问题。

发明内容

鉴于上文，本发明提供了如独立权利要求1所述的气体喷枪单元、如权利要求6所述的蒸发装置和如独立权利要求11所述的方法。本发明的进一步方面、优点和特征是从从属权利要求、描述和附图中显而易见的。

根据一个实施方式，本发明提供了被配置成用于具有多个间隔开的坩埚的反应沉积工艺，其中间隔是在坩埚之间提供。气体喷枪单元包括气体导管和冷凝液导向元件，所述气体导管具有用于为反应沉积工艺提供气体的一个或多个出口，所述冷凝液导向元件用于导向尤其是铝冷凝液的冷凝液至间隔之上的一个或多个位置。

根据另一实施方式，本发明提供了用于反应沉积工艺的蒸发装置。蒸发装置包括：用于多个间隔开的坩埚的多个支持件，其中间隔是在所述坩埚之间提供；沉积表面，用于沉积材料到在所述沉积表面上提供的基板上；以及气体喷枪单元。气体喷枪单元包括气体导管和冷凝液导向元件，所述气体导管具有用于为反应沉积工艺提供气体的一个或多个出口，所述冷凝液导向元件用于导向尤其是铝冷凝液的冷凝液至间隔之上的一个或多个位置。因此，气体喷枪单元是在沉积表面之下提供，且气体喷枪单元具有在第一方向上延伸的长度。

根据进一步实施方式，本发明提供了操作蒸发装置的方法。所述方法包括：朝向沉积表面蒸发多个间隔开的坩埚中的材料，其中在坩埚之间提供间隔；使用气体导管将气体导向至在坩埚和沉积区域之间的蒸汽中；且导向蒸汽的冷凝液至间隔之上的位置。

实施方式还针对用于进行所公开的方法的装置且包括用于进行各所描述的方法步骤的装置元件。这些方法步骤可经由硬件元件、通过适当软件编程的计算机，或通过所述两者的任何组合或以任何其他方式进行。此外，根据本发明的实施方式还针对所述装置通过其操作的方法。所述方法包括用于进行装置的每个功能的方法步骤。

附图简述

因此，以可详细地理解本发明的上述特征的方式，可参考实施方式获得上文简要总结的本发明的更特定描述。附图涉及本发明的实施方式且附图描述在下文中：

图1图示根据本文所述的实施方式的具有气体喷枪单元的蒸发装置的示意侧视图；

图2图示根据本文所述的实施方式的具有气体喷枪单元的蒸发装置的另一示意侧视图；

图3A至图3F图示根据本文所述的实施方式的气体喷枪单元的示意图；

图4A和图4B图示根据本文所述的实施方式的气体喷枪单元与蒸发装置的操作条件的适配；和

图5图示根据本文所述的实施方式的反应性地沉积材料的方法的流程图。

实施方式的详细描述

现将对本发明的各种实施方式进行详细参考，所述实施方式的一个或多个示例图示于诸图中。在附图的以下描述中，相同元件符号代表相相同元件。通常，仅描述对于各实施方式的差异。各实例是作为对本发明的说明而提供，且各实例并不意指作为对本发明的限制。此外，图示或描述为一个实施方式的一部分的特征可用于其他实施方式或结合其他实施方式一起使用，以产生更进一步实施方式。本描述意图包括所述修改和变化。

根据一些实施方式，本发明提供了用于在基板上，例如在柔性基板上的层沉积的蒸发工艺和蒸发装置。因此，可将柔性基板视为尤其包括薄膜、箔、丝网、塑料材料条、金属或其他材料。通常，将术语“丝网”、“箔”、“条带”、“基板”等同义地使用。根据一些实施方式，可为上述柔性基板提供根据本文所述的实施方式的蒸发工艺元件、蒸发工艺装置和蒸发工艺。然而，也可结合诸如玻璃基板等等的非柔性基板提供所述蒸发工艺元件、蒸发工艺装置和蒸发工艺，所述非柔性基板经受来自蒸发源的反应沉积工艺。

图1图示具有腔室102的蒸发装置100。腔室102是通过沉积腔室106和进一步腔室104中的腔室分离单元108－－诸如腔室分离支架－－来分离。进一步腔室可以是绕线腔室，所述绕线腔室被配置成用于缠绕和解旋柔性基板1。如图1中所示，可从解旋滚子22提供柔性基板1且可将柔性基板1缠绕到绕线滚子24上。基板在处理滚筒28上由数个进一步滚子26导向。根据典型的实施方式，处理滚筒28可以是冷却滚子，其中基板1在沉积腔室106之内的处理区域中在处理期间冷却。

用于处理基板的系统和方法的示例性实施方式在上文中详细地描述。系统和方法不限于本文所述的特定实施方式，而是可独立地且与本文所述的其他元件和／或步骤分开地利用系统的元件和／或方法的步骤。例如，诸如STS滚子和涂布器滚子的丝网导向滚子的不同组合可被布置在第一滚子和处理滚筒的上游。

在处理腔室之内的真空腔室部分可设置有入口，所述入口适合于促进引导基板到腔室中，同时保持在所述腔室中的真空条件。或者，包括解旋和绕线滚子的整个卷对卷系统可被包含在真空腔室中。

在示例性实施方式中，提供涂布单元用于以涂布材料膜涂布柔性基板，以便可制造柔性基板。根据可与本文所述的实施方式中的任一实施方式结合的不同实施方式，涂布可以是热蒸发或电子束蒸发。涂布单元可例如由交错的小舟式蒸发器(boat evaporator)组成，以便促进涂布层的改进的均匀性。

在处理腔室106之内，提供数个坩埚120以便蒸发材料，所述材料诸如铝、铋、锌、锡、铟、银、这些材料的合金，等等。在图1中，坩埚120是以虚线图示以便说明并没有在图1中所示的横截面中提供坩埚。此情况将在下文中参照图2进一步详细描述。在处理滚筒28之下且在坩埚120之上提供气体导管130。因此，诸如氧气的反应气体4可被直接导向到处理区域，在所述处理区域中提供材料蒸汽。通常，气体导管具有一个或多个开口，所述一个或多个开口将反应气体朝向沉积区域引导，材料在所述沉积区域中沉积在基板1上。

然而，气体导管130通常处于比待沉积的材料的蒸发温度低的温度，因此，待沉积的材料的冷凝可发生在气体导管130处。在操作不久之后，蒸发材料的冷凝液将开始滴下。通常，对于利用数个坩埚的蒸发工艺，冷凝液滴落到坩埚中产生蒸发速率的不想要的偏差，且因此产生沉积在基板上的层的层厚度中的不想要的偏差。在气体导管上的冷凝也可对其他沉积工艺发生。然而，因为诸如液态铝的较大量的液态材料，具有待沉积材料的大储存器的沉积工艺通常在蒸发速率中具有较少偏差。因此，需要尤其避免对于来自数个坩埚的蒸发工艺的在气体导管处的冷凝液形成和冷凝液滴落，在所述数个坩埚中在每一坩埚中蒸发有限量的铝。

鉴于上文，根据本文所述的实施方式，提供了具有气体导管130和冷凝液导向元件140的气体喷枪。冷凝液导向元件140至少部分地在气体导管130之下提供。例如，冷凝液导向元件140可部分地或完全地提供在气体导管130和坩埚120之间。如图1中所示，提供气体导管支持件142。因此，气体喷枪单元可以在保持构件146处的棒144支持。因此，棒件144和／或气体喷枪单元可相对于腔室102的位置被支持。

图2中所示的侧视图图示冷凝液导向元件140的进一步细节。冷凝液导向元件140是完全地或至少部分地在气体导管130之下提供，且冷凝液导向元件140具有突起部141。因此，在气体导管130上和冷凝液导向元件140上形成的冷凝液被朝向突起部141导向。在操作期间，突起部141位于在坩埚120之间的间隔之上或中间。通常，气体导管和冷凝液导向元件将在操作期间具有高于材料的熔化温度且低于材料的蒸发温度的温度。因此，材料的冷凝液可朝向突起部141流动。从而，待沉积的材料的冷凝液在坩埚之间滴落，且所述冷凝液可例如收集在冷凝液箱150中。因此，所沉积材料的冷凝液的滴落不发生到坩埚120以及所述坩埚120中的熔化材料中。因此，坩埚的沉积速率不受影响和／或可以避免液态材料的飞溅。

如在图2中可见，处理滚筒28可在处理期间围绕轴29旋转以输送基板通过沉积区域，在所述沉积区域中，来自坩埚120的蒸汽材料2在与来自基板上的气体入口管130的气体反应之后被提供。根据典型的实施方式，处理滚筒长度至少为基板宽度的105％。

根据典型的实施方式，柔性基板包括但不限于CPP薄膜(即，铸造聚丙烯(castingpolypropylene；CPP)膜)、OPP膜(即，定向聚丙烯(oriented polypropylene；OPP)膜)，或PET膜(即，定向聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate；PET)膜)。或者，柔性基板可以是预涂布纸、聚丙烯(polypropylene；PP)膜、PEN膜、聚醋酸乳糖酶(poly lactaseacetate；PLA)膜，或PVC膜。根据典型的实施方式，柔性基板具有低于50μm的厚度，或者，更具体地说，5μm的厚度，或者，甚至更具体地说2μm的厚度。例如，柔性基板可以是20μm的OPP基板或12μm的PET基板。本文所述的实施方式还设想柔性基板是超薄膜，所述超薄膜具有2μm或更低的厚度，例如0.7μm的厚度。根据典型的实施方式，系统的元件取决于柔性基板被适当地配置，以便基板可被如本文所述地处理。

根据典型的实施方式，可在坩埚120中提供铝。铝可例如通过热蒸发或通过电子束蒸发而蒸发。铝蒸汽是由元件符号2表示。鉴于气体导管130和冷凝液导向元件140的温度低于铝的蒸发温度这个事实，铝将在气体喷枪单元处冷凝。进一步鉴于气体喷枪单元的温度高于熔化温度这个事实，铝可朝向冷凝液导向元件的三角形部分的突起部流动，以使得冷凝液可滴入冷凝液箱150中。突起部是位于坩埚120之间的间隔之上。因此，冷凝液的滴落不影响坩埚120之内的蒸发。

根据本文所述的典型实施方式，在蒸汽云内提供气体喷枪单元130。因此，反应气体的重要部分－－诸如氧气－－可在工艺中被约束。因此，可在腔室之内提供相对低的工艺压力。根据可与本文所述的其他实施方式结合的典型实施方式，可以提供1×10^-3毫巴或更低，例如1×10^-4毫巴或更低的工艺压力。相对低腔室压力可例如在用于封装应用等的透明层的沉积期间引起阻挡层属性的改进。因此，本文所述的实施方式可用于具有例如在400nm至700nm的波长下，在10％和100％之间的光透射的透明阻挡层。

图3A和图3F图示如本文所述的气体喷枪单元的典型实施方式。如图3A和图3B中所示，气体喷枪单元130可具有实质上圆形的横截面，所述横截面具有用于将反应气体在处理区域之内或朝向处理区域导向的开口30。根据可与本文所述的其他实施方式结合的典型实施方式，反应气体可选自由以下气体组成的组：氧气、氮气、NH₃，和上述气体的组合。根据更进一步实施方式，通常诸如氩气的惰性气体的额外气体可被添加到包含反应气体的气体混合物中。因此，通常可更加轻易地控制反应气体量。

冷凝液导向元件140可具有形成突起部的数个三角形元件。通常，三角形部分可以是等腰三角形。图3A是图3B的位置A-A处的横截面。提供用于使气体导管130支持在气体导管支持构件142中的气体导管支持构件142。此外，气体导管可在气体喷枪单元的一个或多个位置处通过固定元件342固定到气体喷枪单元。在气体导管130中，提供用于沿着气体导管130提供诸如氧气的反应气体到不同位置的开口30。

与图3A和图3B相比，图3C中所示的气体喷枪单元具有气体导管130的矩形横截面。冷凝液导向元件140包括数个突起部141，所述突起部141可以例如是由凹部形成的若干凹槽的尖部。突起部也可以是波形形状的部分。气体喷枪单元包括气体导管支持件142，气体导管130在所述气体导管支持件142中被支持。可朝向尖部141导向在操作期间形成的冷凝液。冷凝液可从尖部滴落，所述尖部被配置成定位在坩埚之间的空间之上且所述尖部向下而不使冷凝液滴落在坩埚中。坩埚中的滴落可引起蒸发速率的波动和／或液态铝在装置之内的飞溅。

相对于图3D和图3F所述的气体喷枪单元具有冷凝液导向元件140，所述冷凝液导向元件140具有形成突起部的尖峰部分341。冷凝液导向元件被固定到气体导管130的下部。

根据本文所述的一些实施方式，气体喷枪单元可通过具有软管或管道来形成。在气体喷枪单元的下部，提供具有突起部的冷凝液导向元件。冷凝液导向元件可以作为排水板提供，用于将液态形式的冷凝液导向到预定位置。排水板的突起部或尖峰被配置成用于使在操作期间的位置位于空间之上或之内，所述空间形成在数个坩埚的各个坩埚之间。因为，在操作期间，气体喷枪单元的温度通常在将蒸发的材料(例如，铝)的熔化温度之上，所以液态铝被导向离开位于坩埚之上的中心，从而被导向离开各个坩埚的蒸汽云的中心位置。过剩材料可滴落在坩埚之间的空间，例如在坩埚之下的冷凝液箱中，而不具有影响坩埚操作的飞沫。

如本文所述，气体喷枪单元通常包括气体导向管和诸如排水板的冷凝液导向元件，所述冷凝液导向元件用于将材料的冷凝液朝向预定位置导向，如此避免冷凝液滴落在蒸发坩埚中。通常，冷凝液导向元件和软管支持构件可整体地形成，例如焊接在一起。气体导管可通过支持构件来支持且气体导管可例如通过固定构件－－参见例如固定构件342－－来保持，所述固定构件可被焊接到软管支持构件。可替代地或另外地提供除了焊接以外的固定手段。然而，必须考虑到应简化定期维护。如果例如铝被蒸发，那么铝蒸汽具有高侵蚀性且气体管将具有儿天至儿周的寿命周期。例如，可能需要每半周至两周，例如每周，更换气体导管。此外，排水板需要每一至四周，例如每两周被更换。需要提供固定手段以持续至少相应时间段。在维护期间，可例如从处理腔室移除气体喷枪单元。固定构件342可以是未焊接的，且气体导管可从气体导管支持件移除。其后，新的气体导管可被固定到气体导管支持件和包括排水板的气体喷枪单元，支持件和气体导管可被重新插入在沉积腔室中。在后续维护步骤期间，气体导管和排水板两者可更换。按照蒸发区域中的大致操作条件，气体导管、排水板(即，冷凝液导向元件)和气体导管的支持件可由选自以下材料组成的组的材料制成：钢、不锈钢、铜、钛、钽、铌，和上述材料的组合。

相对于图4A和图4B图示本发明的实施方式的进一步方面。如先前图1中所示，气体喷枪单元可通过棒件144支持，所述棒件144被固定到保持构件146。保持构件可被布置在腔室外壳部分处或布置在腔室内的框架处。根据典型的实施方式，沉积区域中的温度可在400℃至1000℃的范围内。因此，在操作期间的气体喷枪单元的温度可在400℃至800℃的范围内。因此，可发生气体喷枪单元的延伸。根据典型的实施，延伸可以是从1％到4％。约2.5m的气体喷枪单元可从而改变所述气体喷枪单元的长度达约3cm至10cm。

图4A图示蒸发装置的一部分。可看见处理滚筒28的下部。此外，在处理滚筒28之下的腔室102内提供坩埚120。在处理滚筒之下且在坩埚之上提供气体导管130和冷凝液导向元件140。图4A图示第一保持构件144和进一步保持构件444。第一保持构件基本上布置在中间位置。根据典型的实施方式，第一保持构件可被布置在气体喷枪单元的长度的中心第三部分。如箭头445所示，外部保持构件可沿气体喷枪单元的较长轴方向移动。如相对于图1所述，保持构件可通常具有棒件和构件，所述构件用于将棒件固定到框架部分的外壳部分。

在图4A之内，图示在操作条件之下的装置。因此，突起部是基本上位于在数个坩埚120的各个两个坩埚之间的空间之上。图4A图示在一条件中的系统，在所述条件中在室温下提供气体喷枪单元。因此，气体喷枪单元与高温操作条件相比较短，以使得些突起部可处于冷却状态中而事实上位于坩埚之上。为了最小化此效应，接近于气体喷枪单元的中心提供固定支座且使外部支持件沿着单位长度的方向可移动是有利的。

如上所述的实施方式主要是指柔性基板的卷对卷处理，在所述处理中，在处理滚筒之下提供反应蒸发工艺。鉴于蒸发温度，通常可利用经冷却的处理滚筒。因此，可在箔、丝网、薄膜、涂布纸或其他柔性基板上提供例如AL₂O_x的阻挡层。此阻挡层通常用于串联阻挡层涂布，例如封装应用。然而，根据本发明的实施方式也可应用于其他反应沉积工艺。例如，使用蒸发材料的氧化物、氮化物和氮氧化合物对玻璃基板或其他基板的涂布也可利用本文所述的实施方式。通常，实施方式可用于类似金属的材料的蒸发，在所述蒸发中，反应气体是以蒸汽云的形式在气体组件中提供，即气体组件位于蒸发器之上。

根据更进一步实施方式，提供了操作蒸发装置的方法，尤其用于反应蒸发工艺的方法。在图5中图示示例性流程图。在步骤502中，蒸发将沉积在基板上的材料。具体地说，材料可在数个间隔开的坩埚中沉积或使得在蒸发区域之间存在间隔。在步骤504中，例如氧气的反应气体在反应区域中被导向以便与蒸发材料反应。反应气体通过气体导管导向，所述气体导管至少部分地位于坩埚之上。在步骤506中，在气体导管上或对应于气体导管的另一元件，即气体喷枪单元的元件上形成的冷凝液被导向到对应于在蒸发区域之间的间隔的位置。

冷凝液被导向以使得无到蒸发区域中的滴落可发生或以使得在蒸发区域中的滴落减少。通常，在坩埚之间的空间之上提供用于滴落的突起部。根据其他实施方式，突起部也可在间隔之间向下延伸或甚至延伸到坩埚之下。根据本文所述的实施方式，蒸发材料的冷凝液被导向到各个位置，以使得可以避免或减少冷凝液在蒸发区域中的滴落。

虽然前述内容是针对本发明的实施方式，但是可在不背离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其他和进一步实施方式，且本发明的范围是由以上权利要求书所决定。

Claims (12)

1.一种被配置成用于具有多个间隔开的坩埚(120)的反应沉积工艺的气体喷枪单元，其中在所述坩埚之间提供间隔，所述气体喷枪单元包含：

气体导管(130)，具有一个或多个出口(30)，用于为所述反应沉积工艺提供气体(4)；以及

冷凝液导向元件(140)，用于导向尤其是铝冷凝液的冷凝液至所述间隔之上的一个或多个位置。

2.如权利要求1所述的单元，其特征在于，所述冷凝液导向元件包含在所述一个或多个位置处的突起部(141；341)。

3.如权利要求1至2中任一项所述的单元，其特征在于，所述冷凝液导向元件包含具有一个或多个突起部的排水板，尤其其中所述排水板是选自以下各者组成的组：具有形成所述突起部的三角形部分的排水板、具有形成所述突起部的波状部分的排水板、具有形成所述突起部的尖峰部分的排水板，和具有为上述形状部分的组合的部分的排水板。

4.如权利要求1至3中任一项所述的单元，其特征在于，所述冷凝液导向元件(140)进一步包含：

气体导管支持件(142)，以使得所述气体导管在所述冷凝液导向元件上被支持。

5.如权利要求4所述的单元，其特征在于，所述气体导管支持件具有凹槽，用于使所述气体导管至少部分地嵌入到所述凹槽中。

6.一种用于反应沉积工艺的蒸发装置(100)，包含：

用于多个间隔开的坩埚(120)的多个支持件，其中在所述坩埚之间提供间隔；

沉积表面，用于沉积材料到在所述沉积表面上提供的基板上；以及

如权利要求1至5中的任一项所述的气体喷枪单元，其中所述气体喷枪单元是在所述沉积表面之下提供且所述气体喷枪单元具有在第一方向上延伸的长度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述沉积表面是涂布滚筒(28)的表面，所述涂布滚筒(28)具有基本上在所述第一方向上延伸的旋转轴，且其中所述一个或多个位置是基本上沿着所述第一方向提供。

8.如权利要求6至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述气体喷枪单元是在安装支架(144)处被支撑，所述安装支架(144)是相对于所述第一方向提供在所述气体喷枪单元的中间区域，所述安装支架(144)尤其是相对于所述第一方向基本上在所述气体喷枪单元的中心提供。

9.如权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述一个或多个位置中的一个或多个是在室温下相对于所述相应间隔偏移且在操作温度下位于所述间隔之上。

10.如权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，进一步包含：

冷凝液箱(150)，提供在所述多个间隔开的坩埚的所述多个支持件之下且被配置成用于在操作期间收集滴落的冷凝液。

11.一种操作蒸发装置的方法，包含：

朝向沉积表面蒸发多个间隔开的坩埚(120)中的材料，其中在所述坩埚之间提供间隔；

使用气体导管(130)将气体(4)导向到所述坩埚和沉积区域之间的蒸汽(2)中；和将所述蒸汽的冷凝液导向到在所述间隔之上的位置。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包含：

收集向下滴落在所述间隔之内或之下的所述位置处的冷凝液。

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