CN103906856A - 用于通过真空蒸发沉积薄膜的装置的喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过真空蒸发沉积薄层的装置的喷射系统，所述喷射系统包括用于接纳待蒸发材料源的容器、用于加热所述容器从而能蒸发所述材料的装置、至少一个喷射架，所述喷射架包括与所述容器链接以接纳来自所述容器的所述蒸发材料的内导管和多个喷嘴，各喷嘴包括位于所述内导管和所述架外部之间的连通通道从而将所述蒸发材料注入所述真空蒸发室中。根据本发明，所述喷射架包括多个沿纵向彼此机械串联连接的喷射模块，各喷射模块包括多个喷嘴，且所述喷射架包括用于调节所述喷射模块围绕所述纵向的定向以使所述喷嘴沿与所述喷射架的纵向平行的线对准的装置。

Description

用于通过真空蒸发沉积薄膜的装置的喷射系统

本发明涉及一种用于真空蒸发沉积(也称为PVD，物理气相沉积)设备的喷射系统。

已知用于真空沉积由固体材料源蒸发的材料的设备。该类设备尤其用于在大基材上生产薄层叠层。例如，该类设备用于生产CIGS(铜铟镓硒)型太阳能面板或OLED(有机发光器件)型二极管。PVD真空沉积设备通常包括与真空沉积室相连的蒸发源。所述蒸发源可蒸发或升华材料，所述以气态形式送入真空沉积室中，在该室中沉积在基材上。

已知的真空沉积设备通常包括位于蒸发源和基材之间的喷射器。所述喷射器可使蒸发的材料扩散以获得在大基材上的均匀沉积。所述喷射器的几何结构取决于基材的形状和尺寸。对大的矩形基材而言，使用由具有开口的长导管形成的喷射器(也称为喷嘴)来使蒸发的材料沿喷射器均匀扩散。喷射器的长度至少与基材的宽度或长度相等。基材和喷射器之间的相对运动允许在非常大的基材(大于1m²)上沉积。

具有沿喷射器设置的喷嘴的喷射器也是已知的。各喷嘴通常包括将所述喷射器的内导管与真空沉积室连接的通道。喷嘴的形状和尺寸可适应流动速率以及蒸发材料在基材表面上的流动分布。

可对真空蒸发室加以设置以允许在单一基材上或者在置于同一沉积室中的数个基材上沉积。然而，基材尺寸的改变或待加工基材的数量通常要求对喷射器做出改变以使得其适于基材的构造，且避免在真空沉积室中在基材外沉积所造成的材料损失。

在这种情况下，必须具有数个各自适应特定构造的喷射器。因此，例如提供与基材宽度一样多的喷射器。但各喷射器很昂贵。此外，需要定期清洁喷射器以避免该喷射器和/或喷嘴中的内部涂层的累积。该清洁操作需要使所述真空沉积机器停车，该停车时间必须尽可能短。

本发明的一个目的是确保通过PVD以良好质量沉积薄层，包括在1.5-1.8m宽度上的层的厚度均一性和物理-化学组成。

希望真空蒸发沉积室的构造可更容易地改变以接纳不同尺寸的基材，而不提高该设备的成本。

还希望使真空蒸发室的停车时间最短以提高该蒸发设备的效率。

本发明的目的是克服现有技术的缺点，且更特别地涉及一种用于通过真空蒸发沉积薄层的设备的喷射系统，意欲将所述喷射系统置于真空蒸发室中，且所述喷射系统包括用于接纳待蒸发材料的容器、适于蒸发所述材料的容器加热装置、至少一个包括与所述容器连接以接纳来自所述容器的所述蒸发的材料的内导管和多个喷嘴的喷射架(rampe)，各喷嘴包括至少一个位于所述内导管和该架外部之间的连通通道以使得将蒸发的材料扩散至所述真空蒸发室中。

根据本发明，所述喷射架包括多个沿纵向彼此机械串联连接的喷射模块，各喷射模块包括多个喷嘴，且所述喷射架包括用于调节所述喷射模块围绕所述纵向的方向从而使得所述喷射模块的所述喷嘴沿与所述喷射架的纵向平行的线对准的装置。

根据本发明的一个特定实施方案，所述喷射模块呈圆柱状，其中喷射模块的喷嘴设置于所述圆柱的母线上。

根据本发明的不同方面：

-所述喷射模块具有相同的结构，所述喷射架进一步包括适于紧密封闭喷射架末端的闭合模块；

-所述容器由至少一个适于固定在所述喷射架的第一开放端的第一喷射模块上的第一圆柱状容器模块和/或适于固定在所述喷射架的第二开放端的最后喷射模块上的第二圆柱状容器模块构成；

-所述喷射模块的材料为下述材料中的一种：氧化铝(Al₂O₃)、石墨碳、玻璃化炭黑、涂覆有热解石墨的碳、纯化的碳、涂覆有碳化硅的碳或热解氮化硼(或PBN)。

根据本发明实施方案的不同方面，所述喷射系统进一步包括：

-至少一个压缩密封垫，所述密封垫适于确保在压缩时喷嘴对准；

-所述至少一个密封垫由柔性石墨制成；

-所述至少一个密封垫位于两个相邻的喷射模块之间和/或位于所述容器模块与第一喷射模块之间和/或位于最后的喷射模块和闭合模块之间；

-与各喷射模块和/或容器模块相连的独立加热装置，所述加热装置包括两个适于分别包封所述喷射模块、所述容器模块的半圆柱形半壳；

-围绕所述加热装置设置的热保护装置和围绕所述热保护装置设置的冷却装置；

-框架和用于将所述多个喷射模块和/或所述容器模块固定至所述框架上的机械装置；

-所述框架包括一个或数个直条，其中安装所述固定装置以使得能沿所述条滑动。

本发明还涉及一种喷射系统，其包括多个根据所述实施方案之一的喷射架，所述喷射架的纵轴彼此平行设置，以使得材料均匀共蒸发。

本发明特别有利地用于真空蒸发沉积系统用喷射设备中，尤其是用于生产OLED。

本发明还涉及如下特征，所述特征将由下文描述变得更清楚且必须独立或根据其技术上可能的组合加以考虑。

以非限制性实例方式给出的该描述能使得在参照附图下更好地理解本发明，在所述附图中：

-图1以正视图和纵剖面显示了本发明第一实施方案的喷射架；

-图2以底视图和纵剖面显示了本发明第二实施方案的喷射架；

-图3以正视图、侧视图、轴向剖面和纵剖面显示了喷射架；

-图4显示了用于包封本发明具体实施方案的喷射架模块的热壳；

-图5示意性地显示了根据具体实施方案，在容器安装/拆卸过程中，喷射架的透视图；

-图6示意性地显示了根据另一具体实施方案，在容器安装/拆卸过程中，喷射架的透视图；

-图7以侧视图示意性地显示了基于分别使用单一喷射架来进行单蒸发和使用两个和三个喷射架来进行共蒸发的不同沉积设置。

本发明涉及一种用于真空蒸发沉积系统的喷射架，所述喷射架适于接纳由蒸发源蒸发的材料。所述架以本来已知的方式包括具有多个喷嘴的扩散器以将蒸发的材料扩散至真空沉积室中。图1-6中未示出其中放置有基材和喷射架的蒸发室。

图1示意性地显示了根据本发明第一实施方案的喷射架。图1的右侧部分显示了喷射架1的正视图。图1的左侧部分以沿AA'方向的纵剖面显示了希望在其上沉积材料的基材10和喷射架1。作为插图，图1的左侧部分显示了所述架的横截面视图细节的放大图。

首先，将详细描述图1喷射架的正视图。所述喷射架沿纵轴5延伸。喷射架1包括用于容纳待蒸发材料的容器模块4。待蒸发的材料可呈不同形式(液体、固体、粉末……)。特别地，所述容器用于蒸发下述材料：银(Ag)、镁(Mg)、镓(Ga)、铟(In)、氟化锂(LiF)、硫化铟(In₂S₃)、锌(Zn)、镉(Cd)、锡(Sn)、铝(Al)或铜(Cu)。根据图1的实施方案，喷射架1主要用于垂直安装。在这种情况下，容器模块4位于所述架的下端以通过重力容纳未蒸发的材料。在图1所示的实例中，所述容器模块与所述架对准。然而，容器模块4可根据操作(卧式或立式)、待蒸发的材料、所述喷射系统的生产时间或者还有待蒸发材料的消耗而具有特定的几何结构、部署(与纵轴5成直线、45°、90°)或者还有容量(长度、直径)。

喷射架1还包括数个串联安装的喷射模块2a、2b、2c、2d、2e。所示实例包括5个喷射模块。然而，喷射模块的数量当然没有限制。第一喷射模块2a固定在容器模块4上。喷射模块2b固定在喷射模块2a上。同样地，喷射模块2c固定在喷射模块2b上等。最后，闭合模块6固定在喷射模块2e上。因此，与容器模块4相对的架1末端被闭合模块6相对于所述待蒸发材料的蒸气紧密闭合。闭合模块6可集成至末端喷射模块中以形成仅一个在一端闭合的喷射模块。形成所述架的不同喷射模块可彼此固定，例如通过嵌套或螺纹固定。所述喷射模块可围绕其轴定向以允许对各喷射模块进行角度调节。该方向调节能确保喷嘴沿所述架对准，该对准对涂覆质量而言是重要的。在所述喷射模块彼此螺纹连接的情况下，各喷射模块包括适配螺纹7。在加工模块期间，螺纹的起始位置相对于喷嘴位置控制，这导致粗略对准，精细对准由密封垫的压缩确保。优选地，密封垫8位于两个喷射模块之间。所述垫确保相对于真空蒸发室的紧密固定，同时允许调节喷射模块的方向。

从图1的剖面图可以观察到，容器模块4和喷射模块2a、2b、2c、2d、2e为管状和空鼓(creuse)状。所述喷射模块为圆柱状，所述喷嘴在所述圆柱体的母线上对准。根据优选实施方案，所述喷射模块具有几乎为圆形的截面，但包括带有喷嘴的平面。

喷射模块2a通过中心孔与容器4连通。喷射模块2b也通过中心孔与喷射模块2a连通，等等，并连通喷射模块2e和闭合模块6。此时，来自所述容器的蒸发材料可在所述喷射架的所有模块内自由扩散至闭合模块。所述喷射架的不同模块的内径足以使得其传导性确保低或可忽略不计的物料损失，因此确保在各喷嘴上的相同流动。

各喷射模块2a、2b、……2e具有多个喷嘴3。喷嘴3通常包括将所述架的内部与蒸发室连接的通道，以允许蒸发材料向基材10扩散。优选地，不同模块的喷嘴3沿与所述架的轴5平行的轴对准。根据示例性实施方案，各喷射模块2包括约20个喷嘴3。根据优选实施方案，所述喷嘴以相继喷嘴之间的恒定间距分布，从而获得喷嘴3沿与轴5平行的轴在空间上均匀分布。根据优选实施方案，各喷嘴由附加构件构成，例如与喷射模块螺纹连接。在这种情况下，喷嘴可与具有不同开口的喷嘴互换。因此，可根据喷嘴3的位置沿架1放置具有不同开口的喷嘴3，从而调节在基材10整个表面上的沉积分布。根据示例性实施方案，喷射模块2a的长度等于400mm，通过围绕纵轴旋转而获得的定向精度低于2°，喷嘴间的距离等于20mm，且螺纹7的延伸长度为10mm。

优选地，所述喷射模块、闭合模块和/或容器模块由在所需蒸发温度下具有与待蒸发材料化学相容的材料制造。例如，所述喷射模块、容器模块和/或闭合模块的材料可为碳、石墨、热解石墨、玻璃化炭黑、氮化硼、氧化铝……。在相邻两个模块之间插入由柔性石墨制成的厚度为1mm量级的密封垫8以确保密闭性，还允许调节不同喷射模块2a、2b……的方向，因此允许喷嘴3对准。

因此，正如上文所详述的那样，架1由串联连接的不同模块构成以形成沿轴5的直线单元：容器模块、喷射模块和闭合模块。喷射模块的数量决定了所述架的长度决定且可容易地重新设置。

图2显示了喷射架的第二实施方案，其特别地显示了用于沿轴5水平安装的喷射架。图2的右侧部分显示了喷射架1的底视图。图2的左侧部分以沿剖面AA'的纵剖图显示了希望沉积材料的基材10和喷射架1。作为插图，显示了所述架的剖面图细节的放大图。相同的附图标记表示与图1相同的构件。图2的架也包括容器模块4、数个串联安装且具有喷嘴3的喷射模块2a、2b、2c、2d、2e，和闭合模块6。作为插图，显示了位于容器模块4和第一喷射模块2a之间的中间模块的剖面图。所述中间模块一方面固定在所述容器的开孔上，另一方面固定在第一喷射模块2a上。中间模块9包括部分封闭所述架的内孔的内壁以将未蒸发的材料容纳于所述容器中。所述内壁包括用于使蒸发材料流动(在图2的插图中以箭头示意性显示)的开孔。该具有内壁的中间模块9特别适于容器模块水平对准的情况，以允许未蒸发的材料保持在容器模块4内。所述中间模块可通过围绕所述架的轴5旋转而定向，从而使得所述内壁的开孔位于所述架的上部，如所述插图所示，此时喷嘴方向朝上。

图3显示了具有加热装置以允许蒸发并扩散材料的喷射架的不同视图。在图3中间以正视图、在图3左侧以侧视图、在图3右侧以沿轴5的纵剖面视图且在图3的左侧上部以沿横截面BB'的轴向剖面图显示了架。所述架包括如图1所述的不同模块，尤其是容器模块4、数个喷射模块2a……2e和末端模块6。容器模块4以及各喷射模块被热壳包封。各热壳具有与其包封的容器模块或喷射模块相同的长度。在正视图和侧视图上观察到呈盘管16形式以循环冷却流体如水的热壳的外部冷却装置。所述喷射架安装在包括两个圆柱条11的框架上，所述条11彼此平行且与所述架的轴5平行。所述架1借助固定片13固定在所述框架上。有利地，固定片13可通过沿条11的轴滑动而调节。

优选地，热壳由两个通常为半圆柱状且用于包封外部形状同样为圆柱的架的半壳构成。所述形成热壳的两个半壳相对于通过该架的纵轴5的平面对称。图4显示了根据具体实施方案用于包封喷射架模块的热半壳的正视图、后视图和透视图。半壳17包括位于其内面上的细丝14以用于通过辐射加热所述架的模块。细丝14可将所述喷射架加热至可达1200-1500℃的温度。半壳17包括位于细丝14两端的电接头14a、14b。因此，各热半壳可独立于其他半壳地与电源连接。各热半壳也可与其他热半壳串联连接至单一电源上。所述细丝由热保护体15与所述架的环境隔绝。置于壳17外部上的水冷却系统16能降低所述架的外部温度。冷却系统16包括用于将半壳的冷却回路的两端流体连通的接头16a、16b。然后，各热半壳可独立于其他热半壳地与冷却水源链接。各热半壳也可与其他热半壳串联连接至单一的冷却水源。

一旦所述材料被消耗，则需要填充所述容器模块。可能必须置换所述容器以维持操作。图5示意性地显示了根据具体实施方案在安装/拆卸容器期间的喷射架的透视图。在该实施方案中，拆卸包封所述容器模块的两个热半壳17。由此接近容器模块4。所述容器模块通过嵌套或借助螺纹7螺纹连接在第一喷射模块2a上。该系统允许将所述喷射架保持在蒸发室中。此外，可非常快速地改变所述容器。

图6示意性地显示了根据另一具体实施方案在安装/拆卸容器期间的喷射架的透视图。在这种情况下，不拆卸包封所述容器模块的热半壳，而是简单地通过松开固定片13，然后通过使所述热半壳沿所述框架的条11滑动而置换。所清空的空间允许接近所述容器、填充或置换所述容器。在重新组装期间，足以将容器模块4固定在第一喷射模块2a上，且使壳17沿条11滑动，从而使得其包封容器模块4。所述固定片可由螺纹保持。

还可设想地是在不拆卸所述容器模块或热壳下填充所述容器。例如，可仅拆卸末端模块6而不拆卸热壳。然后可在所述喷射架的另一端借助合适的装置如喂料口或“装料管”填充所述容器。另一解决方案包括在喷射架中由相对于所述容器模块的一端滑动敞开的容器(通常称为“舟”)。该后一构造似乎更适于卧式操作的架。该容器含有待蒸发的容器。

所述框架确保整个喷射架1的刚性。此外，所述框架允许所述喷射架与输送系统连接以使所述架产生相对于大基材的运动。最后，所述框架允许一个或数个喷射架相对于基材平面容易地定向。因此，图7示意了不同的沉积设置。在图7的顶部示意了用于由材料容器单一蒸发的单一喷射架。图7的中间显示了具有两个喷射架1和1'的系统。所述两个喷射架1、1'各自包括其合适的材料容器。该具有两个喷射架的系统能容易地共沉积不同的材料，将所述材料同时沉积至基材上。各架的条11允许通过围绕条的简单旋转而使各架定向，例如以相对于基材法线呈对称的方式定向。所述两个架有利地具有相同的长度、彼此平行且与基材平面平行，这能获得在架1和1'的整个长度上均匀共蒸发。类似地，图7的底部显示了具有三个喷射架1、1'、1"的系统。所述三个喷射架1、1'、1"各自包括其材料容器，从而允许共蒸发三种不同的材料，同时沉积在基材10上。有利地，所述三个架具有相同的长度、彼此平行设置且与基材10的平面平行，从而获得均匀的共蒸发。

通过组装不同模块(喷射模块、容器模块)而构造喷射架允许容易地适应待加工基材的尺寸，尤其是具有大尺寸的基材。具有特定长度的架的制造基于组装预定数量的喷射模块，但不需要研究也不需要特殊工具，因此成本较低。另一方面，所述容器模块易于装载和卸载，这能减少该设备的停车时间，因此提高真空蒸发机的效率。所述喷射架的直线构造允许用两个或三个或者甚至更多个喷射架实现均匀共蒸发设置。

Claims (11)

1.一种用于通过真空蒸发沉积薄层的设备的喷射系统，其中意欲将所述喷射系统置于真空蒸发室中，且所述喷射系统包括：

-用于接纳待蒸发材料的容器(4)；

-适于蒸发所述材料的容器加热装置；

-至少一个喷射架(1)，其包括与容器(4)连接以接纳来自容器(4)的蒸发的所述材料的内导管和多个喷嘴(3)，其中各喷嘴(3)包括至少一个位于所述内导管和所述架外部之间的连通通道以使所述蒸发的材料扩散至所述真空蒸发室中；

其特征在于：

-喷射架(1)包括多个沿纵向(5)彼此机械串联连接的喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)，各喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)包括多个喷嘴(3)，且

-所述喷射架(1)包括用于调节所述喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)围绕所述纵向(5)的方向以使所述喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)的所述喷嘴(5)沿与喷射架(1)的纵向(5)平行的线对准。

2.根据权利要求1的喷射系统，其中所述喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)呈圆柱体形状，所述喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)的喷嘴(3)设置于所述圆柱体的母线上。

3.根据权利要求2的喷射系统，其中所述喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)具有相同的结构，所述喷射架进一步包括适于将该喷射架末端紧密闭合的闭合模块(6)。

4.根据权利要求1-3中任一项的喷射系统，其中所述容器由至少一个适于固定在所述喷射架的第一开放端的第一喷射模块上的第一圆柱状容器模块(4)和/或适于固定在所述喷射架的第二开放端的最后喷射模块上的第二圆柱状容器模块。

5.根据权利要求1-4中任一项的喷射系统，其中喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)的材料为如下材料中的一种：氧化铝(Al₂O₃)、石墨碳、玻璃化炭黑、涂覆有热解石墨的碳、纯化的碳、涂覆有碳化硅的碳或热解氮化硼。

6.根据权利要求1-5中任一项的喷射系统，进一步包括设置在两个相邻的喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)之间和/或在容器模块(4)和第一喷射模块(2a)之间和/或在最后喷射模块(2e)和闭合模块(6)之间的至少一个压缩密封垫，所述至少一个密封垫适于在压缩时确保所述喷嘴对准。

7.根据权利要求1-6中任一项的喷射系统，进一步包括与各喷射模块连接和/或与所述容器模块连接的独立加热装置(14)，所述加热装置(14)包括两个适于分别包封所述喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)、所述容器模块(4)的半圆柱状半壳。

8.根据权利要求7的喷射系统，其中所述半壳进一步包括围绕加热装置(14)设置的热保护装置(15)和围绕热保护装置(15)设置的冷却装置(16)。

9.根据权利要求1-8中任一项的喷射系统，进一步包括框架(11)和用于将多个喷射模块(2a，2b，2c，2d，2e)和/或容器模块(4)机械固定至所述框架的装置(13)。

10.根据权利要求9的喷射系统，其中所述框架进一步包括一个或数个直条(11)，所述固定装置以能沿所述条(11)滑动的方式安装。

11.根据权利要求1-10中任一项的喷射系统，包括多个喷射架，所述喷射架的纵轴(5)彼此平行地设置以允许均匀共蒸发所述材料。

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