CN110629168A - 一种真空镀膜机的蒸发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空镀膜机的蒸发装置，其包括：蒸发舟、加热系统、布气系统，蒸发舟包括有蒸发舟内层、蒸发舟外层和活动盖板，蒸发舟内层位于蒸发舟外层与活动盖板之间，活动盖板开设有多个蒸发孔，蒸发舟内层上开设有与蒸发孔对应的蒸发凹槽；加热系统包括多个相对独立的蒸发源，蒸发源设置有内坩埚，内坩埚嵌套于蒸发凹槽内，蒸发源能够对放置在内坩埚内的物体进行加热；设置多级二元型结构的布气管路，实现进气量的均匀性的控制，使蒸发气体与外部通入气体可以充分混合，形成均匀的复合薄膜。本发明采用蜂窝状结构的蒸发源加热效率高，能够保证材料的大面积加热蒸发时的均匀性，减少溅射现象，适用于大面积高速卷绕镀膜工艺。

Description

一种真空镀膜机的蒸发装置

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，尤其设计一种真空蒸发镀膜机的蒸发装置。

背景技术

近年来，随着光学薄膜技术以及半导体科技的发展，真空镀膜技术在生产中的应用也越来越广泛与重要。真空蒸镀是最普遍、应用最广的真空镀膜工艺，真空蒸镀的物理过程包括：沉积材料蒸发或升华为气态粒子→气态粒子快速从蒸发源向基片表面输送→气态粒子附着在基片表面形核、长大成固体薄膜→薄膜原子重构或产生化学键合。

将基片放入真空室内，以电阻、电子束、激光等方法加热膜料，使膜料蒸发或升华，气化为具有一定能量(0.1～0.3eV)的粒子(原子、分子或原子团)。气态粒子以基本无碰撞的直线运动飞速传送至基片，到达基片表面的粒子一部分被反射，另一部分吸附在基片上并发生表面扩散，沉积原子之间产生二维碰撞，形成簇团，有的可能在表面短时停留后又蒸发。粒子簇团不断地与扩散粒子相碰撞，或吸附单粒子，或放出单粒子。此过程反复进行，当聚集的粒子数超过某一临界值时就变为稳定的核，再继续吸附扩散粒子而逐步长大，最终通过相邻稳定核的接触、合并，形成连续薄膜。

若需要高效镀制大面积薄膜，则需要真空卷绕镀膜工艺，在镀制大面积薄膜的时候，就需要对大量的基片进行加热，在现有的真空蒸镀设备中，采用的是小型蒸发舟对基片进行加热，蒸发量小而且加热效率低，蒸发过程中容易出现溅射现象，并不适合于大面积高速卷绕镀膜工艺。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种适用于大面积高速卷绕镀膜工艺的蒸发装置，以减少蒸发过程产生的溅射现象。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种真空镀膜机的蒸发装置，其包括：

蒸发舟，所述蒸发舟包括有蒸发舟内层、蒸发舟外层和活动盖板，所述蒸发舟内层位于蒸发舟外层与活动盖板之间，所述活动盖板开设有多个蒸发孔，所述蒸发舟内层上开设有与所述蒸发孔对应的蒸发凹槽，蒸发孔与蒸发凹槽均按蜂窝状进行排布；

加热系统，所述加热系统包括多个相对独立的蒸发源，所述蒸发源设置有内坩埚，所述内坩埚嵌套于所述蒸发凹槽内，所述蒸发源能够对放置在所述内坩埚内的物体进行加热；

布气管道，所述布气管道设置在于所述蒸发舟上端，所述布气管道开设有进气口和多个出气口，所述进气口连接外部气体源，所述出气口朝向所述蒸发源。

优选地，所述蒸发源采用高频感应加热，所述蒸发源包括若干个感应线圈、绝热层、外坩埚，所述内坩埚叠套于所述外坩埚内，且所述绝热层设置于所述内坩埚的侧壁与所述外坩埚的侧壁之间，所述感应线圈设置于所述外坩埚的侧壁与所述蒸发舟内层之间。

优选地，所述蒸发源还包括有调隙垫片，所述调隙垫片位于所述内坩埚与所述绝热层之间。

优选地，所述蒸发源还设置有电极块，所述电极块连接外部交流电源，多个所述感应线圈串联为一组感应线圈组，多组所述感应线圈组相互并联，所述感应线圈组与所述电极块相连，所述感应线圈内部为中空管路，所述中空管路能够循环通入冷却剂进行冷却所述感应线圈。

优选地，所述蒸发舟内层为电阻加热，所述蒸发源还设置有成对的电极块，所述蒸发舟位于成对的所述电极块之间且所述蒸发舟内层的端部与所述电极块连接，所述内坩埚与所述蒸发舟内层相互接触。

优选地，所述蒸发舟外层设置有沟槽，所述活动盖板能够卡持在所述沟槽内。

优选地，所述布气管道包括依次连通的进气管路、多级分流管路和排气管路，所述排气管路与所述蒸发舟的边缘平行，所述进气口位于所述进气管路上，所述出气口位于所述排气管路上。

优选地，所述排气管路的轴线所在的水平面与所述出气口的轴线之间呈10°-70°夹角，相邻所述出气口之间的间距相等。

优选地，所述排气管路包括多个相对独立的排气支管，所述排气支管均能够与对应的所述分流管路连通，所述排气支管上均开设有多个所述出气口，位于所述排气支管的中部的所述出气口的直径小于位于所述排气支管的两侧的所述出气口的直径，每个所述出气口出气量相等。

优选地，所述内坩埚的横截面从底部向开口逐渐扩大。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明采用蜂窝状结构的蒸发源，各蒸发源内坩埚的横截面从底部向开口逐渐扩大，增大了蒸发气体的发射角以及混合范围，可以保证材料的大面积加热蒸发时的均匀性，同时在两侧安装布气管路，布气管路上的每个出气口都能均匀而稳定地通入同等流量的气体，保证了化合反应过程中气体混合的均匀性及充分性，保证了生成的复合薄膜的均匀性，同时蒸发源还具有较高加热效率，内坩埚上方材料温度略低于内坩埚下方材料，因此可以避免材料表面加热过于剧烈，减少溅射现象的发生，适用于大面积高速卷绕镀膜工艺。

附图说明

图1为本发明实施方式提供的一种真空镀膜机的蒸发装置的结构示意图；

图2为本发明实施方式提供的一种真空镀膜机的蒸发装置的采用高频感应蒸发源的横截面结构示意图；

图3为本发明实施方式提供的另一种真空镀膜机的蒸发装置的采用电阻加热蒸发源的横截面结构示意图

图4为本发明实施方式提供的一种真空镀膜机的蒸发装置的布气管路的结构示意图。

图5为本发明实施方式提供的一种真空镀膜机的蒸发装置的排气管路具体设计案例尺寸示意图。

【附图标记说明】

10：蒸发舟；11：蒸发舟内层；12：蒸发舟外层；13：活动盖板；14：沟槽；

20：蒸发源；21：内坩埚；22：感应线圈；23：绝热层；24：外坩埚；25：调隙垫片；26：电极块；

30：布气管道；31：进气口；32：出气口；33：进气管路；34：分流管路；35：排气管路；36：排气支管。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施方式提供一种真空镀膜机的蒸发装置，蒸发装置包括：蒸发舟10本体、用于加热靶材的加热系统、与外部气体源相连用来供应气体的布气管道30。

蒸发舟10，蒸发舟10包括有蒸发舟内层11、蒸发舟外层12和活动盖板13，本实施方式中，蒸发舟10整体为长条形，蒸发舟10内部开设有凹槽，蒸发舟内层11和活动盖板13位于凹槽内，蒸发舟内层11位于蒸发舟外层12与活动盖板13之间，活动盖板13开设有多个蒸发孔(未标记)，蒸发舟内层11上开设有与蒸发孔对应的蒸发凹槽(未标记)，蒸发舟外层12的主要用于隔离防护和固定，材料选择耐高温的低电导率材料即可，必要时可在蒸发舟外层12内部涂上绝缘绝热涂层以提高结构的安全性；

加热系统，加热系统包括多个相对独立的蒸发源20，本实施方式中，蒸发源20设置有内坩埚21，内坩埚21嵌套于蒸发凹槽内，蒸发源20能够对放置在内坩埚21内的物体进行加热；

布气管道30，布气管道30设置在于蒸发舟10上端，布气管道30开设有进气口31和多个出气口32，进气口31连接外部气体源，出气口32朝向蒸发源20；

当需要加热靶材或其他材料时，只需将材料放入内坩埚21中，可以根据实际需要，选择不同数量的材料放入多个内坩埚21中，这样就能够保证每个材料都会受到均匀加热，不会产生加热不均的问题，减少蒸发过程产生的溅射现象，同时，蒸发源20的排列设置为蜂窝状，可以使得大面积加热材料后蒸发出来的气体非常均匀；

进一步地，将布气管道30设置在蒸发舟10上方，同时将出气口32朝向蒸发源20，能够很好的将外部气体与蒸发源20蒸发材料产生的气体进行化合反应，达到镀制复合薄膜的要求；

更进一步地，为了满足镀制大面积薄膜的需求，蒸发源20在蒸发舟10内的排列至少为3列，排列的长度和个数以及蒸发孔的半径可以根据具体的镀制需求来更改，以便满足更大面积镀制薄膜的需求。

如图2所示，在本实施方式中，本发明的蒸发源20采用高频感应加热，该加热方式适用于加热金属材料，通过通入高频交流电使内坩埚21中的金属材料内部产生涡流，由感应线圈22内产生极性瞬间变化的强大磁束，将需要热处理的金属放置在高频线圈内，磁束就会贯通整个被加热的金属材料。在感应加热物体的内部与感应加热电流相反的方向，产生相对应的强大涡电流，同时因为感应加热的金属材料内存在电阻，因此产生强的焦耳热能，使感应加热物体物体温度迅速上升，从而达到热处理的目的，实现对金属材料的加热，蒸发源20包括若干个感应线圈22、绝热层23、外坩埚24，内坩埚21叠套于外坩埚24内，且绝热层23设置于内坩埚21的侧壁与外坩埚24的侧壁之间，用于隔绝内坩埚21的热量，避免内坩埚21的热量影响到感应线圈22，感应线圈22设置于外坩埚24的侧壁与蒸发舟内层11之间，本实施方式中，内坩埚21材料为耐高温的石墨，绝热层23为隔热性能良好的碳毡，感应线圈22材料为导电性良好的铜，线圈直径为1.5cm，线圈匝数为5匝，蒸发源20的内坩埚21为倒梯台形，顶圆直径为6cm，外坩埚24为圆柱形，外坩埚24和内坩埚21之间的空隙用绝热材料进行填充为绝热层23，线圈上方为活动盖板13，当需要安装或拆卸感应线圈22以及外坩埚24时，则活动盖板13开启。蒸发舟内层11的材料采用绝热性和绝缘性良好的复合陶瓷，以减少各感应线圈22之间的干涉。

其中，蒸发源20还包括有调隙垫片25，调隙垫片25位于内坩埚21与外坩埚24之间，在实施方式中，调隙垫片25采用耐高温的石棉垫片，外坩埚24的材料选择氧化铝等氧化物，调隙垫片25是厚度为一道的金属薄片，采用堆叠的方式调控内坩埚的高度，减小蒸发差异，保证各蒸发源蒸发量的均匀性，进一步地，在安装蒸发源20的时候，内坩埚21与外坩埚24之间往往会有间隙，如果存在间隙，间隙里的空气经过加热便会膨胀，进而影响蒸发源20零件的配合，调隙垫片25能够很好的将空隙消除，防止加热过程中发生意外，同时调隙垫片25也能够很好的提供支撑给内坩埚21，防止内坩埚21发生倾斜。

进一步地，参见图1、图2，蒸发源20还设置有电极块26，电极块26连接外部交流电源，电极块26为一对，分别位于蒸发舟10两端，用于封闭蒸发舟外层12，蒸发源20提供多个感应线圈22串联为一组感应线圈22组，多组感应线圈22组相互并联，在本实施方式中，感性线圈按相邻八个一组串联为感应线圈22组、每组感应线圈22组相并联的混连方式进行加热，因此可以按照相邻八个蒸发源20为一组的方式来精确调节蒸发舟各个部位的温度，在未将每个蒸发源20装满材料的情况下可以对坩埚进行选择性地加热，提高加热效率以及镀膜长度设计的灵活性，实现对热量和能源的充分而高效的利用，同时感应线圈22组与电极块26相连，方便电流通过感应线圈22，感应线圈22内部为中空管路，中空管路能够循环通入冷却剂进行冷却感应线圈22，感应线圈22内部通入冷却水进行冷却，以确保线圈能在高温环境下正常运作。

如图3所示，在另一种实施方式中，对于非金属材料，蒸发舟内层11为整个加热电阻，通过直流电的热效应产生热量，然后通过热传导效应，将热量传达到内坩埚21上，进而能够加热内坩埚中的非金属材料，蒸发源20还设置有成对的电极块26，成对的电极块26分别连接外部直流电源的正极与负极，蒸发舟10位于成对的电极块26之间且蒸发舟内层11的端部与电极块连接，所述内坩埚21与所述蒸发舟内层11相互接触，成对的电极块26不仅能够用于封闭蒸发舟外层12，还能够起到连接电源与蒸发舟内层11的作用，外部直流电源产生的直流电能够通过成对的电极块26流向蒸发舟内层11，进而产生热量，采用电阻加热，能够适用于无法形成涡流的非金属材料。

进一步地，蒸发舟外层12设置有沟槽14，活动盖板13能够卡持在所述沟槽14内，在实施方式中，活动盖板15主要用于固定蒸发舟内层11、感应线圈22、外坩埚24等结构，当更换上述结构时，需要依次拆卸上述部件，同时内坩埚21可在活动盖板13固定的情况下安装或卸载。

其中，参见,1、图4，布气管道30包括依次连通的进气管路33、多级分流管路34和排气管路35，排气管路35与蒸发舟10的边缘平行，进气口31位于进气管路33上，出气口32位于排气管路35上，在本实施方式中，布气管道30采用二元型结构，一根进气管路33连接两根第一级分流管路34，一根上一级分流管路34连接两根下一级分流管路34，分流管路34级数大于3级，分流管路34各段路径相同，每一级管路的管径可以相同，也可以逐渐减小，最后外部气体从排气管路35上的出气口32喷出，多级的分流管路34能够很好的控制外部气体的压力，保证外部气体不会因为压力过大将蒸发源20上的蒸发气体吹散，也不会因为外部气体压力过小导致外部气体不能够与蒸发源20蒸发出来的蒸发气体进行混合。

进一步地，排气管路35的轴线所在的水平面与出气口32的轴线之间呈10°-70°夹角，相邻出气口32之间的间距相等，为了保证外部气体能够与蒸发源20蒸发出来的蒸发气体能够很好的进行混合，外部气体从出气口32喷出的角度需要进行一定的倾斜，倾斜方向朝向蒸发源20，排气管路35的轴线所在的水平面与出气口32的轴线之间呈10°-70°夹角能够很好保证外部气体能够喷射进入蒸发源20上方，同时等间距的出气口32能够保证外部气体在蒸发舟10内的均匀性，进而保证蒸发气体与外部气体的混合反应的质量。

其中，排气管路35包括多个相对独立的排气支管36，排气支管36均能够与对应的分流管路34连通，排气支管36上均开设有多个出气口32，位于排气支管36的中部的出气口32的直径小于位于排气支管36的两侧的出气口32的直径，各个出气口32的孔径大小与出气口32的到排气支管36中部的距离呈正相关关系，即距离排气支管36中部越远位置的小孔孔径越大。

进一步地，每个出气口32出气量相等，布气管路30上的每个出气口32都能均匀而稳定地通入同等流量的气体，保证了化合反应过程中气体混合的均匀性及充分性，保证了生成的复合薄膜的均匀性，由于管路中有压差存在，因此当需要保证出气口32的出气量相等时，可以采用阀门限制气体流量的方式，或者对出气口32的口径进行限制，不采用直径大小相同的出气口，进而保证出气均匀性。在本实施方案中，所设计的加热装置的总长为1.6m，若布气管路采用直径为8mm的相同气管，三级分布，则每节排气支管36有效长度为20cm，共8节。若需要在每根排气支管36上开取10个孔，按照对称分布，则每个孔相邻间距为2cm，排气支管36以中部为对称，两边各有5个气孔分布。假设通过计算需要通入总共20sccm流量的氧气，工作环境温度为500℃，则为保证出气均匀性，排气支管36以中部为对称轴，两侧的每个气孔从中部向两侧的孔径分别为d₁＝2mm，d₂＝205mm，d₃＝2.09mm，d₄＝2.12m，d₅＝2.13m，其尺寸示意图如图5所示，具体计算过程如下所示：

排气支管36有效长度：L＝2×10^-2m

管径：D＝8×10^-3m

壁厚：h＝2×10^-3m

气体流量：

排气支管36单侧进气量：

n＝5

氧气分子量：

25℃氧气动力粘度：Z₀＝2.055×10^-5Pa/s

T₀＝298k

C＝112k

T＝773K

则500℃下的氧气动力粘度为：

特征参数B的计算如下：

由得：

取d₁＝2mm，代入上式计算，最终得出d₂＝2.05mm，d₃＝2.09mm，d₄＝2.12m，d₅＝2.13mm。

通过一系列计算和分流，保证了每个出气口32的出气流量是几乎相等的，避免了管路摩擦和内部压差对进气量分布的影响，考虑到加工精度问题，孔径大小需要进行圆整，以达到区分效果。此处由于数值选择问题计算结果难以实现加工，具体生产中可以更改相应外部条件以实现进气均匀性的优化。

进一步地，内坩埚21的横截面从底部向开口逐渐扩大，内坩埚21的结构优先采用倒梯台形但不局限于该形，还可以是倒圆台形、倒拱形等，内坩埚21上方材料温度略低于内坩埚21下方材料，因此可以避免材料表面加热过于剧烈，上述内坩埚21的横截面与调隙垫片25平行。其中，内坩埚21的横截面是指与内坩埚21的轴线垂直的截面，当内坩埚21的结构采用倒圆台形时，内坩埚的母线与轴线夹角不能太大也不能太小，建议介于5°与45°之间，增大了蒸发气体的发射角以及混合范围，以便于产生的蒸发物质容易散发至待镀膜基片上。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施方式进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于，所述蒸发装置包括：

蒸发舟，所述蒸发舟包括有蒸发舟内层、蒸发舟外层和活动盖板，所述蒸发舟内层位于蒸发舟外层与活动盖板之间，所述活动盖板开设有多个蒸发孔，所述蒸发舟内层上开设有与所述蒸发孔对应的蒸发凹槽，蒸发孔与蒸发凹槽均按蜂窝状进行排布；

加热系统，所述加热系统包括多个相对独立的蒸发源，所述蒸发源设置有内坩埚，所述内坩埚嵌套于所述蒸发凹槽内，所述蒸发源能够对放置在所述内坩埚内的物体进行加热；

布气管道，所述布气管道设置在于所述蒸发舟上端，所述布气管道开设有进气口和多个出气口，所述进气口连接外部气体源，所述出气口朝向所述蒸发源。

2.如权利要求1中所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发源采用高频感应加热，所述蒸发源包括若干个感应线圈、绝热层、外坩埚，所述内坩埚叠套于所述外坩埚内，且所述绝热层设置于所述内坩埚的侧壁与所述外坩埚的侧壁之间，所述感应线圈设置于所述外坩埚的侧壁与所述蒸发舟内层之间。

3.如权利要求2中所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发源还包括有调隙垫片，所述调隙垫片位于所述内坩埚与所述绝热层之间。

4.如权利要求3所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发源还设置有电极块，所述电极块连接外部交流电源，多个所述感应线圈串联为一组感应线圈组，多组所述感应线圈组相互并联，所述感应线圈组与所述电极块相连，所述感应线圈内部为中空管路，所述中空管路能够循环通入冷却剂进行冷却所述感应线圈。

5.如权利要求1中所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发舟内层为电阻加热，所述蒸发源还设置有成对的电极块，所述蒸发舟位于成对的所述电极块之间且所述蒸发舟内层的端部与所述电极块连接，所述内坩埚与所述蒸发舟内层相互接触。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述蒸发舟外层设置有沟槽，所述活动盖板能够卡持在所述沟槽内。

7.如权利要求1-5中任意一项所述真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述布气管道包括依次连通的进气管路、多级分流管路和排气管路，所述排气管路与所述蒸发舟的边缘平行，所述进气口位于所述进气管路上，所述出气口位于所述排气管路上。

8.如权利要求7中所述真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述排气管路的轴线所在的水平面与所述出气口的轴线之间呈10°-70°夹角，相邻所述出气口之间的间距相等。

9.如权利要求7中所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述排气管路包括多个相对独立的排气支管，所述排气支管均能够与对应的所述分流管路连通，所述排气支管上均开设有多个所述出气口，位于所述排气支管的中部的所述出气口的直径小于位于所述排气支管的两侧的所述出气口的直径，每个所述出气口出气量相等。

10.如权利要求1-5中任意一项所述的真空镀膜机的蒸发装置，其特征在于：所述内坩埚的横截面从底部向开口逐渐扩大。