CN111441015A - 沉积装置、沉积设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种用于蒸发材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积装置，所述材料包括碱金属或碱土金属。沉积装置包含：第一腔室，所述第一腔室被配置为用于使材料液化，其中第一腔室包括气体入口，所述气体入口被配置为用于使气体进入第一腔室；蒸发区域，所述蒸发区域被配置为用于使液化的材料蒸发；管线，提供第一腔室与蒸发区域之间的用于液化的材料的流体连通，其中管线包含第一部分，所述第一部分限定管线的流动阻力；阀，所述阀被配置为用于控制第一腔室中的气体的流率而用于控制通过具有所述流动阻力的管线的液化的材料的流率；及一或多个出口，用于将蒸发的材料引向基板。

Description

沉积装置、沉积设备及其操作方法
本申请是申请日为2013年12月06日、申请号为201380081379.7、发明名称为“沉积装置、沉积设备及其操作方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开案的实施方式涉及诸如锂的碱金属或碱土金属的沉积及蒸发。本公开案尤其涉及用于控制蒸发材料的蒸发装置(arrangement)、沉积设备及其操作方法。具体而言，这些实施方式涉及用于蒸发材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积装置，所述材料包括碱金属或碱土金属；用于蒸发材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积设备，所述材料包括碱金属或碱土金属；及蒸发材料的方法，所述材料包括碱金属或碱土金属，尤其是金属锂。
背景技术
现代的薄膜锂电池通常在真空腔室中制造，其中基板设有数层，包含锂层。举例来说，锂层通过将蒸气状态的锂沉积在基板上而形成。由于锂是高活性的，因此多个考量(measure)需要被解决，以操作及维持此沉积系统。举例来说，在开启真空腔室后，应把暴露至空气环境的氧化蒸气(尤其是水)及与人员的接触减到最少。
此外，需要具有高沉积速率及改善的均匀性的蒸发作用。过去已经使用了许多类型的薄膜沉积系统。而且，对于碱金属和/或碱土金属而言，已应用了一些典型的薄膜沉积系统装置。然而，这些典型装置并无法经得起高容积和低成本制造的考验，因为这些方法在放大至高容积生产时，在应对材料的高活性上具有严峻挑战。这在制造均匀沉积的纯锂上提出了严峻的挑战。如众所皆知的，这些种类的材料，尤其是锂，可在与周边环境(例如气体、材料等)反应时轻易地氧化。由此，锂是特别令人感兴趣的，因为锂适合制造较高能量密度的电池和蓄电池。
分别用于锂及其他碱金属或碱土金属的普通沉积系统使用溅射源或传统的蒸发源及其操作方法。由于锂的活性，用于锂的溅射方法是有挑战性的，尤其是关于成本和可制造性。高活性首先影响靶材的制造，靶材是溅射的必要部件，其次影响所得靶材的处理。由此，相较于非活性靶材，运输、安装、预防性维护等较为困难，因为靶材材料需要受保护，以免于和周围空气反应。另外的挑战来自于在靶材上用剩材料的处置，因为靶材使用率通常不是100％。因此，使用者为了安全处置需要将残余的材料中性化或反应。再进一步且更重要地，由于锂的熔点相对地低(在183℃)，因此沉积速率亦会受限，因为熔点对高功率密度溅射方案、用于高容积及低成本制造的更经得起考验的方案产生了限制。换句话说，锂的低熔点限制了能施加的最大功率，且因此而限制了可达到的最大沉积速率。
在传统的蒸发系统中，液体的锂流通过机械工作阀而控制。因为锂的高活性，很难避免块/颗粒(例如锂氧化物或锂氢氧化物)的形成，这些块/颗粒的形成会阻塞阀并妨碍这些阀的合适操作。此外，与液体锂接触的阀部分需要由不锈钢或钼制成，不锈钢或钼耐液体锂至少一些时间。然而，不可使用聚合物或陶瓷，因为锂会腐蚀这些材料。
综上所述，需要用于控制蒸发材料的克服本领域中至少一些问题的新的沉积装置、沉积设备及其操作方法。
发明内容
鉴于以上内容，提供一种沉积装置、沉积设备及蒸发方法。本公开案的另一方面、优点及特征由权利要求书、说明书及附图而显而易见。
依据一个实施方式，提供一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积装置。所述沉积装置包含：第一腔室，所述第一腔室被配置为用于使所述材料液化，其中所述第一腔室包括气体入口，所述气体入口被配置为用于使气体进入所述第一腔室中；蒸发区域，所述蒸发区域被配置为用于使液化的材料蒸发；管线，提供所述第一腔室与所述蒸发区域之间的用于所述液化的材料的流体连通，其中所述管线包含第一部分，所述第一部分限定所述管线的流动阻力(flow resistance)；阀，所述阀被配置为用于控制所述第一腔室中的所述气体的流率(flow rate)，以用于控制通过具有所述流动阻力的所述管线的所述液化的材料的流率；及一或多个出口，用于将蒸发的材料引向所述基板。
根据另一个实施方式，提供一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积设备。所述设备包含：真空腔室，用于在所述真空腔室中将所述材料沉积于所述基板上；及沉积装置。所述沉积配置包含：第一腔室，所述第一腔室被配置为用于使所述材料液化，其中所述第一腔室包括气体入口，所述气体入口被配置为用于使气体进入所述第一腔室中；蒸发区域，所述蒸发区域被配置为用于使液化的材料蒸发；管线，提供所述第一腔室与所述蒸发区域之间的用于液化的材料的流体连通，其中所述管线包含第一部分，所述第一部分限定所述管线的流动阻力；阀，所述阀被配置为用于控制所述第一腔室中的所述气体的流率而用于控制通过具有所述流动阻力的所述管线的液化的材料的流率；及一或多个出口，用于将蒸发的材料引向所述基板。
依据又一实施方式，提供一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属(尤其是金属锂)的材料的方法。所述方法包含在第一腔室中使所述材料液化；引导液化的材料从所述第一腔室通过管线至蒸发区域，其中所述管线包含第一部分，所述第一部分限定所述管线的流动阻力；控制所述第一腔室中的气体的流率而用于控制通过具有所述流动阻力的所述管线的液化的材料的流率；在所述蒸发区域中使所述材料蒸发；及将所述材料的蒸气引导于基板上。
附图说明
为使本公开案的上述特征可以被详细地理解，可通过参考实施方式而获得以上简要概述的本公开案的更特定的描述。附图关于本公开案的实施方式，并说明如下：
图1显示依据本文描述的实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的沉积装置的概要图；
图2显示依据本文描述的另一实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的另一沉积装置的概要图；
图3显示依据本文描述的另一实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的又另一沉积装置的概要图；
图4显示依据本文描述的又另一实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的沉积装置及设备的概要图；
图5显示依据本文描述的又另一实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的又另一沉积装置及设备的概要图；以及
图6显示依据本文描述的实施方式的蒸发方法的流程图。
具体实施方式
现将仔细参考本公开案的各种实施方式，这些实施方式的一或多个实例示于附图中。在以下附图描述中，相同的标号表示相同的部件。通常，仅描述与各实施方式有关的不同之处。每一实例被提供作为本公开案的解释且并不意味作为本公开案的限制。此外，作为一个实施方式的部分而显示或描述的特征可使用在其他实施方式上，或可与其他实施方式结合，以产生又进一步的实施方式。旨在使说明书包含此种修改和变形。
虽然本文有时与锂金属相关，但应理解其他高活性的碱金属或碱土金属亦能受益于本文所述的装置。特别地，能使用碱金属，且装置和设备能被配置为用于碱金属。由此，钠、钾、铷或铯亦能为特定应用而蒸发。但是锂的利用和用于锂的配置是典型的实施方式。相较于一些其他的碱金属或碱土金属而言，锂甚至更具有活性且能使用于多种应用。
图1显示用于蒸发碱金属及碱土金属(尤其是锂)的沉积装置100。依据可与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式，用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于将材料沉积于基板4上的沉积装置100包含第一腔室110，第一腔室110被配置为用于使材料液化，其中第一腔室110包括气体入口130，气体入口130被配置为用于使气体进入第一腔室110中。提供蒸发区域114，蒸发区域114被配置为用于使液化的材料蒸发。提供管线120，管线120提供第一腔室110与蒸发区域114之间的用于液化的材料的流体连通，其中管线包含第一部分，所述第一部分限定管线的流动阻力。阀140被配置为用于控制第一腔室110中的气体的流率而用于控制通过具有所述流动阻力的管线120的液化的材料的流率，及一或多个出口116，用于将蒸发的材料引向基板4。
本文所使用的用词“流动阻力”可依据压力(且尤其是在第一腔室110中的气体压力)而限定或影响通过管线120的液化材料的流率。换句话说，通过管线120的液化材料的流率可取决于管线120的流动阻力和第一腔室110中的气体压力。流率可由管线120的横截面面积(且特别是管线120的第一部分)、液化材料的温度和粘度的至少之一确定。
依据一些实施方式，锂蒸发器包含两部分：第一，设置在大气压力或另外第一压力下的系统，此系统具有容器和投配机构(dosing mechanism)，锂在容器中熔化，投配机构将所需的熔化的锂提供至蒸发区域，蒸发区域可位于真空腔室中。第二，在真空腔室内部的蒸发分配系统，所述蒸发分配系统将锂蒸气分配于基板上。传统系统使用机械工作阀，所述机械工作阀易于被颗粒阻塞。依据本文描述的实施方式，此机械工作阀由包含第一部分(比如毛细管、阻尼孔(orifice)或孔)的管线取代，此第一部分限定管线的流动阻力。沉积速率控制通过在锂熔化的容器中施加限定的、受控的气体(例如，氩)压力而实现，且可通过具有限定的流动阻力的管线而辅助或支持沉积速率控制。
现转向图1，第一腔室110或槽被提供以用于接收待沉积的材料。通常，第一腔室110被提供以使得沉积装置100中的待蒸发的材料(亦即碱金属或碱土金属，例如锂)能在非活性气氛下提供于第一腔室110中。举例来说，非活性气氛可为氩气或另一适合防止待蒸发的材料反应的惰性气体，待蒸发的材料通常是高活性的。在一些实施方式中，第一腔室110被配置为加热材料至高于熔点的温度，例如高于待沉积的材料的熔点5℃至100℃，例如20℃至60℃(例如20℃或40℃)。
朝向蒸发区域114输送待沉积的材料，蒸发区域114被配置为用于使液化的材料蒸发。经由管线120而实施输送，管线120提供第一腔室110与蒸发区域114之间用于液化的材料的流体连通。管线120包含第一部分，所述第一部分限定管线120的流动阻力。特别地，第一部分可限定用于液化材料的流动阻力，以辅助控制通过管线120的液化材料的流率。在典型的实施方式中，第一部分被配置为限定用于具有一定温度和/或黏度的特定液化材料(例如锂)的流动阻力。在典型的实施方式中，第一部分具有不能变动的横截面面积，尤其是在操作沉积装置期间不能变动。因此，流率可由第一部分的横截面而限定，且在管线120中不使用阀或其他可移动的或可调整的装置，以限定或控制通过管线120的液化材料的流率。
在可与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式中，第一部分包含孔或阻尼孔(参见例如图2中的标号“121”)。作为一个实例，第一部分可包含或可以是管线120的直径减小部分。通过提供第一部分(例如阻尼孔)，能尤其根据在第一腔室110中的气体压力而达成对通过管线120的液化材料的流率的调整或(预)限定。
在典型的实施方式中，第一部分包含阻尼孔或是阻尼孔，所述阻尼孔具有0.01至0.5mm、0.01至0.1mm、且尤其是0.05mm的最小直径。作为一个实例，管线120具有1至10mm、2至6mm、且尤其是4mm的直径，而阻尼孔具有0.01至0.5mm、0.01至0.1mm、且尤其是0.05mm的最小直径。在典型的实施方式中，管线120具有4mm的直径，而阻尼孔具有0.05mm的最小直径。依据一些实施方式，阻尼孔是管线120的直径中的台阶(例如颈部)，或由管线120的连续减小的直径形成(例如在所述管线120的一区段上)。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，第一部分包含毛细管或是毛细管。在典型的实施方式中，第一部分(例如毛细管)具有1至5mm、2至4mm、且尤其是2mm的直径。作为一个实例，管线120具有1至10mm、2至8mm、且尤其是6mm的直径，而第一部分具有1至5mm、2至4mm、且尤其是2mm的最小直径。在典型的实施方式中，管线120具有6mm的直径，而第一部分具有4mm的直径。在一些实施方式中，管线120是毛细管。作为一个实例，从第一腔室110延伸至蒸发区域114的管线120(且尤其是全部管线)是毛细管。由此，用于液化材料的流动阻力可被限定以辅助控制通过管线120的液化材料的流率。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，管线120或导管能被配置为被加热，使得液态碱金属或碱土金属能被提供至例如在喷头中或靠近喷头的蒸发区域114。
依据一些实施方式，通过加热单元118辅助在蒸发区域114中的液化材料的蒸发，加热单元118被提供在蒸发区域114处或靠近蒸发区域114。一或多个出口116(例如喷嘴)被配置为用于将蒸发材料导向基板4。依据一些实施方式，蒸气分配喷头112包含一或多个出口116。在典型的实施方式中，蒸气分配喷头112是线性蒸气分配喷头。
如图1中所示，液体材料在材料馈送系统中从第一腔室110经由管线120或导管而被导引至蒸发区域114。可提供加热单元118(例如与蒸气分配喷头112相邻)，以在将液体材料提供于蒸发区域114中前，将材料加热至较高温度。材料在蒸发区域114中蒸发。材料在蒸气分配喷头112中被分配且通过一或多个出口116而导向基板4。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，第一腔室110包括气体入口130，气体入口130被配置为用于使气体进入第一腔室110中。气体可为以上提到的在第一腔室110中提供非活性气氛的气体，尤其是氩气或另一适合防止待蒸发的材料反应的惰性气体，待蒸发的材料通常是高活性的。
在典型的实施方式中，阀140被配置为用于控制第一腔室110中气体的流率而用于控制通过具有流动阻力的管线120的液化材料的流率。因此，可通过在第一腔室110中提供或施加受控的气体(例如氩)压力而实现对经过管线120的液化材料的流率的控制，且从而实现对蒸发材料在基板4上的沉积速率的控制。如上所解释地，在典型的实施方式中，可进一步由管线120的限定的流动阻力辅助流率控制。由此，提供对通过管线120的液化材料的流率和由此对蒸发材料在基板4上的沉积速率的更精确的控制。
图2显示依据本文描述的进一步实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的另一沉积装置的概要图。图2的沉积装置类似于以上参考图1描述的装置，其中提供有进一步的元件或部件，这些元件或部件将描述于下。
依据一些实施方式，沉积装置100包含连接至阀140的控制器150，其中控制器150被配置为控制阀140而用于调整进入第一腔室110的气体的流率。通过控制第一腔室110中的气体的流率，第一腔室110中的气体压力及由此通过管线120的液化材料的流率能被控制。在典型的实施方式中，控制器150被配置为调整第一腔室110中的气体的流率而用于控制蒸气在基板4上的沉积速率。此方式允许控制蒸发材料在基板4上的沉积速率而无需在第一腔室110与蒸发区域114之间的流体连接中提供机械工作阀。
在可与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式中，对应于沉积速率的测量结果的信号(例如由示于图4中的沉积速率监测系统测量)可被馈送至控制器150，其中控制器150可接着基于从沉积速率测量装置所接收的信号而控制阀140。举例来说，可使用比例-积分-微分控制器(PID控制器)。PID控制器可经由信号线而接收信号，且可选择地进一步接收和/或储存标称层厚度值或其他与所欲沉积速率相关联的值。因此，依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，提供反馈控制器以控制阀140。由此，能提供对进入第一腔室110的气体的流率的闭环控制。因此，能提供对沉积速率和/或沉积均匀性的简化控制。
依据可与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，第一腔室110进一步具有压力计141，压力计141可与控制器150通信。在典型的实施方式中，经过阀140的气体流可被控制或调整以获得一定的压力(例如由压力计141测量)，且从而获得蒸发材料在基板4上的一定沉积速率。在典型的实施方式中，第一腔室中的气体压力在1至1500mbar的范围中，且尤其是在400至600mbar的范围中。
在可与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式中，管线120包含限定管线120的流动阻力的第一部分。特别地，第一部分可限定用于液化材料的流动阻力，以辅助控制通过管线120的液化材料的流率。在典型的实施方式中，第一部分被配置为限定用于特定液化材料(例如锂)的流动阻力，所述特定液化材料具有一定的温度和/或黏度。
在可与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式中，第一部分包含阻尼孔121。作为一个实例，阻尼孔121可包含或可以是管线120的直径减小部分。通过提供阻尼孔121，可尤其根据第一腔室110中的气体压力而达成对通过管线120的液化材料的流率的调整或(预)限定。在典型的实施方式中，阻尼孔121具有0.01至0.5mm、0.01至0.1mm、且尤其是0.05mm的最小直径。作为一个实例，管线120具有1至10mm、2至6mm、且尤其是4mm的直径，而阻尼孔121具有0.01至0.5mm、0.01至0.1mm、且尤其是0.05mm的最小直径。依据一些实施方式，阻尼孔121由在管线120的直径中的台阶(例如颈部)形成，或由管线120的连续减小的直径形成(例如在所述管线120的一区段上)。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，第一部分包含毛细管或是毛细管。在典型的实施方式中，第一部分(例如毛细管)具有1至5mm、2至4mm、且尤其是2mm的直径。作为一个实例，管线120具有1至10mm、2至8mm、且尤其是6mm的直径，而第一部分具有1至5mm、2至4mm、且尤其是2mm的直径。在一些实施方式中，管线120是毛细管。作为一个实例，从第一腔室110延伸至蒸发区域114的管线120(且尤其是全部管线)是毛细管。由此，用于液化材料的流动阻力能被限定以辅助控制通过管线120的液化材料的流率。
依据一些实施方式，沉积装置100进一步包含气源134，比如储存容器或气罐。气源134被配置为用于经由阀140而供应诸如氩之类的气体至第一腔室110。在可与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式中，气源134进一步连接至管线120。由此，可用气体吹扫管线120(例如)以从管线120移除液体材料(例如在沉积处理完成后残留在管线120的液体材料)。在典型的实施方式中，提供另一阀132以在(例如)当液体材料流经所述管线120时，关闭气源134与管线120之间的连接。
依据一些实施方式，另外的阀131被提供在气源134与管线120的连接点与第一腔室110之间的管线120中。由此，管线120的吹扫可对在连接点与蒸发区域114之间的管线120的部分执行。因此，管线120可被清洁而无需将(液体)材料从第一腔室110移出，因为第一腔室110能通过另外的阀131而关闭。
依据操作沉积装置的方法，气源134可包含热氩源。由此，举例来说，如果材料馈送系统的一部分阻塞，可用热氩冲洗材料馈送系统。举例来说，氩可通过围绕具有液体锂的槽的导氩管而加热。此外，在操作的设定期间，可用氩净化材料馈送系统，以避免在将锂或其他碱金属提供在材料馈送系统中之前系统中具有氧和/或湿气。
鉴于上述内容，且依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，第一腔室110或槽或用于将待蒸发的材料馈送至装置、设备或系统中的各腔室是可被置换的和/或可再填充的。通常，当待蒸发的材料在诸如氩、另一惰性气体的保护性气氛下，和/或在真空条件下时，第一腔室或槽110或所述各腔室能够是可置换和/或再填充的。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的又进一步实施方式，第一腔室110可为封闭的腔室。通常，封闭腔室可设有盖，所述盖被配置为用于打开腔室。当盖打开时，待熔化及蒸发的材料可被再填充。具有盖的封闭腔室应为实质气密的，以便能在腔室内维持一定的气体压力。
如本文描述的，材料馈送系统包含沉积装置的部分，其中朝蒸发区域馈送液体材料。通常，材料馈送系统可包含第一腔室、管线及阀。但材料馈送系统可进一步包含一或多个净化气体管线和/或控制材料馈送系统的温度的元件。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，蒸发区域114可为腔室、坩埚、蒸发皿(boat)或表面，被配置为提供蒸发所用的能量。通常，所述区域或表面具有充足的表面接触面积，例如1cm2至50cm2的范围，举例来说，1cm2至10cm2，以提供足够的能量来使材料蒸发。由此，表面区域可通过鳍状结构而提供，其中一或多个鳍片以类杯状形状或以勺状形状而从基部突出。
依据一些实施方式，本文理解的喷头112可包含具有开口的壳，使得喷头中的压力高于喷头外部(例如)至少一个数量级。
如上所述，图1和图2显示蒸发装置的示意截面图，其中槽经由管线120而连接至蒸发喷头或蒸气分配喷头112。材料(例如锂)在槽中液化，且以液体形式引导通过管线120，管线120限定用于液化材料的流动阻力，且材料蒸发以经由出口116(例如喷嘴)而导向基板4。通过控制进入第一腔室110的气体的气体流而控制通过管线120的液化材料的流率，且可进一步通过具有限定的流动阻力的管线120而控制所述流率。
依据一些实施方式，基板或多个基板可被垂直地处理，亦即，线性气体分配喷头可在腔室内垂直地布置，且基板定位器将基板4固持在垂直处理位置，如图1及图2中示例性地示出。此布置的一个优点是于处理期间所产生的任何颗粒将朝向腔室的底部掉落而不会污染基板4。
然而，蒸气分配喷头112可任意地定向，使得依据本文描述的实施方式的沉积装置相较于其他沉积源而言能更灵活地使用。举例来说，例如在半导体处理中，可使用由上而下的蒸发方式，举例来说，对于柔性基板而言，可使用自下而上的蒸发方式，或者可使用任何其他定向。此种在沉积中的方向上的灵活性源于具有独立的储存器和沉积区域。
虽然显示于图1及图2中的蒸气分配喷头112是线性喷头，但其他形状的喷头亦落于本公开案的范围内。喷头112应具有何种形状将取决于腔室的种类和基板的形状两者。举例来说，点源(亦即单一喷嘴)或圆形喷头可被选择以用于处理圆形基板的腔室，比如当处理半导体晶片时。而矩形喷头可被选择以用来处理大的矩形基板，批次处理亦可使这些类型的喷头形状更为优选。对于大尺寸矩形或方形基板的连续在线处理而言，线性喷头可被选择以较佳地控制基板上处理气体的分配，因为基板经过喷头。然而，关于点源喷嘴，应考虑到挑战可来自于管理多个点源，以在大面积基板上达成均匀的沉积。因此，尤其对于在线或动态处理设备而言，能有利地使用线性蒸气分配喷头。圆形、矩形或两个或更多个线性蒸气分配喷头可使用于各种形状和尺寸的基板的静态沉积处理。
本文描述的实施方式可使用于在大面积基板上蒸发，例如用于电致变色窗或锂电池制造。依据一些实施方式，大面积基板或各载体(其中载体具有一或多个基板)可具有至少0.67m2的尺寸。通常，所述尺寸可为约0.67m2(0.73x0.92m-第4.5代)至约8m2，更通常约2m2至约9m2或甚至高达12m2。通常，依据本文描述的实施方式的结构和方法所提供使用的基板或载体是本文描述的大面积基板。举例来说，大面积基板或载体可为对应于约0.67m2基板(0.73x0.92 m)的第4.5代、对应于约1.4m2基板(1.1m x 1.3m)的第5代、对应于约4.29m2基板(1.95m x 2.2m)的第7.5代、对应于约5.7m2基板(2.2m x 2.5m)的第8.5代、或甚至对应于约8.7m2基板(2.85m x 3.05m)的第10代。甚至诸如第11代及第12代的更大代及对应的基板面积可同样地实施。
本文描述的装置、设备、系统、方法及处理可使用于玻璃基板的涂布。然而，使用这些装置、设备、系统、方法及处理亦可涂布诸如硅晶片(例如200mm或300mm直径)之类的晶片。举例来说，基板载体可装配有一或多个晶片。蒸气分配喷头(例如汽化器管)的长度可调整以达成在大面积基板(具有基板高度h)上或置放在载体中的所有基板的均匀涂布。又进一步地，合成材料或金属的柔性基板亦可使用本文描述的实施方式处理。依据典型的实施方式，基板定位器、基板支撑件或基板输送系统可被提供并配置为在处理区域中定位和/或移动基板，及将基板移动通过处理区域。
本文描述的实施方式提供一种用于以高沉积速率及减少的制造成本而生成薄且均匀的膜的改良的碱金属(例如锂)沉积系统和源技术。沉积源、装置、设备、系统及方法可应用于许多需要均匀沉积碱金属(比如锂)的领域中。此可为使用锂作为电荷承载单元的电化学装置。此电化学装置的实例包含电致变色窗及装置和薄膜固态电池。本文描述的实施方式显著减少用于沉积碱金属(例如锂金属)的现有方案的成本及增加可制造性。
图3显示依据本文描述的进一步实施方式的用于蒸发诸如锂的碱金属或碱土金属的另一沉积装置的概要图。图3的沉积装置类似于以上参考图1及图2描述的装置，其中提供有进一步的元件或部件，这些元件或部件将描述于下。虽然类似于图2的沉积装置的沉积装置显示于图3，但应理解亦可使用类似于图1的沉积装置的沉积装置。
如图3中所示，一或多个出口116及基板4被提供于真空腔室160内。一或多个出口116可为喷头122的一部分，而可至少部分地提供于真空腔室160内。在典型的实施方式中，真空腔室160被配置为提供10-2至10-7mbar的范围的真空，且尤其是在10-5至10-6mbar的范围内。
如进一步示于图3，至少第一腔室110和管线120被提供于加热壳170内，比如气氛加热箱。加热壳170内部可具有大气压力。举例来说，加热壳170可为绝缘的。由此，可为第一腔室110及管线120提供温度受控环境。依据典型的实施方式，温度可被控制为从185℃至285℃，例如约230℃或200℃。对于除了锂以外的碱金属或碱土金属而言，可依据熔点而提供及调整至其他温度，例如对于钾而言提供及调整至63℃或更高。依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，用于使材料液化的温度可被提供为比待沉积于基板4上的材料的熔点高5℃至100℃，例如高50℃。
依据可与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，沉积装置100进一步包含在真空腔室160与第一腔室110之间的连接。此连接可包含管线180和阀181，阀181可为可调节阀。阀181可被配置为闭合或关闭管线180且从而将第一腔室110与真空腔室160之间的连接闭合或关闭。由此，第一腔室110可经由真空腔室160而抽空。在其他实施方式中，可使用单独的泵来抽空第一腔室110。
图4显示具有沉积装置100的沉积设备200的概要截面图。在典型的实施方式中，沉积装置100可为以上参照图1及图2描述的沉积装置之一。
依据一些实施方式，提供一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积设备。所述设备包含：真空腔室，用以将材料沉积于基板上；及如上所述的沉积装置。
待蒸发的材料(例如锂)所进入的第一腔室110或槽被提供于壳210中。举例来说，壳210可为绝缘的。由此，可为第一腔室110和管线120提供温度受控环境。依据典型的实施方式，温度可被控制为从185℃至285℃，例如约230℃或200℃。对于除了锂以外的碱金属或碱土金属而言，可依据熔点而提供及调整至其他温度，例如对于钾而言提供及调整至63℃或更高。依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，用于使材料液化的温度可被提供为比待沉积于基板4上的材料的熔点高5℃至100℃，例如高50℃。
一旦将包含槽和管线120的材料馈送系统加热至个别碱金属的熔点或高于个别碱金属的熔点时，金属熔化或液化，并以液体形式而流经具有限定的流动阻力的管线120。虽然在图4中，阀140被提供于壳210内部，但在其他实施方式中，阀140可提供于所述壳210外部。依据典型的实施方式，壳210中的一或多个元件可被单独地加热和/或壳210的内部可作为整体而加热。通常，可提供如壁211所表示的绝缘，以减少加热能量的损失。额外地或替代地，在壳210中的个别元件可被分别地绝缘(未图示)。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，材料馈送系统且尤其是阀140和管线120被配置为提供液体锂实质受控或恒定的流率。特别地，管线120包括以上参照图1及图2描述的第一部分。
依据典型的实施方式，第一部分是毛细管，所述毛细管具有足够小的直径以导致朝向蒸发区域的实质恒定流率。由此，举例来说，管线120可具有1mm2至10mm2的直径。直径和所欲的流率亦可从而取决于蒸气分配喷头112和各处理区域的尺寸，以使得相较于用于较小基板的沉积装置而言，用于较大基板的沉积装置可具有较大的管线直径。
鉴于在比较细的管线或导管中的材料的量是有限的及在液体材料馈送系统中和蒸发区域中的温度在沉积处理中断时能被维持的事实，沉积装置100能容易地且快速地开关。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的又进一步的实施方式，喷头(尤其是用于大面积基板或大面积载体的喷头)可提供有一或多个材料馈送系统。由此，依据本文描述的实施方式的具有第一腔室、管线、阀及蒸发区域的沉积装置可提供给一或多个材料馈送系统的每一个。每一材料馈送系统可提供于蒸气分配喷头的所欲位置处，以在蒸气分配喷头中提供材料的蒸气。举例来说，两个或更多个材料馈送系统可被提供以馈送相同的材料进入蒸气分配喷头中，以增加沉积速率。又进一步地，亦可以馈送多于一种的材料于蒸气分配喷头中，以沉积不同材料馈送系统中提供的不同材料的复合物。
如图4中所示，且依据本文描述的一些实施方式，提供用于管线120的真空馈通218以馈送金属(例如液体金属)至真空腔室220中。真空腔室220可容纳至少蒸气分配喷头112和基板4。真空馈通218可提供在壳210中的较低温度与较高蒸发区域温度之间的热绝缘和/或提供壳210与真空腔室220之间的真空隔离。真空腔室220被配置为用于在基板4上沉积金属。
如图4中所示，蒸气分配喷头112被加热以使液体锂蒸发，如由蒸发区域214所示。液体材料被引导至蒸气分配喷头112中。蒸气分配喷头112通过加热单元(例如内加热管240)而加热。举例来说，内加热管240可为电加热元件，且通过连接件244而连接至电源242。图4进一步显示蒸气分配喷头112的绝缘器212。绝缘作用导致加热功率的降低和/或更均匀地加热蒸气分配喷头112。依据其额外的或替代的修改方式，蒸气分配喷头112的加热可通过辐射加热、加热灯(例如IR加热器)、感应加热、电加热及其结合而提供。
提供在蒸气分配喷头112处的出口116(例如喷嘴)将锂蒸气引导或导向基板4。依据典型的实施方式，出口116或喷嘴亦可提供为蒸气分配喷头112中的开口。进一步地，对于线性蒸气分配喷头而言，开口或喷嘴的配置可为(举例来说)开口或喷嘴的一或多条线。对于矩形蒸气分配喷头而言，开口或喷嘴可沿着矩形形状且位于矩形形状内而分布。对于圆形蒸气分配喷头而言，开口或喷嘴可沿着圆形形状且位于圆形形状内而分布。通常，开口或喷嘴可分布成使得沉积在基板4上的蒸气是均匀的。由此，开口或喷嘴可沿着以上描述的形状之一至少部分地、均匀地分布。然而，为了补偿在形状周缘的边缘效应，开口或喷嘴160的密度在蒸气分配喷头112的一些区域中可变化。
依据一些实施方式及如图4中所示，沉积速率测量装置235能提供于真空腔室220中。由此，锂或另一碱金属在基板4上的沉积速率可被监测。依据典型的实施方式，可使用一或多个振荡晶体进行厚度测量。额外地或替代地，可使用在蒸气分配喷头112内或在蒸气分配喷头112的其他测量区域或开口处的光学测量方法来确定沉积速率。依据又进一步额外的或替代的选择，可以执行蒸气分配喷头112内部的压力测量、沉积在基板4上的层的厚度测量(例如电导率测量，比如层的涡流测量)来确定沉积速率。可利用关于沉积速率的信号来控制以上参照图2描述的阀140。
如图4中的信号线232所示，对应于沉积速率测量装置235的测量结果的信号可被馈送至控制器230，控制器230根据接收自沉积速率测量装置235的信号而控制阀140。控制器可类似于以上参照图2描述的控制器。举例来说，可使用比例-积分-微分控制器(PID控制器)。PID控制器经由信号线232而接收信号，且可进一步接收和/或储存标称层厚度值或与所欲沉积速率相关联的另一值。因此，依据能与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，提供反馈控制器以控制阀140。由此，可提供对进入第一腔室110的气体的流率的闭环控制，且从而可提供对流经管线120的液体材料的流率的闭环控制。因此，可提供沉积速率和/或沉积均匀性的简化控制。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，阀140可为控制阀，亦即控制通过阀的气体的流率的阀。举例来说，控制阀可被配置为以±50g/h或小于±50g/h，比如±0.1g/h至5g/h的精确度来控制流率。
依据本文描述的实施方式，沉积速率的控制被简化且更稳定。由于通过调整气体进入第一腔室中的流率且从而调整第一腔室中的气体压力而控制经过管线的液体材料的流率，并不需要通过在管线中的机械工作阀而控制沉积，管线提供用于液化材料的在第一腔室与蒸发区域之间的流体连接。换句话说，不需要机械工作阀，机械工作阀会易于腐蚀或阻塞，例如因锂的高活性。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，用于蒸发碱金属或碱土金属(通常地，金属锂)的沉积装置、包含此沉积装置的设备及其操作方法可使用于需要金属锂沉积(或其他碱金属)的处理中。举例来说，此可为电化学装置，比如电致变色窗及薄膜电池、OLED装置制造时的锂沉积等。
图5显示具有沉积装置的沉积设备600的部分的概要截面图。沉积装置可类似于图1至3中所示的沉积装置。其中提供待蒸发材料(例如锂)的第一腔室110或槽被设置于壳650中，壳650转而(依据一些实施方式)设置于外壳610的内部。举例来说，壳650能够是绝缘的。由此，能为至少第一腔室110及管线120提供温度受控环境。依据典型的实施方式，温度可被控制为从185℃至250℃，例如约200℃。对于除了锂以外的碱金属或碱土金属而言，可依据熔点而提供及调整至其他温度，例如对于钾而言提供及调整至63℃或更高。依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，用于使材料液化的温度能提供为比待沉积于基板上的材料的熔点高5℃至100℃。
如图5中所示，第一腔室110具有凸缘680，凸缘680可通过壳650中的开口而暴露。凸缘680允许在第一腔室110中再填充材料。依据典型的实施方式，再填充工序能在保护性气氛(例如氩气氛)下提供。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，第一腔室110可完全地或部分地提供有加热系统615，以熔化第一腔室110的加热部分中的材料。第一腔室110与蒸气分配喷头112流体连通。所述流体连通由管线120提供。管线120的下游提供有蒸气分配喷头112。依据又进一步实施方式，亦能如上所述通过加热壳650而提供第一腔室110的加热。
一旦加热壳650，至少第一腔室110或槽及管线120被加热至各碱金属的熔点，金属熔化或液化并以液体形式流经管线120。依据典型的实施方式，额外地，可提供诸如风扇620之类的气体循环单元，气体循环单元可由控制器622控制。举例来说，控制器622可提供于外壳610的外部。风扇620允许壳650内部的气体循环。由此，能于壳650内部提供均匀的气氛。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，壳650处于大气压力下且处于略高于待蒸发材料的熔点的温度下，例如200℃。依据一个实施方式，壳650中的气体可为空气，因为反应性材料在材料馈送及管理系统内，所述材料馈送及管理系统处于如上所述的保护性气氛下。依据又进一步实施方式，诸如氩的保护性气体亦可提供于壳650中，以更佳地避免待熔化材料与反应性气体的接触。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的又进一步实施方式，包含第一腔室110、管线120(具有流动阻力)及阀140的材料馈送系统可进一步包含净化阀640和净化导管642。净化导管642及因此净化阀640与例如凸缘680的面对第一腔室110的部分连接。净化导管642可额外地或替代地设置在第一腔室110处或管线120处。举例来说，管线120可连接至净化导管642，类似于图2中所示及以上描述的吹扫装置。依据又进一步修改方式，净化导管642亦可被提供为具有连接至材料馈送系统的多个净化导管的净化导管装置。然而，通常，净化导管642被提供在至少材料馈送系统的上游端处。依据操作沉积装置的方法，净化导管642或净化阀可与热氩源连接。由此，举例来说，如果材料馈送系统的一部分阻塞，则可用热氩冲刷材料馈送系统。举例来说，氩可由围绕具有液体锂的槽的导氩管而加热。此外，在操作的设定期间，可用氩净化材料馈送系统，以避免在将锂或其他碱金属提供在材料馈送系统中之前系统中具有氧和/或湿气。
如图5中所示，阀140经由气体入口130而连接至槽。如图5中所示且依据本文描述的一些实施方式，为管线120提供真空馈通218，以馈送金属(例如液体金属)进入容纳蒸气分配喷头112的腔室部分。依据能选择地提供的典型的实施方式，从壳650至容纳蒸气分配喷头112的腔室部分的馈通下游的导管部分由加热单元618加热。由此，壳650下游的沉积装置的部分相较于设置在壳650中的沉积装置的部分而言能被加热至较高的温度。
容纳蒸气分配喷头112的腔室部分可经由凸缘604而连接至真空腔室。亦如图5中所示，邻近蒸气分配喷头112或在蒸气分配喷头112中的蒸发表面被加热以使液体锂蒸发，如蒸发区域114所示。在蒸发区域114中蒸发的材料被引导至和/或分配在蒸气分配喷头112中。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的典型的实施方式，蒸发区域114可为腔室、坩埚、蒸发皿或表面，被配置为提供蒸发所用的能量。通常，所述区域或表面具有充足的表面接触面积，例如1cm2至10cm2的范围，以提供足够的能量来使材料蒸发。由此，液体材料被连续地馈送至所述区域中或所述表面上并当液体材料碰到所述表面时蒸发。于前面提及的加热单元618能被配置为连续地增加朝向蒸发区域114的液体材料的温度。
蒸气分配喷头112由加热单元(例如内加热管240)加热，其中加热单元的进一步的细节、方面、特征及额外或替代的实施方式被描述在本文描述的其他实施方式中。通常，蒸气分配喷头112提供有绝缘体212，用于蒸气分配喷头112的热绝缘。提供在蒸气分配喷头112处的出口116(例如喷嘴)将例如锂的蒸气引导或导向基板。依据典型的实施方式，出口116或喷嘴可参照如本文与其他实施方式有关的描述而提供。
图6显示流程图，说明蒸发包括碱金属或碱土金属，尤其是金属锂的材料的方法500的实施方式。方法500包含如标号“502”所指的在第一腔室中使材料液化。在步骤504中，液化的材料从第一腔室通过管线而引导至蒸发区域，其中管线包含限定管线的流动阻力的第一部分。在步骤506中，第一腔室中的气体的流率被控制以用于控制经过具有流动阻力的管线的液化材料的流率。在步骤508中，材料在蒸发区域中蒸发，且在步骤510中，材料的蒸气被引导至基板上。
依据典型的实施方式，步骤506(蒸发步骤)可通过尤其是在600℃或更高的温度的闪蒸而提供。举例来说，温度可为800℃或更高。但在步骤506之前，即在步骤502及504中，液化的材料维持在比待沉积材料的熔点高5℃至30℃、5℃至60℃或5℃至100℃，例如对于金属锂而言维持在190℃至290℃。
依据能与本文描述的其他实施方式结合的又进一步实施方式，能提供用于控制阀的闭环控制，所述阀用于调整经过管线的液化材料的流率。阀的闭环控制相较于传统锂蒸发器而言能被简化，因为仅需控制经过阀的气体流率。用于反馈控制的信号能从而选自以下所组成的群组：用于蒸气沉积的真空腔室中的沉积速率监测器、在用于将液化的材料引导至第二腔室的系统中的诸如质量流量控制器之类的流量计、层厚度测量(比如涡流测量)、喷头中的蒸气压力测量及其组合。
依据本文描述的实施方式，沉积速率的控制被简化且更稳定。由于对经过阀的气体流率的控制及通过提供具有限定的流动阻力的管线，不需要在第一腔室与蒸发区域之间的流体连接中提供机械工作阀。
鉴于以上内容，本文描述的实施方式的硬件需求亦将减少，具体因为不需要提供耐诸如锂之类的高活性材料的机械工作阀。沉积速率控制通过在锂熔化的容器中施加限定的、受控的气体(例如氩)压力而实现，且可通过限定的流动阻力而辅助沉积速率控制，所述限定的流动阻力由连接第一腔室与蒸发区域的管线提供。
虽然前述内容关于本公开案的实施方式，但本公开案的其他或进一步的实施方式可在不背离本公开案的基本范围的情况下而设计，而本公开案的范围由以下的权利要求书确定。

Claims (19)

1.一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积装置，包括：
第一腔室，所述第一腔室被配置为用于使所述材料液化，其中所述第一腔室包括气体入口，所述气体入口被配置为用于使气体进入所述第一腔室中；
蒸发区域，所述蒸发区域被配置为用于使液化的材料蒸发；
无阀管线，所述管线提供所述第一腔室与所述蒸发区域之间的用于所述液化的材料的流体连通，其中所述管线包含第一部分，所述第一部分包括阻尼孔并限定所述管线的流动阻力；
壳，所述壳用于容纳至少所述第一腔室和所述管线以为所述第一腔室和所述管线提供温度受控环境；
阀，所述阀被配置为用于控制所述第一腔室中的所述气体的流率而用于控制通过具有所述流动阻力的所述管线的所述液化的材料的流率，所述液化的材料的所述流率控制蒸发的材料在所述基板上的沉积速率；及
一或多个出口，所述一或多个出口用于将所述蒸发的材料引向所述基板。
2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
包括所述一或多个出口的蒸气分配喷头。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述蒸气分配喷头是线性蒸气分配喷头。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一部分具有不能变动的横截面面积。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述第一部分具有在所述沉积装置的操作期间不能变动的横截面面积。
6.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
控制器，所述控制器连接至所述阀，其中所述控制器被配置为控制所述阀而调整所述第一腔室中的所述气体的流率。
7.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
控制器，所述控制器连接至所述阀，其中所述控制器被配置为调整所述第一腔室中的所述气体的流率而控制所述蒸气在所述基板上的沉积速率。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器是比例-积分-微分控制器。
9.如权利要求7所述的装置，其中所述控制器是比例-积分-微分控制器。
10.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器包括信号输入端，所述信号输入端被配置为用于接收沉积速率监测系统的信号。
11.如权利要求7所述的装置，其中所述控制器包括信号输入端，所述信号输入端被配置为用于接收沉积速率监测系统的信号。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述阻尼孔具有0.01至0.5mm或0.01至0.1mm的最小直径。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述阻尼孔具有0.05mm的最小直径。
14.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述第一腔室进一步包括压力计。
15.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述气体是氩。
16.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述壳进一步容纳所述阀，并且其中所述壳被配置为用于在保护性气氛下更换所述第一腔室。
17.一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料及用于将所述材料沉积于基板上的沉积设备，所述设备包括：
真空腔室，所述真空腔室用于将所述材料沉积于所述基板上；及
如权利要求1至11中任一项所述的装置。
18.一种用于蒸发包括碱金属或碱土金属的材料的方法，包括以下步骤：
在第一腔室中使所述材料液化；
引导液化的材料从所述第一腔室通过无阀管线至蒸发区域，其中所述管线包含第一部分，所述第一部分包括阻尼孔并限定所述管线的流动阻力；
控制所述第一腔室中的气体的流率以用于控制通过具有所述流动阻力的所述管线的所述液化的材料的流率，以控制待蒸发的所述材料在基板上的沉积速率；
在所述蒸发区域中使所述材料蒸发；及
将所述材料的蒸气引导于所述基板上，
其中所述第一腔室和所述管线被容纳在壳中以用于为所述第一腔室和所述管线提供温度受控环境。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：
闭环控制，所述闭环控制用于控制所述阀，所述阀用于调整通过所述管线的所述液化的材料的流率。
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