CN111542644B - 沉积装置及沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够以规定的涂覆组成和速度连续涂覆的装置及方法，作为一个实施例，本发明提供一种沉积装置，其为在基板上涂覆2种以上的化合物或元素的沉积装置，包括：供应单元，将所述2种以上的化合物或元素以多个固体形式供应；加热单元，使从所述供应单元供应的固体熔融并蒸发，以形成蒸气；缓冲单元，与所述加热单元连接，并且所述蒸气停留在其中并，与之前生成的蒸气混合；以及喷嘴，与所述缓冲单元连接，并朝向基板形成开口。

Description

沉积装置及沉积方法

技术领域

本发明涉及一种涂覆2种以上的化合物或元素的沉积装置及方法。

背景技术

通过真空沉积来进行涂覆的相关技术从1980年代开始被公开。可以将现有的技术大致区分为同时沉积方式和顺序沉积后进行热处理的方式。

同时沉积方式的代表性技术在日本专利JPH02-125866A2中公开。作为涂覆蒸气压不同的两种金属合金的沉积装置，设置有各金属(锌和镁)专用蒸发槽，并且在每个蒸发槽出口安装有节流阀(throttle valve)，其控制蒸发的金属蒸气的流量。需要通过使用安装在锌和镁蒸发槽的节流阀调节各自的蒸发流量从而控制被涂覆的合金组成的方式，在各自蒸发的金属结合的部分在宽度方向上均匀混合，但是由于流体的流动性很难实现。为了克服所述缺点，在欧洲专利EP1301649B1中公开了在金属蒸气混合之前或之后通过保持阻塞(chocking)条件来尝试均匀混合，但是在实际过程中同样存在局限性。

顺序沉积后进行热处理的技术在欧洲专利EP0756022B1中公开。通过湿式镀覆或真空沉积方式进行涂覆锌后，通过真空沉积方式涂覆镁并进行热处理，从而形成锌-镁合金涂层。所述技术作为利用扩散的技术，涂层深度方向的组成不均匀，并且因热处理而生成母材和锌的合金。此外，由于用于涂覆合金的工艺的数量增加，从而在经济性方面存在局限性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明用于解决现有技术中存在的问题，其目的在于提供一种能够通过规定的涂覆组成和速度连续涂覆的装置和方法。

(二)技术方案

为了实现如上所述的目的，本发明提供如下的沉积装置及沉积方法。

作为一个实施例，本发明提供一种沉积装置，其为在基板上涂覆2种以上的化合物或元素的沉积装置，包括：供应单元，将所述2种以上的化合物或元素以多个固体形式供应；加热单元，使从所述供应单元供应的固体熔融并蒸发，以形成蒸气；缓冲单元，与所述加热单元连接，并且所述蒸气停留在其中并与之前生成的蒸气混合；以及喷嘴，与所述缓冲单元连接，并朝向基板形成开口。

在本发明的一个实施例中，所述供应单元通过供应管向所述加热单元供应固体，所述供应管可以包括延伸至所述加热单元的熔汤内部的加热单元侧端部，并且，所述供应管的加热单元侧端部可以形成有开口，所述开口小于所述固体的截面，以使供应的所述固体在通过所述熔汤熔融至少一部分后，从所述供应管排出。

在本发明的一个实施例中，所述加热单元可以包括坩埚，所述缓冲单元为连接所述喷嘴和所述坩埚的空间，所述开口的面积可以小于所述坩埚的截面。

在本发明的一个实施例中，所述供应单元可以包括：第一供应单元，供应第一固体；以及第二供应单元，供应元素或化合物与所述第一固体不同的第二固体。其中，所述第一供应单元和所述第二供应单元可以通过同一个所述供应管向所述加热单元供应固体。

在本发明的一个实施例中，所述第一供应单元和所述第二供应单元可以位于所述加热单元的上侧，从而在所述供应管中，所述固体通过自身重量来被供应至加热单元。

在本发明的一个实施例中，所述加热单元可以包括坩埚和设置在所述坩埚的内侧或外侧电磁线圈，并且，所述电磁线圈可以为非悬浮型感应加热单元，并且可以向垂直方向卷绕。

在一个实施例中，所述第一固体和所述第二固体可以分别包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的一种以上。

作为另一实施例，本发明提供一种沉积方法，包括：供应步骤，将2种以上的固体同时供应至同一个加热单元；蒸气形成步骤，使所述固体熔融并蒸发，以形成蒸气；缓冲步骤，混合所述蒸气与之前形成的蒸气；以及喷射步骤，将混合的蒸气朝向基板喷射。

在本发明的一个实施例中，所述固体可以包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的一种以上，所述混合蒸气和所述固体可以具有不同的组成。

在本发明的一个实施例中，在所述供应步骤中供应的固体整体的组成比可以与目标涂层的组成比一致，并且，在所述供应步骤中，通过延伸至坩埚的熔汤内部的供应管供应所述固体，所述坩埚容纳所述固体，以使所述固体熔融并蒸发，并且在所述蒸气形成步骤中，所述固体中的至少一部分可以在熔融后从所述供应管中排出并混合于熔汤中。

在本发明的一个实施例中，所述固体可以分别仅包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的任一种，并且，在所述供应步骤中供应的固体整体的组成比与目标涂层的组成比一致。

(三)有益效果

本发明通过如上所述的结构，能够以规定的涂覆组成和速度连续涂覆。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的示意图。

图2是本发明的另一实施例的示意图。

图3是本发明的另一实施例的剖视图。

图4是示出图3的实施例的电磁线圈的变形例的图。

图5是示出在图3的实施例中改变电磁线圈的类型时的涂覆速度的图表。

图6是模拟图3的实施例的缓冲单元中的蒸气流动的模拟图。

图7是示出图3的实施例的喷嘴的变形例的图。

图8是图3的实施例的供应管端部的剖视图。

图9是示出根据供应管端部形状的涂覆速度的图表。

图10是本发明的沉积方法的示意图。

最佳实施方式

下面，参照附图对本发明的具体实施例进行说明。

图1示出本发明的沉积装置的示意图。

本发明的一个实施例的沉积装置为在基板S涂覆2种以上的化合物或元素的沉积装置100，其包括：供应单元10，将所述2种以上的化合物或元素以多个固体形式供应；加热单元20，与所述供应单元10连接，并且使所述固体熔融并蒸发以形成蒸气；缓冲单元30，与所述加热单元20连接，并且所述蒸气停留在其中并与之前生成的蒸气混合；以及喷嘴50，与所述缓冲单元连接，并且朝向基板S形成开口。

在图1的实施例中，供应单元10包括：第一供应单元11，供应第一固体13(参照图3)；以及第二供应单元12，供应第二固体14(参考图3)。在本发明中，在基板S上涂覆2种以上的化合物或元素时，第一固体和第二固体使用具有与涂覆在基板上的目标涂层不同的组成的固体。例如，在将锌和镁的合金作为特定组成进行涂覆的情况下，第一固体可以使用锌，第二固体可以使用镁，并且可以通过调节供应的固体的量来调节锌-镁合金的组成。

固体可以包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的一种以上，并且也可以仅由一种金属元素组成。在本发明的一个实施例中，可以利用具有彼此不同的组成比的两个固体来形成具有又一不同组成比的涂层。尤其，可能难以制造与涂层组成比相同的固体，但是在本发明中，通过多个固体整体来调节目标涂层的组成比即可，因此可以通过调节容易制作的固体的供应量或者数量来调节目标涂层的组成比。

另一方面，在此实施例中，供应单元10将第一固体和第二固体同时提供至加热单元20。其中，“同时”是指，将第一固体和第二固体在同一时刻供应以及将第一固体和第二固体连续供应，从而实际上在同一时刻供应第一固体和第二固体。

加热单元20包括：坩埚，可容纳供应的固体，使其熔融/蒸发；以及加热体，对所述坩埚内部的固体提供热量。在此实施例中，优选地，加热单元20的坩埚保持规定量的熔汤，以能够进行连续涂覆，并且，热量通过所述熔汤传递到固体，从而使固体熔融。加热体可以由电磁线圈组成，以能够在加热的同时进行电磁搅拌，并且所述线圈可以设置在坩埚内部或外部的任意位置。

在所述加热单元20生成的蒸气在通过缓冲单元30后，通过喷嘴50分散至基板S，例如钢带。缓冲单元30被设置在在所述加热单元生成的蒸气通过的路径上，并且形成为保持蒸气的空间部，从而使得在加热单元20刚刚生成的蒸气与之前生成的蒸气能够混合。在此实施例中，固体熔融并蒸发，其中，固体的熔融和蒸发的时刻可根据组成而不同，因此，可能会暂时生成不同于目标涂层的组成比的蒸气。

但是，本发明中所供应的整体固体的组成比与目标涂层的组成比相同，因此，当供应的固体全部蒸发时，便能够与目标组成比相同。

在本发明的实施例中，缓冲单元的蒸气并非立即通过喷嘴来排出，而是停留规定时间并与后续的蒸气混合，因此，离开缓冲单元的蒸气不同于生成的蒸气，其能够以规定的组成比通过喷嘴50。

所述缓冲单元30保持缓冲单元30内部压力高于外部压力，从而使流入所述缓冲单元30的蒸气不会马上流出，而能够在缓冲单元30内部与后续的蒸气混合。另外，可以在缓冲单元30外部或内部设置热源并向蒸气提供热量，以使蒸气不会在缓冲单元30内部凝缩。

所述缓冲单元30连接到喷嘴50。喷嘴50通过开口喷射通过缓冲单元30的蒸气，并且从喷嘴50喷射的蒸气沉积在基板S上，从而形成涂层。与缓冲单元40相同，为了防止通过的蒸气凝缩，喷嘴50同样可以被加热。

在真空腔室内部的真空状态下设置所述加热单元20、缓冲单元30以及喷嘴50。

图2示出本发明的另一实施例。在图2的实施例中，加热单元20、缓冲单元30以及喷嘴50的结构与图1的实施例相同，但是供应单元10的第一供应单元11和第二供应单元12并不独立地向加热单元20供应固体，而是通过同一个路径向加热单元20供应第一供应单元11的固体和第二供应单元12的固体。

在此情况下，首先向加热单元20供应第一供应单元11和第二供应单元12的固体中的任一个后，接着再供应另一个供应单元的固体，并且，当先提供的固体熔融时，熔汤的组成比发生变化，从而生成的蒸气的组成比可能与目标涂层的组成比不一致。但是，在此实施例中，由于设置有缓冲单元30而生成的蒸气不会立即被排出，而是停留至后续供应的固体熔融/蒸发并与其混合为止，因此供应的蒸气可以保持规定的组成比。

图3示出图2的实施例的剖视图。如图3所示，供应单元10设置在真空腔室1的外部，并且包括：第一供应单元11，供应第一固体13；第二供应单元12，供应第二固体14；以及供应管16，连接到所述第一供应单元11和第二供应单元12，并且穿过真空腔室1延伸至非导电性的坩埚21的熔汤内部。供应管16以垂直方向形成，以使供应至供应管16的固体13、14可以通过自身重量移动到加热单元侧。供应管16的加热单元侧端部17形成有开口19。对此，参照图8和图9进行说明。

图8示出供应管16的加热单元侧端部17的剖视图，图9比较了使用所述供应管16的情况和使用一般供应管的情况。如图8所示，供应管16的加热单元侧端部17在下表面和侧面形成有开口19a、19b，此时，开口19a、19b小于第一固体13和第二固体14的截面，从而使固体在到达所述端部17时不会立即通过开口19a、19b排出。开口19a、19b可以设置有多个，并且可以设置为彼此不同的大小。

熔汤29可通过开口19a、19b流入和流出，因此，端部17内部装满了熔汤29，并且通过熔汤29熔融固体13、14。因此，固体13、14在熔汤29中熔融为液体状态或小尺寸的固体状态，并且可以防止熔汤29的温度和体积在混入过程中发生急剧变化。

在图9中，A是通过图8的开口供应固体的情况，B是开放供应管16的端部从而使固体立即混入到熔汤29的情况。固体使用锌和镁，并且以45秒为间隔供应锌固体和镁固体。感应加热单元25使用相同的感应加热单元。

如图9所示，可确认在A的情况下，频率的变动幅度较小，但是在B的情况下频率以较大幅度发生变动。另外，可确认在A的情况下，频率在规定范围内变动而与供应周期无关，但是在B的情况下，在每个供应周期，频率都会大幅度发生变动。感应加热单元的频率根据熔汤29的体积发生变动，因此，在A的情况下，可知熔汤29的体积变动幅度不大，因此，可知熔汤29的表面积和温度变化较小，从而提供规定量的蒸发量。

回到图3，加热单元20位于真空腔室1的内部，并且包括：坩埚21，其为非导电性容器；以及感应加热单元25，设置于所述坩埚21的外侧，并且以坩埚21为中心卷绕。坩埚21内部保持有操作时熔融第一固体13和第二固体14的规定量的熔汤29，所述供应管16的加热单元侧端部17延伸至所述熔汤29内部，并且至少使开口19沉浸在所述熔汤中。

为了以规定的涂覆组成和速度执行合金/化合物涂覆，尤其，为了使蒸气压不同的两种元素实现组成的均匀蒸发，需要搅拌熔汤29，以能够克服蒸气压之差，并且设置有所述感应加热单元25，以能够在搅拌容纳在坩埚21的熔汤29的同时，进行感应加热。通过感应加热单元25的电磁搅拌，可以使熔汤29的蒸发面保持上部和内部的组成比相同。所述的感应加热单元25可以位于真空内部，也可以在感应加热单元25与坩埚21之间设置隔板作为电绝缘体，以使感应加热单元25位于空气中。

一般地，通过电磁线圈生成的电磁力具有将位于内部的金属加热、搅拌以及悬浮的特性。在此实施例的感应加热单元25中，重要的功能是通过电磁力加热并搅拌合金熔汤29，悬浮功能并不重要。因此，本发明的感应加热单元25也可以使用非悬浮型电磁线圈，而不是悬浮型电磁线圈。

图4示出非悬浮型感应加热单元25的形状。如图4所示，可以使用垂直型、V型等各种类型，卷绕次数也可以是2圈、5圈等多种，卷绕的方法也可以使用单方向卷绕型和双方向卷绕型等各种形态。

另一方面，如韩国专利2009-0092627所提出，为了赋予悬浮功能，在悬浮型感应加热单元中，越是位于下部，线圈的直径越小，并且最下部线圈的直径可以非常小。所述悬浮型感应加热单元存在以下缺点：为了实现悬浮，电磁力集中在下部，因此熔汤29的加热效率低，并且由于下部的线圈直径小，导致电磁线圈内部的冷却水流动不顺畅，从而无法施加高电流。因此，在实际的涂覆性能方面上，使用非悬浮型感应加热单元更有利。

图5是比较使用非悬浮型感应加热单元和悬浮型感应加热单元涂覆基板的动态涂覆速度的结果。涂层为锌-镁合金。感应加热单元25的上部直径为180mm且相同，悬浮型感应加热单元为图4的(a)形状，非悬浮型感应加热单元为下部直径减小的形状。如图5所示，即使在非悬浮型感应加热单元中施加的电流显著低于施加在悬浮型感应加热单元的高频电流，在使用非悬浮型感应加热单元的事例的涂覆速度显著高于使用悬浮型感应加热单元的涂覆速度。因此，在本发明的实施例中，为了提供高涂覆速度而使用了非悬浮型感应加热单元。

重新回到图3，缓冲单元30位于所述坩埚21的上部。缓冲单元30形成为具有规定空间的空间部，并且其内部的压力大于外部的压力。在本实施例中，基板S以垂直方向竖立，因此喷嘴50被配置为在水平方向上喷射蒸气，并且设置在坩埚21上部的缓冲单元30形成为具有

形状的空间部。

为了使缓冲单元30的内部压力大于外部压力，喷嘴50的开口51的面积小于作为所述熔汤29的蒸发面积的上部表面积，即，坩埚21的截面面积。由于开口51的面积小于蒸发面积，因此生成的蒸气无法被立即排出，而是在缓冲单元30滞留规定时间。

图6是模拟通过缓冲单元30后移动到喷嘴50的蒸气流动的模拟图，可确认离开加热单元20的蒸气在缓冲单元30内部盘旋。因此，先生成的蒸气和之后生成的蒸气混合，以能够保持规定的组成比。

最后，所述缓冲单元30连接到喷嘴50。喷嘴50可以具有各种形态的开口51，并且可根据对象基板或条件采用适当的形状。如上所述，开口51的整体面积需要小于蒸发面积。

图7示出喷嘴的各种形状。如图7所示，也可以是在基板的宽度方向或高度方向上形成的狭缝形状的开口51、53(参照图7的(a)和(c))，或者以规定间隔隔开设置的圆形开口52(参照图7的(b))。

图10示出根据本发明的一个实施例的沉积方法的流程图。本发明的沉积方法包括：供应步骤(S100)，将2种以上的固体同时供应到一个加热单元；蒸气形成步骤(S110)，使所述固体熔融并蒸发，以形成蒸气；缓冲步骤(S120)，混合所述蒸气与之前形成的蒸气；以及喷射步骤(S130)，将混合的蒸气朝向基板喷射。

在所述供应步骤(S100)中，固体可以包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的一种以上，并且也可以仅由一种金属元素组成。因此，可以通过具有彼此不同的组成比的两个固体形成具有又一不同组成比的涂层。在所述供应步骤(S100)中供应固体时，使整体固体的组成比和目标涂层的组成比一致。

另外，在所述供应步骤(S100)中，通过延伸至坩埚的熔汤内部的供应管来供应所述固体，其中，所述坩埚容纳固体，以使其熔融并蒸发，并且在所述蒸气形成步骤(S110)中，所述固体中的至少一部分在熔融后从所述供应管中排出并混合于熔汤中。

在蒸气形成步骤(S110)中，同时执行熔汤的搅拌和加热有利于以规定的组成比进行蒸发。因此，优选地，将感应加热单元设置在坩埚外部，以同时执行熔汤的搅拌和加热，但是并不限定于此，搅拌单元和加热单元也可以独立构成。

缓冲步骤(S120)是在蒸气形成步骤(S110)中生成的蒸气与之前生成的蒸气混合的步骤，并且在该缓冲步骤中，使内部压力高于外部压力，从而使蒸气无法立即通过喷嘴排出，而停留在装置内部进行混合。通过缓冲步骤(S120)，可以缓冲在固体的熔融/蒸发时产生的组成比偏差，从而能够利用规定组成比的蒸气形成涂层。

喷射步骤(S130)是通过沉积装置的喷嘴来喷射混合的蒸气，并且所述蒸气沉积在基板上，从而在基板上形成涂层的步骤。在喷射步骤中，供应在所述缓冲步骤(S120)中混合的蒸气，因此以规定的组成比形成涂层。

实施例

用图3的实施例的装置来进行实验的结果如下。固体使用纯锌和纯镁两种，目标涂层为锌和镁(重量比：10.8重量％的Mg)的合金涂层。

坩埚21使用陶瓷材质的非导电性容器，在初期将2kg的锌-镁合金放入容器中，并使用感应加热单元25来进行感应加热，从而形成熔汤。容器的内径为140mm，将喷射蒸气的喷嘴50的开口51的总截面面积设定为7000mm²，从而使蒸气可以在缓冲单元30中混合。另外，在喷嘴50和缓冲单元30的周围使用加热器加热至800℃以上。

为了补充由于蒸发而消耗的合金熔汤，通过供应单元10向熔汤29内部供应2个61.2g的纯锌固体和1个14.8g的纯镁固体。共为3个的固体(2个纯锌+1个纯镁)分批连续投入，并且投入时间间隔为大约13.5秒。通过如上所述的沉积装置100和方式，能够使锌和镁的合金以均匀的组成和10g/秒的均匀速度连续地涂覆在基板上。

投入到非导电性容器的初期合金组成与涂覆组成无关，尽管在涂覆初期可以涂覆不同的组成，但只要供应原料的组成与涂覆组成相同，则在经过时间后，即可稳定地以均匀的速度执行所希望的组成的涂覆。

Claims (11)

1.一种沉积装置，其为在基板上涂覆2种以上的化合物或元素的沉积装置，包括：

供应单元，将所述2种以上的化合物或元素以多个固体形式供应；

加热单元，使从所述供应单元供应的固体熔融并蒸发，以形成蒸气；

缓冲单元，与所述加热单元连接，并且所述蒸气停留在其中并与之前生成的蒸气混合；以及

喷嘴，与所述缓冲单元连接，并朝向基板形成开口，

所述供应单元通过供应管向所述加热单元供应固体，

所述供应单元包括：

第一供应单元，供应第一固体；以及

第二供应单元，供应元素或化合物与所述第一固体不同的第二固体，

所述第一供应单元和所述第二供应单元通过同一个所述供应管向所述加热单元供应固体，

所述供应管包括延伸至所述加热单元的熔汤内部的加热单元侧端部，

所述供应管的加热单元侧端部形成有开口，所述开口小于所述固体的截面，并且形成在所述供应管的下表面，以使供应的所述固体在通过所述熔汤熔融至少一部分后，从所述供应管排出。

2.根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，

所述加热单元包括坩埚，

所述缓冲单元为连接所述喷嘴和所述坩埚的空间，所述开口的面积小于所述坩埚的截面。

3.根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，

所述第一供应单元和所述第二供应单元位于所述加热单元的上侧，从而在所述供应管中，所述固体通过自身重量来被供应至加热单元。

4.根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，

所述加热单元包括坩埚和设置在所述坩埚的内侧或外侧的电磁线圈。

5.根据权利要求4所述的沉积装置，其特征在于，

所述电磁线圈为非悬浮型感应加热单元。

6.根据权利要求4所述的沉积装置，其特征在于，

所述电磁线圈向垂直方向卷绕。

7.根据权利要求1所述的沉积装置，其特征在于，

所述第一固体和所述第二固体分别包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的一种以上。

8.一种沉积方法，包括：

供应步骤，将第一固体及与所述第一固体不同的元素或化合物的第二固体通过一个供应管同时供应至同一个加热单元；

蒸气形成步骤，使所述固体熔融并蒸发，以形成蒸气；

缓冲步骤，混合所述蒸气与之前形成的蒸气；以及

喷射步骤，将混合的蒸气朝向基板喷射，

在所述供应步骤中，通过延伸至坩埚的熔汤内部的供应管供应所述固体，所述坩埚容纳所述固体，以使所述固体熔融并蒸发，并且小于所述固体的截面的开口形成在所述供应管的下表面，以使供应的所述固体在通过所述熔汤熔融至少一部分后，从所述供应管排出。

9.根据权利要求8所述的沉积方法，其特征在于，

所述固体包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的一种以上，

所述混合的蒸气和所述固体具有不同的组成。

10.根据权利要求9所述的沉积方法，其特征在于，

在所述供应步骤中供应的固体整体的组成比与目标涂层的组成比一致。

11.根据权利要求8所述的沉积方法，其特征在于，

各个固体仅包含锌、镁、铝、锂、铟、银以及铜中的任一种，

在所述供应步骤中供应的固体整体的组成比与目标涂层的组成比一致。

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