CN113227436A - 气相沉积装置和用于在真空腔室中涂布基板的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种气相沉积装置。所述气相沉积装置包括：具有腔室壁的真空腔室；温度控制的屏蔽件，所述温度控制的屏蔽件被构造成屏蔽腔室壁；热屏蔽件，面向待涂布的基板，所述热屏蔽件具有一个或多个开口；和至少部分地在真空腔室之内的蒸发器，所述蒸发器包括：延伸穿过所述一个或多个开口的一个或多个喷嘴。
Description
技术领域
本公开内容的多个实施方式涉及通过真空腔室中的热蒸发的基板涂布。本公开内容的多个实施方式进一步涉及形成在真空沉积装置的表面上的凝聚物。具体而言，多个实施方式涉及一种气相沉积装置和一种用于在真空腔室中涂布基板的方法。
背景技术
已知用于在基板上沉积的各种技术，例如，化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。对于在高沉积速率的沉积，热蒸发可被用作PVD工艺。对于热蒸发，源材料被加热高达产生蒸气，所述蒸气可被沉积例如在基板上。提高被加热源材料的温度提高了蒸气浓度并且可促进高沉积速率。用于实现高沉积速率的温度取决于源材料的物理性质，例如，作为温度函数的蒸气压力，和基板的物理限制，例如熔点。
例如，待沉积在基板上的源材料可在坩埚中被加热，以在升高的蒸气压力下产生蒸气。蒸气可以从坩埚输送到加热的歧管中的涂布空间。源材料蒸气可从加热的歧管分配到涂布空间(例如，真空腔室)中的基板上。
部件的表面，例如，真空腔室的真空腔室壁，可能暴露于蒸发的源材料并且可被涂布。频繁维护以去除凝聚物对于大批量制造(例如，薄箔上的卷材涂布(web coating))是不切实际的。
此外，不想要被涂布的沉积装置部件上的源材料可能会被污染和/或不可回收。因此，由于源材料利用率低，操作真空沉积装置的成本可能会被进一步增加。
因此，具有可减少维护周期和/或可减少预防性维护时间周期之间的最小间隔的气相沉积装置、蒸发材料的方法和用于在真空腔室中涂布基板的方法是有利的。此外，有利地提高了源材料利用率。因此，例如，可降低生产成本。
发明内容
鉴于以上所述，提供了根据独立权利要求的一种气相沉积装置和一种用于在真空腔室中涂布基板的方法。本公开内容的进一步的方面、优点和特征是从本说明书和附图中显而易见的。
根据一个实施方式，提供了一种气相沉积装置。所述气相沉积装置包括：具有腔室壁的真空腔室；温度控制的屏蔽件，被构造成屏蔽腔室壁；热屏蔽件，面向待涂布的基板，所述热屏蔽件具有一个或多个开口；和蒸发器，至少部分地在真空腔室之内，所述蒸发器包括：延伸穿过所述一个或多个开口的一个或多个喷嘴。
根据一个实施方式，提供了一种用于在真空腔室中涂布基板的方法。所述方法包括：蒸发真空腔室中的材料；用热屏蔽件屏蔽蒸发器的至少一部分，所述热屏蔽件具有形成通道的开口；和利用温度控制的屏蔽件屏蔽真空腔室的腔室壁，其中蒸发器的温度高于温度控制的屏蔽件的温度。
根据一个实施方式，提供了一种用于在真空腔室中涂布基板的方法。所述方法包括：蒸发真空腔室中的材料；利用温度控制的屏蔽件屏蔽真空腔室的腔室壁，其中蒸发器的温度高于温度控制的屏蔽件的温度；并且利用被动受热的热屏蔽件屏蔽蒸发器的至少一部分，并且其中蒸发器的温度高于热屏蔽件的温度。
附图说明
为了能够详细地理解本公开内容的上述特征，上文简要概述的本公开内容的更具体描述可参考多个实施方式获得。附图涉及本公开内容的多个实施方式，并且描述如下：
图lA示出了根据本公开内容的多个实施方式的具有一个或多个温度控制的屏蔽件或热屏蔽件的气相沉积装置的示意图；
图1B示出了根据本公开内容的多个实施方式的具有一个或多个温度控制的屏蔽件或受热屏蔽件或热屏蔽件的另一气相沉积装置的示意图；
图2示出了根据本公开内容的多个实施方式的框架式受热屏蔽件和热屏蔽件的透视图；
图3示出了根据本公开内容的多个实施方式的具有一个或多个温度控制的屏蔽件或受热屏蔽件或热屏蔽件的另一气相沉积装置的示意图；
图4示出了根据本公开内容的多个实施方式的作为卷对卷(roll-to-roll)沉积装置的另一气相沉积装置的示意图；和
图5示出了用于说明根据本文所述的多个实施方式的在真空腔室中涂布基板的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开内容的各种实施方式，所述实施方式的一个或多个实例在附图中示出。在附图的以下说明中，相同的附图标记指代相同的部件。仅描述了关于各个实施方式的差异。每个实例是通过对本公开内容的说明来提供并且不意味着作为对本公开内容的限制。此外，作为一个实施方式的一部分而说明或描述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。本说明书旨在包括此类修改和变化。
在附图的以下说明中，相同的附图标记指代相同或类似的部件。通常，仅描述了关于各个实施方式的差异。除非另有说明，否则，在一个实施方式中的一部分或方面的描述也适用于在另一个实施方式中的对应部分或方面。
根据本公开内容的多个实施方式，提供了用于在真空腔室中通过蒸发进行涂布的装置和方法。为了通过蒸发利用源材料沉积基板，源材料可被加热到源材料的蒸发或升华温度以上。本公开内容的多个实施方式导致表面上的凝聚减少，例如，除了可能具有较低温度的基板之外的表面。所述表面例如可以是腔室壁。
本公开内容的多个实施方式提供了一种温度控制涂布腔室环境，例如，用以防止在屏蔽件、掩模和腔室壁上的涂布(例如，分散涂布(stray coating))。因此，除了提供预防性维护周期之间的较长操作时间之外，还可以有利地提供提高的基板涂布质量和产量。
根据一个实施方式，提供了一种用于在真空腔室中涂布基板的方法。所述方法包括蒸发真空腔室中的源材料。蒸发器的至少一部分由热屏蔽件屏蔽，所述热屏蔽件具有形成通道的开口。所述真空腔室的腔室壁由温度控制的屏蔽件屏蔽，其中所述蒸发器的温度高于屏蔽件的温度。根据另一个实施方式，提供了一种气相沉积装置。所述气相沉积装置包括具有腔室壁的真空腔室。在真空腔室之内提供蒸发器。提供一种热屏蔽件，所述热屏蔽件被布置为面向待涂布的基板并且具有形成通道的开口。蒸发器包括延伸穿过热屏蔽件的通道的喷嘴。所述装置进一步包括在真空腔室的内部和腔室壁之间的温度控制的屏蔽件。
图lA示出了真空沉积装置100。真空沉积装置100包括真空腔室105。真空腔室105包括一个或多个腔室壁150。根据一些实施方式，蒸发器135可设置在真空腔室105中，或可以至少部分地设置在真空腔室105中。图lA示出了蒸发器的分配器133。分配器可分配例如通过入口101提供在分配器中的蒸气。分配器可具有一个或多个开口182。待沉积的源材料的蒸气可以通过开口离开分配器133。源材料沉积在基板110上。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，可以在一个或多个开口182处分别提供一个或多个喷嘴136。
在图1A中，分配器133设置在真空腔室105的下部，并且基板110设置在上部。将待沉积的源材料从下部引导至上部。一个或多个侧壁150从分配器133(即，从真空腔室105的下部)延伸到基板位置(即，真空腔室105的上部)。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，真空腔室的一个或多个腔室壁可设置在蒸发器和基板位置之间。侧壁150可被温度控制的屏蔽件或框架140保护而不受涂布。温度控制的屏蔽件可被加热。因此，沉积在受热屏蔽件上的材料或源材料可以被再蒸发。
根据一些实施方式，温度控制的屏蔽件或受热屏蔽件可覆盖一个或多个腔室壁。特别是，受热屏蔽件可以覆盖多个腔室壁。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，受热屏蔽件可以是框架或温度控制框架。例如，受热屏蔽件可以围绕沉积区，蒸发的材料通过所述沉积区被引导朝向基板。此外，受热屏蔽件可以形成连续的表面。根据多个实施方式，受热屏蔽件可以是导热的，以促进受热屏蔽件的同质(homogenous)或均匀加热。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，气相沉积装置包括连接至加热器部分的控制器，所述加热器部分加热温度屏蔽件或受热屏蔽件。控制器将受热屏蔽件温度控制为低于蒸发器的温度。所述加热器部分可被构造为加热所述受热屏蔽件，特别是产生热量，其中所产生的热量被传送到受热屏蔽件。加热器部分可例如被布置在受热屏蔽件处。被布置在受热屏蔽件处也可理解为与受热屏蔽件直接和/或物理接触。加热器部分可例如包括加热线圈、加热管、加热支柱、加热灯或类似物。
加热器部分可被布置在受热屏蔽件的外表面上，其中受热屏蔽件的外表面面向腔室壁，并且受热屏蔽件的内表面面向真空腔室的内部。加热器部分也可以集成在受热屏蔽件之内，特别是被布置在受热屏蔽件之内。
图1B示出了根据本公开内容的多个实施方式的具有一个或多个框架或受热屏蔽件的另一个气相沉积装置的示意图。待沉积的材料170(即，源材料)是通过加热材料170而在坩埚160之内被蒸发的。材料170可以包括例如金属，特别是锂、金属合金和其他在给定条件下具有气相的可蒸发材料或类似材料。根据进一步实施方式，另外地或替代地，所述材料可包括镁(Mg)、镱(YB)和氟化锂(LiF)。在坩埚160中产生的蒸发的材料可以沿着由箭头137c所示的方向进入分配器133。分配器133可以例如包括通道或管，所述通道或管提供输送系统以沿着沉积装置的宽度和/或长度分配蒸发的材料。分配器可以具有“喷头反应器(shower head reactor)”的设计。
如示例性地示出，蒸发的源材料可以在分配器133之内沿着方向137a和137b朝向相应的腔室壁150引导。方向137a和137b可以与平坦基板110实质上平行，特别是与平坦基板110的表面110a平行。在卷对卷涂布机的涂布滚筒的情况下，方向137a和137b可平行于涂布滚筒的轴，或者可以平行于涂布滚筒在所述源和滚筒的最短距离处的切线。蒸发的材料借助喷嘴136从蒸发器135喷射到真空腔室105的内部145。喷嘴136布置在热屏蔽件180的开口182之内。由喷嘴136喷射的蒸发的材料185被沉积在基板110的表面110a上以形成基板110的涂层。
热屏蔽件180降低了来自蒸发器(例如，分配器133)朝向基板的辐射热。根据本公开内容的多个实施方式，热屏蔽件180包括开口182。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，分配器133的喷嘴136可以延伸穿过热屏蔽件180的开口。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，热屏蔽件的开口可以大于喷嘴的对应尺寸。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，喷嘴的开口尺寸相比于喷嘴尺寸可以大到足以进一步允许热膨胀。另外地或替代地，分配器或蒸发器的喷嘴可不与热屏蔽件机械接触，特别是不与热屏蔽件直接机械接触。因此，可以减少或避免通过传导从蒸发器到热屏蔽件的温度传送，例如，热屏蔽件可以由热绝缘体支撑。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，喷嘴从热屏蔽件中伸出。特别是，喷嘴可穿过开口伸出并且从热屏蔽件的表面伸出。参考图1B的示例性实施方式，由喷嘴136的上端136a和分配器133的侧壁134界定的喷嘴长度，与由热屏蔽件180和侧壁134界定的距离之间的比率可以至少为1.1、特别是至少为1.3，或更特别是至少为1.5。另外地或替代地，喷嘴长度有利地短(例如，具有3或低于3的比率)以向喷嘴尖端提供良好的导热性。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，分配器侧壁的面积和由喷嘴覆盖的真空腔室内部的表面的面积之间的比率至少是10:1、特别的至少是20:1或更特别是是超过50:1。通过具有如本文所述的在分配器的侧壁和喷嘴面积之间的比率，在分配器之内的压力可远远高于在真空腔室内部之内的压力。特别是，分配器之内的压力可以是真空腔室内部之内的压力的至少10倍，特别是至少50倍，或更特别是超过100倍。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，蒸发的材料可包括锂、Yb或LiF，或可由锂、Yb或LiF组成。根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，蒸发器和/或喷嘴的温度可为至少600℃，或特别是在600℃和1000℃之间，或者更特别是在600℃和800℃之间。根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，受热屏蔽件的温度可在450℃和550℃之间，特别是是在具有+/-10℃的偏差的500℃左右。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，受热屏蔽件的温度比蒸发器的温度低至少100℃，特别是低最多可达300℃，更特别是比蒸发器的温度低至少100℃且低最多可达300℃。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，热屏蔽件包括两个或更多个热屏蔽层。热屏蔽层可以彼此间隔布置。通过将热屏蔽层彼此间隔布置，可以增加热屏蔽效果。此外，热屏蔽层也可以由具有不同导热系数的不同材料制成。
面向分配器的侧壁的下热屏蔽层的温度可以高于面向基板的上热屏蔽层。热屏蔽层可例如通过固定销布置，特别是贴附在分配器的侧壁上。这些销可包括隔热材料，例如隔热合金或陶瓷。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，热屏蔽件包括1至10个热屏蔽层。根据多个实施方式，一个热屏蔽层例如可以是金属板或钢板。根据多个实施方式，热屏蔽层的厚度可以在0.1mm和1mm之间，更特别是在0.2mm和0.5mm之间。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，热屏蔽件布置在侧壁和基板之间。相比于基板，热屏蔽件可以更接近于蒸发器。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，热屏蔽件是通过蒸发器的侧壁例如由辐射被动地例如通过辐射加热。例如，热屏蔽件可以由来自蒸发器的(特别地，分配器的)侧壁的辐射热来加热。术语“被动地”可以理解为热屏蔽件由真空沉积装置的其他元件专门地加热。热屏蔽件可以例如被构造成吸收、反射和/或屏蔽热，特别是是蒸发器的侧壁的辐射热。如本文所述，通过降低由热屏蔽件朝向基板引导的热，基板可以被布置得更接近蒸发器，如此实现了真空腔室的设计更小且更紧凑。
此外，通过加热热屏蔽件，例如通过分散涂布沉积在热屏蔽件表面上的材料也可以被再蒸发。在热屏蔽件上的分散涂布的材料可通过如本文所述的再蒸发有利地去除。此外，通过再蒸发来自热屏蔽件的材料，还可以使基板上的涂层变得更加均匀。
图2示出了根据本公开内容的多个实施方式的框架式屏蔽件和热屏蔽件180的透视图。受热屏蔽件形成矩形和/或正方形的框架140。框架140布置在热屏蔽件180的顶上。热屏蔽件180可以形成平坦或均匀的上表面183。框架140包围热屏蔽件180的外周。框架140以框架140的内侧142暴露给真空腔室的内部。框架140的上边缘143相对于热屏蔽件180的上表面183的距离可以大于框架140的上边缘和基板之间的距离(未示出)。根据可与本文所述的其他实施方式结合的一些实施方式，框架和/或热屏蔽件的形状被构造成提供多个开口或喷嘴。例如，可以提供至少四行开口或喷嘴。另外地或替代地，可以提供开口和/或喷嘴的阵列或图案，其中四个或更多个开口和/或喷嘴被布置在两个不同方向上，例如正交方向上。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，受热屏蔽件覆盖面向蒸发器和基板之间的真空腔室内部的腔室壁的主要部分。其中，术语“主要部分”可以理解为使得受热屏蔽件覆盖蒸发器和基板之间的总腔室壁面积的至少50％，特别是至少75％，或更特别是超过该总腔室壁面积的90％。
控制器被构造为主动地控制受热屏蔽件的温度。主动地控制可以包括控制供应给多个加热器部分的电功率和/或可以包括控制供应给多个加热器部分的加热液体的流量。控制器可进一步被构造成测量蒸发器、坩埚、热屏蔽件和/或受热屏蔽件之内的温度。此外，控制器还可以被构造为测量在蒸发器和真空腔室内部之内的压力。此外，控制器可被构造为控制坩埚和/或蒸发器内的蒸发速率和/或基板上的蒸发的材料的沉积速率。各自的参数可以是，例如，温度、速率和压力。各自的参数可以例如通过布置在真空腔室的各自的部件处的传感器来测量。
图3示出了根据本公开内容的多个实施方式的具有一个或多个框架或屏蔽件的另一个气相沉积装置的示意图。与图lA中所示的气相沉积装置相反，此气相沉积装置具有垂直处理方向。真空腔室105被连接至真空泵210。垂直定向的分配器133是由面向基板110的表面100a的热屏蔽件180覆盖。材料在坩埚160中被加热，并且流经分配器并通过喷嘴136进入真空腔室105的内部145。材料可以通过根据如本文所述的多个实施方式的热屏蔽件140以及热屏蔽件180再蒸发。
图4示出了另一个气相沉积装置400的示意图，所述装置400是根据本公开内容的多个实施方式的卷对卷沉积装置。待沉积的基板可以是卷材(web)410或箔，所述卷材或箔由两个滚筒450引导通过真空腔室105。卷材410可以沿着真空腔室的内部145移动，面向分配器133的侧壁134和喷嘴136。在该示例性气相沉积装置400中的基板可以是卷材410。所述气相沉积装置的各部件和工艺类似于在本文中的其他实施方式中描述的部件和工艺。
图5示出了用于说明根据本文所述的多个实施方式的在真空腔室中涂布基板的方法的流程图。如由方框501所示，材料例如通过包括如本文所述的坩埚的蒸发器蒸发。如由方框502所示，蒸发器的至少一部分用根据如本文所述的多个实施方式的热屏蔽件屏蔽。如方框503中所示，真空腔室的腔室壁由温度受控的受热屏蔽件屏蔽，其中蒸发器的温度高于根据本文所述的多个实施方式的受热屏蔽件的温度。
根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，温度控制的屏蔽件的温度被主动地控制。根据可与本文所述的其他实施方式结合的多个实施方式，温度控制的或受热屏蔽件的温度被设置为低于蒸发器的温度。
延伸穿过热屏蔽件的基板通道的喷嘴为蒸发的材料提供出口，其中蒸发的材料可以从蒸发器传送到真空腔室内部。喷嘴可以实现蒸发器与腔室内部之间的压力差，特别是蒸气压力差。特别是，喷嘴可以使真空腔室内部之内的气体压力低于蒸发器之内的蒸气压力。
本公开内容的多个实施方式具有若干有利的效果。温度控制的屏蔽件可以改善真空腔室内部之内的沉积工艺。温度控制的屏蔽件的温度可以足够高，以减少蒸发的材料在腔室壁上的凝聚。此外，温度控制的或受热屏蔽件的温度也可以足够低，以保持较低的基板热负荷。
此外，受热屏蔽件上分散涂布的材料可被再蒸发以沉积在基板上。此外，通过再蒸发来自热屏蔽件的材料，也可以使在基板上的涂层变得更加均匀。通过由热屏蔽件减少腔室壁上的分散涂布，真空沉积腔室可以以更高产量的蒸发的材料来操作，从而进一步提高涂布的基板的生产率。
根据本文所述的多个实施方式的热屏蔽件能够降低如本文所述的从蒸发器朝向基板引导的热负荷，并且基板能够被布置得更接近于蒸发器，从而使得能够实现真空腔室的设计更小且更紧凑。进一步，蒸发器能够以更高的温度操作，而不会因辐射热损坏基板。此外，由于在真空腔室内部的基板以外的其他部件上的(例如，在掩模、屏蔽件和腔室壁或类似物上的)分散涂布而造成的材料损失，能够通过在热屏蔽件和受热屏蔽件上的再蒸发来降低。较少的分散涂布能够带来在维护周期之间的更高的机器正常运行时间，并且能够产生更高的材料利用率。
尽管前述内容针对多个实施方式，但是在不背离基本范围的情况下，可以设计其他和进一步实施方式，并且所述范围是由随附的权利要求书确定的。
Claims (15)
1.一种气相沉积装置，所述气相沉积装置包括：
具有腔室壁的真空腔室；
温度控制的屏蔽件，被构造为屏蔽所述腔室壁；
热屏蔽件，所述热屏蔽件面向待涂布的基板，所述热屏蔽件具有一个或多个开口；和
蒸发器，至少部分地在所述真空腔室之内，所述蒸发器包括：
一个或多个喷嘴，延伸穿过所述一个或多个开口。
2.根据权利要求1所述的气相沉积装置，其中所述热屏蔽件的所述开口形成通道，并且所述喷嘴延伸穿过所述通道。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的气相沉积装置，其中所述蒸发器的温度高于所述热屏蔽件的温度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气相沉积装置，所述气相沉积装置进一步包括：
控制器，连接至加热所述温度控制的屏蔽件的加热器部分，所述控制器将所述温度控制的屏蔽件的温度控制为低于所述蒸发器的温度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的气相沉积装置，其中所述热屏蔽件包括两个或更多个热屏蔽层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的气相沉积装置，所述蒸发器具有面向所述基板的侧壁，其中所述喷嘴设置在所述侧壁处。
7.根据权利要求6所述的气相沉积装置，其中所述热屏蔽件布置在所述侧壁和所述基板之间。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的气相沉积装置，其中所述热屏蔽件由所述蒸发器的所述侧壁被动地加热。
9.一种用于在真空腔室中涂布基板的方法，所述方法包括：
蒸发所述真空腔室中的材料；
用热屏蔽件屏蔽蒸发器的至少一部分，所述热屏蔽件具有形成通道的开口；和
用温度控制的屏蔽件屏蔽所述真空腔室的腔室壁，其中所述蒸发器的温度高于所述温度控制的屏蔽件的温度。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
主动地控制所述温度控制的屏蔽件的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述温度控制的屏蔽件的温度被设置为低于所述蒸发器的温度。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述热屏蔽件被辐射被动地加热。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：
设置所述蒸发器的内部的压力，所述蒸发器的内部的所述压力高于所述真空腔室内部的压力。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述材料通过所述温度控制的框架被再蒸发。
15.一种用于在真空腔室中涂布基板的方法，所述方法包括：
蒸发所述真空腔室中的材料；
用温度控制的屏蔽件屏蔽所述真空腔室的腔室壁，其中所述蒸发器的温度高于所述温度控制的屏蔽件的温度；和
用被动受热的热屏蔽件屏蔽蒸发器的至少一部分，并且其中所述蒸发器的温度高于所述热屏蔽件的温度。
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