CN1620521A - 可控膜厚分布的线型或平面型蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控膜厚分布的线型或平面型蒸发器，尤其是一种利用具有一定图案的狭缝在位于蒸发器上方的基板上蒸发和沉积源材料的线型或平面型蒸发器，包括：由一个纵向延伸到预定距离的细长筒体形成的以容纳待沉积材料的坩埚；和沿坩埚纵向形成在坩埚顶表面上且其面积小于坩埚截面面积的一个狭缝或独立设置的一个狭缝，由此通过沿垂直于坩埚纵向的方向移动基板进行薄膜沉积。从而，沉积的薄膜具有提高了的膜厚分布均匀性和期望的图案。

Description

可控膜厚分布的线型或平面型蒸发器

技术领域

本发明涉及一种制造薄膜的蒸发器，尤其涉及一种具有特定图案狭缝以使沉积的薄膜膜厚分布均匀性提高并具有期望图案的可控膜厚分布的线型或平面型蒸发器。

背景技术

一般地，在包括半导体器件、有机电致发光元件和其它光学涂层等各个领域中通过汽相沉积来制造薄膜。

汽相沉积主要分为PVD(Physical Vapor Deposition，物理汽相沉积)和CVD(Chemical Vapor Deposition，化学汽相沉积)并广泛用于生产半导体器件的工业领域和科研领域。

热蒸发是物理汽相沉积的一种典型方法，与溅射沉积相比，它存在难以大面积沉积的缺陷。目前使用的大多数蒸发器包含这样一种配置：包括一个由加热丝3缠绕并容纳源材料2的蒸发器1和一个放置在离蒸发器预定距离处并在蒸发器一侧提供有一掩模5的基板4，其中基板4可以在倾斜位置旋转，如图1和图2所示，用于大面积均匀沉积。

然而，使用这种蒸发器的沉积方法存在一个与源材料2的利用效率有关的问题。根据这种沉积方法，当基板增大时应当增加基板和蒸发器之间的距离。当基板和蒸发器之间的距离变大时，从蒸发器蒸发的材料虽然主要沉积在基板上，但大量材料将沉积在真空室壁上。因此，源材料2的利用效率显著下降。

此外，当基板增大时，将产生因屏蔽掩模5和蒸发器1形成的角度造成的屏蔽效应问题(shadow efiect)。屏蔽效应是由于基板中间部分和蒸发器之间形成的角度与基板边缘和蒸发器之间形成的角度不同而产生的。

为了解决上述问题，多个蒸发器线性设置，或者通过扫描彼此相对的基板或线型蒸发器而使用线型蒸发器。

然而，在多个蒸发器的情况下，控制各个蒸发器的蒸发速率恒定在一个期望水平是不容易的。同样，在线型蒸发器的情况下，由于发生在基板边缘的边缘效应造成实现均匀沉积存在问题。

实际上，在加热线型蒸发器的过程中，控制每一位置的温度以达到一个期望水平是不容易的。即使每一位置具有相同的蒸发速率，中间部分和边缘部分理论上总是存在差异。因此，在线型蒸发器的情况下，将会提出这种不均匀性。

同样，在线型蒸发器的沉积方法中，需要扫描源或基板以在平面基板上均匀沉积。然而，源的移动将会因电连接部分的移动而引起例如电接触方面的问题，并且基板的扫描需要一个用来移动基板的复杂装置。因此，由于平面型蒸发器不需要基板和源的复杂移动，从故障和事后管理方面来看发展平面型蒸发器将非常有效。

同样，无论蒸发器是平面型或线型中的那一种，控制生产薄膜的厚度分布是非常重要的，并且如果能够控制生产薄膜的厚度分布，在应用方面会非常有用。

发明内容

因此，考虑到上述问题提出了本发明，本发明要解决的技术问题是提供一种通过控制蒸发器在纵向位置的蒸发地点的蒸发速率来制造期望膜厚分布的线型蒸发器。

线型蒸发器包括由一个纵向延伸到预定距离的细长筒体形成的、用于在其中容纳待沉积材料的一个坩埚；和沿坩埚的纵向形成在坩埚的顶表面上的并且其面积小于坩埚的截面面积的一个狭缝或独立设置的一个狭缝，从而通过沿垂直于坩埚纵向的方向移动基板来进行薄膜沉积。

另一方面，本发明提供一种通过将线型蒸发器的概念扩展到两维来完成的并且不需要材料源和基板的任何移动的平面型蒸发器。平面型蒸发器包括由截面面积相对大于其高度的细长圆柱或多边棱柱形成的以在其中容纳待沉积材料的一个坩埚，和沿坩埚的纵向形成在坩埚的顶表面上且其面积小于坩埚的截面面积的一个狭缝平面或一个独立设置的狭缝平面。

附图说明

本发明的上述及其它目的、特征和优点结合附图从下面的详细描述中将得到更清楚地理解，其中：

图1是一个表示传统点蒸发器以及沉积膜的厚度分布的示意图；

图2是一个表示使用传统点蒸发器的沉积工艺的示意图；

图3是一个表示根据本发明一个实施例的可控膜厚分布的线型蒸发器的透视图；

图4A是一个表示根据本发明第一实施例的可控膜厚分布的平面型蒸发器的侧视图；

图4B是一个表示根据本发明第一实施例的可控膜厚分布的平面型蒸发器的平面图；

图5是一个表示根据本发明第一实施例的可控膜厚分布的平面型蒸发器的平面图；

图6A是一个表示根据本发明第三实施例的可控膜厚分布的平面型蒸发器的侧视图；

图6B是一个表示根据本发明第三实施例的可控膜厚分布的平面型蒸发器的平面图；

图7是一个表示根据本发明第四实施例的可控膜厚分布的平面型蒸发器的平面图；

图8是根据本发明计算在线型和平面型可控膜厚分布蒸发器上方某一位置处的通量的坐标；和

图9是一个表示根据图8的基板位置理论通量计算结果的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明。

图3是一个表示根据本发明一个实施例的可控膜厚分布线型蒸发器的透视图。

可控膜厚分布线型蒸发器包括由纵向延伸到预定距离的细长筒体形成的用于容纳待沉积的材料的一个坩埚10；和沿坩埚10的纵向形成在坩埚10的顶表面上且其面积小于坩埚10的截面面积的一个狭缝20或独立设置的一个狭缝20，从而通过沿垂直于坩埚纵向的方向移动基板进行薄膜沉积。

如图3所示，狭缝20的宽度在两端大并且朝着其中心变窄。由此，可防止沉积薄膜的中心变厚。

图4A和4B分别是根据本发明第一实施例的可控膜厚分布平面型蒸发器的侧视图和平面图。可控膜厚分布的平面型蒸发器包括由截面面积相对大于其高度的细长圆柱或多边棱柱形成的以容纳待沉积的材料的一个坩埚；和沿坩埚的纵向形成在坩埚的顶表面上且其面积小于坩埚的截面面积的一个狭缝平面或独立设置的一个狭缝平面，由此进行薄膜沉积。

如图4A、4B和图5所示，狭缝平面30包括具有预定尺寸的多个圆形狭缝31或窄带环形狭缝32。圆形狭缝31或窄带环形狭缝朝着狭缝平面30的周边比中心配置得更致密以便提高沉积薄膜的均匀性，或者，在某些情况下，沉积具有期望图案的薄膜。

同样，如图6A、6B和图7所示，狭缝平面30包括具有不同尺寸的多个圆形狭缝31或窄带环形狭缝32，其中该尺寸朝着狭缝平面30的周边比中心变大以得到与上面的结构相同的效果。

如图4A和图6A所示，在图4A的第一实施例中，直径相同的圆形狭缝31朝着周边更致密地排列，而在图6A的第三实施例中，具有不同直径的圆形狭缝31规则地间隔配置，其中该直径朝向周边变大。

理论上，对于线型蒸发器，沿纵向方向的薄膜厚度分布表示为从线型蒸发器开口的每个地点蒸发的通量(每单位长度沉积材料的蒸发速率)的总和。由于线型蒸发器从概念上讲是放置成一线的多个点蒸发器，那么其厚度分布相当于从每个地点蒸发的通量的总和。

如图8所示，点蒸发器和待沉积的位置都在距离和角度方面变化。距离为r角度为θ的一个点处的通量与Cosθ的n次幂成比例，但是与距离成反比，如下所示：

从而，图8所示线型蒸发器沉积表面上一个点处的通量数学上可以如下表示：

$g\left(x\right)={\∫}_{-L}^L\frac{{\cos }^n\mathrm{\θ}}{r^2}\mathrm{\λ}\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(2\right)$

其中λ(x)是每单位长度线型蒸发器的蒸发速率，是用于线型蒸发器纵向一个位置处的蒸发速率的函数。因此，利用这个数字公式，通过根据距离的函数可以给出线型蒸发器上方的沉积表面上任意位置处的通量，并由此预计该位置的薄膜厚度。

因此，如果可以控制λ(x)，就可以控制膜厚分布，这对于在沉积过程中获得期望的膜厚分布非常有用。尤其是，在通常半导体和显示器工艺中，生产的薄膜均匀性非常重要。因此控制λ(x)在工业领域中非常有用。

实际上，λ(x)的控制方法分为控制期望位置的蒸发速率(例如通过温度控制)和控制开口的宽度。然而，根据线型蒸发器的位置通过温度控制来控制蒸发速率事实上非常困难。因此，控制源作为一个整体发射均匀的蒸发速率，然后调整开口宽度以得到期望的厚度分布更合适。

控制源以便在整个线型蒸发器中发射均匀蒸发速率的有效方法如图3所示。图3从概念上给出了一个具有均匀蒸发速率的线型蒸发器。蒸发器依据的原理如下。

当开口的宽度远小于蒸发器横截面的宽度时，如图3所示，由于源材料的蒸发，气体分子的数量很大，因此坩埚10内部的压力增加，这与低真空(一般地达到10^-5乇)的外部不同。真空度大于10^-2乇的空间是粘性流体区域，在这里气体分子相互粘性碰撞从而局部压力变化很小。所以，尽管源材料的蒸发速率因线型蒸发器每一位置的温度变化而不同，但坩埚10内部的压力(也就是气体分子的数量)通过坩埚10内蒸发的气体分子的碰撞达到了均衡，因此可以在线型蒸发器的整个长度上发射均匀的通量。

在制备了具有均匀通量的线型蒸发器的情况下，通过适当调节开口的宽度可以制造可控膜厚分布的线型蒸发器。下面的公式(3)涉及用于得到规定膜厚分布f(x)的狭缝宽度：

$w\left(x\right)=w\left(0\right)\frac{f\left(x\right)}{g\left(x\right)}=\frac{w\left(0\right)f\left(x\right)}{{\∫}_{-L}^L\frac{{\cos }^n\mathrm{\θ}}{r^2}\mathrm{\λ}\left(x^{\′}\right)d{x}^{\′}}---\left(3\right)$

其中w(x)表示离中心x距离的位置处的宽度，也就是，根据位置所表示的函数以便计算那个位置处的狭缝宽度从而得到规定膜厚分布f(x)，w(O)表示在基准点(也就是中心)的狭缝宽度。因此，一旦确定了具体膜厚分布确定，狭缝宽度函数可以根据上面的公式确定。

这里，调整狭缝宽度的方法包括各种不同的方法，从通过控制蒸发器本身的形状(也就是，通过调整坩埚的横截面宽度)的方法，到通过仅调整狭缝20的宽度的方法，以及，通过在形成有盖的开口上设置一个独立狭缝20的方法。

开口内狭缝20的形状可以通过公式(2)确定。如果λ(x)恒等于λ，在计算公式(2)的积分时，其结果随着根据蒸发器形状的n(1，2，......)值的不同而不同。通常，在低阶对公式进行计算，也就是说，n＝1或2。例如，当n＝1且λ(x)＝λ时，结果如下：

$g\left(x\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{d}[\frac{x+\frac{L}{2}}{\sqrt{d^2+{(x+\frac{L}{2})}^2}}-\frac{(x-\frac{L}{2})}{\sqrt{d^2+{(x-\frac{L}{2})}^2}}]---\left(4\right)$

根据上面的结果表达式(4)模拟的曲线如图9所示。该曲线图是根据上面的公式(4)计算的，示出了位于长度为30cm的线型蒸发器上面15cm处的样品表面上不同位置的通量。正如由结果可以看出的那样，模拟通量曲线与理想通量曲线存在明显偏差。从而需要一个补偿通量的步骤以得到均匀的薄膜。因此，可以将狭缝类开口增大到和模拟通量与理想通量的通量偏差一样以得到均匀的通量。根据上述原理，得到均匀薄膜(f(x)恒等于f(O))的狭缝宽度可以用下面的公式(5)来表示：

$w\left(x\right)=w\left(0\right)\frac{f\left(0\right)}{g\left(x\right)}=\frac{w\left(0\right)f\left(0\right)}{\frac{\mathrm{\λ}}{d}[\frac{(x+\frac{L}{2})}{\sqrt{d^2+{(x+\frac{L}{2})}^2}}-\frac{(x-\frac{L}{2})}{\sqrt{d^2+{(x-\frac{L}{2})}^2}}]}---\left(5\right)$

图3给出了一个具有这样改进开口的线型蒸发器的实施例。实际上，即使当线型蒸发器不能产生均匀的通量时，也就是说，λ(x)是变化的，通过适当控制开口的形状也可以得到期望的膜厚分布。

本发明尤其可以有效用于制造具有均匀膜厚的薄膜，在需要制造具有不均匀但相对简单的膜厚分布的情况下也同样有效。事实上，在确定开口的形状时，应当考虑蒸发系统的特征，也就是，不同的参数，比如生产的薄膜与源之间的距离、和线型蒸发器的长度。

这种通过开口形状来控制通量的结构可以从具有一维结构的线型蒸发器推广到具有二维结构的平面型蒸发器。由于待沉积表面一般具有平面结构，因此发展平面型源非常有用。

在这种情况下，就像线型蒸发器中那样，同样可通过控制开口来制造具有期望膜厚分布的平面型源。与线型蒸发器相同，位于平面型源上方d距离处的基板上某个位置(x，y)的总通量如下所示：

$g(x,y)=\∫\frac{\mathrm{\σ}(x^{\′},y^{\′}){\mathrm{Cos}}^n\mathrm{\θ}}{r^2}d{x}^{\′}d{y}^{\′}---\left(6\right)$

其中，σ(x’，y’)表示源每单位面积的蒸发速率，取决于源的形状和分布。假设n＝2，可以得到下面的公式(7)：

$g(x,y)=\∫\frac{\mathrm{\σ}(x^{\′},y^{\′})d^2}{[{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2+d^2{]}^2}d{x}^{\′}d{y}^{\′}---\left(7\right)$

图4A给出了具有这种结构的平面型蒸发器的截面图。如通常的点蒸发器或线型蒸发器那样，平面型蒸发器在其下部有一个坩埚10。坩埚10可以用适当的方法加热，虽然在图4A中没有示出加热器。在坩埚10上面，设置狭缝平面30。狭缝平面30包括多个圆形狭缝或带环形狭缝，沉积材料通过这些狭缝并沉积在基板上。

就像线型蒸发器中那样，狭缝31、32的总面积应当小于整个蒸发器的面积以便坩埚10内部的压力产生粘性流。结果，气体分子在坩埚10内相互粘性碰撞，使得压力分布在整个蒸发器范围内变得均匀。

从而，即使由于加热器的结构以及由此的局部温度变化造成蒸发速率存在任何局部偏差，在平面型蒸发器中的在整个狭缝平面内，通量也能够均匀。

实际上，即使通量有偏差，可以控制狭缝的分布和形状以补偿这些偏差。与线型蒸发器相同，平面型蒸发器的膜厚分布也可通过这些狭缝进行控制。

作为形成均匀薄膜的一个例子，如图4A和图5所示，可以适当地排列圆形狭缝31和带环形狭缝32以形成均匀的薄膜。通过控制具有相同狭缝尺寸的圆形狭缝31或带环形开口32的排列，通过控制以均匀间隔排列的圆形狭缝31或带环形狭缝32的狭缝尺寸，或者通过组合上面的两种方法或其他方法，可以得到期望的厚度分布。总之，它们基于相同的原理来控制几何形态例如狭缝的尺寸和排列。

就像线型源中那样，期望膜厚分布f(x，y)的狭缝宽度分布w(x，y)通过下面的公式理论地确定：

$w(x,y)=\frac{w\left(0\right)f(x,y)}{g(x,y)}=\frac{w\left(0\right)f(x,y)}{\∫\frac{\mathrm{\σ}(x^{\′},y^{\′})\mathrm{Co}{s}^n\mathrm{\θ}}{r^2}d{x}^{\′}d{y}^{\′}}---\left(8\right)$

其中w(x，y)是离中心x和y距离的一个位置处的宽度，也就是，由从沉积表面上的中心到一个位置的距离x和y表示的函数，用于计算那个位置的狭缝宽度，用于得到一定膜厚分布f(x，y)，x表示沿x方向从沉积表面中心到沉积表面上的一个位置的距离，y表示沿y方向(与x方向垂直)从沉积表面中心到沉积表面上的一个位置的距离，f(x，y)表示在沉积表面上的(x，y)位置处的期望膜厚分布函数，并且σ表示每单位面积源的蒸发速率。

在二维平面型源中，可以通过狭缝宽度和狭缝形态分布来控制狭缝分布，而在线型源中主要通过狭缝宽度来控制狭缝分布。

工业应用

从上面的描述中明显看出，根据本发明，在通过沉积制造薄膜的过程中，通过改变线型蒸发器的开口中狭缝的形状，可以控制生产薄膜的膜厚分布，其中线型蒸发器是作为真空蒸发器的一个例子。并且，本发明可以用于与基板具有相同形状的平面型蒸发器。其结果是，通过利用能控制产出薄膜的厚度分布的平面型蒸发器，可以在没有例如源或基板的扫描或旋转的移动的条件下有效地进行沉积。此外，可生产具有期望图案以及均匀薄膜的膜厚分布。

Claims (7)

1、一种能够控制膜厚分布的线型蒸发器，包括：

由一纵向延伸到预定距离的细长筒体形成的以在其中容纳待沉积材料的一坩埚；和

沿所述坩埚的纵向形成在所述坩埚的顶表面上且其面积小于所述坩埚的截面面积的一狭缝或独立设置的一狭缝，由此通过沿垂直于所述坩埚的所述纵向的方向移动基板来进行薄膜沉积。

2、如权利要求1所述的线型蒸发器，其中所述狭缝的宽度两端大并朝着其中心变窄。

3、如权利要求1所述的线型蒸发器，其中所述狭缝的宽度通过下面的公式进行计算：

$w\left(x\right)=w\left(O\right)\frac{f\left(x\right)}{g\left(x\right)}=\frac{w\left(O\right)f\left(x\right)}{{\∫}_{-L}^L\frac{{\cos }^n\mathrm{\θ}}{r^2}\mathrm{\λ}\left(x^{\′}\right)d{x}^{\′}}$

其中w(x)表示在离中心x距离的位置处的宽度，也就是，由从沉积表面上的中心到一位置的距离x所表示的函数以便计算在该位置处的狭缝宽度以得到具体膜厚分布f(x)，x表示从沉积表面的中心到沉积表面上一位置的距离，w(O)表示在一基准点(也就是中心)的狭缝宽度，λ(x)表示沿蒸发器的纵向离沉积表面的中心x距离的沉积表面上位置处的每单位长度源的蒸发速率，也就是，由从中心到一离中心x距离的位置处的位置的距离x所表示的函数。

4、一种能够控制膜厚分布的平面型蒸发器，包括：

由截面面积相对大于其高度的细长圆柱或多边棱柱形成的以在其中容纳待沉积材料的一坩埚；和

沿所述坩埚的纵向形成在该坩埚的顶表面上且其面积小于该坩埚的所述截面面积的一狭缝平面或分离设置的一狭缝平面，由此进行薄膜沉积。

5、如权利要求4所述的平面型蒸发器，其中所述狭缝平面包括具有预定尺寸的多个圆形狭缝或窄带环形狭缝，其中所述圆形狭缝或窄带环形狭缝朝着所述狭缝平面的周边比中心更致密地排列。

6、如权利要求4所述的平面型蒸发器，其中所述狭缝平面包括多个圆形狭缝或窄带环形狭缝，其中所述圆形狭缝或窄带环形狭缝的尺寸朝着所述狭缝平面的周边比中心变大。

7、如权利要求5或6所述的蒸发器，其中用于期望膜厚分布f(x，y)的狭缝宽度分布w(x，y)通过下面的公式理论地确定：

$w(x,y)=\frac{w\left(O\right)f(x,y)}{g(x,y)}=\frac{w\left(O\right)f(x,y)}{\frac{\mathrm{\σ}(x^{\′},y^{\′}){\mathrm{Cos}}^n\mathrm{\θ}}{r^2}{\mathrm{dx}}^{\′}{\mathrm{dy}}^{\′}}$

其中w(x，y)表示由从沉积表面上的中心到一位置的距离x和y表示的用于狭缝宽度及分布的函数，x表示沿x方向从沉积表面的中心到沉积表面上一位置的距离，y表示沿y方向(与x方向垂直)从沉积表面的中心到沉积表面上一位置的距离，f(x，y)表示在沉积表面上(x，y)位置处的期望厚度分布函数，σ表示源的每单位面积蒸发速率。

Images