CN201372308Y - 一种用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，包括用于实现真空蒸镀的高真空室沉积单元、用于生成真空环境的真空获得与测量单元以及用于对真空蒸镀过程进行控制的机电控制单元；高真空室沉积单元包括真空室，在真空室内包括有样品台车；样品台车在与其在垂直方向连接的第一磁力转轴以及第一步进电机共同作用下在安装作真空室内的样品台车用导轨上做直线的往复运动；样品台车在与其水平方向所安装的套筒相连接的第二磁力转轴以及第二步进电机的共同作用下做绕轴自转并滑动；真空室的底部且位于样品台车下方的位置安装有用于安放、加热有机材料的有机材料升华束源炉。本实用新型能够获得大面积、均匀的有机薄膜；提高有机蒸镀材料的使用效率。

Description

一种用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备

技术领域

本实用新型涉及有机薄膜半导体材料的制备，特别涉及一种用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备。

背景技术

有机薄膜半导体材料是指利用含有共轭π键的有机分子材料(含碳、氢、氧、氮等元素)形成的一类可以传导电荷的薄膜材料，它可以通过真空蒸镀、溶液旋涂、喷墨打印、图案压印等多种方法制备，具有加工工艺简单、成本低廉、重量轻、可与柔性衬底兼容、可在室温条件下处理以及可大面积批量生产等优点。在要求大覆盖面积、机械弹性(柔性)、低温处理尤其是低成本方面，有机薄膜半导体材料制备的器件有望满足低端电子产品产业化的需求。此外，有机薄膜半导体材料可制备在柔性衬底上，从而使相应的电子器件展现良好的柔韧性。基于上述原因，有机薄膜半导体材料近年来日益引起研究人员的关注。

有机薄膜半导体材料按照材料组成的不同可分为有机小分子材料和有机聚合物材料两大类。由于有机聚合物一般能够配制成溶液，因而可以通过诸如印刷、喷涂等方法容易地制备成大面积有机半导体薄膜，但聚合物形成的有机半导体薄膜由于长分子链纠缠和错位等原因很难形成结构完全有序的周期结构，从而限制了此类材料的导电特性，即限制了空穴(或电子)迁移率的提高。而在实际应用中，有机电、光器件往往需要有机半导体薄膜具有较高的载流子迁移率和大的饱和电流，因此，采用有机聚合物生成的有机薄膜半导体材料在电子器件上的应用受到了很大的限制。

与有机聚合物生成的有机半导体薄膜材料相比，由有机小分子生成的有机半导体薄膜材料具有良好的稳定性和相对高的场效应迁移率，在通常条件下制备的有机小分子薄膜的迁移率都高于有机聚合物薄膜几个数量级，因而由诸如并五苯(Pentacene，C₂₂H₁₄)在内的有机小分子所形成的有机半导体薄膜成为当前制备实用化的薄膜场效应晶体管最为广泛使用的有机半导体材料。但在利用有机小分子材料制备有机半导体薄膜的过程中，由于有机小分子材料往往缺乏适合的溶剂，因此一般不能或很难制备成溶液形态，也就不能像有机聚合物那样采用诸如印刷、喷涂等方法制备大面积的有机半导体薄膜。现有技术中，利用有机小分子材料制备有机半导体薄膜时，通常采用将有机小分子材料在高真空中加热升华形成有序多晶膜的方式，这种方法也被称为真空蒸镀法。

现有技术虽然可以提供用于实现所述真空蒸镀法的真空热蒸镀设备，但此类设备由于构造上的原因限制了有机小分子半导体薄膜的大面积均匀制备。以英国BOC-Edwards公司制造的专门用于有机小分子材料和金属电极真空蒸镀的设备Auto-306为例，在图1中给出了该设备的结构示意图。从结构图中可以看出，该设备由真空室和控制部分构成，其中的真空室包括底座法兰盘11、真空室侧壁12、衬底盘13、旋转轴14、电机15、上法兰盘16、抽气孔17、束源炉灯丝加热部分18、束源炉坩埚19、束源炉挡板110等部件构成。在工作过程中，衬底材料装在衬底盘13上，装入束源炉坩埚19内的被蒸镀材料在束源炉加热丝部分18的加热作用下升华，在真空中形成定向的分子束流，最终覆盖到衬底盘13所安装的衬底上，从而形成有机半导体薄膜或金属接触电极。从上述的工作过程可以看出，束源炉坩埚19的炉口到衬底盘13表面的距离以及束源炉坩埚19的开口角度决定了分子束斑的大小和蒸镀样品薄膜的尺寸大小与均匀性。由于受到整个设备大小的限制，束源炉坩埚19的炉口到衬底盘13表面的距离会受到限制，因此通过该设备蒸镀生成的薄膜一般最大直径也只有3到4英寸，不能满足有机光、电器件的大面积成膜要求。如果通过扩大束源炉坩埚19的炉口角度来增大薄膜的大小，则容易引起所生成薄膜厚度的不均匀。此外，采用该设备进行蒸镀的过程中，考虑到薄膜均匀性的要求，蒸镀过程中所产生的束斑一般要大于样品尺寸，所以会有多余的分子束材料(一般购买的能制备高迁移率的小分子很昂贵)被白白浪费掉，增加了薄膜制备成本。

综上所述，现有技术中的真空热蒸镀设备不能够生成大面积均匀的有机薄膜半导体材料，且在制备过程中容易产生原材料的浪费现象。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有的真空热蒸镀设备不能够生成大面积均匀的有机薄膜半导体材料，且在制备过程中容易产生原材料浪费的现象，从而提供一种能够生成大面积均匀有机薄膜半导体材料的真空热蒸镀设备。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，包括用于实现真空蒸镀的高真空室沉积单元、用于生成真空环境的真空获得与测量单元以及用于对真空蒸镀过程进行控制的机电控制单元；

所述的高真空室沉积单元包括真空室，在所述真空室内包括有样品台车；所述样品台车在与其垂直方向连接的第一磁力转轴以及第一步进电机共同作用下在真空室内的样品台车用导轨上做直线的往复运动；所述样品台车在与其水平方向所安装的套筒相连接的第二磁力转轴以及第二步进电机的共同作用下伴随直线往复运动做绕轴自转；所述真空室的底部且位于所述样品台车下方的位置安装有用于安放、加热有机材料的有机材料升华束源炉。

上述技术方案中，在所述样品台车用导轨上包括有自动限位装置，所述样品台车在碰到所述自动限位装置后，在所述机电控制单元的控制下改变在所述样品台车用导轨上的直线运动方向。

上述技术方案中，所述真空室的一个侧面上安装有用于打开所述真空室的差分式双O圈可开启密封法兰。

上述技术方案中，所述样品台车包括圆柱体状的样品台，在所述样品台的外表面上开有两个用于固定柔性衬底的凹槽。

上述技术方案中，在所述样品台车上安装有齿条，在所述第一磁力转轴上安装有齿轮，所述齿条与所述齿轮相咬合，实现所述样品台车与所述第一磁力转轴在垂直方向的连接。

上述技术方案中，安装在样品台车上的套筒通过销钉与所述第二磁力转轴连接。

上述技术方案中，所述样品台车用导轨包括两根导轨，所述两根导轨分别安装在所述真空室内壁两侧的相对位置上。

上述技术方案中，在所述有机材料升华束源炉上方还包括束源炉挡板，所述束源炉挡板在有机材料升华束源炉工作时从所述有机材料升华束源炉上方移开。

上述技术方案中，所述束源炉包括有用于有机小分子升华蒸镀的有机材料或用于金属电极蒸镀的金属材料。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型的真空热蒸镀设备采用固定束源炉并使得缠绕在圆筒上的柔性衬底在真空室中做直线往复运动加绕圆柱中心轴自转的方式，因而能够获得大面积、均匀的有机薄膜。

2、本实用新型的真空热蒸镀设备在工作过程中，由于有机源到达柔性衬底表面的束斑可以小于样品台圆柱体的直径，从束源炉出射的分子束几乎全部沉积到柔性衬底上，从而避免了传统蒸镀方式中有机分子浪费现象，大大提高了有机蒸镀材料使用效率。

3、有机柔性衬底可以通过打开真空热蒸镀设备侧面的双O圈差分抽气密封的大法兰，进行方便的装、拆样品，从而使制备大面积有机薄膜的过程方便、快捷，为有机半导体薄膜产业化制备提供了技术基础。

附图说明

图1为现有技术中用于有机小分子材料和金属电极真空蒸镀设备的结构示意图；

图2(a)为本实用新型的真空热蒸镀设备中的高真空室沉积单元的一种实现方式的正视图；

图2(b)为本实用新型的真空热蒸镀设备中的高真空室沉积单元的一种实现方式的侧视图；

图3为用于固定柔性衬底的圆筒形样品台的示意图。

图面说明

11   底座法兰盘     12  真空室侧壁    13 衬底盘

14   旋转轴         15  电机          16 上法兰盘

17   抽气孔         18  束源炉灯丝加热部分

19   束源炉坩埚     110 束源炉挡板    21  真空室

22   差分式双O圈可开启密封法兰        23  束源炉

24   束源炉挡板     25  样品台车      26  样品台车用导轨

26’ 自动限位装置   27  齿条          28  第一磁力转轴

28’ 齿轮           29  第一步进电机  210 套筒

211 第二磁力转轴    212 销钉          213 第二步进电机

214 抽气孔          215 照明灯

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型加以说明。

本实用新型的真空热蒸镀设备包括高真空室沉积单元、真空获得与测量单元以及机电控制单元。

高真空室沉积单元用于在一个高真空环境下提供束源、束源控制和可线形往复运动及绕轴自转的样品台车，从而完成大面积样品的真空蒸镀。真空获得与测量单元用于为高真空室沉积单元提供必备的高真空环境，并对高真空室沉积单元中的真空度和束流强度进行测量。机电控制单元用于实现对高真空室沉积单元中的样品台车、束源炉、束源挡板开关等部分的控制。

下面对上述各个单元的具体实现方式进行详细说明。

在图2中示出了本实用新型的真空热蒸镀设备中的高真空室沉积单元的一种结构。从图2(a)中可以看出，高真空室沉积单元由一个带有抽气孔214的真空室21构成。在真空室21的底部安装有束源炉23，束源炉内安装有有机材料，该束源炉23的炉口大小适中，使得其在加热状态下所喷射出的分子束流喷射到下文中所提到的样品台车25表面，其有效尺寸可以小于样品台车25的截面大小，以有效地充分利用蒸镀材料，减少原材料的不必要损失。在所述束源炉23的顶端还安装有束源炉挡板24，在真空热蒸镀设备的工作过程中，所述束源炉挡板24从所述束源炉23的顶端移开。在所述真空室21中间部位的两侧内壁上分别安装有样品台车用导轨26，如图2(b)，样品台车25通过车轮安装在样品台车用导轨26上。在样品台车用导轨26上还安装有样品台车自动限位装置26’，通过所述自动限位装置26’可触发实现对样品台车25在样品台车用导轨26上直线运动方向的改变，以达到样品台车25在导轨26上直线方向的连续往复运动。在真空室21的一个侧面上还安装有差分式双O圈可开启密封法兰22，利用该法兰可以方便地将用于制备有机薄膜用的材料安装或移出真空室21。在真空室21内还包括有用于观察用的照明灯215。

如前所述，样品台车25可以沿着样品台车用导轨26做直线方向的往复运动。样品台车25在样品台车用导轨26上所做的直线方向的往复运动是在第一步进电机29、第一磁力转轴28共同作用下实现的。参考图2(a)、图2(b)，第一步进电机29与第一磁力转轴28的一端连接，在第一磁力转轴28的另一端连接有齿轮28’，而在样品台车25上则安装有齿条27，第一磁力转轴28上的齿轮28’与样品台车25上的齿条27相咬合。当第一步进电机29带动磁力转轴28转动时，磁力转轴28上的齿轮28’带动齿条27，并利用自动限位装置26’改变第一步进电机的转动方向从而实现样品台车25的直线往复运动。

样品台车25除了可以沿着导轨26做直线方向的往复运动外，还可以做绕轴的自转运动，所述的绕轴自转运动是在第二磁力转轴211、第二步进电机213的共同作用下实现的。从图2(a)、图2(b)可以看出，样品台车25上的样品台是一个圆柱体，在所述圆柱体的轴向位置固定安装有一个套筒210，连接在第二步进电机213上的第二磁力转轴211通过销钉212与所述的套筒210连接。当所述的第二步进电机213转动时，通过第二磁力转轴211带动套筒210转动，进而使得样品台车25上的样品台绕轴自转。由于样品台车25在绕轴自转的同时，一般还要在导轨26上做前述的直线方向的往复运动，因此，第二磁力转轴211联合销钉212与套筒210之间还需要做相对位置的滑动，从而实现前述的直线方向的往复运动。

采用本实用新型的真空热蒸镀设备进行蒸镀时，所采用的柔性衬底安装在样品台车25中的样品台上。如图3所示，所述样品台的外表面加工有两个凹槽，当柔性衬底被安装在样品台上时，将柔性衬底紧贴在样品台的外表面上，并将柔性衬底边缘安置在所述凹槽内，然后将两根与样品台通过弹性钢片相连的圆杆卡在所述凹槽内，通过钢片的弹性实现对柔性衬底的固定。以上说明只是样品台用于固定柔性衬底的一种实现方式，本领域的普通技术人员可以根据现有技术采用其它方式，如将上述圆杆换成压片，然后用所述压片卡住柔性衬底的边缘等方式。

以上是对高真空室沉积单元的一种实现方式的说明。与高真空室沉积单元相比，真空获得与测量单元、机电控制单元的实现方式相对而言较为简单，可采用现有技术中任何可能的实现方式。例如，真空获得与测量单元的一种实现方式是采用机械泵做为前级粗抽涡轮分子泵，然后将一个涡轮分子泵与高真空沉积室的抽气孔214相连，在该单元工作时可将沉积室抽到10^-4Pa以上。

在下面的一个实施例中，结合大面积有机薄膜晶体管(OTFT)电路的制备过程，对本实用新型的真空热蒸镀设备的工作流程进行说明。

在本实施例中，所要制备的大面积有机薄膜晶体管电路包括柔性衬底层、栅电极层、介电层、有机半导体薄膜层、源电极层和漏电极层。上述各层中的有机半导体层通常采用并五苯材料制成，由于并五苯材料属于有机小分子材料，因此无法采用印刷或喷涂方式制备，需要采用本实用新型的真空热蒸镀设备。

采用本实用新型的真空热蒸镀设备进行蒸镀前，首先选取已经包含有栅电极层、介电层的柔性衬底，然后通过开启差分式双O圈可开启密封法兰22打开真空室21，将所选取的柔性衬底安装到样品台车25上。在安装时参考图3，将柔性衬底紧贴在样品台车25的样品台的外表面上，并将柔性衬底边缘安置在样品台表面的凹槽内，然后将两根与样品台通过弹性钢片相连的圆杆卡在所述凹槽内，通过钢片的弹性实现对柔性衬底的固定。此外，还需要将并五苯材料放置在束源炉23内，此时束源炉23上的束源炉挡板24处于遮挡位置。以上工作完成后，通过关闭差分式双O圈密封法兰22密封真空室21，然后利用真空获得与测量单元进行抽气操作，直至真空室21内的真空度达到蒸镀所需的要求，例如，真空度可在1×10^-5mbar～1×10^-7mbar之间。

在上述准备工作完成后，在机电控制单元的控制下开始蒸镀过程。在蒸镀时，束源炉23加热，使得其中的并五苯材料升华生成分子束流。此时，束源炉挡板24移开，使得分子束流可以到达并沉积在样品台车25上所安放的柔性衬底上。在这一并五苯升华、沉积的过程中，样品台车25在第二磁力转轴211、第二步进电机213的共同作用下做绕轴自转，同时，样品台车25还在第一步进电机29、第一磁力转轴28共同作用下沿着导轨26做直线方向的往复运动，因此使得并五苯材料可以在整个柔性衬底上均匀排布，直到柔性衬底上的并五苯薄膜的厚度达到规定的要求，例如30～100nm。在沉积过程中，柔性衬底的温度可以为室温也可以通过样品台内部安装加热装置使柔性衬底高于室温，如在60℃。需要说明的是，采用本实用新型的真空蒸镀设备进行真空蒸镀时，不仅可以在所述柔性衬底的所有区域实现蒸镀操作，也可以通过所述机电控制单元的控制对所述柔性衬底的特定区域进行蒸镀操作，使得柔性衬底在特定区域上蒸镀诸如并五苯之类的有机小分子材料或者是金属电极。

通过本实用新型的真空热蒸镀设备实现并五苯在柔性衬底上的蒸镀后，即实现了有机半导体层的制备。然后在此基础上可进一步生成源电极层和漏电极层，从而得到所需的大面积有机薄膜晶体管电路。在生成源电极层和漏电极层时，可采用喷墨打印方式，也可采用真空蒸镀方式。采用真空蒸镀方式时，具体的实现过程除需要增加遮挡掩模版外与前述并五苯的蒸镀相似，因此不在此处做详细说明。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，包括用于实现真空蒸镀的高真空室沉积单元、用于生成真空环境的真空获得与测量单元以及用于对真空蒸镀过程进行控制的机电控制单元；其特征在于，

所述的高真空室沉积单元包括真空室(21)，在所述真空室(21)内包括有样品台车(25)；所述样品台车(25)在与其垂直方向连接的第一磁力转轴(28)以及第一步进电机(29)共同作用下在真空室(21)内的样品台车用导轨(26)上做直线的往复运动；所述样品台车(25)在与其水平方向所安装的套筒(210)相连接的第二磁力转轴(211)以及第二步进电机(213)的共同作用下伴随直线往复运动做绕轴自转；所述真空室(21)的底部且位于所述样品台车(25)下方的位置安装有用于安放、加热有机材料的束源炉(23)。

2、根据权利要求1所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，在所述样品台车用导轨(26)上包括有自动限位装置(26’)，所述样品台车(25)在碰到所述自动限位装置(26’)后，在所述机电控制单元的控制下改变在所述样品台车用导轨(26)上的直线运动方向。

3、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，所述真空室(21)的一个侧面上安装有用于打开所述真空室(21)的差分式双O圈可开启密封法兰(22)。

4、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，所述样品台车(25)包括圆柱体状的样品台，在所述样品台的外表面上开有两个用于固定柔性衬底的凹槽。

5、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，在所述样品台车(25)上安装有齿条(27)，在所述第一磁力转轴(28)上安装有齿轮(28’)，所述齿条(27)与所述齿轮(28’)相咬合，实现所述样品台车(25)与所述第一磁力转轴(28)在垂直方向的连接。

6、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，安装在样品台车(25)上的套筒(210)通过销钉(212)与所述第二磁力转轴(211)连接，实现绕轴自转加滑动。

7、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，所述样品台车用导轨(26)包括两根导轨，所述两根导轨分别安装在所述真空室(21)内壁两侧的相对位置上。

8、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，在所述束源炉(23)在上方还包括束源炉挡板(24)，所述束源炉挡板(24)在有机材料升华束源炉(23)工作时从所述束源炉(23)上方移开。

9、根据权利要求1或2所述的用于柔性衬底大面积薄膜制备的真空热蒸镀设备，其特征在于，所述束源炉(23)包括有用于有机小分子升华蒸镀的有机材料或用于金属电极蒸镀的金属材料。

Images