JP2021525830A - デバイス - Google Patents

Abstract

蒸発器デバイスは、坩堝を有し、坩堝は、固体物質を坩堝に導入する入口と、蒸発物質を坩堝から解放する出口と、を備える。坩堝内で溶融物質からの脱ガス蒸気は、出口から離間するように案内される。

Description

本発明は、物質を基板上に堆積させるための蒸着蒸発器に関する。より具体的には、本発明は、物質を基板上に連続的に堆積させるための定常蒸着蒸発器デバイスに関する。さらにより具体的には、本発明は、金属物質を移動する基板上に連続的に堆積させるための定常蒸着蒸発器デバイスに関する。

金属物質の薄膜は、蒸着技術を用いて基板上に堆積され得る。従来の方法は、坩堝内の物質を溶融させるステップを有し、それにより、物質は、気相状態へ変化し、被覆される基板の方向で移動し、基板において、物質は、凝縮して膜を形成する。しかしながら、これら従来の坩堝は、物質が蒸発するにしたがって坩堝に物質を補充する必要があるので、連続的なすなわち定常的な蒸気流動を提供するように容易に構成される。また、蒸気流動中の不純物は、不純物が基板上に凝縮しないように処分する必要がある。したがって、溶融温度と物質の蒸発温度との間の注意深い熱負荷バランスを必要とする。

定常蒸気流動を提供するのに適した蒸発器デバイスの一例は、特許文献１に記載されている。デバイスは、３つの異なる領域に分割された坩堝を備える。蒸発される固体物質は、加熱した溶融領域に導入され、この溶融領域では、物質は、溶融される。溶融物質は、溶融領域から加熱領域へ移行し、物質は、溶融領域の温度より高いが物質の沸点未満である上昇温度で維持される。

米国特許出願公開第２００７/０２８６２９号明細書

加熱領域内において、物質よりも沸点が低い不純物は、蒸発される。加熱領域は、溶融領域を蒸発器領域に接続するチャネルの形態にあり、この加熱領域は、物質の沸点よりも高い温度まで加熱される。物質は、蒸発器領域内で蒸発し、蒸発器領域の上方に位置する基板に堆積される。蒸発器領域からの物質の蒸発速度は、とりわけ、蒸発器領域内にある溶融物質の露出面と蒸発器領域の温度とによって決定される。

本発明の第１態様は、定常蒸着蒸発器デバイスを提供し、このデバイスは、坩堝であって、固体物質を坩堝に導入する入口と、蒸発物質を坩堝から解放する出口と、を有する、坩堝を備え、坩堝内の溶融物質からの脱ガス(outgassed)蒸気は、出口から離間するように方向付けられ、それにより、出口における溶融物質の表面は、平静であり、出口からの蒸発物質の流動が、一定である。

本発明にかかるデバイスにより、定常蒸気流動及び出口における溶融物質の非破壊面を可能とする。坩堝は、堆積のために排出される蒸発物質のための、脱ガスのない出口を有する。坩堝の出口において清浄かつ／または滑らかな蒸発面を維持するために、坩堝は、溶融物質から脱ガスされた不純物蒸気が出口から離間するように案内されるように設計されている。脱ガス蒸気を出口から離間するように案内することにより、これら蒸気が蒸発器出口から放出された蒸発物質と混合することを防止する。また、デバイスの出口におけるまたは出口近傍における全ての溶融体は、ほぼ同じ温度で維持されるようになる。これにより、デバイスの出口において溶融物質の表面における吐出量、クラスト及び高温点を低減する。したがって、発生した蒸気プルームは、出口の表面積にわたって均一となる。全出口の表面積は、同様に、クラスト、吐出または高温点の心配なく、一定かつ欠点がないままであり得る。このため、改善した連続的蒸着を実現し得、被覆される所望の基板への物質の堆積がより一定である。

従来のバッチ型坩堝は、物質を消費するにしたがって流動を変更する、すなわち、プール面積は、減少し、堆積の継続期間の関数として不均一な蒸気プルームを招く。これにより、製造における一貫性のなさを招き、性能が不十分な製品をもたらし得る。また、高温度の坩堝に物質を供給することは、物質（冷たい）が物質を供給する際にプルームに衝撃を与えるので、非常に困難である。対照的に、本発明にかかる連続的な定常蒸発デバイスの設計によれば、出口の全表面積にわたってデバイスの出口には連続的なかつ一定の流動があるので、基板への物質の均一な堆積のための拡張性を可能とする。これにより、同様に、デバイスの出口に対して移動する基板への物質の均一な堆積を可能とする。

本発明によれば、物質を供給してデバイスの出口の下方から溶融させることを可能とし、それにより、蒸発面は、物質の供給によって乱されない。本発明の設計によれば、同様に、物質が濃縮される表面の数を低減し、それにより、物質の有効利用を改善する。

坩堝は、溶融領域と、蒸発器領域と、加熱領域であってこの加熱領域を通して溶融物質が溶融領域から蒸発器領域へ移行する加熱領域と、を備え得、入口は、溶融領域に位置し、出口は、蒸発器領域に位置する。領域を使用することによって、デバイスにわたって慎重な温度制御が可能となる。従来の蒸発源において、液面位(level)が錐状坩堝内で減少するので、結果として生じる流動は、表面積の減少に従って低減する。対照的に、蒸発器領域の温度を維持し得かつ溶融領域及び加熱領域とは別個に管理し得、それにより、蒸発物質は、一定温度であり、デバイスに供給された物質量に応じた液面位にあり、それにより、物質蒸発流動は、広範囲にわたって一定である。

坩堝は、ベースを覆って延在するカバーを備え得る。カバーは、少なくとも部分的に案内面を画成し得る。案内面は、脱ガス蒸気を蒸発器領域の出口から離間するように案内するためにベース及び／またはカバーに接続された１以上の邪魔板を備え得る。あるいは、カバーは、少なくとも部分的に案内面を画成し得る。例えば、１以上の邪魔板は、カバーと一体化され得る。カバーは、脱ガス蒸気を蒸発器領域の出口から離間するように案内するように形付けられ得る。案内面は、坩堝の加熱領域を覆って延在し得、脱ガス蒸気を蒸発器領域から離間するように方向付けるように形付けられ得る。案内面は、蒸発器領域から溶融領域に向けて上方に傾斜し得る。脱ガス蒸気を放出するための１以上の排気口は、カバーに形成され得る。あるいは、カバーは、脱ガス蒸気を溶融領域の入口に向けて案内するように形付けられ得る。デバイスのベース及び案内面は、蒸発器領域から発散し得る。すなわち、ベースは、下方に向けて傾斜していると言え得、案内面は、出口から離間するように上方に傾斜し得る。これにより、堆積させる物質を坩堝により良好に装填することができる。デバイスのベースは、加熱領域、溶融領域及び蒸発器領域に関して共通であり得る。

１以上の加熱器は、溶融領域を加熱するための第１加熱器と、蒸発器領域を加熱するための第２加熱器と、を備え得る。第１加熱器は、溶融領域を第１温度まで加熱するために使用され、第２加熱器は、蒸発器領域を第２温度まで加熱するために使用される。蒸発させる物質の組成に応じて、第２温度は、第１温度よりもセ氏数百度高くなり得る。蒸発器領域から溶融領域への過剰なエネルギー移送を最小化するために、第２加熱器は、第１加熱器から間隔をあけ得る。第１加熱器は、好ましくは、溶融領域の周囲に延在する。第１加熱器は、溶融領域を物質の融点よりもわずかに高い温度まで加熱するように構成され得、それにより、誘導加熱器及び抵抗加熱器のうちの一方によって設けられ得る。第２加熱器は、好ましくは、蒸発器領域の周囲に延在し、好ましくは、誘導加熱器によって設けられている。そのため、第２加熱器の加熱効果は、蒸発器領域内に集中され得、第２加熱器は、渦電流を蒸発器領域内に誘導し得、溶融物質を物質の沸点に向けて均一に加熱する。

一の特有の形態において、蒸発器領域は、桶状とされ得、蒸発器領域の出口に向けて発散する細長い側壁部を有する。第２加熱器は、蒸発器領域の側壁部の周囲に延在する、すなわち側壁部を囲む。

溶融領域は、桶状とされ得、細長い側壁部は、好ましくは、溶融領域の入口に向けて集合する。第１加熱器は、溶融領域の側壁部の周囲に延在する、すなわち側壁部を囲む。

蒸発器デバイスは、坩堝で保持された物質量を測定するための観測システムをさらに備え得る。特有の形態において、観測システムは、蒸発器領域内の溶融物質の液面位を観測するための液面位センサ、または、坩堝及び坩堝内で保持されている物質の組み合わせた重量を観測するためのロードセルもしくは他の手段を備え得る。これにより、固体物質を坩堝に導入する速度を自動的に制御することが可能となり得、それにより、蒸発器領域内の溶融物質のほぼ均一な液面位を維持し、このため、坩堝からのほぼ均一な蒸発速度を維持する。固体物質は、コンベアからまたはホッパから坩堝に導入され得る。坩堝で保持されている物質量を観測することにより、同様に、第１及び／もしくは第２加熱器の温度または坩堝が位置する雰囲気の圧力などの他の堆積処理パラメータを制御することが可能なり得る。

第２態様において、本発明は、同様に、固体物質を溶融、蒸発させる方法を提供し、この方法は、坩堝の溶融領域を第１温度まで加熱するステップと、坩堝の蒸発器領域を第１温度よりも高い第２温度まで加熱するステップと、第１温度よりも低い融点及び第２温度よりも低い沸点を有する固体物質を加熱した溶融領域に導入するステップと、加熱領域を通して溶融物質を溶融領域から蒸発器領域へ流動させるステップと、蒸発物質を蒸発器領域から解放するステップと、加熱領域内で溶融物質から脱ガス蒸気を蒸発器領域から離間するように案内するステップと、を備える。

固体物質は、バッチ処理で坩堝内に導入され得る、または、蒸発物質は、連続的な流動で、坩堝から解放される。

本発明の第１態様と共に上述した特徴は、本発明の第２態様に等しく適用可能である、または、その逆である。

添付の図面を参照しながら、例としてのみ、本発明の好ましい特徴をここで説明する。

蒸発器デバイスの坩堝を上方から見た斜視図である。 図１の坩堝を示す側面図である。 図１の坩堝を示す側方断面図である。 図１の坩堝を有する蒸発器デバイスを示す概略図である。 蒸発器デバイスの制御システムを示す概略図である。 蒸発器デバイスの別の坩堝を上方から見た斜視図である。

図１から図３は、蒸着によって物質を基板に付着させるための蒸発器デバイスで使用するための坩堝１０を示す。坩堝１０は、ベース１２と、カバー１４と、ベース１２から上方に延在する外側壁部１６、１８と、カバー１４から下方に延在する内側壁部２０、２２と、内側壁部２０、２２の端部を接続する側壁部２４、２６と、を備える。側壁部１６、２０、２４、２６は、坩堝１０の細長い入口２８を画成し、側壁部１８、２２、２４、２６は、坩堝１０の細長い出口３０を画成する。この特有の実施形態において、ベース１２及びカバー１４は、ほぼ平坦であり、カバー１４は、ベース１２に対して所定角度で、すなわち非平行に配設されている。

第１加熱器３２は、入口２８の下方に位置し、坩堝１０の側壁部１６、２０、２４、２６の上側部分の上方に延在する。第１加熱器３２は、抵抗加熱器または誘導加熱器であり得る。第２加熱器３４は、第１加熱器３２から間隔をあけており、出口３０の下方に位置する。第２加熱器３４は、坩堝１０の側壁部１８、２２、２４、２６の上側部分の上方に延在するコイルの形態にある。第２加熱器３４は、誘導加熱器の形態にある。加熱器３２、３４は、加熱器３２、３４からのエネルギー出力を独立して制御する（図５に概略的に示す）コントローラ３６によって制御される。

図３を特に参照すると、坩堝１０の内側チャンバは、坩堝１０のベース１２、カバー１４及び側壁部によって３つの領域に分割されている。内側チャンバは、坩堝１０の入口２８を備える溶融領域３８と、坩堝１０の出口３０を備える蒸発器領域４０と、溶融領域３８の下側セクションと蒸発器領域４０の下側セクションとの間に延在する加熱領域４２と、を備える。蒸発器領域４０は、桶状であり、出口３０に向けて発散する細長い側壁部１８、２２を有する。溶融領域３８は、同様に桶状であるが、入口２８に向けて集合する細長い側壁部１６、２０を有する。図４を参照すると、坩堝１０は、蒸発器デバイス内に装着されており、それにより、ベース１２は、溶融領域３８から蒸発器領域４０に向けて上方に傾斜し、カバー１４は、蒸発器領域４０から溶融領域３８に向けて下方に傾斜する。ベース１２は、蒸発器領域４０から溶融領域３８に向けて下方に傾斜し、それにより、ベース１２及びカバー１４は、発散する。溶融領域内で保持されている物質の全体深さ（ひいては量）は、蒸発器領域４０内に保持されている物質の深さ／量よりも大きい。

使用中において、溶融領域３８は、選択した第１温度まで第１加熱器３２によって加熱され、蒸発器領域４０は、第１温度よりも高い選択した第２温度まで第２加熱器３４によって加熱される。そして、蒸発器デバイスによって蒸発される固体物質４４は、入口２８を通して坩堝１０内に導入される。固体物質４４は、取り扱いを容易にするためにかつ固体物質の表面積を低減することを介して固体物質からの不純物の脱ガスを低減するためにペレット状で坩堝１０内に導入される。固体物質４４は、ホッパからまたは図３に示すようにコンベア４６から坩堝１０内に導入され得る。回転するシャッタ４８は、コンベア４６と入口２８との間に位置し得る。

第１温度は、第１温度が固体物質４４の融点よりも高いように選択されており、そのため、固体物質４４は、溶融領域３８内で溶融する。脱ガス蒸気であって固体物質４４が溶融領域３８内で溶融する際に発生した蒸気は、坩堝１０から解放するために、集合していく細長い側壁部１６、２０によって入口２８へ案内される。１以上の排気口は、脱ガス蒸気を入口２８から排気するために設けられ得る。さらに、固体物質４４が溶融する際に発生するスラグは、溶融領域３８内で保持される。

固体物質４４が溶融領域内で溶融するにしたがって、溶融物質４５は、加熱領域４２を通って蒸発器領域４０へ流動する。溶融領域３８の深さが比較的大きいことにより、固体物質４４が蒸発器領域４０へ移行する前に溶融する十分な空間が形成される。これにより、一定の流動及び一貫性のある溶融物質４５を所望の期間内に蒸発器領域４０の下側セクションへ搬送されることができ得る。

第２温度は、第２温度が溶融物質の沸点よりも高く選択されており、それにより、溶融物質４５は、溶融物質が加熱領域４２を通過して蒸発器領域４０に向けて移行するにしたがって、温度が上昇する。溶融物質が加熱領域４２を通過するにしたがって溶融物質４５からさらなる脱ガス蒸気は、（傾斜した）カバー１４によって入口２８に向けて、または、入口２８から離間するように脱ガス蒸気を排気するための排気口へ案内される。蒸発器領域４０内において、溶融物質４５は、蒸発され、坩堝１０の出口３０を通して解放される。ガス噴射をさらに方向付けるため、邪魔板またはプレートは、蒸発物質の均一かつ平行なビームを出口３０の上方に位置する基板に向けて方向付けることを確実にするために設けられている。

蒸発物質を坩堝１０の出口３０から解放するにしたがって、さらなる固体物質は、入口２８を通して、この実施形態においてコンベア４６及びシャッタ４８の動作を介して、坩堝１０内に導入される。さらなる固体物質を坩堝１０内に導入する速度は、自動的に制御されており、それにより、蒸発器領域４０内の溶融物質の表面は、比較的一定の液面位で維持される。これは、坩堝１０内の溶融物質の液面位を観測することを通して、または、この実施形態におけるように坩堝１０を装着したロードセル５０を用いて坩堝１０及び坩堝１０で保持されている物質の重量を観測することを通して、制御され得る。

図６は、本発明にかかる蒸発器デバイスで使用するための代替の坩堝の設計１００を示しており、入口２８０及び側壁部２２０は、物質の粉末またはペレットを受けるように形付けられかつ構成されている。入口２８０及び側壁部２２０は、円状開口部１８０を形成する。出口３００の開口部は、入口２８０とは異なって構成されており、それにより、幅広かつ均一な蒸発物質の平行ビームは、出口３００の上方に位置する基板に向けて方向付けられる。図示のように、坩堝１００は、入口２８０及び出口３００を接続する外壁部１４０、１６０、２４０、２６０を備える。

第１加熱器３２０は、入口２８０の下方に位置しており、坩堝１００の側壁部２２０の上側部分回りに延在するコイルの形態にある。第１加熱器３２０は、抵抗加熱器または誘導加熱器であり得る。第２加熱器３４０は、第１加熱器３２０から間隔をあけており、出口３００の下方に位置する。第２加熱器３４０は、コイルの形態にある。

１０ 坩堝、１２ ベース、１４ カバー、１６，１８ 外側壁部、２０，２２ 内側壁部、２２，２４，２６ 側壁部、２８ 入口、３０ 出口、３２ 第１加熱器、３４ 第２加熱器、３６ コントローラ、３８ 溶融領域、４０ 蒸発器領域、４２ 加熱領域、４４ 固体物質、４５ 溶融物質、４６ コンベア、４８ シャッタ、５０ ロードセル、１００ 坩堝、１４０，１６０ 外壁部、１８０ 円状開口部、２２０ 側壁部、２４０ 外壁部、２６０ 外壁部、２８０ 入口、３００ 出口、３２０ 第１加熱器、３４０ 第２加熱器

Claims (13)

1. 坩堝であって、固体物質を当該坩堝に導入する入口と、蒸発物質を当該坩堝から解放する出口と、を有する、坩堝を備え、
   前記坩堝内の溶融物質からの脱ガス蒸気が、前記出口から離間するように方向付けられ、それにより、前記出口における前記溶融物質の表面は、平静であり、前記出口からの蒸発物質の流動が、一定であることを特徴とする定常蒸着蒸発器デバイス。
2. 前記坩堝が、溶融領域と、蒸発器領域と、加熱領域であって、当該加熱領域を通して、溶融物質が前記溶融領域から前記蒸発器領域へ移行する、加熱領域と、を備え、
   前記入口が、前記溶融領域に位置し、
   前記出口が、前記蒸発器領域に位置することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記坩堝が、ベースを覆って延在するカバーを備えることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
4. 前記カバーが、少なくとも部分的に、脱ガス蒸気であって前記坩堝内で発生した蒸気のための案内面を画成することを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記案内面が、脱ガス蒸気を前記入口に向けて方向付けることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
6. 前記案内面が、脱ガス蒸気を当該蒸発器デバイスの１以上の排気口に向けて方向付けるように構成されていることを特徴とする請求項４または５に記載のデバイス。
7. 前記案内面が、前記坩堝の前記加熱領域を覆って延在しており、脱ガス蒸気を前記蒸発器領域から離間して方向付けるように形付けられていることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載のデバイス。
8. 前記加熱領域が、前記溶融領域と前記蒸発器領域との間に延在することを特徴とする請求項２から７のいずれか１項に記載のデバイス。
9. 当該デバイスの前記ベースが、前記加熱領域、前記溶融領域及び前記蒸発器領域に関して共通していることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
10. 前記カバーが、前記蒸発器領域から前記溶融領域に向けて上方へ傾斜していることを特徴とする請求項３から９のいずれか１項に記載のデバイス。
11. 前記ベースが、前記溶融領域から前記蒸発器領域に向けて上方へ傾斜していることを特徴とする請求項２から１０のいずれか１項に記載のデバイス。
12. 当該デバイスの前記ベース及び前記案内面が、前記蒸発器領域から発散していることを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載のデバイス。
13. １以上の前記加熱器が、前記溶融領域を加熱するための第１加熱器と、前記蒸発器領域を加熱するための第２加熱器と、を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のデバイス。

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