TWI422698B - 真空蒸鍍用鍍材舟及真空蒸鍍系統 - Google Patents

Description

真空蒸鍍用鍍材舟及真空蒸鍍系統

本發明係關於一種蒸鍍用鍍材舟及一種真空蒸鍍系統。更具體而言，本發明係關於一種具有蓋板之蒸鍍用鍍材舟，以及一種包含該鍍材舟的真空蒸鍍系統。

真空蒸鍍技術係一種物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)技術。在真空蒸鍍製程中，利用電力或其他加熱方式使鍍材汽化。由於蒸鍍環境為高度真空，所以蒸鍍空間中幾乎不存在任何可能撞擊經汽化之鍍材分子的其他氣體分子。因此，在真空之蒸鍍空間中，鍍材分子之行進方向為直線。當經汽化之鍍材分子接觸被鍍物之表面時，便遇冷凝結並在被鍍物之表面上形成薄膜。

為了達到置放鍍材並加熱的目的，一般常使用可利用電阻方式加熱的金屬線、鍍材舟或坩堝(適用低於1500℃之汽化溫度)。其中因鍍材舟具有價格低廉及易於操作的優點，所以受到最為廣泛的使用。大多數的鍍材舟係利用例如鎢、鉬及鉭等高熔點金屬的長條形薄片所製成。圖1a為習知技術中之鍍材舟10，圖1b為圖1a之AA方向的橫剖面圖。由圖1b可知，鍍材舟10具有朝上之開口，且具有用以存放鍍材11之凹部。鍍材舟10之長度方向上的兩端係連接至電源(未顯示)，用以加熱鍍材舟10之凹部內的鍍材11，使得鍍材11汽化產生鍍材蒸氣。

雖然習知的鍍材舟具有上述的優點，但由於其開口朝向上方，因此偏好將被鍍物置於鍍材舟之上方，以達到薄膜均勻分布的效果。而當將被鍍物13如圖2所示設置在鍍材舟10側邊時，由於鍍材11之分子在真空環境中僅可朝直線方向行進，導致鍍材蒸氣發散的範圍受到限制，因此不容易在被鍍物13之表面形成具有均勻厚度的薄膜。此外，當被鍍物之鍍膜面形狀不平整或較為複雜時，由於鍍材蒸氣發散的範圍受到限制，亦可能如圖2所示，發生鍍材11之分子無法到達被鍍物13之部分表面的情形，亦即薄膜無法完整地覆蓋被鍍物13所欲鍍膜之表面(圖2中方點所示之區域)。

在被鍍物置於鍍材舟側邊的真空蒸鍍系統中，由於習知之鍍材舟的蒸鍍方向係朝向上方，因此具有以下的缺點：(1)被鍍物上之膜厚不容易達到所需之均勻程度；(2)可蒸鍍區域受限；(3)對於非平面被鍍物而言，鍍材蒸氣可能無法到達並附著至部分區域，亦即無法在部分區域鍍膜。

因此，為了解決上述的問題，本發明提供一種鍍材舟，包含：一鍍材容器，用以容納鍍材，並具有一開口；一蓋板，設置於該鍍材容器之開口上方並與該鍍材容器保持一預定間隙，且該蓋板之垂直投影面覆蓋該鍍材容器之該開口，俾於該鍍材汽化後所產生之鍍材蒸氣經由該預定間隙發散至該鍍材舟外部時，藉該蓋板控制該鍍材蒸氣之發散範圍；以及一支撐構件，連接該鍍材容器及該蓋板，以維持其二者間之預定間隙。

再者，本發明亦提供一種真空蒸鍍系統，其具有真空腔室、工件架、與上述之鍍材舟。工件架與鍍材舟均設置於真空腔室內，並且工件架係用以支持被鍍物並設置於鍍材舟之側邊。鍍材汽化後所產生之鍍材蒸氣可經由鍍材容器與蓋板之間的間隙發散至被鍍物上，並藉由蓋板來控制鍍材蒸氣發散的範圍。

由於本發明可使汽化鍍材所產生之鍍材蒸氣自鍍材舟之側邊逸出，且藉由調整上述之鍍材容器與蓋板之間的間隙，即可將蒸鍍範圍控制在適當的角度區間，因此具有以下的功效：(1)使鍍材蒸氣發散至位於鍍材舟側邊之被鍍物，並形成均勻的鍍膜；(2)增加鍍材蒸氣發散之範圍；以及(3)可使鍍材蒸氣較為全面性地附著於非平面被鍍物之被鍍面，以形成鍍膜。

以下參照隨附圖式來說明本發明之實例。

圖3顯示本發明之真空蒸鍍系統2，具有：鍍材舟20、真空腔室21、及用以固定被鍍物23之工件架22，其中如圖3所示，鍍材舟20係電連接至電源24，而工件架22係設置於鍍材舟20之側邊。

圖4a顯示圖3中之鍍材舟20，圖4b為圖4a中BB方向之剖面圖。如圖4a及4b所示，鍍材舟20包含：用以置放鍍材204的鍍材容器201，其具有朝上之開口，使受熱蒸發之鍍材得以通過該開口而由鍍材容器201發散；設置於鍍材容器201上方並與其保持1mm至10mm之預定間隙d的蓋板202，且蓋板202之垂直投影面覆蓋鍍材容器201之開口；連接鍍材容器201與蓋板202的支撐構件203。鍍材容器201之開口的寬度係介於3~10mm之間，而蓋板202之寬度亦介於3~10mm之間。

參照圖3、圖4a及4b，當進行真空蒸鍍時，鍍材舟20與其上固定有被鍍物23之工件架22均設置於真空腔室21中。電源24對鍍材舟20施加電力來加熱鍍材舟20，使得鍍材容器201中之鍍材204汽化並產生鍍材蒸氣。由於在高度真空環境中，鍍材蒸氣中之鍍材分子之行進方向為如同光線一般的直線行進，因此鍍材蒸氣中之鍍材分子通過鍍材容器201之開口之後，可依特定路徑直接由鍍材容器201與蓋板202之間的間隙d離開鍍材舟20，或可經過一或多次與蓋板202及/或鍍材容器201之碰撞反彈後再由間隙d離開鍍材舟20。換言之，如圖5所示，蓋板202使得一部分朝上發散之鍍材分子經由碰撞而改變行進方向，達到控制鍍材分子往側邊之任何方向(角度)移動的功效，因而有效擴大蒸鍍範圍。當鍍材蒸氣到達被鍍物23之表面時，因該處的溫度較低，鍍材便凝結在被鍍物23之表面上，進而在該表面上形成薄膜。

為了使蒸鍍範圍最佳化，因此針對單一鍍材舟而言，在鍍材容器寬度不變的情況下，搭配不同寬度之蓋板進行蒸鍍，並採用適當之測量方式來測量所鍍之薄膜，以分析蒸鍍之範圍與效果。各項參數設定如下：使用單一鍍材舟，其中鍍材容器寬度為5mm；蓋板寬度分別為5mm、6mm、7mm及8mm，材質為鎢；鍍材容 器與蓋板之間的間隙為3mm；鍍材為2g之銅(Cu)；且被鍍物為直徑30mm之圓形不鏽鋼(SUS304)試片。試片之配置係以鍍材舟為基準，如圖6a所示，在鍍材舟20之側邊的約略同水平位置設置1片試片(TP5)，並分別在鍍材舟之側邊的上方及下方設置4片試片(TP1-TP4及TP6-TP9)，其中上下相鄰之試片間隔85mm。

由於所使用之鍍材為銅，因此吾人利用色度計來針對各試片之整體面積測量紅色色度(a值)及黃色色度(b值)，並基於測量結果來分析蒸鍍範圍，其中，所測得之a值及b值越高，則表示該試片上之銅鍍膜越厚。如圖6b及6c所示，當將蓋板寬度增加至8mm時，第5號試片之a值及b值為所有試片中最高者，且其他試片之a值及b值的分佈亦以該最高值為中心約呈對稱分佈。換言之，此蓋板寬度之配置可將鍍材舟之側邊的上方及下方的蒸鍍範圍控制為約略相等。

此外，由於銅鍍膜之顏色與不鏽鋼試片之顏色差異相當明顯，因此在完成前述之利用單一鍍材舟對9個試片所進行的蒸鍍製程之後，利用目測方式即可分辨試片上有無鍍膜形成。若將單一鍍材舟之可蒸鍍範圍利用以鍍材舟之水平線起算之仰角及俯角的形式來表示，所測得的結果如表1所示。

由表1之內容可得知，使鍍材舟之蒸鍍範圍的仰角及俯角約略相等的最佳之參數設定為：鍍材容器寬度為5mm、蓋板寬度為8mm、及鍍材容器與蓋板之間的間隙為3mm。

接下來，以圖3所示之蒸鍍系統，將14個具有上述最佳參數設定之鍍材舟沿垂直方向間隔設置，以對被鍍物進行蒸鍍(實驗組)，另一方面，在相同條件及配置下，亦使用14個習知之無蓋板的鍍材舟進行蒸鍍(對照組)。其中在每一鍍材容器中置入2g之銅作為鍍材，並使用共11片直徑30mm之不鏽鋼(SUS304)試片作為被鍍物；上下相鄰之兩鍍材舟之間相隔30mm，且上下相鄰之兩試片間隔85mm。蒸鍍完成後，利用掃描式電子顯微鏡(SEM)分別測量實驗組及對照組中各試片上之鍍膜厚度，以瞭解所生成之鍍膜厚度的分佈情形，其中SEM之測量位置為各試片之中心處。圖7顯示實驗組及對照組中各不鏽鋼試片之銅鍍膜的厚度測量結果。由圖7中之測量結果可計算出：實驗組(即本發明)之平均膜厚為0.236μm，且標準差僅為0.017μm；而對照組(習知技術)之平均膜厚為0.240μm，標準差為0.055μm。儘管兩組結果之平均鍍膜厚度相近，但使用本發明之鍍材舟所蒸鍍之銅鍍膜厚度標準差卻遠低於使用習知之鍍材舟進行蒸鍍的結果。因此可得出，依據本發明之最佳實施例的鍍材舟可使鍍膜的厚度趨向均勻分佈。

對於非平面被鍍物而言，使用本發明之鍍材舟進行蒸鍍可使得被鍍物上無法被鍍膜所覆蓋之區域大幅減少。參照回圖2，使用習知之鍍材舟進行蒸鍍的鍍膜覆蓋情形如圖所示。由於鍍材蒸氣向側面行進之範圍有限，因此當將被鍍物13置於鍍材舟10之側面時，便會產生被鍍物13之局部表面無法鍍膜的情形(方點分佈區域)。而參照圖8，當使用本發明之鍍材舟80對置於其側面之非平面被鍍物83進行蒸鍍時，由於可控制及擴大鍍材蒸氣向鍍材舟側面行進的範圍，因此鍍膜狀況如圖8所示，其中與習知之鍍材舟相比，被鍍物表面無法鍍膜之區域(方點分佈區域)已明顯縮小。換言之，針對置於鍍材舟側面之非平面被鍍物，本發明具有縮小被鍍物之無法鍍膜區域的功效。

本發明之鍍材容器除圖4b所示之碗型剖面結構外，亦可配置成如圖9所示之碟形剖面結構。此碟形結構之鍍材容器901的邊緣與蓋板902形成通道狀之構造，使得調整鍍材蒸氣逸出之方向及範圍更加容易及準確。

儘管未限制本發明之鍍材舟中的蓋板之材質，但偏好使用鎢、鉬、鉭或陶瓷來製成蓋板。

在本發明之鍍材舟的支撐構件中，亦可使用分隔片來調整鍍材容器與蓋板之間的間隙。更具體而言，如圖10所示，由於支撐構件1003中之分隔片1005係設置於鍍材容器1001與蓋板1002之間，因此藉由更換不同厚度之分隔片1005，即可在利用支撐構件1003固定鍍材容器1001與蓋板1002的同時，將二者之間的間隙維持在所需的距離。

以上係以本發明之較佳實施例對本發明之技術特徵進行具體說明，唯其僅作為例示而非限制；換言之，熟悉此項技藝者在不脫離本發明之真實精神與新穎教示之情況下，當可對本發明進行各種修改及變化，而該等修改及變化皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。

2．．．真空蒸鍍系統

10．．．鍍材舟

11．．．鍍材

13．．．被鍍物

14．．．電源

20．．．鍍材舟

21．．．真空腔室

22．．．工件架

23．．．被鍍物

24．．．電源

80．．．鍍材舟

83．．．被鍍物

201．．．鍍材容器

202．．．蓋板

203．．．支撐構件

204．．．鍍材

901．．．鍍材容器

902．．．蓋板

1001．．．鍍材容器

1002．．．蓋板

1003．．．支撐構件

1005．．．分隔片

圖1a顯示習知技術之鍍材舟。

圖1b為圖1a中AA方向之剖面圖。

圖2顯示使用習知之鍍材舟對設置於側邊之被鍍物進行蒸鍍時，鍍材蒸氣之發散範圍及鍍膜覆蓋範圍示意圖。

圖3顯示包含本發明之鍍材舟的真空蒸鍍系統。

圖4a為依據本發明之實施例的鍍材舟之前視圖。

圖4b為圖4a中BB方向之剖面圖

圖5顯示使用本發明之鍍材舟對設置於側邊之被鍍物進行蒸鍍時，鍍材蒸氣之發散範圍示意圖。

圖6a為用以測試本發明之鍍材舟的最佳參數設定之配置示意圖。

圖6b及6c分別為試片上之鍍膜之紅色色度(a值)及黃色色度(b值)的分佈情形。

圖7為本發明之鍍材舟及習知之鍍材舟所生成之鍍膜的膜厚分佈圖。

圖8為使用本發明之鍍材舟對非平面被鍍物進行蒸鍍的鍍膜覆蓋情形。

圖9為依據本發明之另一實施例的鍍材舟之剖面圖。

圖10顯示本發明之鍍材舟的支撐構件之變化例。

20．．．鍍材舟

201．．．鍍材容器

202．．．蓋板

203．．．支撐構件

Claims (12)

1. 一種蒸鍍用鍍材舟，包含：一鍍材容器，用以容納鍍材，並具有一開口；一蓋板，設置於該鍍材容器之開口上方並與該鍍材容器保持一預定間隙，且該蓋板之垂直投影面覆蓋該鍍材容器之該開口，俾於該鍍材汽化後所產生之鍍材蒸氣經由該預定間隙發散至該鍍材舟外部時，藉該蓋板控制該鍍材蒸氣之發散範圍；以及一支撐構件，連接該鍍材容器及該蓋板，以維持其二者間之預定間隙。
2. 如申請專利範圍第1項之蒸鍍用鍍材舟，其中該蓋板係由鎢、鉬、鉭或導電性陶瓷所製成。
3. 如申請專利範圍第1或2項之蒸鍍用鍍材舟，其中該鍍材容器具有碟形結構或碗形結構。
4. 如申請專利範圍第1或2項之蒸鍍用鍍材舟，其中該預定間隙介於1mm至10mm之間。
5. 如申請專利範圍第1或2項之蒸鍍用鍍材舟，其中該鍍材容器之寬度介於3mm至10mm之間，且該蓋板之寬度介於3mm至10mm之間。
6. 如申請專利範圍第1或2項之蒸鍍用鍍材舟，其中該支撐構件具有一分隔片，藉由更換不同厚度之分隔片，來調整該鍍材容器與該蓋板之間之該預定間隙。
7. 一種真空蒸鍍系統，包含一真空腔室，用以提供真空環境；一工件架，設置於該真空腔室內，用以支持被鍍物；一鍍材舟，設置於該真空腔室內，並位於該工件架之側邊，該鍍材舟包含：一鍍材容器，用以容納鍍材，並具有一開口；一蓋板，設置於該鍍材容器之開口上方並與該鍍材容器保持一預定間隙，且該蓋板之垂直投影面覆蓋該鍍材容器之該開口，俾使該鍍材汽化後所產生之鍍材蒸氣經由該預定間隙發散至該被鍍物上，並藉該蓋板控制該鍍材蒸氣之發散範圍；以及一支撐構件，連接該鍍材容器及該蓋板，以維持其二者間之預定間隙。
8. 如申請專利範圍第7項之真空蒸鍍系統，其中該鍍材舟之該蓋板係由鎢、鉬、鉭或導電性陶瓷所製成。
9. 如申請專利範圍第7或8項之真空蒸鍍系統，其中該鍍材容器具有碟形結構或碗形結構。
10. 如申請專利範圍第7或8項之真空蒸鍍系統，其中該預定間隙介於1mm至10mm之間。
11. 如申請專利範圍第7或8項之真空蒸鍍系統，其中該鍍材容器之寬度介於3mm至10mm之間，且該平面蓋板之寬度介於3mm至10mm之間。
12. 如申請專利範圍第7或8項之真空蒸鍍系統，其中該支撐構件具有一分隔片，藉由更換不同厚度之分隔片，來調整該鍍材容器與該蓋板之間之該預定間隙。