TWI397595B - 蒸發系統 - Google Patents

Description

蒸發系統

本發明係關於一包含一場發射電子束源之蒸發系統。

使用沈積方法將一沈積材料自一源轉移至一基板以形成一薄膜或塗層。在該等沈積方法中，最眾所周知之蒸發技術之一係電子束蒸發，亦稱作e-束蒸發。該沈積材料通常由金屬、金屬或非金屬化合物(例如金、銀、鎳鉻合金或二氧化矽)構成。大體而言，該沈積材料放置於一坩堝中，且欲塗佈之基板放置於距該坩堝一固定或可變距離處。一電子束被引導至該坩堝中之源材料上，從而致使該沈積材料自該坩堝中蒸發出來且黏附至該基板。該過程發生於一真空室內。

藉助藉由將一耐熔金屬細絲加熱至攝氏2000度以上之熱電子發射來產生該電子束。該電子束由一電磁場引導至該源材料。在實際操作中，藉由接通/關斷加熱電源來控制該蒸發。加熱該細絲以達成一穩定電子發射及該蒸發可花費多達數分鐘。即使當關斷該加熱電源時，該發射及該蒸發仍保持一特定時間週期。故不可以一快速脈波模式執行該作業且對該沈積之控制係藉由切換一機械擋門來實施。因此，該蒸發在該沈積開始(當自該基板上方移除該擋門時)很久之前便開始且在該擋板被放回該基板之上方之後繼續。此一延長之蒸發可造成源材料浪費。

通常，能夠控制塗層純度及沈積消除厚度以達成所需之結果係重要的。該厚度之準確性決定性地取決於蒸發速率與該蒸發/沈積之接通/關斷時間之間的關係，且該蒸發速率越高需要該切換越快。因此，非常需要縮短該蒸發與該沈積之間的時間間隔來獲得對該等過程之控制及節約源材料。

此外，諸多製造步驟包括沈積許多材料之多層式塗層。另外，當在真空條件下依序實施該等塗佈步驟時可達成產生多個塗佈層之諸多益處，且塗佈技術之趨勢已係朝向獲得更純、更均勻且塗層厚度更可控制之多種材料。因此，為產生多個塗佈層，將數個蒸發材料裝載至一多坑窩坩堝之數個源坑窩內，且將該等不同坑窩依序移動至固定電子束中。一包含此一多坑窩坩堝之蒸發系統之一實例在揭示於US 6,902,625中，其中非使用中之坑窩由一用於減少不同坑窩之間之交叉污染之蓋子覆蓋。然而，使用此一多坑窩坩堝係具有限定性且複雜且降低該蒸發系統之效率。

故需要一提供經改良之效率且降低不同蒸發材料之蒸發之間的延時之蒸發系統。

根據本發明之一態樣，以上目的由一蒸發系統滿足，該蒸發系統包含一真空室、一用於接納一蒸發材料之坩堝、一用於接納一基板之基板托架及一用於加熱欲沈積於該基板上之蒸發材料之電子束源，其中該電子束源與該坩堝及該基板托架一起配置於該真空室內，其中該電子束源係一場發射電子束源，且該蒸發系統進一步包含一用於控制由該場發射電子束源發射之電子之方向之控制單元以便該等所發射之電子加熱該蒸發材料，從而在一完全受控制方式下蒸發該蒸發材料。

根據本發明，由該場發射電子束源(例如一冷陰極電極源)發射之電子致使該蒸發材料(例如一金屬)在一朝向該基板之方向上蒸發以便塗佈該基板。藉由使用一場發射電子束源而非一先前技術電子束源(例如「細絲」電子束源)，可能增加該蒸發系統之效率，此乃因可能在一高得多之程度上就切換時間、電流、動能及方向來控制由該場發射電子束源發射之電子以使得該等所發射之電子加熱該蒸發材料。

根據本發明之一較佳實施例，該蒸發系統進一步包含用於接納及含納不同蒸發材料之複數個坩堝，且由該場發射電子束源發射之電子之強度及方向可由控制單元調整，從而允許在無需重新定位該等坩堝之情形下對配置於該複數個坩堝中之該等不同蒸發材料進行後續加熱，此乃因替代性地更改了該等電子之方向。此組態由於該場發射電子束源之迅速切換可能性而允許在一個工作循環中對該基板進行一多層式塗佈。在多層式沈積之情形下，自一種源材料至另一種源材料之一迅速切換超出先前技術之範圍。因此，本發明由於其迅速切換可能性而提供一關於一先前技術蒸發系統之優勢。

為控制由該場發射電子束源發射之電子，該蒸發系統可進一步包含一控制電極，該控制電極用於與該控制單元協同運作來控制該控制電極與該場發射電子束源之間的一電場分佈(亦即該電子束之傳播)。因此，該控制電極與該場發射電子束源經配置以協同運作以使得該等所發射之電子可經配置以依序加熱該等不同坩堝中之每一者。該控制電極可係(例如)一環形電極、一分段式環形電極或複數個個別電子抽取電極。較佳地，該控制電極亦與一用於引導電子束之電磁鐵協同運作。

在一較佳實施例中，該蒸發系統包含一可由該控制單元控制之擋門，其中該擋門經調適以覆蓋該基板與該坩堝中之至少一者。該擋門較佳地用於與一用於偵測沈積於該基板上之蒸發材料之厚度之感測器協同運作。一偵測到(差不多)達到所需厚度，該擋門就移進已蒸發材料與該基板之間，從而阻止該塗佈過程。然而，由於該場發射電子束源之高度可控制性，當該感測器偵測到一接近所需厚度時可能快速關斷該場發射電子束源，因此可消除對一擋門之需要。因此，可能提供多個蒸發材料之一有效自動塗佈。另外，該蒸發系統可進一步包含一用於該坩堝之冷卻配置，從而允許該坩堝中之該蒸發材料配置之快速冷卻。水係一較佳冷卻液體，當然可能藉由其他冷卻方法且其在本發明之範疇內。

如上文所提及，該蒸發系統包含一真空室。此真空室應較佳地提供一在大約10^-10 mPa至大氣壓之間的壓力。然而在蒸發期間，較佳壓力範圍係自10^-7 至10^-4 mPa。在另一較佳實施例中，該蒸發系統進一步包含一混合室及用於將一氧化氣體引入該混合室中之構件以使得該氧化氣體可與該已蒸發材料混合。然而，此額外的混合氣體應較佳地僅與該基板附近之該已蒸發材料發生反應，但不干擾該坩堝中之源材料。可藉由在該基板附近自噴嘴噴出該混合氣體或區別性地抽吸該混合室及該坩堝室來實現此效果。

在本發明之一實施例中，該場發射電子束源包含一傳導支撐件及一至少部分地覆蓋該支撐件之碳化固體複合物發泡體，其中該碳化固體複合物發泡體係自一包含一酚樹脂及一金屬鹽與一金屬氧化物中之至少一者之液體複合物轉變而來。該碳化固體複合物發泡體較佳地具有一連續蜂巢式結構且進一步包含配置於該碳化固體複合物發泡體之表面處之複數個尖銳發射邊緣。此一場發射電極係揭示於(例如)歐洲專利申請案EP 05106440中且以引用方式併入本文中。

在另一實施例中，該場發射電子束源包含具有一第一端及一第二端之複數個ZnO奈米結構、一配置以使得該等ZnO奈米結構彼此電絕緣之電絕緣體、一連接至該等ZnO奈米結構之一選定結構之第二端的導電部件及其上配置該導電部件之支撐結構，其中該等ZnO奈米結構之第一端係允許該等ZnO奈米結構自此自一經適當界定之表面生長之端，且該等ZnO奈米結構之該第一端係曝露的。此一場發射電極揭示於(例如)歐洲專利申請案EP 08150191中且亦以引用方式併入本文中。

根據本發明之另一態樣，為一蒸發系統提供一電子束源，該蒸發系統包含一真空室、一用於接納一蒸發材料之坩堝及一用於接納一基板之基板托架，其中提供該電子束源以加熱欲沈積於該基板上之該蒸發材料且該電子束源與該坩堝及該基板托架一起配置於該真空室內，其中該電子束源係一場發射電子束源且該蒸發系統進一步包含一用於就切換時間、電流、動能及方向來控制由該場發射電子束源發射之電子之控制單元以便該等所發射之電子加熱該蒸發材料以使得該蒸發材料以一完全受控制方式蒸發。

本發明之此態樣提供如根據上文所論述之蒸發系統之類似優勢，其中包括(例如)增加該蒸發系統之效率之可能性，此乃因可能在一高得多之程度上控制由該場發射電子束源發射之電子。

下文將參照顯示本發明當前較佳實施例之隨附圖式更全面地闡述本發明。然而，此發明可以諸多不同形式實施且不應視為限定本文中所述之實施例；而是為詳盡性及完整性起見提供此等實施例且將本發明之範疇完全傳達給熟習此項技術者。相同參考編號始終指代相同元件。

現在參照該等圖式且特別參照圖1，繪示一根據本發明之一蒸發系統100之概略圖。蒸發系統100包含一真空室102、一用於固持複數個不同蒸發材料106、108、110(例如包括金、銀、銅、鎳及鋅消除)之多坑窩坩堝104、一用於接納一基板114之基板托架112及一用於依序加熱欲沈積於基板114上之不同蒸發材料106、108、110之冷陰極場發射電子束源116。自圖1應注意，場發射電子束源116與多坑窩坩堝104及固持基板114之基板托架112一起配置於較佳地提供一在大約10^-7 至10^-4 mPa之間的壓力範圍之真空室102內。蒸發系統100進一步包含一用於控制由場發射電子束源116發射之電子之方向之控制單元118以便該等所發射之電子依序加熱不同蒸發材料106、108、110以使得其蒸發。然而應注意，並非需加熱所有蒸發材料106、108、110，亦即，可一次加熱該等蒸發材料中之僅一單種或僅兩種。

系統100進一步包含一用於監視塗佈速度及/或正沈積於基板114上之蒸發材料106、108、110之厚度之感測器120。感測器120可(例如)係一隨該厚度增加而改變其振盪頻率之壓電感測器。較佳地，感測器120配置於一等於自坩堝104至基板114之距離之距離處或至少配置於一與基板114之定位相符之圓弧範圍內之一習知距離處。然而該圓弧可與一相關於基板114之圓弧平行。另一選擇為，將可能使用一用於特徵化基板114之表面之RHEED(反射高能量電子繞射)系統來確定已沈積材料之厚度。

在所圖解說明之實施例中，多坑窩坩堝104藉助一水冷卻配置122而被冷卻，從而提供對加熱蒸發材料106、108、110之額外控制。藉助控制單元118來較佳地控制該冷卻配置，控制單元118亦較佳地自感測器120接收厚度相關資訊。熟習此項技術者瞭解，其他冷卻配置係可能的，其中包括(例如)使用液體氮之冷卻。

在蒸發系統100之運作期間，一額外控制電極124或複數個控制電極(例如兩個或更多個)與一電磁鐵126協同運作以使得自該場發射電子束源發射之電子束朝向坩堝104偏離。下文結合圖2a及2b進一步論述上述協同作業之詳細功能。藉助控制單元118來控制此控制功能(亦即該電子束之偏離)，控制單元118較佳地進一步包含一用於固持一用於切換該電子束之方向之控制程式之記憶體(未顯示)以便依序加熱多坑窩坩堝104之坩堝中之每一者(或一者)，藉此使得形成基板114之一經改良之自動多層式塗層成為可能。

如圖1中顯示之本實施例中，蒸發系統100進一步包含一混合室128及用於將一氣體引入混合室128中之構件。該氣體較佳地係一氧化氣體，例如氧氣、臭氧或氧化氮。當然其他氣體亦係可能的且歸屬於本發明之範疇內。藉由將該氧化氣體與已蒸發材料(亦即混合室128中之已蒸發材料)混合，可能提供一經氧化蒸發材料，例如NiO(例如由氧氣氧化之已蒸發鎳原子)。經氧化蒸發材料106、108、110將如上文所論述塗佈基板114。混合室128將較佳地提供有用於執行(例如)一區別性抽吸之構件，從而不影響真空室102中之真空。因此允許該經氧化蒸發材料之已蒸發種類自由地移進真空室102中。較佳地，保持混合室128內之壓力P₁ 稍高於真空室102之「剩餘」內之壓力P₂ ，亦即P₂ >P₁ 。一使用一類似技術(亦即區別性抽吸)之系統之一實例係一MBE(分子束外延)系統，該MBE(分子束磊晶)系統由US 4,137,865揭示，其以引用方式完全併入本文中。

另外，蒸發系統100包含一可由控制單元118控制之擋門130。如上文所提及，擋門130較佳地與感測器120協同運作地使用。亦即，一偵測到達到所需厚度，擋門130就移進已蒸發材料106、108、100與基板114之間，從而阻止該塗佈過程。

圖2a提供一對一場發射電子束源116之一實例之詳細概念性圖解說明及場發射電子束源116與一根據本發明之一實施例之控制電極124之協同作業。在所圖解說明之實施例中，場發射電子束源116係一如上文提及之歐洲專利申請案EP 05106440中所揭示之場發射電子束源。藉助歐洲專利申請案EP 05106440中所揭示之製造方法，可能針對該場發射電子束源達成一低工作功能，從而為蒸發系統100提供一經改良之功能性。該經改良之功能性係基於場發射電子束源116之尖銳發射邊緣，此因而增加了電子「離開」場發射電子束源116之容易程度，從而降低了用於自場發射電子束源116之外表面抽取電子之必需電壓場。

在圖2a中，環形電極124用於形成一電場。因此，電子自場發射電子束源116被「抽取」且在環形電極124之方向上被加速。然而，一配置於坩堝104下方之可調整電磁鐵(在圖2a中未顯示)將在朝向配置於坩堝104中之蒸發材料之方向上「引導」該等電子以便一彎曲電子束自場發射電子束源116轉移以開始該等蒸發材料之蒸發(亦即，藉助於藉助該電磁鐵而引入之磁場)。如上文所論述，場發射電子束源116較佳地包含一傳導支撐件及一至少部分地覆蓋該支撐件之碳化固體複合物發泡體，其中該碳化固體複合物發泡體係自一包含一酚樹脂及一金屬鹽與一金屬氧化物中之至少一者之液體複合物轉變而來。此外，該碳化固體複合物發泡體較佳地具有一連續蜂巢式結構且進一步包含配置於該碳化固體複合物發泡體之表面處之複數個尖銳發射邊緣。

現在翻至圖2b，其顯示對一不同場發射電子束源116'之另一概念性圖解說明及場發射電子束源116'與根據本發明另一實施例之複數個控制電極(在所圖解說明之實施例中係兩個)132，134之協同作業。在所圖解說明之實施例中，場發射電子束源係一如上文提及之歐洲專利申請案EP 08150191中所揭示之場發射電子束源。類似於上文所論述，藉助歐洲專利申請案EP 05106440中所揭示之製造方法，可能針對場發射電子束源116'達成一經改良之工作功能，從而為蒸發系統100提供一經改良之功能性。

在圖2b中，場發射電子束源116'由複數個ZnO奈米結構構成。該複數個ZnO奈米結構亦藉由使用已生長出之奈米結構來提供複數個尖銳發射點，亦即發射尖端。該等奈米結構亦因其個別對準而提供延長的壽命及增加的能量效率，此乃因可能自該等奈米結構中之每一者達成一相等電子發射。然而，該基本功能性(亦即藉助控制電極之電子抽取)類似於關於圖2a所闡述之功能性。

繼續，圖3概念性地圖解說明一適用於根據本發明之一蒸發系統之多坑窩坩堝104'。在所圖解說明之實施例中，多坑窩坩堝104'可固持多達五種之不同蒸發材料。然而，當然可能配置多坑窩坩堝104'以使其固持更多或更少坩堝。此外，在所圖解說明之實施例中，該等坩堝中之每一者固持其自己的冷卻配置122'，例如藉助水或液體氮來冷卻。該冷卻配置係較佳地由控制單元118控制且受控制以便將該等不同坩堝之間之污染保持在一最小值。另外，場發射電子束源116或116'可併入或嵌入於多坑窩坩堝104'中之一中央位置處，從而提供該等不同坩堝與場發射電子束源116/116'之間的相等距離。

最後，在圖4中圖解說明一根據本發明之一蒸發系統之替代概念性配置。在所圖解說明之實施例中，提供具有類似(個別)冷卻配置122"及(個別)電磁鐵126'之兩個單個坩堝104a及104b。另外，單個坩堝104a及104b中之每一者各自提供有個別擋門130'。以一類似於圖3中所圖解說明之實施例中之方式，一場發射電子束源116(或116')配置於坩堝104a與104b之間之中央處，因而導致場發射電子束源116與坩堝104a及104b中之每一者之間的一相等距離。

此外，熟習此項技術者意識到，本發明決非僅限於上文所闡述之較佳實施例。相反，在隨附申請專利範圍之範疇內可做出諸多修改及改變。舉例而言，當然可能配置多坑窩坩堝104以使其固持多於三種之蒸發材料，例如四種或更多種蒸發材料。蒸發系統100亦可包含一用於冷卻及/或加熱基板114之額外的冷卻及/或加熱配置。另外，可將一替代該氧化氣體之氧化劑引入至該混合室中以藉由與該已蒸發材料混合來提供一經氧化蒸發材料。亦應注意，一根據本發明之配置可經配置以在稍低於如一MBE系統中之蒸發溫度下「預加熱」一單個或多個源坩堝且接著由該場發射電子束源加熱該(或該等)坩堝來進行蒸發，從而形成一場發射分子束外延(FEMBE)系統。另外，為將該等基板引入至該真空室中，可包括一製備室，其中該製備室可藉助一氣鎖閥而連接至該真空室。此一配置之一圖解係由所引用之US 4,137,865提供。

100．．．蒸發系統

102．．．真空室

104．．．多坑窩坩堝

104'．．．多坑窩坩堝

104a．．．坩堝

104b．．．坩堝

106．．．蒸發材料

108．．．蒸發材料

110．．．蒸發材料

112．．．基板托架

114．．．基板

116．．．場發射電子束源

116'．．．場發射電子束源

118．．．控制單元

120．．．感測器

122．．．冷卻配置

122'．．．冷卻配置

122"．．．冷卻配置

124．．．控制電極

126．．．電磁鐵

126'．．．電磁鐵

128．．．混合室

130．．．擋門

130'．．．擋門

132．．．控制電極

134．．．控制電極

現將參照顯示本發明當前較佳實施例之附式更詳細地闡述本發明之此等及其他態樣。

圖1係一根據本發明之一蒸發系統之概念性概略圖；

圖2a及圖2b係根據本發明之場發射電子束源與(例如)配置於圖1中顯示之蒸發系統中之控制電極協同運作之不同詳細概念性圖式；

圖3係一適合於根據本發明之一蒸發系統之多坑窩坩堝；及

圖4係一根據本發明之一蒸發系統之替代概念性配置。

100．．．蒸發系統

102．．．真空室

104．．．多坑窩坩堝

106．．．蒸發材料

108．．．蒸發材料

110．．．蒸發材料

112．．．基板托架

114．．．基板

116．．．場發射電子束源

118．．．控制單元

120．．．感測器

122．．．冷卻配置

124．．．控制電極

126．．．電磁鐵

128．．．混合室

130．．．擋門

Claims (15)

1. 一種蒸發系統，其包含：一真空室；一用於容納蒸發材料之坩堝；一用於容納基板之基板托架；及一用於加熱欲沈積於該基板上之該蒸發材料的電子束源，其中該電子束源與該坩堝及該基板托架一起配置於該真空室內部，其特徵在於，該電子束源係場發射電子束源且該蒸發系統進一步包含用於控制由該場發射電子束源發射之電子之方向的控制單元，以使該等所發射之電子得以加熱該蒸發材料以使其蒸發。
2. 如請求項1之蒸發系統，其進一步包含用於容納不同蒸發材料之複數個坩堝，其中由該場發射電子束源發射之該等電子之方向可由該控制單元調整，從而允許對配置於該複數個坩堝中之該等不同蒸發材料進行後續加熱。
3. 如請求項1及2中之任一項之蒸發系統，其進一步包含控制電極，該控制電極用於與該控制單元協同運作來控制該控制電極與該場發射電子束源之間的電場強度及方向。
4. 如請求項1或2之蒸發系統，其進一步包含可由該控制單元控制之擋門，其中該擋門可覆蓋該基板與該場發射電子束源中之至少一者。
5. 如請求項1或2之蒸發系統，其進一步包含用於偵測沈積至該基板上之該蒸發材料之厚度的感測器。
6. 如請求項1或2之蒸發系統，其進一步包含用於如請求項1所定義之該坩堝之冷卻配置。
7. 如請求項1或2之蒸發系統，其中該真空室提供在大約10^-7 至10^-4 mPa之間的壓力範圍。
8. 如請求項1或2之蒸發系統，其進一步包含混合室及將氧化氣體導入該混合室中之構件，其中該氧化氣體與該混合室內部之該已蒸發的蒸發材料混合。
9. 如請求項1或2之蒸發系統，其中該場發射電子束源包含傳導支撐件及至少部分地覆蓋該支撐件之碳化固體複合物發泡體，且其中該碳化固體複合物發泡體係自包含酚樹脂以及金屬鹽與金屬氧化物中之至少一者的液體複合物轉變而來。
10. 如請求項9之蒸發系統，其中該碳化固體複合物發泡體具有連續蜂巢式結構。
11. 如請求項9之蒸發系統，其中該碳化固體複合物發泡體進一步包含配置於該碳化固體複合物發泡體表面處的複數個尖銳發射邊緣。
12. 如請求項1或2之蒸發系統，其中該場發射電子束源包含具有第一端及第二端之複數個ZnO奈米結構、經配置以使得該等ZnO奈米結構彼此電絕緣之電絕緣體、連接至該等ZnO奈米結構之選定結構的第二端之導電部件及其上配置該導電部件的支撐結構，其中該等ZnO奈米結構之該第一端係指該等ZnO奈米結構自此可自經適當界定之表面而生長之端，且該等ZnO奈米結構之該第一端係 曝露的。
13. 如請求項1或2之蒸發系統，其中如請求項1所定義之該坩堝係用於容納複數種蒸發材料之多坩堝組件。
14. 如請求項1或2之蒸發系統，其中該蒸發系統係場發射分子束外延(FEMBE)系統。
15. 一種用於蒸發系統之電子束源，該蒸發系統包含：一真空室；一用於容納蒸發材料之坩堝；及一用於容納基板之基板托架，其中該電子束源係用於加熱欲沈積於該基板上之該蒸發材料，且該電子束源與該坩堝及該基板托架一起配置於該真空室內部，其特徵在於，該電子束源係場發射電子束源且該蒸發系統進一步包含用於控制由該場發射電子束源發射之電子之方向的控制單元，以使該等所發射之電子得以加熱該蒸發材料以使其蒸發。