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CN104711514B - 一种成膜装置及方法 - Google Patents

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CN104711514B CN201510161261.6A CN201510161261A CN104711514B CN 104711514 B CN104711514 B CN 104711514B CN 201510161261 A CN201510161261 A CN 201510161261A CN 104711514 B CN104711514 B CN 104711514B
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Abstract

本发明提供一种成膜装置及方法，所述装置用于在基板的目标位置形成有机材料薄膜，所述装置包括气体输送机构、气体喷射机构，其中：气体输送机构：用于将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到气体喷射机构；气体喷射机构：用于将所述气体输送机构输送来的混合气体喷射到基板上的目标位置。所述方法通过本发明所提供的成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，使得所述有机材料在所述目标位置上沉积，沉积过程中，所述有机材料沉积过程初期的混合气体流速小于沉积过程中期的混合气体流速。本发明所提供的成膜装置和方法使得有机材料沉积成膜过程容易控制，适用大多数尺寸的目标基板。

Description

一种成膜装置及方法
技术领域
本发明涉及材料加工，尤其涉及一种成膜装置及方法。
背景技术
在光学器件的制造领域，有机材料越来越受欢迎。在光学器件制造中使用有机材料比使用无机材料相对便宜。另外，有机材料的固有性能，例如其柔性，可使得它们非常适合于诸如柔性基底之类的特定应用。有机光学器件包括有机发光器件(OLED，OrganicLight-Emitting Diode)、有机光敏晶体管、有机光生伏打电池和有机光检测器。对于OLED来说，有机材料相对于常规材料可具有突出的性能优势；例如，通常可以采用合适的掺杂剂微调有机发射层发光时的波长。
早期有机材料的方法包括通过掩模沉积有机材料。有机材料可通过“一体化”的掩模沉积，所述掩模连接于基底上，或者，也可通过没有一体化地连接到基底上的掩模沉积有机材料。然而，许多因素限制了采用这种掩模可能实现的分辨率，其中包括掩膜所可以实现的分辨率、有机材料在掩模上的累积和有机材料在基底上的扩散。
目前将有机材料在基板上沉积成膜时，主要采用蒸镀或OVJP(Organic Vapor JetDeposition，有机蒸汽机沉积)方法。这两种方法各自都存在弊端：蒸镀方法受蒸发源距离、基板面积大小等因素的影响，只能够在尺寸较小的基板上成膜，提高成膜速度时需要将蒸发源温度升高，容易引起有机材料的物理化学性质的改变；OVJP方法是将有机材料的胶状物质喷射到基板上的目标区域，材料喷射压力、成膜厚度和速度均不易控制，且容易出现成膜厚度不均一的现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种成膜装置及方法，成膜过程容易控制，适用大多数尺寸的目标基板。
基于上述目的本发明提供的一种成膜装置，用于在基板的目标位置形成有机材料薄膜，所述装置包括气体输送机构、气体喷射机构，其中：
气体输送机构：用于将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到气体喷射机构；
气体喷射机构：用于将所述气体输送机构输送来的混合气体喷射到基板上的目标位置。
可选的，所述气体输送机构包括惰性气体输送管、有机材料蒸发源、混合气体输送管；所述惰性气体输送管输出惰性气体，所述混合气体输送管将所述惰性气体与所述有机材料蒸发源产生的有机材料的蒸汽混合输送到所述气体喷射机构。
可选的，所述装置还包括具有腔体的本体部；所述气体喷射机构包括气体动力推杆；所述气体动力推杆穿过所述本体部的第一开孔插设于所述本体部的腔体中；所述混合气体输送管通过所述本体部上的第二开孔与本体部的腔体连通，其连接处设置有阀门；所述阀门在所述本体部腔体中限定出气体储存空间；所述气体储存空间中设置有加热机构。
可选的，所述混合气体输送管设置有多个。
可选的，所述本体部包括用于容纳所述气体动力推杆的直线通道以及设置于所述直线通道末端的气体出口；所述气体动力推杆接近于所述气体出口的圆周面上设置有螺旋凸缘，所述螺旋凸缘的末端设置有与所述气体出口形状匹配的头部。
可选的，所述开孔处设置有密封构件；所述开孔邻接所述密封构件且接近于所述气体储存空间的部分设置有扩径段。
可选的，所述气体动力推杆包括第一杆和第二杆；所述第二杆一端设有所述螺旋凸缘，另一端与所述第一杆连接；所述第一杆的直径大于所述第二杆的直径。
可选的，所述气体喷射机构还包括旋转电机，用于驱动所述气体动力推杆。
可选的，所述气体喷射机构为压电泵。
进一步，本发明还提供一种成膜方法，通过本发明所提供的成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，使得所述有机材料在所述目标位置上沉积。
可选的，所述有机材料沉积过程初期的混合气体流速小于沉积过程中期的混合气体流速。
可选的，通过本发明所提供的的成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，在所述沉积过程停止时，以正反角度对所述气体动力推杆进行往复旋转。
可选的，所述气体动力推杆往复旋转的速度为设定值，能够使得沉积过程停止后，所述混合气体封闭在所述气体存储空间中。
从上面所述可以看出，本发明提供的成膜装置和方法，将有机材料气体和惰性气体混合，在基板上的目标位置成膜，成膜过程、有机材料沉积速度、有机材料薄膜的均匀度等均容易控制；适用于多种面积的基板、多种粘度的有机材料气体。同时，本发明实施例所提供的成膜装置和方法，能够在不提高混合气体温度的情况下提高有机材料沉积的速度，同时能够保证气体的封闭性和密封构件较长的寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的成膜装置结构示意图；
图2为本发明一种实施例的成膜装置俯视方向示意图；
图3为本发明一种实施例的扩径段结构示意图；
图4为本发明一种实施例的气体动力推杆结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明首先提供一种成膜装置，用于在基板的目标位置形成有机材料薄膜，结构如图1所示，所述装置包括气体输送机构101、气体喷射机构102，其中：
气体输送机构101：用于将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到气体喷射机构102；
气体喷射机构102：用于将所述气体输送机构输送来的混合气体喷射到基板上的目标位置。
从上面所述可以看出，本发明提供的成膜装置，将有机材料气体和惰性气体的混合气体喷射到基板上的目标位置，使得有机材料在基板上的目标位置成膜，通过控制气体喷射机构102的气体出口大小，可以控制混合气体喷射到基底上的面积，通过增加气体喷射点，即可扩大成膜面积，因而适用于各种面积的基板。同时，由于通过喷射有机材料气体和惰性气体的混合气体在基板上的目标位置成膜，通过控制气体喷射机构102的大小，可以控制气体喷射点的大小，无需因为要保证成膜厚度的均一性而增大气体喷射机构102和目标基板之间的距离。另一方面，混合气体浓度、均匀度、喷射速度均容易控制，成膜过程控制难度降低。
现有技术中采用的OVJP方法，采用惰性气体携带有机材料的胶状物质进行印刷成膜，不仅厚度、均匀性不容易控制，且成膜的过程中胶状物质容易粘连在输送管道上。而气体的流动性强，在不液化的情况下，输送过程中不易附着在输送管道上，因而本发明提供的成膜方法还避免了胶状物质粘连问题。
在本发明具体实施例中，所述惰性气体的温度较高，热的惰性载气夹带起有机材料气体喷射到冷的基底的目标位置上，其中有机材料气体被基板吸收并沉积在基板上。通过控制气体喷射速度即可控制沉积成膜速度，沉积速度可以达到埃/秒的级别，不需要为了提高沉积成膜速度而提高有机材料气体或惰性气体的温度，从而有机材料分子结构不会因为高温而受到破坏。
在本发明具体实施例中，所述有机材料气体可以通过有机材料蒸发源产生。所述气体喷射机构可以是任意适用于本发明情况的泵。
在本发明具体实施例中，所述惰性气体可以是化学意义上的稀有气体，还可以是氮气等常温或高温情况下不易与其它物质发生反应的气体，也可以是与本发明所述的有机材料气体不易发生反应的气体。所述混合气体可以在所述气体输送机构101输送到气体推送机构102之前进行压缩，如此，将混合气体从气体推送机构102中推送出来的推力相当于气体推送机构102的推力和气体压力的结合。
优选的，气体输送机构101输送气体的压力大小应当满足在气体推送机构102不推送混合气体且气体推送机构102与气体输送机构101连通时，混合气体不会从气体推送机构102中流出。
本发明实施例所提供的成膜装置，可以通过分子量较小的惰性气体(如氮气)作为载气，对有机材料气体进行加速，如此可以在目标基板上获得致密有序的薄膜，能够在基板上沉积出高质量的薄膜。
在本发明一些实施例中，所述气体输送机构101包括惰性气体输送管、有机材料蒸发源、混合气体输送管1011；所述惰性气体输送管输出惰性气体，所述混合气体输送管1011将所述惰性气体与所述有机材料蒸发源产生的有机材料的蒸汽混合输送到所述气体喷射机构102。其中，惰性气体输送管、有机材料蒸发源在图中没有示出，其中，惰性气体输送管可以是将惰性气体从一个惰性气体源头输送到混合气体输送管的管道；有机材料蒸发源可以是现有技术的蒸镀方法所采用的有机材料蒸发源。
在本发明具体实施例中，可在气体输送机构101上设置控制装置，根据气体喷射机构102喷射混合气体的速度进行混合气体的输送。
在本发明一些实施例中，所述装置还包括具有腔体的本体部103；所述气体喷射机构102包括气体动力推杆1021；所述气体动力推杆1021穿过所述本体部103的第一开孔1031插设于所述本体部103的腔体中；所述混合气体输送管1011通过所述本体部上的第二开孔1032与本体部103的腔体连通，其连接处设置有阀门1033；所述阀门1033在所述本体部腔体中限定出气体储存空间1034；所述气体储存空间1034中设置有加热机构。
在本发明具体实施例中，所述加热机构可以是适合在所述气体存储空间1034中使用的任意加热机构，用于保持气体存储空间1034中的混合气体的温度，提高混合气体混合的均匀性，并防止有机材料气体液化。
在本发明具体实施例中，阀门1033为电控阀门，当气体喷射机构102向外喷射气体或沉积成膜过程停止时，阀门1033关闭；当气体输送机构101向气体喷射机构102输送混合气体时，阀门1033打开。
优选的，混合气体输送管1011应当设置在合适的位置，使得当混合气体通过第二开孔1032输入本体部103的腔体中时，气体的入射方向与气体动力推杆1021垂直。
本领域技术人员应当理解，气体喷射机构102还包括必要的驱动机构，例如电机等。
通过气体动力推杆1021，可以控制气体喷出的速度。
在本发明一些实施例中，混合气体输送管1011设置有多个，如图2所示。每个混合气体输送管1011可以用于输送不同的有机材料的混合气体，从而一个成膜装置可以在基板上沉积多种不同的有机材料，装置利用率提高。
当混合气体输送管1011设置有多个时，相应可以设置多个阀门，用于输送不同的有机材料的混合气体，当沉积成膜过程中，采用一个气体输送管1011输送的混合气体时，其它的混合气体输送管1011对应的阀门关闭，其它的混合气体输送管1011对应的阀门关闭。
在本发明一些实施例中，所述本体部103包括用于容纳所述气体动力推杆1021的直线通道1035以及设置于所述直线通道末端的气体出口1036；所述气体动力推杆1021接近于所述气体出口1036的圆周面上设置有螺旋凸缘，所述螺旋凸缘的末端设置有与所述气体出口形状匹配的头部1022。
在上述实施例的基础上，优选的，气体喷射机构102还包括旋转电机，用于驱动气体动力推杆1021，使得气体动力推杆1021的螺旋凸缘旋转搅拌混合气体并将混合气体从气体出口1036喷射出去。
通过调整气体动力推杆1021与本体部103之间的间隔、螺旋凸缘的节距、气体出口1036的大小等进行调整，便可将不同粘度的有机材料气体的混合气体进行喷射沉积成膜。
在本发明具体实施例中，所述第二开孔1032的开设高度与气体动力推杆1021完全收缩在气体存储空间1034中时螺旋凸缘高度对应，可以增强第二开孔1032处的混合气体流动性。
由于混合气体可以准直地喷射到基板上的目标位置，在喷射过程中施加到混合气体上的力可以在一个较宽的范围内，沉积成膜的速度也可以在一个较大的区间内调整。由于设置有气体出口1036和直线通道1035，保证混合气体喷射的准直性，本发明实施例可以对任意尺寸和形状的基板进行沉积成膜。
典型的OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机电激光显示)有机薄膜厚度为数埃的级别，使用线性排列的喷嘴，每个喷嘴对应一个气体出口且其控制气体喷射速度为埃/秒的级别，同时当每一喷嘴具有与像素宽度匹配的直径时，可在很短的时间内完成显示器基板的沉积成膜。在优选实施例中，使用小分子有机材料，因为小分子有机材料在较低的温度下具有足够的蒸汽压力，便于高速度沉积。为了实现高速度沉积，现有的OVJP技术优选使用小分子有机材料，这是因为它们在合理的温度下通常具有足够的蒸汽压力，便于高速度沉积。然而，本发明实施例所提供的沉积装置适用于多种材料，例如聚合物。
当混合气体流出喷嘴的速度足够大时，形成“射流”。这与其它技术，例如OVPD(Organic Vapor Phase Deposition，有机气相沉积)不同，后者可使用载气，但不存在“射流”。
本领域技术人员应当理解，所述气体喷射机构102应当包括必要的驱动机构，在上段所述实施例中，可以采用旋转电机驱动气体动力推杆1021。通过气体动力推杆1021的旋转，螺旋凸缘带动气体流动，并将气体从气体出口1036推送出去。与直接推动气体的方式相比，本实施例通过旋转的方式将混合气体从气体出口1036推送出去，通过气体动力推杆1021的转速控制混合气体流出气体出口1036的出口的速度，使得气体能够在较长的时间内保持恒定的流速，而且气体动力推杆1021的转速比直线前进的速度更加容易控制。
在本发明具体实施例中，用于限定气体出口1036的喷嘴设置为可更换式，从而成膜的像素大小可以通过调整气体出口1036的大小来调整，可以通过缩小气体出口1036来提高成膜的分辨率，因而不需要掩膜(Mask)，就可以直接在基板上印刷有机膜层。由于可以通过调整气体出口1036的大小来调整混合气体与基板的接触面积，当混合气体与基板的接触面积足够小时，有机材料的均匀度能够达到一个设定值，因而无需通过增加气体出口与基板之间的距离来提高有机材料薄膜的均匀性，进而本发明实施例所提供的成膜装置适用于将有机材料沉积到任意尺寸的基板上。
在本发明一些实施例中，所述开孔处设置有密封构件；所述开孔邻接所述密封构件且接近于所述气体储存空间1034的部分设置有扩径段。所述密封构件在图1中未示出。
为了增加防蒸汽空间的流动阻力，设置密封构件以保证气体存储空间1034与气体动力推杆1021之间的密性属于重要事项。通过保持密封构件与气体动力推杆间的气密性，当混合气体因为气压降低在第一开孔1031上升时，则防蒸汽空间内的气体压力便提高，通过密封构件可以保证混合气体不从第一开孔1031中流出。
一般情况下，开孔直径较小，且具有一定的深度，气体在开孔处会出现毛细现象而向孔外流动，不利于气体的密封，因此，在上述实施例中，不仅开孔处设置有密封构件，且开孔邻接密封构件且接近于所述气体存储空间1034的部分设置有扩径段。所述开孔包括第一开孔1031和第二开孔1032，以及本体部103上可能存在的其它开孔。
在优选实施例中，如图3所示，所述开孔包括第一开孔1031。气体动力推杆1021和第一开孔1031之间的间隙可能较小，混合气体在气体动力推杆1021和第一开孔1031之间会出现的间隙内会出现如毛细现象一般的攀升情形，设置扩径段能够增加气体动力推杆1021和第一开孔1031之间的间隙，有效防止混合气体在第一开孔1031和气体动力推杆1021之间的间隙内进行攀升。在图3所示的实施例中，所述扩径段为研钵状，即圆锥梯形状。
并且，气体动力推杆1021最好由具有螺旋凸缘的第二杆10212、与小径构件10212远离螺旋凸缘的一端连接的第一杆10211构成，第一杆10211为大径构件，第二杆10212为小径构件，如图4所示，气体动力推杆1021最好采用一体成型的方式制造。
在本发明优选实施例中，本体部103可能产生气体溢出的地方均应设置密封构件。并且，本体部103最好一体形成，如此可减少接蒸汽零件数量，并可减少设置密封构件的地方，因而可减少密封构件这种易损耗品的设置数目。
若是气体动力推杆1021通过往复运动将混合气体推出，那么密封构件的寿命将缩短；上述实施例通过旋转气体动力推杆1021的方式推送混合气体，使得密封构件和气体动力推杆1021之间的摩擦损耗减少，增加了密封构件的寿命。
在本发明一些实施例中，所述气体喷射机构为压电泵。
同时，本发明还提供一种成膜方法，通过本发明任意一项实施例所提供的成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，使得所述有机材料在所述目标位置上沉积。
与其它方法，例如喷墨印刷相比，本发明所提供的成膜方法，采用有机材料气体和惰性气体的混合气体在基板上的目标位置沉积成膜，可以对任意尺寸和形状的基板进行沉积成膜。在大多数情况下，有机材料在气化以后仍然具有一定的稳定性，同时，本发明可以通过气体喷射速度控制沉积成膜速度，混合气体喷射时的压力可调整，无需为了提高沉积成膜速度而增加有机材料气体、惰性气体或混合气体的温度，使得沉积过程中有机材料不会因高温而遭到破坏。
在本发明一些实施例中，所述有机材料沉积过程初期的混合气体流速小于沉积过程中期的混合气体流速。
在刚开始喷射混合气体时，气流尚未稳定，气体喷射阻力较小，因此气体动力推杆应采用较小的速度推送气体。在气流稳定后，气体喷射阻力较大，因此在喷射沉积过程中应采用较大的速度推送气体。同时，在将混合气体初期导入于第一开孔时，令气体输送机构输送混合气体时的压力为低压，防止因为所述气体存储空间下部的混合气体流动阻力较低，而导致相应的密封构件、喷嘴等部件受潮。
在本发明一些实施例中，成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，在所述沉积过程停止时，以正反角度对所述气体动力推杆进行往复旋转。
在一次喷射沉积步骤结束后，在等待下一次喷射沉积步骤的待机状态有持续一定时间的情况，在待机状态时，最好重复使气体动力推杆朝正反方向进行微小旋转，从而经常将气体存储空间内的混合气体进行搅拌。通过进行搅拌使混合气体经常保持流动，即使在推动混合气体开始流动喷射时仍不需要较大的力。该往返旋转的量只要使得混合气体不从喷嘴上滴落程度的量便可，该量可以通过实验确认。当然在待机步骤中不进行对气体喷射机构供应混合气体。
在本发明一些实施例中，所述气体动力推杆往复旋转的速度为设定值，能够使得沉积过程停止后，所述混合气体封闭在所述气体存储空间中。
从上面所述可以看出，本发明提供的成膜装置和方法，将有机材料气体和惰性气体混合，在基板上的目标位置成膜，成膜过程、有机材料沉积速度、有机材料薄膜的均匀度等均容易控制；适用于多种面积的基板、多种粘度的有机材料气体。同时，本发明实施例所提供的成膜装置和方法，能够在不提高混合气体温度的情况下提高有机材料沉积的速度，同时能够保证气体的封闭性和密封构件较长的寿命。
应当理解，本说明书所描述的多个实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种成膜装置，用于在基板的目标位置形成有机材料薄膜，其特征在于，所述装置包括气体输送机构、气体喷射机构，其中：
气体输送机构：用于将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到气体喷射机构；
气体喷射机构：用于将所述气体输送机构输送来的混合气体喷射到基板上的目标位置；
所述气体输送机构包括惰性气体输送管、有机材料蒸发源、混合气体输送管；所述惰性气体输送管输出惰性气体，所述混合气体输送管将所述惰性气体与所述有机材料蒸发源产生的有机材料的蒸汽混合输送到所述气体喷射机构；
所述装置还包括具有腔体的本体部；所述气体喷射机构包括气体动力推杆；所述气体动力推杆穿过所述本体部的第一开孔插设于所述本体部的腔体中；所述混合气体输送管通过所述本体部上的第二开孔与本体部的腔体连通，其连接处设置有阀门；所述阀门在所述本体部腔体中限定出气体储存空间；所述气体储存空间中设置有加热机构。
2.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于，所述混合气体输送管设置有多个。
3.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于，所述本体部包括用于容纳所述气体动力推杆的直线通道以及设置于所述直线通道末端的气体出口；所述气体动力推杆接近于所述气体出口的圆周面上设置有螺旋凸缘，所述螺旋凸缘的末端设置有与所述气体出口形状匹配的头部。
4.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于，所述开孔处设置有密封构件；所述开孔邻接所述密封构件且接近于所述气体储存空间的部分设置有扩径段。
5.根据权利要求3所述的成膜装置，其特征在于，所述气体动力推杆包括第一杆和第二杆；所述第二杆一端设有所述螺旋凸缘，另一端与所述第一杆连接；所述第一杆的直径大于所述第二杆的直径。
6.根据权利要求3所述的成膜装置，其特征在于，所述气体喷射机构还包括旋转电机，用于驱动所述气体动力推杆。
7.根据权利要求1所述的成膜装置，其特征在于，所述气体喷射机构为压电泵。
8.一种成膜方法，其特征在于，通过权利要求1-7中任意一项所述的成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，使得所述有机材料在所述目标位置上沉积。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机材料沉积过程初期的混合气体流速小于沉积过程中期的混合气体流速。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过权利要求1-6中任意一项所述的成膜装置将有机材料的蒸汽和惰性气体的混合气体输送到基板上的目标位置，在所述沉积过程停止时，以正反角度对所述气体动力推杆进行往复旋转。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述气体动力推杆往复旋转的速度为设定值，能够使得沉积过程停止后，所述混合气体封闭在所述气体存储空间中。
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