CN104294237B - 一种薄膜的制备设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备薄膜的方法，所述的方法包括如下步骤：提供一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置，每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；将一基材放置在所述至少两个基材支撑固定装置之间，所述的基材用于沉积薄膜；将所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲；将所述的基材支撑组件放入一反应器的反应腔室中；在所述的基材表面生成薄膜；及从所述的基材支撑组件上拆卸下基材。本发明工艺简单、效率高，制备的薄膜面积大。本发明还包括一种制备薄膜的设备。
Description
技术领域
本发明涉及采用化学气相沉积法生产薄膜的方法和设备，尤其是一种利用化学气相沉积法制备碳薄膜的方法和设备，特别的本发明涉及一种在反应腔室中处理和加热基材的基材支撑机构，该机构具有宽度倍增的表面用于形成大面积薄膜。
背景技术
本发明用于石墨烯的合成，石墨烯是一种单碳原子二维单片层结构的物质，其中碳原子具有稳定的外延排列，包括具有碳原子以sp2杂化轨道形成的多环芳香烃，是碳原子及其共价键连接形成的蜂巢晶格，可以是形成6元环作为基本重复的单元，5元环及7元环也可以形成。石墨烯具有独特的导电性、机械性、和化学特性，在柔性电子工业的应用特别引人注目。例如，电子在石墨烯片层中移动时受到很小的阻力，因而其移动速度非常块，可以接近光的速度。
石墨烯可以通过多种方法在基材上制备，例如美国专利，申请公开号为No.2011/0091647公开了一种制备石墨烯的方法，即化学气相沉积法(CVD)。一般来讲，化学气相沉积法是一种将薄膜层沉积在基材上的工艺方法，在制备过程中基材在真空沉积加工腔室中被加热到高温，这个温度可以达到几百摄氏度，之后反应气体被通入反应腔室，并被加热激化发生化学反应，这样，一层薄膜便生成在基材上了，最后将沉积有薄膜的基材冷却至室温状态，将薄膜从基材上分离下来。如此便完成了薄膜的制作。
上面所提到的美国专利，申请公开号为No.2011/0091647披露一种利用化学气相沉积法制备石墨烯的方法，通过这种方法可以让石墨烯在金属基材上生成，例如所述的金属基材可以为铜箔，其在前面所述的气态碳源中经热处理，特别的，所述的气态碳源为烃气和氢气的混合气体。金属基材被放入管式炉中所述的管式炉通常包括一反应腔室，在这里在一特定的温度下发生加热反应，所述的腔室通常被加热元件所包围，并且同气态碳源流动连接。我们认为在反应中，一些受热的氢气分子分解成氢原子，分解产生的氢原子之后又与受热的烃气反应，(具有代表性的烃气为甲烷)，之后形成一种或多种含碳物，当这些碳接触到稍冷一些的金属基材时便沉积在金属基材上生成碳薄膜(石墨烯)，特定时间之后加热反应终止，熔炉及覆有碳薄膜的基材也渐冷却到室温，之后该生成的薄膜可以连着金属基材直接使用，或用已知的方法从金属基材上分离或转移下来之后再使用之。
用同样的方式，用CVD法也可以获得氮硼化物薄膜，例如，可以用三氯化硼或三溴化硼和氮或者含氮化合物(如氨作为氮的来源)为原料，以金属箔为基材。而且，除了利用传统的化学气相沉积法制备石墨烯、氮硼化物薄膜及其他大面积薄膜之外，还可以选用其他相关处理方法，例如，等离子化学气相沉积法(PECVD)，也可以使用原子层沉积法(ALD)。
在上述生产工艺中，基材的尺寸决定了其上所生成的薄膜的尺寸(例如，这个尺寸可以是表面积)，即基材的大小限制了所制备的薄膜的面积，依次是，反应腔室的维度或CVD设备的腔室限制了基材的大小。一般来讲，反应腔室是一种水平圆柱型石英管，所选用的基材的维度会受到反应腔室的维度的限制(该维度为基材的长度，该维度被定义为平行于反应腔室的枢轴，其长度取决于反应腔室可以被加热部分的长度，就是说其长度取决于熔炉的加热区域的长度)，至于所述基材的宽度，该维度定义为与长度垂直并与圆柱型腔室的径向维度平行。其宽度取决于反应腔室的直径(该直径约等于在利用传统方法将平板放入圆柱型反应腔室中所能获得的最大宽度)。虽然，在制造很长的石英管及制作能容置所述石英管的熔炉上几乎没有技术上的困难。困难在于制造较大直径的石英管，且困难会随着石英管直径的增加而急剧曾加。另外，石英管与其周围金属部件之间的连接会因为制造尺寸上的错误或石英管的圆度的放大随着直径的增加变得具有不确定性。因而，由于石英管反应腔室的直径会受到实际上的限制，这反过来又限制了所选用的被放入其中的基材的宽度。
相应的，一种将金属箔基材放入石英管反应器腔室的技术，例如可以是这样一种技术，这种技术使得基材的宽度以及之后所产生的薄膜的宽度，可以大幅度增加，而不会受到现存的CVD熔炉反应腔室直径的限制；能够给采用CVD或相似制作薄膜的工艺带来好处的技术。然而，尽管CVD工艺已经存在并应用许多年了，这样的技术却鲜有研究者。
虽然，前案已经为提供这样一种技术做出了努力，但是这种努力却令人不太满意。例如，前案包括一种技术方案，通过该技术方案可以将基材绕着圆柱形支撑物缠绕，但是这一技术所提供的基材宽度也只有反应腔室直径的三倍而已。而且，如前面提到的美国专利，专利申请公开号为No.2011/0091647公开了使用约两米宽的铜箔作为制备石墨烯的基材，这意味着制备的石墨烯也可以具有可比较的宽度，但是该专利中也提到了如此宽度的平板基材在实际生产中是不具有可行性的，这是由于在制造上的困难及上面提及的与生产直径不断增加的石英管的反应腔室相关的困难所决定的。
因此，本发明旨在提供一种改进的使用CVD或CVD型熔炉合成大面积薄膜的方法及其设备，其所制备的薄膜的宽维度可以大幅度增长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种薄膜的制备设备及其方法。
本发明是这样实现的，一种制备薄膜的方法，所述的方法包括如下步骤：提供一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置，每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；将一基材放置在所述至少两个基材支撑固定装置之间，所述的基材用于沉积薄膜；将所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲；将所述的基材支撑组件放入一反应器的反应腔室中；在所述的基材表面生成薄膜；及从所述的基材支撑组件上拆卸下基材。
优选地，所述每一基材支撑固定装置的伸出部为至少两个，所述至少两个基材支撑固定装置的伸出部之间交叉相对设置。
优选地，所述的端部为圆柱形的管或杆。
优选地，所述薄膜为石墨烯或氮硼化物。
优选地，所述基材进一步覆盖所述基座的外表面。
优选地，所述的基材为铜箔。
本发明还提供一种制备薄膜的设备，所述的设备包括：一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置；每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲。
优选地，所述每一基材支撑固定装置的伸出部为至少两个，所述至少两个基材支撑固定装置的伸出部之间交叉相对设置。
优选地，所述的端部为圆柱形的管或杆。
优选地，所述薄膜为石墨烯或氮硼化物。
优选地，所述基材进一步覆盖所述基座的外表面。
优选地，所述的基材为铜箔。
本发明有如下优点：通过提供一种基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置；每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；将基材放在所述的至少两个基材支撑固定装置之间，交叉嵌合固定装置，使基材在基材支撑组件中弯曲折叠，大大增加了基材的宽度，从而能制作出大尺寸的薄膜，而不受熔炉直径尺寸的制约，安全可靠，成本低。
附图说明
图1、是传统的在CVD设备的反应腔室中生产诸如石墨烯等薄膜的示意图；
图2、是本发明基材支撑固定机构的较佳实施例的立体图；
图3、是本发明较佳实施例的横截放大示意图，其中描述了两个基材支撑固定装置相对放置，基材位于两个基材支撑固定装置之间；
图4、是本发明较佳实施例的横截放大示意图，其中描述了图3中的其中两个固定装置嵌合后的基材在其中折叠的情形；
图5、是本发明较佳实施例的横截放大示意图，其中描述了图3中基材支撑组件外部的基材随着基材支撑组件旋转并包裹住基材支撑组件的情形；
图6、是本发明基材贴近基材支撑固定装置伸出部的端部的横截放大示意图；
图7、是基材上沉积了薄膜之后被从上图3至5所描述的基材支撑组件中取出的横截放大图；
图8、是片状基材的横截示意图
图9、是本发明基材支撑组件的一较佳实施例的横截图，其中所述的基材支撑组件具有15个伸出部；
图10、是本发明基材支撑组件的另一较佳实施例的横截示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～10所示的一种制备薄膜的方法，所述的方法包括如下步骤：提供一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置，每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；将一基材放置在所述至少两个基材支撑固定装置之间，所述的基材用于沉积薄膜；将所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲；将所述的基材支撑组件放入一反应器的反应腔室中；在所述的基材表面生成薄膜；及从所述的基材支撑组件上拆卸下基材。
所述每一基材支撑固定装置的伸出部为至少两个，所述至少两个基材支撑固定装置的伸出部之间交叉相对设置。
所述的端部为圆柱形的管或杆。
所述薄膜为石墨烯或氮硼化物。
所述基材进一步覆盖所述基座的外表面。
所述的基材为铜箔。
本发明还包括一种制备薄膜的设备，所述的设备包括：一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置；每一基材支撑固定装置包括一基座，每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲。
所述每一基材支撑固定装置的伸出部为至少两个，所述至少两个基材支撑固定装置的伸出部之间交叉相对设置。
所述的端部为圆柱形的管或杆。
所述薄膜为石墨烯或氮硼化物。
所述基材进一步覆盖所述基座的外表面。
所述的基材为铜箔。
本发明通过将基材支撑组件设为至少两个具有伸出部的可相互嵌合的基材支撑固定装置，基材可以在相互交叉的伸出部之间及其周围盘绕折叠，从而有效增加了CVD熔炉的使用效率，生产出宽度更宽，表面积更大的石墨烯或其它薄膜，工艺简单、易于操作成本低。以下结合具体实施例详细介绍本发明。
实施例一
参阅图1，在传统的工艺中薄膜如石墨烯可沉积在CVD炉子30的反应室20的平面基材10的表面，CVD炉子30包括一进气口40和一出气口50，这个制备过程在一美国申请的专利中已有描述，专利号：No.2011/0091647，在这个专利中用图表的形式对薄膜的制备过程进行了描述，描述通俗易懂，但是CVD的炉子中基材的支撑物，加热设备和其他的部件在图中都没有标注出来。除了基材的支撑物和基材本身的结构外形外该发明的过程同传统的使用过程是一样的。
参阅图2，为可相互嵌合基材支撑固定装置100的优选实施例，固定装置100优选由石英制造，其组成部件如下文所述。基材支撑固定装置100包含一基座101，其可以是一个半管，如：通常是形如半圆柱的物体(从断面看是半圆形)。细看，基材支撑固定装置100进一步包括至少一个手指状的伸出部102，由基座101向内呈放射状伸展加工而成。优选的，基材支撑固定装置100包含多个伸出部102，所述多个伸出部通常彼此定向平行排列。但是，基材支撑固定装置100能包含的伸出部102的最大数目取决于基座101的直径。例如，如图2所示，基座101的直径选为90mm，伸出部102的最大数目为3个较佳。
每个伸出部102由一管状或者棒状的端部104和一伸出的平板部分106组成，平板部分106的一边与端部104粘接，并支撑着端部104，另一边粘接到基座101。优选的，每一管状或棒状端部104的直径分布范围约为10mm至25mm，并且每一平板部分106的厚度分布范围为2mm至4mm。每个基材支撑固定装置100中相邻两个伸出部102之间的距离取决于其组成部分—管状或棒状端部的直径，但是选择的间距必须要能够满足第一个基材支撑固定装置100中的伸出部102与相似结构中的另外一个基材支撑固定装置100'中的伸出部102'之间可以相互交叉嵌合，这种交叉嵌合是有选择性的。每个基材支撑固定装置100中的基座101也同样与另外一个基材支撑固定装置100'中的基座101'相结合，这样两个半圆柱状的基座便可以共同构成一个完整的圆柱状物。
参见图3-5，两个基材固定装置100和100'放在一起使用便可以构成本发明中的基材支撑组件，第一个基材固定装置100中的伸出部102定向放置是为了能够和另外一个100'中的伸出部102'交叉嵌合，并且可以使得临近交叉的伸出部之间可以有足够的空间，这样第一个基材固定装置100中的每一个伸出部102的管状或棒状的端部104彼此间能够通过并且不会和另外一个100'中的相邻伸出部102'的管状或棒状的端部104'发生碰撞，较佳的示例如图3-4所示。
而且，尽管伸出平板单元106和106'的长度并不一致，但是长度会随着伸出部102到另外一个伸出部的变化而变化，在使用的时候要选择合适的长度，这样两个基材固定装置100,100'连接耦合在一起的时候，第一个装置中的伸出部102能够和另外一个基材装置中的伸出部102'交叉嵌合，并且基材固定装置100的管状或棒状的端部104的直径能够延长至1-5mm内而不会和基材固定装置100'中的反方向的基座101'发生碰撞，类似情况是基材固定装置100'的管状或棒状的端部104'的直径能够延长至1-5mm内而不会和基材固定装置100中的反方向的基座101发生碰撞，较佳的实施例如图4所示。
图3-5用来图解基材比如铜箔片108固载到本发明中基材支撑组件上的过程。如图3所示，铜箔基材108一般会在平面内定向放置，于此同时，基材支撑固定装置100会放置在铜箔片某一面的旁边或上面而另一个基材支撑固定装置100'相应的会放置铜箔片的另一面的旁边或下面。当基材固定装置100,100'同时运行交叉嵌合的时候，伸出部102,102'的管状或棒状的端部104,104'会使铜箔片包裹起来，如铜箔片108的宽度超过基材固定装置100,100'的直径，那么只有铜箔片的中间部分才能够被包裹起来，同时铜箔片基材108两端的部分109两边都会超出基材固定装置100,100'的连接处，如图4所示。所以，较好的情况是整个基材支撑组件能够完全旋转180度，这样基材108的每个端尾部分能够覆盖在装置100,100'中的每一个基座101,101'的弯曲的外表面上，这种装置构型是优选的，制得的石墨烯薄膜的宽度是最大的。
然而，必须理解的是，铜箔片基材108放置的位置和选择的宽度会影响到铜箔片的某一部分能否被包裹到每个基材固定装置100,100'的各个基座101,101'的弯曲外表面上以及被包裹的程度。举例说明，如果铜箔片基材108放置的位置使得铜箔片基材108能够伸展通过基材固定装置100,100'的连接处，这个连接处指的是某一边的，(左边或右边，如图4所示)，而不是另一边。在这种情况下，一旦开始旋转本发明的基材支撑组件，铜箔片基材108最后将会紧紧被包裹到基座101,101'中的一个弯曲外表面上，基座101,101'来自基材固定装置100,100'。以同样的方式再举一个例子，如果铜箔片基材108放置的位置虽然如图3所示，但是其所选择的宽度没有图3所示那么大，不过尺寸仍然大于基材固定装置100,100'，这种情况下，一旦开始旋转本发明的基材支撑组件，那么铜箔片基材108将仅有部分能够被包裹到基材固定装置100,100'中的基座101,101'的弯曲外表面上。最后一个例子，如果铜箔片的宽度与基材固定装置100,100'的直径完全等同，那么一旦旋转本发明中基材支撑组件，基材108将根本不会被包裹到基材固定装置100,100'中的基座101,101'的弯曲外表面上。
图6，尽管铜箔片可以紧紧地覆盖在伸出部102,102'各自的管状或棒状的端部104上，用肉眼看不出箔片和每个管状或棒状的端部104之间存在空隙，但是借助技术的手段还是可以观察到其二者之间存在亚显微大小的空隙105，这空隙足可以容纳在CVD过程在铜箔片表面上形成厚度为一个原子的石墨烯涂层110，这个石墨烯涂层临近每个管状或棒状的端部104的表面，较佳的示例如图6所示。所以，在进行CVD过程的时候，就会有持续不断的石墨烯涂层110在整个缝隙和基材108的两面上形成，即使在基材108两面上制备的石墨烯涂层在CVD过程中会连续地包裹到管状或棒状的端部104上，如图5所示。
图7-8，在图7中将会看到在CVD过程中沉积一层石墨烯涂层之后，铜箔片基材108是如何从本发明中的基材支撑组件上卸载下来的。首先，将刚刚涂覆有石墨烯的铜箔片基材的末端会从基材固定装置100,100'的基座101的弯曲外表面上平整地剥落下来(这一步在图中没有显现出来)。然后，基材固定装置100和100'彼此分开，朝着图7中箭头B,B'所指的方向运行，并且现涂覆有石墨烯的铜箔片基材108可以保持一种自由的状态。但是，一般情况下，刚刚涂覆有石墨烯的铜箔片基材108会保持一种波浪状，这种形状是由基材固定装置100,100'中的伸出部102,102'赋予的。此后，如图8所示，刚刚涂覆有石墨烯的铜箔片基材108的末端会朝着相反的方向拉伸，方向如图8中箭头C所指，这样就可以保持一种相对平整的形状。最后，如图8所示，刚刚涂覆有石墨烯的铜箔片基材108可能会放置在一对平板112之间，平板单元优选平整的玻璃。按照图8中箭头D所指的方向，对平板112加压，这样就可以使涂覆有石墨烯的铜箔片基材具有一个更加平整的表面。
经过图8所示的加压平整的步骤之后，石墨烯涂层110可能会以一种熟知的方式从铜箔片基材108的一个或两个表面上分离开来。例如，一种具有氧化性质的盐溶液或许可以用来将石墨烯涂层以片状形式从基材上剥落下来，之后分离出来的石墨烯层或许可以进行石墨烯类的相关应用，或者进一步加工以待使用。
正如前面阐述的一样，如果基座101的直径选为90mm，然后如图2-8所示，那么每个基材固定装置100,100'中的伸出部102较好是3个，这样的话伸出部102的总数为6个。这样，在两个基材固定装置100,100'联合使用构成本发明中的基材支撑组件以及铜箔片基材108如图5所示固定后，基材支撑组件就会被放进CVD炉反应室中，反应室的直径大约为100mm。在这种情况下，铜箔片基材的有用宽度大约为750mm，因此能够得到的石墨烯涂层的宽度也大约为750mm，大概是反应室直径的7.5倍。
在本发明中的另一个替代基材装置中，如图9所示，如果基座单201,201'的直径选为315mm，那么一共可以调节使用15根指状的伸出部，其中8根放置在一个基材固定装置中，7根放在另外一个基材固定装置中。在这种情况下，在两个基材固定装置100,100'联合使用构成本发明中的基材支撑组件以及铜箔片基材108固定后，基材支撑组件就会被放进CVD炉反应室中，反应室的直径大约为330mm。在这种情况下，铜箔片基材的有用宽度大约为3000mm，因此能够得到的石墨烯涂层的宽度也大约为3000mm，大概是反应室直径的9倍。因此，本发明提供石墨烯薄膜及其他薄膜的成膜方法和装置可以极大地提高制成的薄膜的宽度尺寸。
实施例二
实施例二与实施例一不同之处在于，在本实施例中基材支撑组件的形状为矩形。例如，基材固定装置中的基座单元301,301'如图10所示，当它们联合使用时，就构成了本发明的断面形状为矩形的基材支撑组件。这种外形轮廓使得可以有效使用的空间大幅减少，但是另一方面，可以大大减少工艺制造方面的困难。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种薄膜的制备方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：
提供一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置，每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；
将一基材放置在所述至少两个基材支撑固定装置之间，所述的基材用于沉积薄膜；
将所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲；
将所述的基材支撑组件放入一反应器的反应腔室中；
在所述的基材表面生成薄膜；及
从所述的基材支撑组件上拆卸下基材。
2.如权利要求1所述的薄膜的制备方法，其特征在于：所述每一基材支撑固定装置的伸出部为至少两个，所述至少两个基材支撑固定装置的伸出部之间交叉相对设置。
3.如权利要求2所述的薄膜的制备方法，其特征在于：所述的端部为圆柱形的管或杆。
4.如权利要求1所述的薄膜的制备方法，其特征在于：所述薄膜为石墨烯或氮硼化物。
5.如权利要求1所述的薄膜的制备方法，其特征在于：所述基材进一步覆盖所述基座的外表面。
6.如权利要求1所述的薄膜的制备方法，其特征在于：所述的基材为铜箔。
7.一种薄膜的制备设备，其特征在于：所述的设备包括：一基材支撑组件，所述的基材支撑组件包括至少两个基材支撑固定装置；每一基材支撑固定装置包括一基座及从基座上延伸出至少一伸出部，所述伸出部的末端为端部，所述端部用于支撑基材；所述至少两个基材支撑固定装置沿设有伸出部的面相嵌合，从而使基材绕所述端部弯曲。
8.如权利要求7所述的薄膜的制备设备，其特征在于：所述每一基材支撑固定装置的伸出部为至少两个，所述至少两个基材支撑固定装置的伸出部之间交叉相对设置。
9.如权利要求7所述的薄膜的制备设备，其特征在于：所述的端部为圆柱形的管或杆。
10.如权利要求7所述的薄膜的制备设备，其特征在于：所述薄膜为石墨烯或氮硼化物。
11.如权利要求7所述的薄膜的制备设备，其特征在于：所述基材进一步覆盖所述基座的外表面。
12.如权利要求7所述的薄膜的制备设备，其特征在于：所述的基材为铜箔。
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