CN105555422B - 涂覆基板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在沉积室(2)中涂覆基板(1)的方法。该方法包括以下步骤：提供至少一种液体前体的源；在沉积室(2)中将至少一种液体前体雾化成液滴以用于产生气溶胶；用气溶胶填充沉积室(2)以在沉积室(2)中形成饱和气溶胶；以及朝向基板(1)的表面通过重力来沉降饱和气溶胶以用于在沉积室(2)中涂覆基板(1)。

Description

涂覆基板的方法
技术领域
本发明涉及一种涂覆基板(基片，substrate)的方法。
本发明特别是涉及利用在沉积室中所产生的气溶胶来涂覆基板的方法。
背景技术
本发明涉及产生气溶胶，其中术语气溶胶是指液滴的细雾。
在现有技术中，基板的典型涂覆发生在沉积室，其中通过引导气溶胶喷射流朝向基板，使得气溶胶喷射流的液滴被引导至待涂覆的基板的表面。通过布置面向待涂覆的基板的表面的雾化头来实现这类涂覆，使得气溶胶喷射流被引导至基板的表面上的第一碰撞点，并且然后气溶胶在基板的表面行进到第二点，在第二点处没有参与涂覆过程的气溶胶被移除。
与上述提及的布置有关的缺点在于涂覆是不均匀的，并且可能包括由于来自雾化器(喷雾器，atomizer)的气溶胶的不均匀分布而在基板的表面上的条纹效果。
另一个现有技术解决方案是以使两个雾化的气溶胶喷射流彼此碰撞的方式将它们定向，使得产生气溶胶，然后优选地通过吹向待涂覆的基板将所产生的气溶胶朝向待涂覆的基板移动。通过将气溶胶喷射流大体上直接地彼此相对来定向，产生了气溶胶，其流动性即刻近乎不存在，借此用基本上定向于气溶胶喷射流的碰撞点的分开的气流可以在期望的方向上移动所述气溶胶。
与上述布置有关的缺点之一在于在基板表面上的所有位置涂覆可能不是均匀的。实际上，遗憾的是已经证明很难提供足够均一(均匀的)的涂覆，并且整个基板上的涂覆厚度变化太大。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法以便减轻上述缺点。本发明的目的通过以下方法来实现。
在一个方面，本发明提供了一种在沉积室中涂覆基板的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供至少一种液体前体的源；
-在所述沉积室中将所述至少一种液体前体雾化成液滴以用于产生气溶胶；
-用气溶胶填充所述沉积室以用于在所述沉积室中形成饱和气溶胶；以及
-朝向所述基板的表面通过重力来沉降饱和气溶胶以用于在所述沉积室中涂覆所述基板。
本发明基于以下构思：在沉积室中将至少一种液体前体(液态前体)雾化成液滴以用于产生气溶胶，并且用气溶胶填充沉积室以用于在沉积室中形成包括涂覆材料的饱和气溶胶，以及朝向基板的表面重力沉降气溶胶液滴以用于在沉积室中涂覆基板。换言之，饱和气溶胶通过重力在沉积室中下降，并且在沉积室中通过气溶胶液滴涂覆基板的表面，该气溶胶液滴包括来自前体的涂覆材料。
本发明基于的思想是在沉积室中在大气状态下产生饱和气溶胶并且在基板的表面上形成薄膜以用于涂覆基板。饱和气溶胶液滴通过重力朝向基板沉降。沉积室以其全部体积保持在饱和状态(在考虑气体时)使得液体膜没有不可操控地干燥，取而代之的是在将已涂覆的基板在单独的干燥室中移动时以可操控的方式实现干燥。根据本发明，通过将饱和气溶胶的液滴沉降至基板的表面来布置涂覆基板以用于通过液滴在基板的表面上形成薄膜。
根据本发明的一个实施方式，在沉积室的上部布置至少一个雾化器以将至少一种液体前体雾化成液滴。
在本申请中，涂覆材料或者材料是指前体，即雾化成气溶胶的材料。
重力使得饱和气溶胶在沉积室中下降时密度变低，并且在接触基板的表面时，来自饱和气溶胶的较大液滴降落到基板的表面上以涂覆基板，并且包括较小液滴的其余气溶胶在沉积室中向上移动，使得在本发明的一个实施方式中，过量的气溶胶在沉积室的上部从沉积室排出，用于重新使用涂覆材料。换言之，重力引起了不同尺寸的液滴以不同的速度移动并且这导致液滴之间的碰撞，其进而导致产生了较大的液滴。这意味着重力沉降发展了并且引起了更多的碰撞。所有这个最终意味着在雾化器的上侧，气溶胶的浓度降低且密度变得更小，并且在过量的气溶胶从沉积室的上部被移出时，该过量的气溶胶仅包括一小部分的原始材料。这种材料可以从被移出的气溶胶中分离并且被再次重新利用。材料是指基板的涂覆材料，即前体。在沉积室充满气溶胶的状态下，必须由此移出供给至沉积室的相同量的气溶胶，否则气溶胶将会渗入沉积室的每个开口。换言之，该方法包括在涂覆基板之后从沉积室中移出或者回收剩余部分的饱和气溶胶的步骤。该方法可以包括从沉积室的底部收集沉积的前体以移出或者回收前体的步骤。该方法还可以包括从沉积室的壁收集沉积的前体以移出或者回收前体的步骤。该方法可进一步包括通过开口从沉积室移出过量的气溶胶，并且从过量的气溶胶中分离前体以移出或者回收前体的步骤。该方法还包括在所述沉积室的中部布置至少一个雾化器用于将所述至少一种液体前体雾化成液滴的步骤。
气溶胶在从雾化器出来时比在气溶胶的较大液滴已涂覆基板后的密度更大。由于气溶胶的持续产生以及基板的涂覆，即由于沉积室的不同部分中的密度间的差异，这导致了沉积室内部的涡旋(混乱，whirl)。因此在基板表面附近的气溶胶从沉降点缓慢地朝向上升点移动，并且进而在雾化器附近的移动是相反的。沉积室内部的气溶胶的涡旋，即在整个沉积室中的大涡旋，以约0.1m/s移动，而雾化器中的气溶胶的喷出速度为约300m/s。涡旋的移动和生成可以受沉积室的形状和雾化器布置位置的影响。因此在沉积室内产生了竖直(垂直)移动，该方向取决于沉积室的几何形状。当基板在沉积室的底部移动通过沉积室时，这些慢速的气溶胶涡旋可以被进一步地用于调平基板表面的涂覆，使得该膜在基板的运动方向的横向上将变得均匀。在本发明的一个实施方式中，该雾化器的位置产生了沉积室中的气溶胶的慢涡旋，该慢涡旋与移动的基板一起将降低气溶胶密度的差异以及其对涂覆的均匀性的影响。在本发明的另一个实施方式中，沉积室的形状产生了沉积室中的气溶胶的慢涡旋，该慢涡旋与移动的基板一起将降低气溶胶密度的差异以及其对涂覆的均匀性的影响。在本发明的又一个实施方式中，沉积室的高度产生了沉积室中高的气溶胶柱，其中气溶胶的差异在气溶胶中产生了均衡效果。在本发明的优选实施方式中，通过快速的气溶胶流在气溶胶中产生了水平或者基本上水平的移动，在沉积室中雾化器的平面内该气溶胶流在气溶胶中产生了湍流，该移动产生了具有均匀密度的气溶胶。气溶胶中这种水平或者基本上水平的移动优选地通过产生了气溶胶的雾化器而产生，然而也可以通过气流产生。通常，在雾化器中所产生的气溶胶在沉积室中将至少一种液体前体雾化成液滴以产生气溶胶，该气溶胶除了产生气溶胶流以外还产生了气溶胶中的慢移动，该慢移动涡旋并且以调平方式影响基板的涂覆。
将部分气溶胶沉积在沉积室的壁上和顶部上，并且主要沉积在沉积室的底部上的那些没有基板的部分上。沉积室的结构因此被设计成使得所有液体流动到沉积室的底部并且通过孔从底部移出，使得液体可以被重新使用。由于在考虑气体时整个沉积室处于饱和状态，因此没有干燥并且在任何阶段都没有干燥所有经收集的材料。这使得材料可以被重新使用。由于通过重力来移动饱和气溶胶，所以待涂覆的基板被布置在沉积室的底部。在本发明的优选实施方式中，气溶胶和基板处于相同温度。基板可以在沉积室中移动，使得基板被布置成经受(穿过)饱和气溶胶或者在涂覆期间基板可以是静止的或者几乎是静止的。
尽管气溶胶中的液滴具有不同的尺寸，但是差别可能不大。在根据本发明的方法中，液滴的尺寸小于25μm。在本发明的优选实施方式中，液滴的尺寸小于10μm并且在本发明的另一实施方式中，液滴的尺寸为1-5μm。在根据本发明的实施方式中，饱和气溶胶包括按体积计0.5％-4％的涂覆材料。
饱和气溶胶在沉积室中扩散，从而均匀地填充沉积室。饱和气溶胶具有饱和蒸汽压，该饱和蒸汽压通过William C.Hinds的出版物Aerosol Technology(气溶胶技术)(AWiley-Interscience Publication(威利国际出版))限定如下：“饱和蒸汽压，也称蒸汽压，是在特定温度下，将蒸汽保持在与浓缩的蒸汽(液体或者固体)质量平衡(质量守恒，massequilibrium)所需的压力。在蒸汽的分压(局部压力，部分压力)等于其饱和蒸汽压时，来自液体表面的蒸发刚好等于在该表面上的凝结，并且在该表面上存在质量平衡。仅容纳液体及其蒸汽的任何密封的容器中的压力是在该容器的温度下该材料的饱和蒸汽压。容纳处于平衡的空气和液态水的密封的容器将具有与在该容器的温度下水的饱和蒸汽压相等的水蒸汽的分压”。
该方法包括以下步骤：提供至少一种液体前体的源，在沉积室中将至少一种液体前体雾化成液滴以用于产生气溶胶，用气溶胶填充沉积室以在沉积室中形成饱和气溶胶，以及朝向基板的表面通过重力来沉降饱和气溶胶以用于在沉积室中涂覆基板。
由于可以通过多种不同的技术(诸如使用气体分散雾化器、压力分散雾化器和超声波雾化器)将液体雾化成小液滴，所以可以以不同的方式产生饱和气溶胶。例如通过以下可以产生饱和气溶胶：将两个雾化头朝向彼此布置，使得从雾化头喷出的气溶胶喷射流在碰撞点相互碰撞，使得优选地在大体上水平的方向上产生了平的气溶胶平面。在连续地产生了这些种类的气溶胶平面时，沉积室填充并最终产生饱和气溶胶。产生饱和气溶胶的另一种方法是在沉积室中布置至少一个具有超声波雾化器的超声波源并且将至少一种液体前体转变成气溶胶，使得在沉积室中产生饱和气溶胶。
沉积室可以是封闭的沉积室，因此它包括底壁、顶壁和侧壁。尽管是封闭的，但是沉积室可以具有用于基板穿过沉积室的开口，但是开口优选地具有某种闭合盖或者其他闸门装置，例如以气体的形式。换言之，沉积室包括封闭的上部以及在沉积室的下部的用于基板的开口。当在沉积室中具有用于基板的开口时，必须平衡沉积室和外部世界之间的压力使得在压力方面没有差异。一种方式是在排出流中控制并使其与雾化的气溶胶流相同。在本发明的另一个实施方式中，沉积室可以在沉积室的上部上是至少部分地开放的，使得当沉积室充满气溶胶时，多余的气溶胶通过上部的开口或者甚至通过沉积室顶部的小开口从沉积室中扩散出去，该小开口足够使得气溶胶可以通过其逸出。因此沉积室可以是类似具有开放顶部(上部)的腔室的圆柱体，或者该沉积室可以具有类似在其顶部(上部)上的盖子的顶部(roof)。
与根据本发明的方法相关的是雾化过程发生在沉积室中，以致产生了气溶胶并在同一沉积室中使该气溶胶达到饱和状态，同时将涂覆应用在基板的表面上。
本发明方法的优点在于涂覆在基板的表面上均匀地扩散，并且在基板的表面上的涂覆是均匀的。根据本发明的方法的另一优点在于饱和气溶胶没有特定的方向，但是它同时是平的和放射状的，使得它将在大的区域中均匀地扩散出去。
附图说明
下面参照附图，将通过优选的实施方式更加详细地描述本发明，其中：
图1示出了在沉积室中产生平的气溶胶平面的一个实例；以及
图2示出了图1中所示出的实例的不同阶段，其中气溶胶在沉积室中扩散。
具体实施方式
图1示出了沉积室2，其具有位于沉积室2底部的基板1和布置在沉积室2上部的雾化器4。在该实施方式中，沉积室2是封闭的沉积室，使得存在仅用于基板1以进入和离开沉积室2的开口6和用于气溶胶在沉积室2的顶部出去的开口5。该开口6优选地由例如该开口中的气流控制。雾化器4可以与该图中所示出的雾化器不同，并且根据本发明的方法并不限于产生饱和气溶胶的具体方式。在该实例中，在两个雾化头中将至少一种液体前体雾化，在竖直(垂直)方向上布置这两个雾化头，使得它们面向彼此。气溶胶喷射流在位于相对的雾化头的中点的碰撞点相互碰撞。碰撞首先产生了平的气溶胶平面3a，该平的气溶胶平面在沉积室2中放射状地且对称地扩散。在本实施方式中，将雾化器布置在沉积室的中间使得饱和气溶胶将在沉积室中均匀地扩散，但是也可以将雾化器放置在影响饱和气溶胶扩散的其他位置，并且该雾化器产生了具有整个沉积室2的尺度的大的且慢的气溶胶涡旋。图1示出了用于该过程的起始点。
图2示出了当沉积室2填充有气溶胶时在沉积室2中发生的一切，使得产生了饱和气溶胶。在该图中两个雾化器4连续地将液体前体雾化成液滴，使得产生了平的气溶胶平面3a。所产生的气溶胶平面3a在沉积室2中扩散并与其他气溶胶平面3a结合，使得形成了沉积气溶胶通量(flux)3b。当沉积室2充满气溶胶时，其也变得饱和。该饱和气溶胶下沉到其中布置有基板1的沉积室2的底部，并且饱和气溶胶的液滴通过重力沉降在基板的表面上以在基板1的表面上形成薄膜。雾化器4连续地产生了平的气溶胶平面3a，并且重力影响到所产生的平的气溶胶平面3a，该所产生的平的气溶胶平面最终填充沉积室2并变得饱和。该饱和气溶胶在沉积室2中朝向基板下沉。这种连续的气溶胶输出产生了越来越大的气溶胶通量3b，该气溶胶通量最终变得饱和。该气溶胶朝向沉积室2底部的基板1的表面下降。该基板1在沉积室2中可以是静止的，或者其可以移动穿过沉积室2并且穿过饱和气溶胶。在沉积室2中布置该基板1的涂覆，其中气溶胶处于饱和状态并且因此液滴不会变干(即蒸发掉)。
对于本领域技术人员来说将显而易见的是，随着科技的进步，本发明的构思可以通过不同的方式来实现。本发明及其实施方式不限于上述实例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (16)

1.一种在沉积室(2)中涂覆基板(1)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-提供至少一种液体前体的源；
-在所述沉积室(2)中将所述至少一种液体前体雾化成液滴以用于在大体上水平的方向上产生了平的气溶胶平面；
-用气溶胶填充所述沉积室(2)以用于在所述沉积室(2)中形成饱和气溶胶；以及
-朝向所述基板(1)的表面通过重力来沉降饱和气溶胶以用于在所述沉积室(2)中涂覆所述基板(1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液滴的尺寸小于25μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液滴的尺寸小于10μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液滴的尺寸为1-5μm。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述沉积室(2)包括封闭的上部和在所述沉积室(2)的下部用于所述基板(1)的开口(6)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述沉积室(2)的上侧，所述沉积室(2)至少部分地开放。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-在涂覆所述基板之后，从所述沉积室(2)中移出或者回收剩余部分的所述饱和气溶胶。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-从所述沉积室(2)的底部收集沉积的前体以用于移出或者回收所述前体。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-从所述沉积室(2)的壁收集沉积的前体以用于移出或者回收所述前体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
-通过开口(5)从所述沉积室(2)中移出过量的气溶胶，并且从过量的气溶胶中分离前体以用于移出或者回收所述前体。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-在所述沉积室(2)的底部布置所述基板(1)。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-布置所述基板(1)以经受所述饱和气溶胶。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-通过将所述饱和气溶胶的液滴沉降至所述基板(1)的表面用于由所述液滴在所述基板(1)的表面上形成薄膜来涂覆所述基板(1)。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-在所述沉积室(2)的上部布置至少一个雾化器(4)，用于将所述至少一种液体前体雾化成液滴。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-在所述沉积室(2)的中部布置至少一个雾化器(4)，用于将所述至少一种液体前体雾化成液滴。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述饱和气溶胶包括按体积计0.5％-4％的涂覆材料。
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