CN105917266A - 用于防指纹涂层的退火的设备和过程 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在限定温度下在受控水蒸汽压力的环境中处理基板的原位退火站。这样的站可作为处理室被整合到实施防指纹涂覆过程的多室处理装置中。基板通常处于真空条件下直到完成退火过程。实验数据显示出，相比于现有技术，通过紧接在防指纹涂覆步骤之后引入这种水蒸汽中的原位处理，能够实现随后的非原位固化持续时间的显著减少。本发明还涉及基板的沉积过程，该基板通过将其暴露于在大约130℃温度下、在次大气压下的水蒸汽中大约5s而被退火。

Description

用于防指纹涂层的退火的设备和过程

技术领域

本发明涉及用于在沉积防指纹涂层之后对该涂层立即进行原位退火的过程和相应真空室结构。通常，这样的防指纹涂层应用于电子装置（智能手机、平板电脑）的触摸感应防护玻璃。

在这样的防指纹涂层和玻璃表面之间必须实现化学结合反应以确保良好的粘附性。这种结合反应通常需要水。

EP 2 409 317、EP 2 409 339和WO 2013/057228的全部内容以引用方式并入本文，特别是关于防指纹涂层的基本沉积过程和串联（inline）真空沉积系统的功能。

背景技术

防指纹涂层为触摸感应表面（诸如智能手机或平板电脑防护玻璃）提供容易清洁、不粘着的表面光洁度。表面变得疏油和疏水，这允许容易地移除颗粒和油脂，并且在实际使用这样的触摸面板装置时还允许具有舒服的感觉。通常，烷氧基硅烷分子的化学溶液被用于该应用，因为这些分子的硅烷基团提供疏水和疏油功能，而烷氧基团与玻璃形成强共价键。

在工业上使用若干涂覆技术：浸渍涂覆、喷涂或物理气相涂覆。WO 2013/057228描述了用于从液体前驱体（在溶剂中溶解的烷氧基硅烷分子）进行物理气相沉积的设备。

所有这些涂覆技术需要后续固化步骤，因为必须发起在烷氧基团和玻璃表面之间的化学结合反应。这种反应消耗水；因此通常通过将基板放置在湿热环境中若干小时来实施固化。替代性地，还可以通过将这样的被涂覆基板暴露于来自周围空气的湿气几天来实现固化。

化学前驱体材料以及关于处理和固化的介绍可以从制造商例如大金（Daikin）或者道康宁（Dow Corning）（参见例如道康宁2634产品信息、大金Optool DSX产品信息）商购。在本公开中，术语防污或防指纹材料可互换地被用于这类材料。

如上所述，至今所提出的固化过程通常需要花费若干小时，并且因此仅能适当地应用在同时处理大量基板的批量过程中。在工业规模上，这需要具有相应负荷、热、冷却和卸载过程的大容积调节箱。

现有技术方法的缺点

概况地说，现有的非原位固化方法具有两个主要缺点：

1.它们通常同时需要受控的湿度（>50%）和温度（>50℃）。因此，过程控制十分复杂。

2.通常的固化过程需要若干小时。因此，固化必须与涂覆过程（在另一装置中完成）分开，这增加了总成本。工业规模中的大生产量使得大型装置成为必需，这增加了投资成本。

因此本申请的目的是，通过紧接在涂覆之后在不中断真空的情况下引入在水蒸汽环境中的原位处理，来显著减少或消除固化时间段。

附图说明

图1a：根据本发明的退火站的照片；

图1b：在示意性概述图中的本发明的退火设备；

图2：具有用于基板清洁（PC1）、防指纹（AF）沉积（PC4）、原位退火（PC5）的多个室的真空沉积装置；

图3：通过钢丝绒磨损试验测试的玻璃上的被不同地固化处理的防指纹涂层的耐久性。

发明内容

本发明提出了一种原位退火站，其被构造成调节和控制水蒸汽压力和限定的处理温度；所述站可作为处理室被整合到多室处理装置中，在该多室处理装置中，实施防指纹涂覆过程。基板一直处于真空条件下直到完成退火过程。实验数据显示出，通过紧接在涂覆步骤之后引入这种水蒸汽中的原位处理，能够实现非原位固化持续时间的显著减少。这甚至能够消除对缓慢的批量型固化过程的需要，并且允许连续处理基板的快速的串联涂覆和固化顺序。本发明因此具有降低生产成本的潜力。

辐射加热站已被用于采用可调节的水蒸汽压力来促进原位沉积后退火过程。例如在EP 2 409 317和EP 2 409 339中已对合适的多室装置进行了描述，并且在WO 2013/057228中已对这样的基本涂覆过程进行了描述。

如本领域已知的那样，退火站在技术上基于辐射加热器站。众所周知的是，使用被定位成与待加热的基板处于密闭空间关系的石英灯。在本发明中，所述退火站额外地装备有可调节的水供应源以允许向加热器站中计量配给水，使得能够在存在水蒸汽的情况下实施加热步骤。因此，能够实施具有可调节的水蒸汽压力的快速热退火。放置在与如WO 2013/057228中描述的DLD（直接液体沉积）站相同的装置中，这允许在一个相同的过程循环中在一个相同的机器中进行沉积和原位水蒸汽处理。

具体实施方式

图1a示出退火站的照片。T形件被用作H₂O箱或者水贮存器。导管连接水贮存器和退火站。当水贮存器和真空室之间的连接打开时，贮存器中的水将因压力的降低而沸腾。因此，所述水贮存器和真空（退火）室之间的针形阀允许调节水蒸汽压力。通过卤素灯阵列加热基板（在室内部，未示出）。

图1b在更示意性的概述图中示出本发明的退火设备10。水贮存器或供应箱11经由管或管道12连接到退火室15。所述室包括基板保持装置17，其可在操作中支撑基板16。诸如石英加热器18的加热装置设置在室15内，其未必在室15的底部上。通过闭塞阀13能够将水阻挡以免流入室15中，这在需要再次填充贮存器10的情况下是有利的，不过对于本发明的原理而言不是强制性的。针形阀或其他类型的控制阀14允许限定通过阀14的水的量。因为室15在操作期间被保持在次大气压力下，所以如果阀13和14允许水流入，则水将蒸发并且填充室。可手动或通过致动器来操作阀13、14，该致动器有经由过程控制环境中的相应电子装置和软件来控制这些阀的可能性。

在本方案中省略了诸如泵的抽气装置以及测量单元（压力和温度控制装置）。显然，室15中所产生的水蒸汽压力将取决于（经由阀14控制的）水蒸汽供应、安装的泵送功率和室15的容积。

在本发明的过程中，通过机器人或其他运输装置将基板（如果例如使用基板承载器，则优选为一个或至少一个基板）放置在退火室15中。在退火步骤期间，室将从周围环境分离。经由阀14将限定量的水计量配给至室15中以形成水蒸汽，从而对在先前真空沉积步骤中已沉积的涂层产生影响。计量配给可以以不连续方式（脉冲）或者以连续计量配给的方式在一个步骤中完成，即每个退火步骤引入一次用于固化的限定部分的水）。根据退火室的容积和泵功率，要被计量配给的需要水量将变化，因此下文列出的相应参数是室中所产生的蒸汽压力（目标压力）。

加热器18与在基板上的计量配给并行地起作用，并且将其温度提升到期望和限定的水平。压力和温度控制装置允许动态地控制该过程；替代性地，可使用加热器和水计量配给的固定设置，其可源自较早的实验。在退火室中的预定处理时间之后，可停止水的流入，将残余水用泵抽离，并且可将基板从室移除。根据计量配给量的水平，如果泵容量允许，且如果交叉污染在相应系统中不是问题，则也可以简单地允许所述限定配给量的水不断地进入室15内。

已经发现，特别有利的是，紧接在所述较早的沉积步骤之后在不中断真空的情况下进行退火步骤。这种方式下，能够避免可能对上面描述的分子反应具有负面影响的来自周围空气的任何污染。

已经发现下列参数是有用的：

退火时间：5s

退火温度：130℃

退火室中所产生的水蒸汽压力：1 x 10^-3至1 x 10^-2 mbar（hPa）

有利地，退火步骤被整合为在串联基板处理装置中的处理步骤。这允许将退火整合到沉积防指纹层所需的处理步骤顺序中。

图2示出了通常的原位（in-situ）处理顺序和相应地装备的串联基板处理装置。图2示出了具有用于基板清洁（PC1）、防指纹（AF）沉积（PC4）、原位退火（PC5）的多个室的系统。室的顺序对应于基板被处理的顺序。生产量大约为5s一个基板。在这种情况下，处理站被布置成圆形，并且针对处理站PC1-PC4的相继的访问提供相应的处理机。基板表面以类似于专利申请WO2013/057228A1的方式在室PC1-PC4中被预处理和涂覆。室5是本发明的退火站。在涂覆和退火之间没有真空中断。

在这种沉积装置中，基板经由负载锁定件（load lock）从等候位置被供给到真空区段（具有处理站的上部）。在被带回到大气之前，它们相继地访问PC1至PC5。更具体地，在EP 2 409 317和EP 2 409 339中已经对这种系统进行了描述。在PC2和PC3中，沉积粘性层。为了匹配大约5s的循环时间，使用两个站，使得SiO2涂层的总体处理时间能够分配在两个站上。以此方式，能够解决连续沉积装置的限制，即“最慢”的处理站会限制单件产品生产时间。

工业环境中的通常处理在用清洁剂常规清洁基板之后，在真空环境中使用下列处理步骤：

a)通过辉光放电进行表面调节（等离子清洁）

b)沉积5-15nm的SiO₂（可在1个处理站中完成或者分到两个或更多个站中完成）

c)沉积大约20nm的防污或防指纹材料

d)根据本发明的退火处理

进行标准的钢丝绒磨损试验来评估固化后的防指纹涂层的耐久性。在该试验中，1cm²大小的钢丝绒垫（等级“0000”）被加载1kg，并且使用这个垫以大约5cm/s的速度在被涂覆且被退火的表面上进行一系列冲程（stroke）。

图3示出通过钢丝绒磨损试验测量的在玻璃上的被不同地固化处理的防指纹涂层的耐久性。目标是在至少8000次冲程后大于>100°的水接触角。黑色曲线表示在水蒸汽中原位退火的样品，灰色曲线表示在没有原位退火的情况下被处理的样品。通过使用原位退火方法，允许将非原位（ex-situ）固化持续时间从受控湿度下的15个小时显著减少到简单烤箱中的30分钟，并且仍然实现良好性能。

通过水接触角试验来确定涂层的磨损阻力，在水接触角试验中，将水滴放置在基板的表面上，并且测量水滴和表面之间的接触角。图3示出了测量的水接触角和钢丝绒垫的特定冲程次数之间的关系。水接触角越大，则玻璃呈现更好的涂层和更少的磨损。

图3中的各种固化过程的结果是：

1.没有原位退火而是标准的（现有技术）非原位固化（在65℃、90%的相对湿度下15个小时）：如图3中的灰色三角形所示（最上方的曲线），这些样品具有最佳的可能性能。

2.没有原位退火，但减少非原位固化（在130℃、低的相对湿度下30分钟）：开发该过程以获得在至少8000次冲程后大于>100°的水接触角（WCA）。边界条件是（a）最小非原位固化持续时间和（b）在固化期间没有额外的湿度。这些样品的结果由灰色菱形表示（最下方曲线）。

3.在水蒸汽中原位退火+减少的非原位固化：如图3中的黑色方形所示（从上方的第二曲线），本发明的固化过程明显地改善了涂层的性能和耐久性。这示出，原位固化过程允许将非原位固化的需要从受控湿度下的15个小时大幅地减少到低湿度下的30分钟，并且仍实现防指纹涂层的高性能。这能够带来显著的成本降低。

4.在水蒸汽中原位退火+没有非原位固化：这允许与2号处理类似的性能，其意味着能够节省30分钟的处理时间。这同样能够带来生产中显著的成本降低。这个曲线采用圆点标出（=从上方的第三个）。

比较图3中的样品2号和4号，给出了如何借助本发明减少处理持续时间的良好示例：5秒的原位退火将节省30分钟的非原位固化，并且产生相同或者稍微更好的膜品质。

此外，比较样品1号和3号表明，当针对非常高的膜品质时，在水蒸汽中短时间的原位退火极大地减少了随后非原位固化过程的持续时间并且还省去了其对大湿度的需要。

这些实验数据表明，根据本发明的硬件和对应的处理流程在防指纹涂层装置的生产中具有显著减少处理时间的潜力。减少的处理持续时间将转换成减少的生产成本，这有益于我们的客户。

概况地说，用于同时加热基板并对其施加水蒸汽的处理站包括：至少一个可抽真空的外壳或室，其具有向所述室中供应水的可调节和可控制的水供应源；和允许使布置在所述室中的基板的温度升高的加热装置；以及用于将所述室抽空到预定压力水平的装置。所述处理室可包括基板支撑件、温度和压力控制装置、用于布置、装载和卸载基板的处理装置。所述向所述室中供应水的可调节和可控制的水供应源包括用于计量配给水的控制装置，诸如可手动或经由驱动致动的阀、节流阀、预设阀、针形阀或类似件。

因此，用于玻璃上的防指纹涂层的沉积过程包括一种处理顺序，其包含：（a）沉积防指纹涂层和（b）在其间没有真空中断的情况下采用水蒸汽进行原位固化。用于涂覆有在本文中所描述类型的防指纹涂层的基板的表面的固化过程将包括特征：

· 将该表面暴露于在大约130℃+/-10%、优选地+/-5%的高温下、在1 x 10^-3至1 x 10^-2 mbar（hPa）之间、优选地1 x 10^-3 mbar（hPa）的水蒸汽环境中。

如上描述的所述固化过程将优选地持续几秒，优选地5s，并且/或者被调整成实施所述固化过程和其他处理步骤的串联基板处理系统的单件产品生产时间。

Claims (16)

1. 一种用于同时加热基板并且对其施加水蒸汽的退火设备（10），该退火设备（10）包括：

○退火室（15），其具有向所述退火室中供应水的可调节和可控制的水供应源；和

○用于将所述退火室抽真空到预定压力水平的装置；以及

○加热装置，其用于提高布置在所述退火室中的基板（16）的温度。

2. 根据权利要求1所述的退火设备，其中所述可调节和可控制的水供应源包括供应箱（11）、管道（12），该管道（12）在所述供应箱（11）和所述退火室（15）之间，并具有控制阀（14），用于限定通过所述阀的水的量。

3. 根据权利要求2所述的退火设备，还包括致动器，该致动器经由过程控制环境中的相应电子装置和软件控制所述阀（14）。

4. 根据权利要求1-3中的任一项所述的退火设备，还包括基板保持装置（17）以支撑所述基板（16）。

5. 根据权利要求2-4中的任一项所述的退火设备，还包括闭塞阀（13），以阻挡在贮存器（10）和退火室（15）之间的水流动。

6. 根据权利要求1-5中的任一项所述的退火设备，其中所述加热装置包括石英灯。

7. 根据权利要求1-6中的任一项所述的退火设备，还包括用于退火室（15）中的温度和压力控制的装置。

8. 根据权利要求1-7中的任一项所述的退火设备，其中所述设备作为处理室被整合到多室处理装置中，其中防指纹涂层站布置成，在真空条件下与所述退火设备相邻。

9. 根据权利要求8所述的退火设备，其中所述多室处理装置还包括至少一个用于SiO₂沉积的处理站和一个用于等离子清洁的处理站。

10. 一种用于基板上的防指纹涂层的沉积过程，包括具有如下步骤的处理顺序：

(a)在所述基板上沉积防指纹涂层；和

(b)在水蒸汽中原位固化所述基板，而不中断步骤（a）和（b）之间的真空。

11. 根据权利要求10所述的沉积过程，其中所述固化步骤（b）包括将所述基板的表面暴露于在130℃+/-10%的温度下、在1 x 10^-3至1 x 10^-2 mbar（hPa）之间的水蒸汽环境中。

12. 根据权利要求11所述的沉积过程，其中所述水蒸汽压力是 1 x 10^-3 mbar（hPa）。

13. 根据权利要求10-12中的任一项所述的沉积过程，其中所述温度被保持在130℃+/-5%。

14. 根据权利要求10-13中的任一项所述的沉积过程，其中所述固化步骤的进行时间是5s。

15. 根据权利要求10-14中的任一项所述的沉积过程，其中在步骤（b）之后，所述基板在低的相对湿度下、在130℃下经历30分钟的非原位固化步骤。

16. 根据权利要求10-15中的任一项所述的沉积过程，在根据权利要求8-9所述的多室装置中执行。