CN106086822A - 适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置，其结构是在真空反应室中设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，所述收/放卷装置设置在平置的滑动导轨上，所述等离子体反应气盒位于所述收/放卷装置的上方，并通过提升架与真空反应室上部的提升机构相连接；所述等离子体反应气盒与所述收/放卷装置之间的间隙构成等离子体辉光放电区。本发明可在同一真空反应室中集成多个卷对卷真空镀膜反应装置，并在多个柔性样品上实现批处理真空镀膜工艺。本发明适用于真空环境下高效连续的半导体薄膜生产工艺，并保证了批处理薄膜沉积时工艺条件的稳定以及防止反应气体的交叉污染。

Description

适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体真空镀膜装置，具体地说是一种适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置。
背景技术
卷对卷（Roll-to-Roll）制备技术是一种高效、低成本的大面积连续生产模式，适于各种可弯曲的柔性薄膜/软板，其材质包括多种类的柔性塑料（PET、PEN、PI）或不锈钢卷带。
将PECVD真空镀膜工艺与卷对卷制程相结合是制备高质量半导体薄膜材料的一种关键生产工艺，对于提高柔性电子器件和柔性光伏材料的生产效率具有重要意义。
传统的卷对卷真空镀膜生产设备已经十分成熟，但是连续的卷对卷生产流程不能避免各道蒸镀工艺之间的交叉污染，因此降低了柔性半导体材料和电子器件的质量；另外各反应腔室的反应气压和沉积速率等参数无法独立设定，因此无法完成一些特殊工艺或根据需要方便地调整工艺参数。
为了避免复杂多层柔性电子器件的各道沉积工艺间的交叉污染，提高器件的质量，可采用一个能装载柔性衬底并能实现收卷、放卷功能的收/放卷装置。在样品传输过程中不沉积薄膜，当该收/放卷装置移动到指定的真空反应室时，衬底被加热到一定温度，然后完成镀膜。每个镀膜腔室通过真空阀门有效隔离，这样在各真空反应室中依次沉积多层柔性电子器件所需的不同功能层。
采用收/放卷装置完成卷对卷沉积镀膜，会降低卷对卷制备技术的效率，因为该装置所能承载的柔性衬底长度和重量有限，因而不利于产业化推广。解决该难题的一个方法是：采用批处理模式，同时在多个料卷上真空镀膜。但是随之而产生的困难是，多个等离子体反应镀膜之间的放电互扰以及反应残留物在不同料卷沉积镀膜时的扩散和交叉污染。
发明内容
本发明的目的就是提供一种适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置，以解决等离子体反应镀膜存在的交叉污染和等离子体放电时存在的相互干扰的问题。
本发明是这样实现的：一种适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置，在真空反应室中设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，所述收/放卷装置设置在平置的滑动导轨上，所述等离子体反应气盒位于所述收/放卷装置的上方，并通过提升架与真空反应室上部的提升机构相连接；所述等离子体反应气盒与所述收/放卷装置之间的间隙构成等离子体辉光放电区。
所述等离子体反应气盒的主体为匀气盒，在匀气盒上设置有进气管口，在匀气盒的顶面分布有加热丝，加热丝用于对匀气盒进行加热；匀气盒的底板为分布有出气孔的出气孔板，在匀气盒上还设置有连接射频电源的射频馈线；在匀气盒的外侧面设置有封闭等离子体辉光放电区的屏蔽罩，在匀气盒的外侧面与屏蔽罩的内侧壁之间留有狭缝，在狭缝上部的匀气盒顶板上开有与狭缝相通的抽气孔，在匀气盒的顶面边缘设置有抽气盒，匀气盒顶板上的抽气孔与抽气盒相通，在抽气盒的侧壁上开有抽气管口，用于外接抽真空泵，抽取等离子体辉光放电区中的反应残留物和副产物。
所述收/放卷装置是在架体的顶面设置有下电极板，在架体的两端分别设置有导向辊轴，导向辊轴的轴面上沿与下电极板的上板面持平或基本持平，在架体上还设置有两个收放柔性衬底用的收/放卷辊轴，收/放卷辊轴的轴心线与导向辊轴的轴心线相互平行；两个所述收/放卷辊轴的轴头均伸出架体，并均外接一个传动齿轮，在两个传动齿轮之间设置有张力感应器。
在真空反应室中设置有一层以上的上下分隔间，在每个分隔间内均设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，且下层分隔间内的等离子体反应气盒与上层分隔间内的等离子体反应气盒通过连接架相接，以在提升机构的控制下实现同步、同幅升降。由此使得本发明能够同时在多个柔性衬底上实现功率稳定、高效和无污染的真空镀膜。
在所述真空反应室的每个分隔间的侧壁上均设置有样品进出口。
反应气体由进气管口进入真空反应室中的匀气盒，并由出气孔板匀气后，进入等离子体辉光放电区；当等离子体反应完成后，生成的反应副产物或反应残留物通过抽气盒、抽气管口和外部的真空泵等排出。
收/放卷装置可将一定幅宽和长度的柔性PEN、PET、PI塑料或不锈钢衬底，通过卷绕的方式装载到收/放卷辊轴上，通过导向辊轴改变方向后，覆盖在收/放卷装置的下电极板上；通过外接的伺服电机带动收/放卷辊轴上的传动齿轮，实现柔性衬底的收卷、放卷动作；收卷、放卷动作可正向和反方向进行，张力感应器用于监测柔性衬底的张力。
本发明中，等离子体反应气盒与收/放卷装置构成相对封闭的真空环境和等离子体辉光放电区，可避免多个所述的卷对卷反应装置沉积薄膜时等离子体放电的相互干扰以及反应副产物或反应残留物之间的交叉污染。
本发明可在同一真空反应室中集成多个卷对卷反应装置，并在多个柔性样品上实现批处理真空镀膜工艺。本发明适用于真空环境下高效连续的半导体薄膜生产工艺，并保证了批处理薄膜沉积时工艺条件的稳定以及防止反应气体的交叉污染。
附图说明
图1是本发明真空镀膜反应装置的结构示意图。
图2是等离子体反应气盒与收/放卷装置部分的外部立体结构示意图。
图3是等离子体反应气盒与收/放卷装置部分的内部结构示意图。
图中：1、等离子体反应气盒，2、收/放卷装置，3、滑动导轨，4、样品进出口，5、真空反应室，6、提升架，7、真空泵接口，8、进气管口，9、抽气盒，10、射频馈线，11、加热丝，12、屏蔽罩，13、抽气管口，14、匀气盒，15、出气孔板，16、等离子体辉光放电区，17、架体，18、导向辊轴，19、传动齿轮，20、张力感应器，21、收/放卷辊轴，22、下电极板，23、柔性衬底。
具体实施方式
如图1所示，本发明是在真空反应室5中设置有等离子体反应气盒1和收/放卷装置2，等离子体反应气盒1位于收/放卷装置2的上方，并通过提升架与真空反应室上部的提升机构相连接。等离子体反应气盒1用于进气、抽气、发生等离子体反应和加热；收/放卷装置2用于柔性衬底的装载和在真空反应室间的传输以及放卷、收卷操作。等离子体反应气盒1与收/放卷装置2之间的间隙构成等离子体辉光放电区16。
图1中，在真空反应室5中设置有两层上下分隔间（数量可有增减），在上层分隔间和下层分隔间内各设置一套等离子体反应气盒1和一套收/放卷装置2，下层分隔间内的等离子体反应气盒与上层分隔间内的等离子体反应气盒通过连接架相接，以在提升机构的控制下实现同步、同幅的升降。每个分隔间内的收/放卷装置2设置在平置的滑动导轨3上，滑动导轨3分设在真空反应室5的隔层和底面。在真空反应室5的每个分隔间的侧壁上均设置有样品进出口4。
图1中，收/放卷装置2通过由步进电机带动的滑动导轨3进行传输，通过样品进出口4进入到真空反应室5中。多个等离子体反应气盒1通过连接架连接，并由提升架6和提升机构带动同步升降。当收/放卷装置2到达真空反应室中的指定位置时，提升架6带动多个等离子体反应气盒1整体下降，并与收/放卷装置2对接，形成多个卷对卷反应装置，进而实现批处理卷对卷真空镀膜操作。图1是以两层卷对卷反应装置为例说明本发明的工作原理，可扩展到更多层的结构上。
如图1所示，真空反应室5由真空泵接口7抽取真空，当多个卷对卷反应装置同时沉积薄膜时，少量泄露的反应气体或副产物可通过真空泵接口7被抽出，从而避免各卷对卷反应装置之间的交叉污染，保证了薄膜沉积的质量。
如图2、图3所示，所述等离子体反应气盒1的主体是匀气盒14，在匀气盒14上设置有进气管口8，在匀气盒14的顶面分布有加热丝11，加热丝11用于对匀气盒14进行加热。匀气盒14的底板为开有出气孔的出气孔板15，出气孔板15上的出气孔呈矩阵排布。在匀气盒14上还设置有连接射频电源的射频馈线10。在匀气盒14的外侧面设置有屏蔽罩12，用以封闭等离子体辉光放电区。在匀气盒14的外侧面与屏蔽罩12的内侧壁之间留有狭缝，在狭缝上部的匀气盒顶板上开有与狭缝相通的抽气孔，在匀气盒14的顶面边缘设置有抽气盒9，匀气盒顶板上的抽气孔与抽气盒9相通，在抽气盒9的侧壁上开有抽气管口13（图2），用于外接真空泵，抽取等离子体辉光放电区16中的反应残留物和副产物。
如图2、图3所示，所述收/放卷装置2是在架体17的顶面设置有下电极板22，在架体17的两端分别设置有导向辊轴18，导向辊轴18的轴面上沿与下电极板22的上板面持平或基本持平，在架体17上还设置有两个收放柔性衬底用的收/放卷辊轴21，收/放卷辊轴21的轴心线与导向辊轴18的轴心线相互平行。图2中，两个收/放卷辊轴21的轴头均伸出架体，并均外接一个传动齿轮19，两个传动齿轮19通过齿轮传动机构与伺服电机相接，以实现放卷和收卷操作。在两个传动齿轮19之间设置有张力感应器20，以检测缠绕在两个收/放卷辊轴21上的柔性衬底23的张力（图3）。
本发明的工作过程是：等离子体反应气盒1和收/放卷装置2共同构成封闭的真空环境和等离子体辉光放电区16，如图3中的黑色箭头所示，反应气体由进气管口8进入匀气盒14，并由匀气盒14底部的出气孔板15匀气后，进入等离子体辉光放电区16。柔性衬底23装载并在收/放卷辊轴21上并锁紧，通过导向辊轴18改变方向后，覆盖在下电极板22的顶面。通过外部的伺服电机带动传动齿轮19，实现柔性衬底23的收卷和放卷动作。在收卷和放卷的过程中，由张力感应器20监测柔性衬底23的张力，通过调整电机转速，来维持柔性衬底23的绷紧状态。在柔性衬底23通过等离子体辉光放电区16时，通过与外部恒温电源电连接的加热丝11，对等离子体反应气盒1进行整体加热，并通过热辐射的方式对下电极板22上的柔性衬底23进行加热。射频电源通过射频馈线10加到匀气盒14上，屏蔽罩12起到屏蔽电场和反射热量的作用，匀气盒14的底面（即出气孔板15）与下电极板22共同构成平行电极板，以在等离子体辉光放电区16产生频率、功率稳定均匀的等离子体。反应气体被分解后发生化学气相反应，并沉积在柔性衬底23上，随着料卷的传动，直至在整个柔性衬底上蒸镀上一层薄膜（此即为真空镀膜）。反应残留物和副产物由抽气盒9导出，并通过抽气管口13和真空泵抽出。
本发明实施例的部分部件的规格或参数如下：
柔性衬底为35cm幅宽、50~100m长的柔性PEN、PET、PI塑料或不锈钢衬底料卷。屏蔽罩15内侧面和匀气盒17外侧壁之间的间距小于等于2mm，以保证不产生寄生放电。等离子体反应气盒1和收/放卷装置2均采用铝材制作；屏蔽罩15和匀气盒17之间连接的螺丝为陶瓷螺丝；下电极板25的尺寸为35cm×35cm×3mm的不锈钢板；收/放卷辊轴24的直径为75~80mm；导向辊轴的直径为85~90mm；加热丝可提供的加热温度为200~300℃；射频电源频率为40~60MHz。

Claims (3)

1.一种适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置，其特征是，在真空反应室中设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，所述收/放卷装置设置在平置的滑动导轨上，所述等离子体反应气盒位于所述收/放卷装置的上方，并通过提升架与真空反应室上部的提升机构相连接；所述离子体反应气盒与所述收/放卷装置之间的间隙构成等离子体辉光放电区；
所述等离子体反应气盒的主体为匀气盒，在匀气盒上设置有进气管口，在匀气盒的顶面分布有加热丝，加热丝用于对匀气盒进行加热；匀气盒的底板为分布有出气孔的出气孔板，在匀气盒上还设置有连接射频电源的射频馈线；在匀气盒的外侧面设置有封闭等离子体辉光放电区的屏蔽罩，在匀气盒的外侧面与屏蔽罩的内侧壁之间留有狭缝，在狭缝上部的匀气盒顶板上开有与狭缝相通的抽气孔，在匀气盒的顶面边缘设置有抽气盒，匀气盒顶板上的抽气孔与抽气盒相通，在抽气盒的侧壁上开有抽气管口；
所述收/放卷装置是在架体的顶面设置有下电极板，在架体的两端分别设置有导向辊轴，导向辊轴的轴面上沿与下电极板的上板面持平或基本持平，在架体上还设置有两个收、放柔性衬底用的收/放卷辊轴，收/放卷辊轴的轴心线与导向辊轴的轴心线相互平行；两个所述收/放卷辊轴的轴头均伸出架体，并均外接一个传动齿轮，在两个传动齿轮之间设置有张力感应器。
2.根据权利要求1所述的适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置，其特征是，在所述真空反应室中设置有一层以上的上下分隔间，在每个分隔间内均设置有等离子体反应气盒和收/放卷装置，且下层分隔间内的等离子体反应气盒与上层分隔间内的等离子体反应气盒通过连接架相接，以在提升机构的控制下实现同步、同幅升降。
3.根据权利要求2所述的适于批处理的卷对卷真空镀膜反应装置，其特征是，在所述真空反应室的每个分隔间的侧壁上均设置有收/放卷装置进出口。
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