CN111748799A - 三维衬底的涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三维衬底的涂层。衬底处理装置包括：反应室、通向反应室的至少一个涂层材料入口、用以支撑待涂覆的3D衬底的可动衬底支撑件以及致动器，该致动器被配置为在衬底处理期间使衬底支撑件运动，以改变所述3D衬底的取向。一种用于涂覆3D衬底的方法，该方法包括：在反应室内在衬底支撑件上提供3D衬底，将至少一个涂层材料馈送到反应室中；以及在衬底处理期间，通过致动衬底支撑件的运动来改变所述3D衬底的取向。

Description

三维衬底的涂层
技术领域
本发明总体上涉及涂层及其制造方法。
背景技术
本部分说明了有用的背景信息，但不接受本文描述的任何技术代表现有技术。
诸如医疗植入物之类的涂层三维(3D)零件可能存在涂层保形性问题。一般来说，ALD能够生产出纵横比高达3000:1的保形涂层，但是这是在使用合适的工艺化学品流程的理想情况下。存在一些前体和工艺条件(诸如较低的所需温度)，其中生长行为更多是化学气相沉积(CVD)类型的沉积，而不是纯ALD。另外，通常已知等离子体增强的ALD(PEALD)和光ALD仅沉积在指向等离子体或光子源的表面上。同样在一些情况下，衬底和衬底支架可能具有光滑的相对表面，使得反应性化学品不能渗透以覆盖期望被涂覆的所有表面。
发明内容
本发明的某些实施例的目的是在涂覆3D衬底(substrate)时改善涂层的保形性。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种衬底处理装置，包括：
反应室；
通向反应室的至少一个涂层材料入口；
可动衬底支撑件，用以支撑待涂覆的一个3D衬底或多个3D衬底；和
致动器，被配置为在衬底处理期间使衬底支撑件运动，以改变所述3D衬底或所述多个3D衬底的取向。
因此，该装置处理至少一个3D衬底。在某些实施例中，该运动包括摆动运动。在某些实施例中，衬底支撑件是纤维网(web)。在某些实施例中，衬底支撑件包括纤维材料。在某些实施例中，衬底支撑件是织物或包括织物。在某些实施例中，衬底载体是聚合物或包括聚合物。在某些实施例中，衬底支撑件是金属的或包括金属。在某些实施例中，衬底支撑件是陶瓷的或包括陶瓷。
衬底支撑件的运动不必是连续的。在某些实施例中，至少有时使衬底支撑件运动，以改变至少一个3D衬底的取向。在某些实施例中，衬底支撑件的运动是通过至少一个运动零件来实现，或者在一些情况下，衬底支撑件的运动特别是提供诸如辊子之类的旋转零件来实现。在某些实施例中，衬底支撑件是无尾端(never ending)的带。在某些实施例中，衬底支撑件是笔直的线或环形圈的网状物(mesh)(如在锁链中)。
在某些实施例中，装置被配置为通过基本的运动来使至少一个衬底运动，并且在某些实施例中还通过附加的运动来使至少一个衬底运动。在某些实施例中，基本的运动是平移、旋转或摆动运动，而附加的运动例如是振动、摇动或抬升。
在某些实施例中，致动器被配置为在衬底处理期间使衬底支撑件运动，以改变在所述衬底支撑件上的所述至少一个3D衬底的取向。
在某些实施例中，该装置包括敏感模式，以防止损坏敏感衬底。在某些实施例中，敏感模式通过衬底支撑件的柔和(soft)运动来实现。运动的柔和度的定义取决于待涂覆的(多个)衬底的特性。
在某些实施例中，衬底支撑件被提供有衬底无损坏特性。损坏在本文中可能是指机械损坏，例如衬底边缘的压碎。
在某些实施例中，通过具有与(多个)3D衬底接触的非硬表面(即，软表面)的衬底支撑件，来提供衬底无损坏特性。在某些实施例中，通过至少部分地分离或至少部分地封闭的袋，来实现所述无损坏特性。在某些实施例中，衬底支撑件是柔性的。在某些实施例中，衬底支撑件是网。
在某些实施例中，衬底支撑件是悬挂结构，诸如悬挂的摆动件。在某些实施例中，悬挂结构包括织物。
在某些实施例中，衬底处理装置被配置为通过自饱和表面反应将材料沉积在衬底表面上。在某些实施例中，装置是ALD(原子层沉积)反应器。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种用于涂覆一个或多个3D衬底的方法，该方法包括：
在反应室内，在衬底支撑件上提供至少一个3D衬底；
将至少一个涂层材料馈送到反应室中；以及
在衬底处理期间，通过致动衬底支撑件的运动来改变所述至少一个3D衬底的取向。
在某些实施例中，该方法包括提供敏感模式，以防止损坏敏感衬底。在某些实施例中，敏感模式实现了衬底支撑件的柔和运动(即，不会破坏(多个)衬底但足以改变取向的运动)。
在某些实施例中，衬底支撑件被提供有衬底无损坏特性。
在某些实施例中，该方法包括：通过由衬底支撑件自身所包括的结构来致动衬底支撑件的运动。
在某些实施例中，衬底支撑件具有用于有限数目的衬底的围护件，以防止它们彼此接触。在某些实施例中，衬底支撑件具有用于一个衬底的一个或多个围护件。
在某些实施例中，衬底支撑件是围绕至少一个旋转点旋转的网，使得衬底(多个衬底)被迫改变它的(它们的)取向。
前面已经呈现了不同的非约束性示例方面和实施例。以上实施例和在本说明书中稍后描述的实施例，被用来解释可以在本发明的实现中利用的所选方面或步骤。应当理解的是，对应的实施例也适用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当的组合。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明，其中：
图1示出了根据某些实施例的衬底处理装置；
图2示出了根据某些实施例的另一衬底处理装置；
图3示出了根据某些实施例的改变取向的3D衬底；和
图4示出了根据某些实施例的用于支撑(多个)衬底的又一布置。
具体实施方式
在下面的描述中，将原子层沉积(ALD)技术使用作为示例。然而，本发明不限于ALD技术，而是可以在各种各样的衬底处理装置中被加以利用，例如在化学气相沉积(CVD)反应器中，以及在诸如原子层蚀刻(ALE)反应器之类的蚀刻反应器中。
ALD生长机制的基础是技术人员已知的。ALD是一种特殊的化学沉积方法，该方法基于将至少两个反应性前体物质顺序引入到至少一个衬底。然而，应当理解，当使用例如光子增强的ALD或例如等离子体辅助的ALD(PEALD)时，这些反应性前体中的一个反应性前体可以被能量取代，从而导致单个前体ALD过程。例如，诸如金属之类的纯元素的沉积仅需要一个前体。当前体化学品包含要被沉积的二元材料中的两个元素时，可以用一个前体化学品来产生二元化合物，诸如氧化物。由ALD生长的薄膜是致密、无针孔的，并且具有均匀的厚度。
通常在反应容器中将至少一个衬底暴露给时间上分离的前体脉冲，以通过顺序的自饱和表面反应，来将材料沉积在衬底表面上。在本申请的上下文中，术语ALD包括所有适用的基于ALD的技术以及任何等效或紧密相关的技术，诸如例如以下ALD子类型：MLD(分子层沉积)、等离子体辅助的ALD，例如PEALD(等离子增强原子层沉积)和光子增强的原子层沉积(也称为光ALD或闪光增强的ALD)。该过程也可以是蚀刻过程，其一个示例是ALE过程。
基本的ALD沉积循环包括四个连续步骤：脉冲A、净化(purge)A、脉冲B和净化B。脉冲A包括第一前体蒸汽并且脉冲B包括另一前体蒸汽。惰性气体和真空泵通常被用于在净化A和净化B期间从反应空间中净化气态反应副产物和残留的反应物分子。沉积序列包括至少一个沉积循环。重复沉积循环，直到沉积序列已经产生所期望厚度的薄膜或涂层。沉积循环也可以更简单或更复杂。例如，循环可以包括被净化步骤分开的三个或更多个反应物蒸汽脉冲，或者某些净化步骤可以被省略。另一方面，光增强的ALD具有多种选择，诸如仅一个活性前体，以及用于净化的多种选择。所有这些沉积循环形成有时序的沉积序列，该序列由逻辑单元或微处理器来控制。
图1示出了根据某些实施例的衬底处理装置100。装置100包括反应室130和通向反应室130的至少一个涂层材料入口121。装置100还包括通向泵(用于排气)的前级管线122。在图1中所示的实施例中，用于涂层材料(或反应性化学品)的入口121位于反应室130的顶部部分中，而前级管线122位于底部部分中，反应室130的总体流动方向因此是竖直的(向下)。
例如，从侧面将支撑或承载多个3D衬底101的可动衬底支撑件110(例如托盘或载体)装载到反应室130中。致动器150被配置为在衬底处理(例如ALD沉积)期间使衬底支撑件110运动，以改变所述3D衬底101的取向。致动器150可以机械地接触衬底支撑件110，以致动衬底支撑件110的运动。这可以例如经由从反应室130的外部延伸到衬底支撑件110的致动器杆或波导151来实现。如图1中的小箭头所图示的，衬底支撑件的运动可在一般的x、y和z方向的任何一个方向或所有方向上发生。
图2示出了根据某些实施例的另一衬底处理装置200。装置200包括反应室230和通向反应室230的至少一个涂层材料入口221。装置200还包括通向泵(用于排气)的前级管线222。在图2中所示的实施例中，用于涂层材料(或反应性化学品)的入口221位于反应室230的顶部部分中，而前级管线222位于底部部分中，因此反应室230的总体流动方向是竖直的(向下)。
支撑或承载多个3D衬底(或仅单个3D衬底)101的可动衬底支撑件210(例如，带或网)经由输入狭缝从第一侧进入反应室230，并经由相对侧的输出狭缝离开反应室。因此，可动衬底支撑件210经历平移运动。
可以被集成在衬底支撑件210中的致动器250致动衬底支撑件210的附加的运动。附加的运动可以是例如衬底支撑件210的摇动或振动运动。致动器250可以被集成到衬底支撑件210中，或者可以将其放置在反应室130内与衬底支撑件210相邻的位置(请参见致动器250')，或者可以将其部分地布置在反应室的外部，诸如图1中的致动器150。
致动器可以机械地接触衬底支撑件210(如图2中的致动器250'那样)，或者致动器可以从衬底支撑件210的内部致动附加的运动(如图2中的致动器250那样)。如图2中的小箭头所图示的，衬底支撑件的(附加的)运动可在一般的x、y和z方向的任何一个或所有方向上发生。
图3示出了根据某些实施例的改变取向的3D衬底。如所提及的，在某些实施例中，衬底支撑件110/210被致动成某种运动(或取决于实施例的附加的运动)。该运动的目的是在处理期间改变3D衬底的取向，以便可以在3D衬底的每个表面上可以发生执行的处理步骤，诸如ALD沉积。接触衬底支撑件110/210的衬底表面例如可能不像3D衬底的其他(自由)表面区域一样被均匀地涂覆。通过改变取向(使得并不总是3D衬底的同一点接触衬底支撑件)，可以提高沉积的均匀性。
在图3的示例说明中，由于致动支撑件110/210所引起的外部运动，五个3D衬底A-E将它们的取向从上图的初始阶段改变为下图的后续阶段。
在某些实施例中，装置100/200包括敏感模式，以防止损坏敏感衬底。在某些实施例中，敏感模式通过衬底支撑件110/210的柔和运动来实现。
在某些实施例中，衬底支撑件110/210被提供有衬底无损坏特性。本文中的损坏可能是指机械损坏，例如衬底边缘的压碎。
在某些实施例中，通过具有与(多个)3D衬底101接触的非硬表面(即，软表面)的衬底支撑件110/210，来提供衬底无损坏特性。在某些实施例中，衬底支撑件110/210 210是柔性的。在某些实施例中，衬底支撑件是如上所提及的网或带。在某些实施例中，衬底支撑件由(多种)纤维型材料制成，纤维型材料诸如织物。在某些实施例中，衬底支撑件由诸如有机硅聚合物之类的聚合物制成，其具有不会被所有ALD反应涂覆的优点。在其他实施例中，衬底支撑件可以是载体或托盘。衬底支撑件可以具有上升边缘。在某些实施例中，衬底支撑件是网状物的形式。在某些实施例中，网状物由金属制成(使用笔直的线)。在其他实施例中，网状物由(例如，如在锁链中的)金属环或陶瓷环制成。
在某些实施例中，衬底支撑件具有用于有限数目的衬底的围护件，以防止它们彼此接触。在某些实施例中，衬底支撑件具有用于一个衬底的一个或多个围护件。
在某些实施例中，衬底支撑件是围绕至少一个旋转点旋转的网，使得衬底(多个衬底)被迫改变它的(它们的)取向。
图4示出了根据某些实施例的(多个)支撑衬底的又一布置。衬底支撑件110/210是无尾端的带，其由至少一个循环元件运动或循环。在某些实施例中，根据需要使衬底支撑件110/210振动。可以使用外部或集成的致动器。衬底支撑件110/210的材料和特征可以与前面描述的那些相似。
在图4中所示的实施例中，提供了至少两个旋转点441和442(作为循环元件)，其中的至少一个旋转或机械地运动。旋转点使衬底支撑件110/210循环。该布置可以驻留于反应室(反应室130、230，或类似物)中。由该布置产生的运动可以是例如从元件441或442向下的连续运动，其中例如由衬底支撑件110/220所支撑的(多个)衬底将旋转。由该布置产生的运动可以是由元件441和442促进的往复运动。该运动是为了改变驻留在衬底支撑件110/210上的3D衬底101的取向(尽管仅绘制了一个衬底，但是可能存在多个3D衬底而不是单个3D衬底)。备选地或附加地，该布置包括致动器，以产生衬底支撑件110/210的其他或附加的运动。可以与在其他实施例中类似地实现该致动。因此，外部或集成的致动器可以致动摇动、或者振动、或者抬升的运动。该附加的运动或其他运动可以是短期的非连续运动(也适用于其他实施例)。
可以观察到，例如ALD照惯例是保形的，但PEALD、UV-ALD(超紫外ALD或光ALD)和各种“困难”过程(其示例可以是HfO2或CVD)并非总是如此。按照惯例，3D涂层可能需要大量的过量添加，并且一些化学品甚至可能开始在顶部以CVD模式生长(产生较低的质量或特性，诸如附着力)。在某些实施例中，衬底支架(或支撑件)正在使样品运动，以最小化由于与它可能接触的任何材料的接触而造成的阴影区域或被阻挡区域。明显的过量添加得以避免。
样品支架(衬底支撑件)可以是摇动、振动、竖直运动或作为网旋转的网。
在某些实施例中，通过机械致动的运动被实现。这可以例如通过反应室壁/泵前级管线而发生。在某些实施例中，RF(射频)、磁致动、气流变化、热变化(记忆形状合金效应)、或者利用例如人工肌肉装置(如弹性体内部的压电等)对网生成的驱动被实现。衬底的缓慢或柔和运动足以不会损坏敏感的(多个)3D衬底。
在某些实施例中，样品支架(衬底支撑件)被连接到低频或机械振动器(可以应用振动器，振动器产生从单脉冲到超声振动的振动)。在某些实施例中，该装置包括POCA(粉末涂层料筒，Picosun Oy，埃斯波，芬兰)组件和反应室。在某些实施例中，衬底支撑件包括软网状泡沫、编织的纺织品、塑料材料、3D打印的型材或膜。在某些实施例中，它可以是带有盖的频繁或频率驱动的塌陷和非塌陷类型的衬底。在某些实施例中，衬底支撑件由不太可能促进在其上的ALD生长的(多个)材料制成，诸如特氟隆或硅聚合物。在某些实施例中，衬底支撑件使其特性被改变，以使得它是如此柔软，以至于它不会损坏沉积的涂层(或薄膜)。在某些实施例中，衬底支撑件被成形为杯状，以保持在(多个)样品((多个)衬底)中。在某些实施例中，衬底支撑件被用于包装/运输，而无需使用任何(多个)机械工具来拾取样品(衬底)。在某些实施例中，衬底支撑件为开放或封闭袋的形式。在某些实施例中，袋子形成封闭的系统(不透气的)，该系统具有用于气体入口和出口的至少一个开口，或者具有两个或更多开口或孔((多个)入口、出口)。在某些实施例中，将入口/出口调节为仅在真空条件下(或仅取决于普遍温度，包括形状记忆合金)打开。因此，环境空气不会到达衬底(例如，其中封闭的波纹管影响阀等)。
在某些实施例中，在不接触衬底的情况下执行以下方法步骤：运入、装载、涂覆和运出。
在某些实施例中，加工过的或处理过的(多个)衬底是(多个)医学衬底。在某些实施例中，衬底是(多个)医疗设备或(多个)电子设备。在某些实施例中，衬底是(多个)植入物。在某些实施例中，衬底是除粉末外以及除颗粒材料外的衬底。
在不限制专利权利要求的范围和解释的情况下，以下列出了本文公开的一个或多个示例实施例的某些技术效果。技术效果是使得ALD工具能够用于医疗应用。另一个技术效果是加快了衬底处理和制造。另一个技术效果是提高无菌性和管理选择。另一个技术效果是为处理3D零件提供了更多的处理备选方案。
借助于本发明的特定实现和实施例的非限制性示例，前述描述已经提供了发明人目前构想的、用于实施本发明的最佳模式的全面和有益的描述。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，本发明不限于以上呈现的实施例的细节，而是可以在不偏离本发明的特性的情况下使用等效手段在其他实施例中实现本发明。
此外，在不对应地使用其他特征的情况下，可以有利地使用本发明的上述公开的实施例的一些特征。如此，前述描述应被认为仅说明了本发明原理，而并非是对其的限制。因此，本发明的范围仅由所附专利权利要求书限制。

Claims (13)

1.一种衬底处理装置，包括：
反应室；
通向所述反应室的至少一个涂层材料入口；
可动衬底支撑件，用以支撑待涂覆的一个3D衬底或多个3D衬底；和
致动器，被配置为在衬底处理期间使所述衬底支撑件运动，以改变所述3D衬底或多个3D衬底的取向。
2.根据权利要求1所述的装置，包括敏感模式，用以防止损坏敏感衬底。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述装置被配置为通过所述衬底支撑件的柔和运动来实现所述敏感模式。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述衬底支撑件被提供有衬底无损坏特性。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述衬底无损坏特性由具有与(多个)所述3D衬底接触的非硬表面的所述衬底支撑件所提供。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述衬底支撑件是柔性的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述衬底支撑件是无尾端的带。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述致动器被配置为使所述衬底支撑件围绕至少一个旋转点运动，从而迫使一个或多个所述衬底改变取向。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述衬底处理装置被配置为通过自饱和表面反应而将材料沉积在所述衬底表面上。
10.一种用于涂覆一个或多个3D衬底的方法，所述方法包括：
在反应室内在衬底支撑件上提供至少一个3D衬底；
将至少一个涂层材料馈送到所述反应室中；以及
在衬底处理期间，通过致动所述衬底支撑件的运动，来改变所述至少一个3D衬底的取向。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述方法包括提供敏感模式以防止损坏敏感衬底。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述衬底支撑件被提供有衬底无损坏特性。
13.根据前述权利要求10-12中任一项所述的方法，包括：
通过由所述衬底支撑件自身所包括的结构，来致动所述衬底支撑件的所述运动。
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