CN116867926A - 卷对卷加工 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于卷对卷沉积的系统，其中，该系统包括：衬底运输系统，包括静态细长的中心柱体，用于螺旋运输围绕中心柱体布置的柔性衬底，中心柱体包括布置在中心柱体的表面中或布置在中心柱体的表面上的支承结构，用于在中心柱体的表面上无摩擦或低摩擦地运输柔性衬底；以及，一个或更多个原子层沉积ALD沉积头，ALD沉积头被构造为中空柱体，加工头的内表面包括用于将原子层沉积到柔性衬底上的沉积结构；其中，沉积头的内半径大于中心柱体的外半径，所述一个或更多个沉积头被构造为围绕中心柱体旋转，其中，加工头的纵向轴线与中心柱体的纵向轴线重合。

Description

卷对卷加工
技术领域
本发明涉及卷对卷加工，并且特别地但非排他地涉及一种诸如卷对卷层沉积系统的卷对卷加工系统以及一种用于这种卷对卷层加工系统的衬底运输机构。
背景技术
卷对卷加工(也称为卷材加工或卷到卷加工)包括用于例如显示器、光伏器件或电池电极的薄膜结构在一卷柔性塑料衬底或金属箔上以连续的方式沉积、蚀刻和加工的方法。目前，卷对卷加工技术已经被开发出来，允许在原子等级上以高产量控制加工。例如，原子层沉积(ALD)是一种薄膜沉积工艺，其中，通过将衬底暴露于两种或更多种交替的前体气体中，使无机材料依次涂覆衬底的表面，以沉积薄膜材料。这些气体与表面反应，使得在衬底上形成完美的单层材料。该工艺是自限性的，由于一旦前体气体已经转化为单层涂层，反应就停止，并提供高度保形的涂层。这样，ALD允许高质量的涂层的形成，并且成为半导体工业中的许多应用(例如，光伏器件、电池电极、OLED等)的优选的方法。
在传统的ALD加工方案中，沉积速度非常慢，由于每半个循环都需要排空反应腔室，这使得该工艺不太适合于大规模应用。为此，已经开发出空间ALD方案，其中，前体被连续地但在不同的物理位置沉积。波特(Poodt)等人2021年2月J.Vac.Sci.Technol.A30(1)上的文章《空间原子层沉积：通往原子层沉积进一步工业化的途径》(Spatial atomic layerdeposition:a route towards further industrialisation of atomic layerdeposition)描述了空间ALD技术的概况。空间ALD概念还可以用在卷对卷系统中，用于在柔性衬底上进行层沉积。在这种情况下，气体的分离是具有挑战性的，由于在卷对卷系统中，对衬底的精确控制是非常困难的。已经开发出各种方案来解决这个问题。
US2018/0037994描述了一种空间卷对卷ALD系统，其中，柔性衬底被引导围绕旋转滚筒(drum)，该旋转滚筒被构造为沉积头。在沉积期间，使用气体支承在旋转滚筒上无接触地运输卷材。类似地，WO2012028776描述了一种系统，其中，衬底围绕支承装置的中心柱状构造紧密地缠绕，而沉积头在外部移动。
对于两种方案，要控制整个工具周围的衬底位置是非常困难的。由于衬底将气体封闭在其自身的槽中，因此以高精度运输衬底是极其重要的。此外，在两种方案中，都存在沉积头未被衬底覆盖的区域。气体会在此不受控制地流出来。为了避免这种情况，沉积头在其进入该区之前必须(至少部分地)被吹扫。这种措施将以产量为代价，由于冲洗/吹扫需要在之前的某个时间开始，因此会损失了大部分的沉积区域。此外，吹扫永远不会是完美的，在这个区域中会产生气相反应，即污染。
因此，从上文可以得出，在本领域中需要一种改进的卷对卷层加工系统。特别地，在本领域中需要一种卷对卷加工系统，诸如卷对卷层沉积系统，该系统适合于沉积技术，诸如ALD技术，其需要相对于沉积头对衬底进行精确的位置控制。特别地，在本领域中需要一种用于卷对卷加工的改进的衬底运输系统，该系统允许衬底始终完全覆盖沉积头。
发明内容
如本领域技术人员将理解的，本发明的各方面可以实现为一种系统或一种方法。
本发明旨在提供一种改进的卷对卷沉积系统和用于这种沉积系统的衬底运输系统，其允许在沉积期间相对于沉积头精确地控制衬底。沉积系统特别适用于高速或高产量的卷对卷空间ALD加工。考虑到在工业工艺中，衬底可以是若干米宽和10-200微米厚，它们通常非常柔软，并且控制它们的确切位置是复杂的。在许多沉积工艺中，精确地控制沉积头与衬底之间的距离是极其重要的。特别是在空间ALD沉积中，其中人们需要衬底与沉积头之间的距离为200微米或更少，优选50微米或更少，以确保足够的气体封闭。
在一个方面，本发明可以涉及一种用于卷对卷加工的系统，包括：衬底运输系统，包括静态细长的中心柱体，用于螺旋运输围绕中心柱体布置的柔性衬底，中心柱体包括布置在中心柱体的表面中或布置在中心柱体的表面上的支承结构，用于柔性衬底在中心柱体的表面上无摩擦或低摩擦的运输；一个或更多个ALD沉积头，ALD沉积头被构造为中空柱体，加工头的内表面包括用于将原子层沉积到柔性衬底上的沉积结构；其中，沉积头的内半径大于中心柱体的外半径，一个或更多个沉积头被构造为围绕中心柱体旋转，其中，加工头的纵向轴线与中心柱体的纵向轴线重合。
在实施例中，中心柱体的表面与沉积头的内表面之间的空间形成沉积区，用于将原子层沉积到柔性衬底上，同时衬底经由围绕中心柱体的第一螺旋路径被运输通过沉积头。
具有旋转沉积头的空间ALD系统中的螺旋运输系统提供了优于现有技术的各种优点，包括以下事实：沉积头连续地面向卷材，从而可以实现有效的沉积；在沉积期间，沉积头旋转，从而增加衬底在行进通过沉积区域时所暴露的ALD循环的次数(一个ALD循环形成一个原子层)；并且，气体支承中心柱体允许在整个沉积区域上对衬底的径向位置进行稳定和精确的限定。这提供了沉积区域中前体气体的良好分离。
在一个方面，本发明可以涉及一种卷对卷加工系统，包括：衬底运输系统，包括细长的中心柱体，用于围绕中心柱体缠绕的柔性衬底的螺旋运输；加工头，被构造为中空柱体，沉积头的内表面包括加工结构，例如，前体气体出口，用于将一种或更多种物质沉积到柔性衬底的表面上；加工头的内半径大于中心柱体的外半径，中心柱体被定位在中空的第一沉积头内部，加工头的纵向轴线与中心柱体的纵向轴线重合，中心柱体的表面与加工头的内表面之间的空间限定加工区；衬底运输系统被构造为将衬底经由围绕中心柱体的第一螺旋路径运输通过加工头，并且加工头被构造为围绕中心柱体旋转。
因此，本发明包括一种相对于柔性衬底(诸如卷材或箔)移动的加工头，该柔性衬底经由围绕柱状中心柱体的螺旋路径被运输通过加工头。
这样，衬底的所有位置可以尽可能快地暴露于许多前体循环(不同的前体气体)。此外，与现有技术解决方案相比，本发明提供了改进的气体封闭，使得前体不混合，从而避免气相反应、系统(加工腔室)或衬底的污染以及灰尘/颗粒形成。附加地，本发明消除了或至少最大限度地减少了沉积涂层可能接触沉积系统的表面的风险，从而避免了涂层的可能损坏或涂层中或涂层上的颗粒形成。
所提出的卷对卷加工系统带来的重要工艺优势是，整个沉积头总是被衬底覆盖。因此，不会有未被覆盖的槽，在这些槽中可能发生气体泄漏和污染。附加地，在气体槽进入它们未被覆盖的区域之前不需要吹扫气体槽，从而显著地增加了沉积区域/效率。对衬底位置的连续控制能够始终实现良好的气体封闭，而没有接触衬底的风险。由于不存在面向沉积区域的衬底的馈入点或馈出点，因此在任何地方都不会发生沉积条件的干扰。
本发明的另一个益处涉及在沉积序列(诸如ALD沉积序列)中选择起始或结束前体的可能性。在已知空间ALD工艺中，对于衬底的每一个部分的前体的序列都是以前体中的另一个(随机的)前体开始或结束。相反，本发明允许选择一种或更多种预定的前体用于开始或结束工艺，从而向现有工艺添加新的沉积可能性。例如，在一些沉积方案中，可能期望总是利用金属前体(相对于氧化剂)开始沉积工艺，以确保衬底上ALD生长的均匀成核(例如，总是利用三甲基铝暴露开始氧化铝生长)。在其它沉积方案中，能够选择精加工前体(例如，通过总是利用金属前体精加工，或甚至利用薄的无机层覆盖有机层的一系列循环，钝化在环境中不稳定的有机层、通过分子层沉积的有机层)可能是有益的。
在实施例中，衬底的螺旋运输与第一旋转方向相关联，并且第一沉积头的旋转与第二旋转方向相关联，第二旋转方向与第一旋转方向相反。
在实施例中，中心柱体包括支承结构，优选地包括气体支承结构和/或辊支承结构，其被布置在中心柱体的表面中或表面上，用于提供柔性衬底通过第一沉积腔室的无摩擦或低摩擦运输。
在实施例中，衬底运输系统还包括：多个中空管段，这些多个中空管段在中心柱体上彼此相邻布置，柔性衬底围绕中空管段缠绕，其中，当柔性衬底被运输通过第一沉积腔室时，管段在中心柱体上朝向中心柱体的端部移动。
在实施例中，衬底运输系统还包括：柔性带，优选地包括无尽传送带(endlessconveyer belt)，其被构造为经由第二螺旋路径围绕柱状中心柱体移动，柔性带形成用于柔性衬底的螺旋带运输结构，柔性衬底围绕螺旋带运输结构缠绕，其中，当柔性带结构经由第二螺旋路径在中心柱体上运输时，柔性衬底经由第一螺旋路径运输通过加工腔室。
在实施例中，衬底运输系统还包括：用于将柔性衬底引导到中心柱体上的运输引导结构，引导结构被布置为使得柔性衬底遵循围绕中心柱体的第一螺旋路径。
在实施例中，沉积结构被布置在多个加工区中，每一个加工区在加工头的内表面中沿轴向方向延伸，每一个加工区包括用于加工(例如，将材料沉积到衬底上)的加工结构。
在实施例中，多个加工区中的每一个可以由吹扫区和/或排放区隔开。
在实施例中，加工结构可以包括一个或更多个沉积结构，其被构造为基于化学气相沉积技术将一个或更多个层沉积到衬底上，诸如离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)，其基于原子层沉积(ALD)、分子层沉积(MLD)、物理气相沉积(PVD)技术或打印技术，例如狭缝模具涂覆或喷墨打印。
在另一方面，本发明可以涉及一种用于卷对卷加工系统的衬底运输系统，包括：细长静态中心柱体，用于围绕中心柱体缠绕的柔性衬底的螺旋运输；中心柱体包括支承结构，优选地气体支承结构和/或辊支承结构，其被布置在中心柱体的表面中或表面上，用于提供柔性衬底的无摩擦或低摩擦运输；以及，用于将柔性衬底引导到中心柱体上的运输引导结构，引导结构被布置为使得柔性衬底遵循围绕中心柱体的第一螺旋路径。
该系统允许衬底通过加工头的连续无中断无摩擦的运输。
在实施例中，衬底运输系统还包括：多个中空管段，这些多个中空管段在中心柱体上彼此相邻布置，柔性衬底围绕中空管段缠绕，其中，当柔性衬底被运输通过加工腔室时，管段在中心柱体上朝向中心柱体的端部移动。
在实施例中，衬底运输系统还包括：柔性带，优选地包括无尽传送带，其被构造为经由第二螺旋路径围绕柱状中心柱体移动，柔性带形成用于柔性衬底的螺旋带运输结构，柔性衬底围绕螺旋带运输结构缠绕，其中，当柔性带结构经由第二螺旋路径在中心柱体上运输时，柔性衬底经由第一螺旋路径运输通过加工腔室。
与现有技术的卷对卷运输系统相比，所提出的运输系统的重要工艺优点在于，运输柱体与衬底永久接触。即使在真空环境中使用，这种紧密接触也能够通过冷却或加热运输柱体本身来精确控制衬底温度。附加地，由于衬底在所有点处都紧密地围绕中心柱体缠绕，因此变形(例如由于衬底的加热/冷却而起皱)的机会被最小化。
此外，衬底的永久支撑使得能够使用非常薄且易碎的衬底，这是非常期望的，但在许多现有技术的卷对卷工具和工艺中几乎是不可能做到的。
所提出的作为加工柔性衬底的生产线的中心组件的运输柱体便于在一个系统中应用多个工艺(CVD、ALD、狭缝模具涂覆、固化等)，因为衬底永远不必离开中心柱体。
由于在工艺之间不需要转向单元/额外的辊，因此整个工具/生产线的占地面积可以非常小。
加工设备(诸如沉积设备)的构造面向中心运输柱体彼此相邻放置，使得所有设备很容易进行维护、修理或清洁。与现有技术生产线相反，现有技术生产线中所有的工艺设备都是在生产线的中心一个接一个地放置。
运输系统的一个重要的实际优点，特别是在研究和开发情况下，是一个系统可以用于加工各种衬底宽度。通过调整衬底进入中心柱体的角度，可以选择第一螺旋路径的间距(pitch)以匹配衬底宽度。
将进一步参考附图来说明本发明，这些附图将示意性地示出根据本发明的实施例。应该理解，本发明不以任何方式被限制为这些具体实施例。
附图说明
图1A-1C描绘了根据本发明实施例的卷对卷层沉积系统的示意图；
图2A-2C描绘了根据本发明各种实施例的卷对卷层沉积系统的横截面的示意图；
图3描绘了根据本发明实施例的用于卷对卷沉积的衬底运输系统的示意图；
图4描绘了根据本发明实施例的卷对卷层沉积系统的横截面的示意图；
图5描绘了根据本发明实施例的用于卷对卷沉积的衬底运输系统的示意图；
图6描绘了根据本发明实施例的衬底引导结构；
图7A和图7B示出了根据本发明实施例的衬底引导结构的馈送角的效果。
图8描绘了根据本发明另一实施例的卷对卷层沉积系统的示意图；
图9描绘了根据本发明实施例的卷对卷层沉积系统的沉积头的示意图。
图10A和图10B描绘了根据本发明实施例的用于卷对卷沉积的衬底运输系统的示意图。
具体实施方式
图1A至1C描绘了根据本发明实施例的卷对卷加工系统的示意图。特别地，图1A示出了卷对卷层加工系统100(例如，卷对卷沉积系统)的示意图，其包括细长静态中心柱体102，该柱体具有支承表面以接收细长的柔性衬底106，在本领域中也称为卷材或箔。卷材材料可以是金属，例如，不锈钢，或者有机材料，而卷材宽度可以小到几厘米到两米或更宽，具有10至200微米之间的厚度。
图1B和图1C描绘了该系统的两个不同的侧视图(分别平行于纵向轴线105和垂直于中心柱体的纵向轴线)。该系统可以被构造为以螺旋方式围绕中心柱体缠绕卷材，使得在运输期间柔性衬底将在中心柱体上遵循螺旋路径。此外，该系统可以包括被构造为中空柱体的加工头104，其中，中空柱体的内半径大于中心柱体的半径。此外，在沉积期间，柱状沉积头可以被构造为围绕中心柱体旋转。
如图所示，中心柱体可以被定位在中空柱状加工头内部，使得中空柱体的纵向轴线与中心柱体的纵向轴线重合。中空柱体的内表面可以包括加工结构，例如，沉积结构、预处理结构和/或蚀刻结构，其直接地面向围绕中心柱体布置的衬底的外表面。螺旋路径允许衬底的馈入区域1081和馈出区域1082位于沉积头外部。由于中心柱体被构造为允许柔性衬底沿着螺旋路径移动通过沉积头，因此沉积头内的所有点处的卷材位置都被清楚地限定，因此可以沉积连续层，并且不会出现与现有技术系统相关的问题。由于卷材的馈入区域和馈出区域在滚筒外部，因此在沉积期间的任何时候，加工头始终面向衬底(被衬底覆盖)。不需要对加工头进行吹扫或冲洗。卷材可紧密地围绕内柱体缠绕，使得对加工头的内表面与衬底的表面之间距离的精确控制成为可能。这样，该距离可以做得非常小，例如，在50至200微米之间，从而避免气体的交叉而没有接触衬底的风险。因此，该系统提供了高沉积速率，同时消除了污染的风险。
卷材通过加工头的螺旋路径可以以各种方式实现。例如，在实施例中，中心柱体可以被构造为允许在中心柱体上无摩擦地运输衬底。因此，在这种情况下，旋转滚筒可以包括气体支承结构，该气体支承结构包括在旋转滚筒的表面中的多个孔或多孔层，用于在特定的压力下释放气体，使得当衬底围绕旋转滚筒缠绕时，气体在旋转滚筒的表面与衬底的第一(后)表面之间形成间隔。
图2A至2C描绘了根据本发明各种实施例的卷对卷层沉积系统的横截面的示意图。特别地，图2A描绘了根据本发明实施例的卷对卷加工系统的横截面。特别地，该图描绘了卷对卷原子层沉积层(ALD)系统200的非限制性示例。该系统可以包括中心柱体202，该中心柱体包括气体支承表面204。气体支承可以由中心柱体的外表面中的气体出口结构(例如，氮气)实现。此外，中心柱体被定位在中空柱状沉积头210内。沉积头的中心柱体的外径和中空柱体的内径的尺寸被设计为形成柱状空间，其可以被称为沉积腔室。
沉积腔室可以被构造为接收和定位卷材206，其中，中心柱体的外表面与衬底的后表面之间的距离可以通过控制沉积腔室内的卷材的两个表面侧处的压力来控制。运输机构，包括卷材引导系统(下面参照图6和图7更详细地描述)可以用于运输卷材通过沉积腔室。如图所示，在运输期间，顶表面可以面向沉积头的内表面。圆柱形沉积头可以被分成多个功能部段，包括一个或更多个沉积结构2121-4，例如包括前体出口的部段。每一个前体部段可以被构造为将衬底的一部分暴露于前体气体，使得它可以与衬底反应。沉积头可以围绕其轴线沿第一切向方向210旋转，同时卷材被运输通过沉积腔室，其中，螺旋运输方向包括与第一切向方向相反的第二切向方向208。
因此，当沉积头在衬底上移动时，卷材以特定的速度运输通过沉积腔室，前体气体在每一个前体部段处暴露于衬底。沉积头可以包括沉积部段2121-4，其包括沉积结构，诸如前体出口。沉积头的沉积结构可以由缓冲部段2141-3分离，该缓冲部段可以包括氮气入口和出口(排放开口)，使得气体可被排空。向旋转沉积头馈送气体和从旋转沉积头提取气体可以通过使用旋转接头或旋转连接(rotary union/rotary joint)来实现，该旋转接头或旋转连接是众所周知的接头结构，其允许将介质(气体、液体)从固定(静态)部件供应进入旋转部件。它在固定的供应通道(例如管道或管件)与旋转部件(诸如滚筒、主体或主轴)之间提供密封，以允许流体或气体流入和/或流出旋转部件。在一些实施例中，对沉积头的气体供应可以通过一个或更多个中空轴旋转接头来实现，该一个或更多个中空轴旋转接头围绕中心运输柱体在沉积头的一侧或两侧上定位。
在沉积期间，氮气可以在缓冲部段的位置处被引入沉积腔室中。这样，在卷材与沉积头之间的空间中，可以形成由缓冲区(包含氮气)分隔的沉积区(包括一种或更多种前体气体)。缓冲区可以例如防止不同前体部段的不同前体之间的交叉污染。这些区允许对前体与每一个前体部段中的衬底反应的精确控制。控制气体支承的压力和缓冲区及沉积结构的压力允许卷材被“悬挂”在沉积腔室内的预定位置处。这样，卷材可以无摩擦地或至少以低摩擦地运输通过沉积腔室，同时在每一个前体部段处层均被沉积到卷材上。
图2B和图2C描绘了卷对卷原子层沉积层(ALD)系统的其它横截面，该ALD系统包括中心柱体202，该中心柱体包括定位在中心柱体的气体支承表面204之间的卷材206。沉积头可以包括多个径向布置的沉积模块216，使得在沉积期间卷材的表面始终面向沉积模块。在沉积模块之间可以定位有气体出口(排气口)。如图2C所示，沉积模块可以包括用于一种或更多个前体的一个或更多个出口2201、2和用于气体(例如，氮气)的出口，以形成缓冲区。该图示出了包括沉积模块的沉积头的内表面靠近卷材定位。
图1和图2清楚地示出了在具有旋转沉积头的空间ALD系统中的螺旋卷材运输系统的优点，该螺旋卷材运输系统可以包括：沉积头连续地面向卷材，从而可以实现有效的沉积。此外，在沉积期间，沉积头旋转，从而增加了衬底在行进通过沉积区域时所暴露的ALD循环的次数。附加地，气体支承中心柱体允许在整个沉积区域上对衬底的径向位置的稳定且精确的限定。这对于确保沉积区域中的前体气体的良好分离是必要的。
图3描绘了根据本发明实施例的衬底运输系统的一部分的示意图。特别地，该图描绘了包括静态中心柱体302的衬底运输系统300，该静态中心柱体包括第一端3051、第二端3052和支承表面，该支承表面优选地是低摩擦或无摩擦的支承表面，例如，气体支承表面。此外，管段3041-n为中空柱体的形状，其具有略大于中心柱体的外径的内径。例如，当管段在中心柱体上滑动时，中心柱体的外表面与管段的内表面之间的小间隔可以形成气体支承结构，该气体支承结构允许管段在中心柱体上基本上无摩擦地运动。管段可以在中心柱体上彼此相邻布置，以形成用于接收卷材的光滑表面。可以使用卷材引导结构(例如，如下面参照图6所描述的)，以将卷材3061、2以螺旋方式紧密地缠绕在由中心柱体段形成的表面周围。衬底运输系统可以用在如参照图1所述的卷对卷加工系统中。
因此，与图2的衬底运输柱体相反，其中，具有支承结构(例如，气体支承结构)的静态中心柱体可以将卷材保持在沉积腔室内的特定的位置处(“悬挂”)，在该实施例中，卷材与在中心柱体的支承表面上移动的管段直接接触。直接接触提供了对卷材的定位和运输的精确控制。此外，卷材与管段的直接接触允许改善卷材的温度控制，这是沉积工艺中的重要工艺参数。
由于卷材引导结构和中心柱体的位置是静态的，因此管段将从第一端3051在中心柱体上朝向柱体的第二端3052移动。换句话说，这些段将遵循相同的螺旋图案，与在螺旋路径上运输通过沉积头的卷材一样，朝向中心柱体的端部，如图中所描绘的那样。这些段要么由卷材自身拉动，要么由额外的驱动元件运输。在中心主体的端部处，可以使用运输机构将管元件运输回柱体的起始处。这样，可以确保卷材通过沉积头的连续(“无尽”)运输。
图4描绘了根据本发明实施例的卷对卷层沉积系统的横截面的示意图。特别地，该图描绘了包括如参照图3所描述的衬底(卷材)运输系统的卷对卷层沉积系统的横截面。该图描绘了中心(静态)柱体402和基于支承结构404(例如，气体支承结构或机械支承结构)而被升高到中心柱体的表面上方的中空管段405。如参照图3所述，卷材可以紧密地围绕管段的外表面缠绕。当卷材在中心柱体上运输时，管段可以相对于静态中心柱体沿一个方向移动(旋转)。此外，沉积头410可以围绕中心柱体和管元件定位，并且被构造为沿与承载卷材的管段的运动方向相反的方向旋转。中心柱体与沉积头的内表面之间的空间可以限定沉积腔室，其中，沉积头的内表面可以包括沉积结构4121-4，例如前体气体出口，用于将一种或更多种物质沉积到柔性衬底的表面上。附加地，沉积头的内表面可以包括缓冲区4141-3，例如，气体吹扫区。在沉积期间，这些缓冲区将在每一个沉积结构处发生的化学过程分开。如该图所示，在将卷材运输通过沉积腔室期间，卷材运输机构提供卷材相对于沉积头的精确定位。
图5描绘了根据本发明实施例的用于卷对卷加工系统的衬底运输系统的示意图。特别地，该图描绘了包括支承表面的中心静态柱体502。此外，带引导结构可以包括辊系统，该辊系统包括多个辊5081、2，其被构造为以螺旋方式在中心柱体上引导和运输(半)柔性带504，例如合适的(半)柔性材料或类似于卷材的材料的带。此外，柔性带可以被引导到中心柱体上并且以螺旋方式沿着中心柱体移动，以形成用于接收卷材的光滑表面。该带形成闭环，从而建立用于卷材的“无尽”运输表面，这与参照图3描述的实施例类似。可以使用卷材引导结构(例如，如下面参照图6所描述的)，以螺旋方式将卷材5061、2紧密地缠绕在由半柔性带形成的表面周围。柔性带可以形成围绕中心柱体的第二螺旋路径。因此，同样在该实施例中，卷材将与带直接接触，从而允许沉积期间对卷材的温度的精确控制以及对卷材在沉积腔室中的位置的精确控制。
在该实施例中，用于引导带的辊系统、卷材引导系统和中心柱体的位置可以是静态的(即，在固定位置处)，并且卷材将紧密地围绕带的光滑表面缠绕。因此，一旦卷材在中心柱体上螺旋地运输，卷材与带和/或额外的驱动机构(例如，驱动辊)之间的摩擦将使带在中心柱体上移动，其中，辊系统将形成用于卷对卷加工系统的无尽衬底(卷材)运输系统，如参考本申请中的实施例所述。衬底运输系统可以用于如参照图1所描述的卷对卷加工系统。在这种情况下，该系统的横截面视图将类似于参照图4所描述的系统。
图6描绘了根据本发明实施例的衬底引导结构。特别地，该图描绘了第一衬底引导结构600，该第一衬底引导结构600用于将柔性衬底6031、2引导到中心柱体602上，例如，引导到中心柱体的支承表面上或引导到由中心柱体段或在中心柱体的支承表面上移动的螺旋带形成的表面上。另一个、第二衬底引导结构(未示出)可以被构造为引导衬底远离中心柱体。衬底引导结构可以包括一个或更多个机械卷(mechanical rolls)604、6061，2，它们包括一个或更多个可以被构造为驱动辊的第一卷6061、2，其可以连接到诸如马达的扭转装置，以将扭矩或力传递到卷材上，从而使卷材以特定的速度在柱体上移动。辊还可以包括张力控制系统以监测和控制卷材的张力。可以使用传感器以测量卷材张力。此外，可以通过加速或减速两个辊(使用驱动辊或制动器)或通过用诸如缠线机(dancer)的机构直接施加张紧力来控制卷材的张力。另一个辊604可以被构造为将卷材施加到中心辊上，使得其将遵循螺旋路径。为此，衬底引导结构将以特定的馈送角将卷材馈送到中心柱体上。该角度可以由卷材的纵向轴线与中心柱体的纵向轴线之间的角度限定。
图7A和图7B描绘了根据本发明实施例的衬底引导结构。特别地，这些图描述了一种衬底引导结构，其中，衬底引导结构相对于静态中心柱体的位置可以变化以改变卷材的馈送角。如图7A所示，可以使用小的馈送角以螺旋方式将相对大宽度的卷材引导到中心柱体上。增加馈送角可以允许较小宽度的卷材的运输。这种功能允许衬底运输系统用于不同尺寸的卷材。
这样，单个衬底运输系统可以用于各种卷材宽度。通过调整卷材进入中心(运输)柱体的角度，系统将能够加工被中心柱体的直径限制的大范围的卷材尺寸。在馈送角需要超过45度之前，卷材宽度可以大于中心柱体直径的两倍。该实施例具有的优点是，特别是在研究和开发情况下，一个系统可以用于加工各种衬底宽度。通过调整衬底进入中心柱体的角度，可以选择第一螺旋路径的间距以匹配衬底宽度。
图8描绘了根据本发明实施例的卷对卷加工沉积系统的示意图。特别地，该图涉及与图1C类似的卷对卷加工系统的侧视图。然而，在这种情况下，中心柱体802可以形成用于多个不同加工头804、806、808的衬底运输系统。因此，基于本公开中描述的任一实施例，卷材可以沿着中心柱体以螺旋方式运输。因此，将卷材沿着中心柱体沿着螺旋路径运输，结合围绕中心柱体旋转的柱状加工头，允许使用多个加工头，例如，沉积头，其中，每一个加工头可以被构造为用于加工卷材，例如，将特定组合物的一个或更多个层和/或根据特定化学反应沉积到卷材上。这样，多层结构可以以有效的方式形成在卷材上。
图9描绘了根据本发明实施例的卷对卷加工系统的示意图。特别地，该图描绘了卷对卷加工系统900的横截面视图，该卷对卷加工系统包括加工头，例如，沉积头，其具有围绕中心柱体902布置的第一侧9011和第二侧9012。加工头的内表面可以包括沿平行于中心柱体的纵向轴线的方向布置的不同加工结构9081-n，例如，沉积结构，这些结构可以由缓冲区分开(例如，如参照图2和图4所描述的)。这些加工结构可以称为纵向加工结构。如图所示，沉积头还可以包括沿着沉积头的内表面切向布置的加工结构904、906。结构904和906在沉积头的柱状内表面上切向地延伸，以形成完整的圆。这些切向加工结构可以是沉积结构、预处理结构或蚀刻结构。这些沉积结构可以被称为切向加工结构。例如，第一切向加工结构可以被布置在加工头的第一侧，第二切向加工结构可以被布置在加工头的第二侧。在实施例中，纵向加工结构可以定位在两个切向加工结构之间(例如，如图中所示)。因此，该实施例允许例如选择可以用于开始或结束沉积序列(诸如ALD沉积序列)的前体。在已知的空间ALD工艺中，对于衬底的每一个部分的前体的序列都是以前体中的另一个(随机的)前体开始或结束。相反，本发明允许选择用于开始或结束工艺的预定的前体，从而向现有工艺添加新的沉积可能性。例如，在一些沉积方案中，可能期望总是利用金属前体(相对于氧化剂)开始沉积工艺，以确保衬底上ALD生长的均匀成核(例如，总是利用三甲基铝暴露开始氧化铝生长)。在其它沉积方案中，能够选择精加工前体(例如，通过总是利用金属前体精加工，或甚至利用薄的无机层覆盖有机层的一系列循环，钝化在环境中不稳定的有机层、通过分子层沉积的有机层)可能是有益的。
图10A和图10B示出了根据本发明实施例的用于卷对卷沉积的衬底运输系统的示意图。特别地，这些附图示出了包括在其表面中和/或表面上的气体支承结构的中心运输柱体的非限制性示例。图10A描绘了包括气体支承结构的中心运输柱体1000的3D示意图，并且图10B描绘了这种中心运输柱体的横截面1001，其包括中空(内部)柱体1003和多个中空环形元件10021-3，这些元件具有矩形横截面和与中空柱体的外径匹配的内径，使得它们可以被布置在中空柱体上以共同形成用于卷材1010的气体支承表面。为此，每一个环形元件可以经由管道连接到气体源(未示出)，并且每一个环形元件可以在其外表面中包括气体出口1006以形成气体支承表面。此外，每一个环形元件之间的间隔10041-3可以用作排气口，其中，在每一个间隔的位置处存在一个或更多个开口，这些开口提供了排气结构，其中，离开气体出口1006并形成用于卷材1010的气体支承的气体可以经由气体出口10041-3离开。这样，中空(内部)柱体可以作为用于气体支撑的气体的中心排气口。可以选择预定的组合空气支承表面和排气口，以在中心柱体的表面上提供卷材的稳定径向定位。
本文所使用的术语仅出于描述具体实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。还应该理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指明所阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其它要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述已经出于说明和描述的目的被呈现，但不旨在穷举或以所公开的形式限制本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解针对具有各种修改的各种实施例的本发明适合于设想的特定用途。

Claims (13)

1.一种用于卷对卷沉积的系统，包括：
衬底运输系统，所述衬底运输系统包括静态细长的中心柱体，用于围绕所述中心柱体布置的柔性衬底的螺旋运输，所述中心柱体包括布置在所述中心柱体的表面中或布置在所述中心柱体的表面上的支承结构，用于在所述中心柱体的表面上无摩擦或低摩擦地运输所述柔性衬底；以及，
一个或更多个原子层沉积ALD沉积头，所述ALD沉积头被构造为中空柱体，加工头的内表面包括用于将原子层沉积到所述柔性衬底上的沉积结构；其中，所述沉积头的内半径大于所述中心柱体的外半径，所述一个或更多个沉积头被构造为围绕所述中心柱体旋转，其中，所述加工头的纵向轴线与所述中心柱体的纵向轴线重合。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述衬底的螺旋运输与第一旋转方向相关联，并且所述沉积头的旋转与第二旋转方向相关联，所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述支承结构包括气体支承结构和/或辊支承结构，所述支承结构被布置在所述中心柱体的表面中或表面上，其中，所述气体支承结构包括所述中心柱体的表面中的多个气体出口和多个排气口。
4.根据权利要求1至3所述的系统，其中，所述衬底运输系统还包括：
多个中空管段，所述多个中空管段在所述中心柱体上彼此相邻布置，所述柔性衬底围绕所述中空管段缠绕，其中，当所述柔性衬底被运输通过加工腔室时，所述管段在所述中心柱体上从所述中心柱体的第一端朝向所述中心柱体的第二端移动。
5.根据权利要求1至3所述的系统，其中，所述衬底运输系统还包括：
柔性带，优选地是无尽传送带，被构造为经由第二螺旋路径围绕所述中心柱体移动，所述柔性带形成用于所述柔性衬底的螺旋带运输结构，所述柔性衬底围绕所述螺旋带运输结构缠绕，
其中，当柔性带结构经由所述第二螺旋路径在所述中心柱体上运输时，所述柔性衬底经由第一螺旋路径运输通过所述沉积头。
6.根据权利要求1至5所述的系统，其中，所述衬底运输系统还包括：
衬底引导结构，用于将所述柔性衬底引导到所述中心柱体上，所述衬底引导结构被布置为使得所述柔性衬底遵循第一螺旋路径围绕所述中心柱体，
所述衬底引导结构包括一个或更多个辊，优选地包括一个或更多个被构造为驱动辊的第一辊，所述衬底引导结构连接到诸如马达的扭转装置，以将扭矩或力传递到所述卷材上，从而使所述卷材在所述中心柱体上移动。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述柔性衬底以特定的馈送角馈送到所述中心柱体上，并且其中，所述衬底引导结构是能调整的衬底引导结构，被构造为用于调整所述柔性衬底相对于所述中心柱体的位置和/或定向，所述馈送角由所述柔性衬底的纵向轴线与所述中心柱体的纵向轴线之间的角度限定。
8.根据权利要求1至7所述的系统，其中，所述加工头的ALD沉积结构围绕所述中心柱体径向地布置且被分为多个加工部段，优选地，所述多个加工部段中的至少一部分沿平行于所述加工头的内表面中的所述中心柱体的纵向轴线的方向延伸。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述加工部段由缓冲部段分隔开，所述缓冲部段例如是吹扫部段。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述加工头还包括用于加工所述柔性衬底的加工结构，其中，所述加工结构沿着所述加工头的内表面径向地布置。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述加工头还包括加工结构，其中，所述加工结构沿着所述加工头的内表面切向地布置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，一个或更多个供气口和/或排气口使用一个或更多个旋转接头、优选使用一个或更多个定位在所述沉积头的一侧或两侧上的中空轴旋转接头连接到能旋转的沉积头。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述中心柱体的表面与所述沉积头的内表面之间的空间形成沉积区，所述沉积区用于将原子层沉积到所述柔性衬底上，同时所述衬底经由围绕所述中心柱体的第一螺旋路径将被运输通过所述沉积头。
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