CN1207427C - 超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备 - Google Patents

Abstract

超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备属于薄膜材料领域。主要包括：加热炉、超声起雾器、雾气输送系统、雾气均匀分配喷头、负压尾气抽取与处理系统、样品装载机构和样品输送机构，雾气均匀分配喷头和样品输送机构直接与加热炉相连接，雾气输送系统、超声起雾器、雾气均匀分配喷头、尾气抽取与处理系统则通过小口径管路依次相连接，样品装载机构是独立的部件，与样品一起装载和卸载。本发明使在大面积上获得膜厚均匀的各种薄膜在技术上成为可能，设备成本大大降低，设备成本仅为同样生产能力的常压化学气相沉积设备的1/3左右，这样的价格减少正是氧化物透明导电膜玻璃在这些领域得到大规模应用的必要条件。

Description

超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备

技术领域

本发明涉及的是一种制备薄膜的大面积沉积设备，特别是一种超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，属于薄膜材料领域。

背景技术

氧化物薄膜具有化学性质稳定，导热良好，硬度高，光学性质优良。多数氧化物薄膜电气绝缘性能好，但少数也可以具有相当好的导电性。目前，应用于微电子，光学等领域的高性能氧化物薄膜大多通过磁控溅射、蒸发、等离子体化学气相沉积、低压化学气相沉积等真空技术制备。而以太阳电池、建筑节能玻璃为代表的超大面积应用则延用沉积速度较高的常压化学气相沉积技术制备。但其制备成本与该两领域大规模发展所要求的价格还有不小的差距。

超声喷雾纳米薄膜沉积工艺是对传统的热喷涂薄膜沉积工艺和常压气相薄膜沉积工艺的重大革新。它一方面保留了热喷涂工艺设备、工艺简单和原料范围广的优点，又保留了常压气相薄膜沉积可在大面积上均匀沉积的能力，同时还由于引入了微米和纳米尺度的液相及其与气相界面这一特殊条件下的成膜化学反应，可使反应激活能降低，从而使所需的衬底温度可以显著降低并且沉积速度显著增高。从而有望成为通用性强，沉积面积大，生产成本低的薄膜沉积技术。近年来通过小面积沉积装置实现超声喷雾薄膜沉积制备SnO₂，ITO(氧化铟锡)等氧化物薄膜已有报导，也有一些相关的专利申请。经文献检索发现，中国专利申请号为：99116819.4，公开号为：1259405，该专利提出了一种小面积的超声喷雾沉积装置和以及通过此装置进行SnO₂、ITO等氧化物薄膜沉积工艺，这些技术主要针对研究型小面积样品的制备及相应的工艺，没有考虑用于应用型大面积沉积所相应的设备特殊结构设计，因此不能适用于大面积、连续式薄膜沉积。新的氧化物薄膜正在作为关键材料在新技术领域不断得到应用，如高温燃料电池，大面积透明平面显示器便是其中的典型代表。许多这些应用属于大面积并有大规模应用前景。因此，进一步增加了对成本更低的大面积氧化物薄膜制备设备和技术的需求。在成本更低的大面积氧化物薄膜制备技术中，超声喷雾沉积技术具有非常明显的技术优势，而大面积沉积设备的设计是实现这一技术和后续产业化中难度最大的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，使其具有成本低、设备简化的特点，从而为制备超声喷雾薄膜技术的产业化提供了条件。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明主要包括：加热炉、超声起雾器、雾气输送系统、雾气均匀分配喷头、负压尾气抽取与处理系统、样品装载机构和样品输送机构，其连接方式为：雾气均匀分配喷头和样品输送机构直接与加热炉相连接，而雾气输送系统、超声起雾器、雾气均匀分配喷头、尾气抽取与处理系统则通过小口径管路依次相连接，样品装载机构是独立的部件，与样品一起装载和卸载，循环使用。

加热炉是设备的主体，主要包括：密封炉体、密封炉门、密封卸载、电加热元件、保温外层、外壳、炉腔测温与控制系统，其连接方式为：密封炉门和密封卸载通过铰链机构与密封炉体相连接，电加热元件通过紧固件与密封炉体的底部相连接，保温外层位于密封炉体和外壳之间，炉腔测温与控制系统的热电偶测温元件的测温端通过紧固件或密封炉体上的小孔与密封炉体相连接，而其另一端连接至炉腔测温与控制系统，样品输送机构通过紧固件与加热炉中密封炉体的端部相连接。

超声起雾器主要包括：超声发生装置、传能液体介质与其承载腔、雾源与其承载腔、起震膜、雾源液面保持及补给容器、连通管路，其连接方式为：传能液体介质承载腔通过机械密封结构与超声发生装置的超声换能元件相连接，传能液体介质注入传能液体介质承载腔内，起震膜通过机械张紧机构设置在雾源承载腔的底部开口上，雾源通过雾源液面保持及补给容器注入雾源承载腔内，雾源承载腔浸泡在传能液体介质内，雾源液面保持及补给容器通过连通管路与雾源承载腔相连。

雾气输送系统主要包括：气瓶、减压阀、气体流量测量和控制元件、断开阀及输送管路，其连接方式为：气瓶、减压阀、气体流量测量和控制元件、断开阀通过输送管路依次相连，并通过输送管路与超声起雾器中的雾源承载腔的进气口相连。

雾气均匀分配喷头主要包括：雾气缓冲腔室、水冷套层、喷雾小孔阵列、循环水泵、冷却水储存容器，及输送管路，其连接方式为：水冷套层包围雾气缓冲腔室的外部，喷雾小孔阵列设置在雾气缓冲腔室的底部出口处，冷却水储存容器的出水口、水冷套层的进水口、水冷套层的出水口、循环水泵的进水口、循环水泵的出水口、冷却水储存容器的进水口通过输送管路依次相连。

尾气抽取与处理系统主要包括：稀碱性溶液及其承载容器、耐碱泵、流体负压产生机构、气体输送管路、液体输送管路、尾气抽取口，其连接方式为：稀碱性溶液设置在稀碱性溶液承载容器内，稀碱性溶液承载容器的出水口、耐碱泵的进水口、耐碱泵的出水口、流体负压产生机构的进水口、流体负压产生机构的出水口、稀碱性溶液承载容器的进水口通过液体输送管路相连，而流体负压产生机构的负压端则与密封炉体的尾气抽取口通过气体输送管路相连。

样品装载机构由高比热，高导热，低摩擦系数陶瓷为材料，设有机械构造、推拉点、滑块，其连接方式为：样品定位通过样品装载机构的机械构造实现，推拉点设置在样品装载机构推送边的中部并与机械构造相连，滑块通过镶嵌等方式与样品装载机构的底部和侧边相连。

样品输送机构主要包括：密封外套、推拉臂、精密驱动部件，其连接方式为：推拉臂通过支撑元件与密封外套相联，设置于密封外套的中心轴线上。精密驱动部件与推拉臂通过紧固件相连。

精密驱动部件主要包括：步进电机、丝杠机构、线性运动机构的平移元件，其连接方式为：精密驱动部件的内磁极与推拉臂通过紧固件相连接，精密驱动部件的外磁极通过支撑元件与密封外套的外部相连，精密驱动部件的步进电机通过丝杠机构和紧固件与线性运动机构的平移元件相连。

本发明工作时，将配置好的溶液装入雾源液面保持及补给容器，并通过连通器原理经水平管注入雾源承载腔，然后将作为传能介质的水注入超声发生装置的传能腔室内，使其达到预定的液面高度，加热炉按工艺要求对装载预热区、加温区、恒温沉积区、降温区、卸载区分区段升温。将干净的玻璃等衬底装入衬底输送托板上，经装载门送入装载预热区进行预热，然后按预定的传送速度将衬底经加温区被进一步加温到预定的温度，再按预定的功率启动超声发生装置，其超声功率经传能介质水传递到位于雾源承载腔的源溶液内，使其按预定的速率起雾。按预定的流量开启氧气等载体和反应气体，该气流经溶液罐液面上方与雾气混合并在载体和反应气体压力驱动下流入喷头的缓冲腔内，产生并在腔室内维持恒定的的压力，在雾气均匀分配喷头小孔阵列形成均匀的雾流幕，再按预定的流量开启雾气均匀分配喷头冷却水回路，使喷头缓冲腔内壁温度保持远比炉内反应区低的温度，由于液面对起雾率影响很大，与起雾溶液罐相通的大液面大容积的储液罐通过连通器原理一方面起原料补给和液面高度保持作用。将被加温的衬底按预定的传送速度通过恒温沉积区，雾滴中的溶剂部分在垂直分布的温度场内快速蒸发而转化为尺度为几十纳米的表面积极大的饱和固溶体颗粒并与气流中的氧气等在酒精等物质的催化作用下在高温衬底表面发生化学反应而形成氧化薄膜。镀膜后的衬底材料被继续输送到降温区降温，随后被输送到卸载区继续降温后经卸载密封门卸载。发应产生的尾气在预先设定的负压作用下被抽到循环碱水容器内，氯气等易溶于水的成分被碱水吸收并被中和。

以上整个过程是以一块衬底为例描述的，实际上设备的运行是连续式生产的，即每当衬底被往前输送过一块衬底距离时，一块镀完膜底衬底便经卸载门从加热炉取出，而另一块衬底便经装载门送入装载预热区，如此反复循环。

本发明采用与低真空设备类似的全密封结构，使外界环境对其炉腔内的温度和气流的干扰减到最少；采用热容量较大的炉腔体设计，使其通过热幅射和气流的热传导使样品温度受温度较低的雾气的接触而引起的降温效应减到最小；尽量减小暴露在反应炉腔内部的喷头底部外侧的表面积，并采用导热差的材料做喷头底部外侧面，采用气冷或水冷空腔将喷头内腔与高温外侧隔离，使内腔保持低温但又避免了对样品衬底温度的干扰，同时也避免了炉腔内高温对喷头内腔内的低温气流的流线稳定性的干扰；采用负压反应尾气抽取方式使尾气在腔内的流线均匀且稳定；采用串连方式把数台超声起雾器联合使用以增加产雾量，并利用连通管原理将超声起雾器的液体源容器与一个大液面液体源储存容器相连，以解决起雾器的液体源容器中液面在薄膜制备过程中下降过快的问题；采用高镍不锈钢做内炉腔以解决高温条件下的耐腐蚀问题；为克服不锈钢导热性差，对维持样品衬底在喷雾条件下温度不利的问题，采用高导热陶瓷做样品载体，起着样品输送的机械载体和在喷头下维持样品温度的双重功能，因其较大的厚度和较小的摩擦系数使样品的平滑输送成为可能。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明构造采用超声起雾效应获得的雾气在加温衬底上沉积薄膜材料的基本原理，应用小截面密封腔体，负压尾气抽取，小暴露面内冷式雾气均匀分配喷头，取得大面积恒压恒温恒流环境，使在大面积上获得膜厚均匀的各种薄膜在技术上成为可能。本发明设备成本大大降低，由于衬底温度的显著降低和气流系统的实质性简化，设备成本仅为同样生产能力的常压化学气相沉积设备的1/3左右，而相应的透明导电膜玻璃的制造成本则可降为US$6/m²，即为普通建筑用玻璃的2倍，这样的价格减少正是透明导电膜玻璃在这些领域得到大规模应用的必要条件。

附图说明

图1本发明总体结构示意图

图2本发明组成部分结构示意图

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明主要包括：加热炉1、超声起雾器2、雾气输送系统3、雾气均匀分配喷头4、负压尾气抽取与处理系统5、样品装载机构6和样品输送机构7，其连接方式为：雾气均匀分配喷头4和样品输送机构7直接与加热炉1相连接，雾气输送系统3、超声起雾器2、雾气均匀分配喷头4、尾气抽取与处理系统5则通过小口径管路依次相连接，样品装载机构6是独立的部件，与样品一起装载和卸载。

加热炉1是设备的主体，主要包括：密封炉体11、密封炉门12和密封卸载13、电加热元件14、保温外层15、外壳16，炉腔测温与控制系统17，其连接方式为：密封炉门12和密封卸载13通过铰链机构与密封炉体11相连接，电加热元件14通过紧固件与密封炉体11的底部相连接，保温外层15设置在密封炉体11与外壳16之间，炉腔测温与控制系统17的热电偶测温元件18的测温端通过紧固件或密封炉体上的小孔与密封炉体11相连接，而其另一端则与炉腔测温与控制系统17的电路相连接，样品输送机构7通过紧固件与密封炉体11的端部相连接。

超声起雾器2主要包括：超声发生装置21、传能液体介质22与其承载腔23、雾源24与其承载腔25、起震膜26、雾源液面保持及补给容器27和连通管路28，其连接方式为：传能液体介质承载腔23通过机械密封结构与超声发生装置21的超声换能元件29相连接，传能液体介质22注入传能液体介质承载腔23内，起震膜26通过机械张紧机构设置在雾源承载腔25的底部开口上，雾源24通过雾源液面保持及补给容器27注入雾源承载腔25内，雾源承载腔25浸泡在传能液体介质22内，雾源液面保持及补给容器27通过连通管路28与雾源承载腔25相连。

雾气输送系统3主要包括：气瓶31、减压阀32、气体流量测量和控制元件33、断开阀34、及输送管路35，其连接方式为：气瓶31、减压阀32、气体流量测量和控制元件33、断开阀34通过输送管路35依次相连，并通过输送管路35与超声起雾器2中的雾源承载腔25的进气口相连。

雾气均匀分配喷头4主要包括：雾气缓冲腔室41、水冷套层42、喷雾小孔阵列43、循环水泵44、冷却水储存容器45，输送管路46，其连接方式为：水冷套层42包围雾气缓冲腔室41的外部，喷雾小孔阵列43设置在雾气缓冲腔室41的底部出口处，冷却水47被注入到冷却水储存容器45内，冷却水储存容器45的出水口、水冷套层42的进水口、水冷套层42的出水口、循环水泵44的进水口、循环水泵44的出水口、冷却水储存容器45的进水口通过输送管路46依次相连。

尾气抽取与处理系统5主要包括：稀碱性溶液51及其承载容器52、耐碱泵53、流体负压产生机构54、气体输送管路55、液体输送管路56、尾气抽取口57，其连接方式为：稀碱性溶液5 1设置在稀碱性溶液承载容器52内，稀碱性溶液承载容器52的出水口、耐碱泵53的进水口、耐碱泵53的出水口、流体负压产生机构54的进水口、流体负压产生机构54的出水口、稀碱性溶液承载容器52的进水口通过液体输送管路56相连，而流体负压产生机构54的负压端则与密封炉体11的尾气抽取口57通过气体输送管路相连。

样品装载机构6以高比热、高导热、低摩擦系数陶瓷为材料，设有机械构造61、推拉点62、滑块63，其连接方式为：样品定位通过样品装载机构6的机械构造61实现，推拉点62位于样品装载机构推送边中部并与机械构造61相连，滑块63与样品装载机构6的底部和侧边相连。

样品输送机构7主要包括：密封外套71、推拉臂72、精密驱动部件73，其连接方式为：推拉臂72通过支撑元件与密封外套71相联，设置于密封外套71的中心轴线上，精密驱动部件73与推拉臂72通过紧固件相连。

精密驱动部件73主要包括：精密驱动部件的外磁极74、步进电机75、丝杠机构76、线性运动机构的平移元件77、精密驱动部件的内磁极78，其连接方式为：精密驱动部件的内磁极78与推拉臂72通过紧固件相连，精密驱动部件的外磁极74通过支撑元件与与密封外套71的外部相连，精密驱动部件的步进电机通过丝杠机构和紧固件与线性运动机构的平移元件相连。

Claims (9)

1、一种超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，主要包括：加热炉(1)、超声起雾器(2)、雾气输送系统(3)，其特征在于还包括：雾气均匀分配喷头(4)、负压尾气抽取与处理系统(5)、样品装载机构(6)和样品输送机构(7)，连接方式为：雾气均匀分配喷头(4)和样品输送机构(7)直接与加热炉(1)相连接，雾气输送系统(3)、超声起雾器(2)、雾气均匀分配喷头(4)、尾气抽取与处理系统(5)则通过小口径管路依次相连接，样品装载机构(6)是独立的部件，与样品一起装载和卸载。

2、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是加热炉(1)是设备的主体，主要包括：密封炉体(11)、密封炉门(12)和密封卸载(13)、电加热元件(14)、保温外层(15)、外壳(16)、炉腔测温与控制系统(17)，其连接方式为：密封炉门(12)和密封卸载(13)通过铰链机构与密封炉体(11)相连接，电加热元件(14)通过紧固件与密封炉体(11)的底部相连接，保温外层(15)设置在密封炉体(11)与外壳(16)之间，炉腔测温与控制系统(17)的热电偶测温元件(18)的测温端通过紧固件或密封炉体(11)上的小孔与密封炉体相连接，而其另一端则与炉腔测温与控制系统(17)的电路相连接，样品输送机构(7)通过紧固件与密封炉体(11)的端部相连接。

3、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是超声起雾器(2)主要包括：超声发生装置(21)、传能液体介质(22)与其承载腔(23)、雾源(24)与其承载腔(25)、起震膜(26)、雾源液面保持及补给容器(27)和连通管路(28)，其连接方式为：传能液体介质承载腔(23)通过机械密封结构与超声发生装置(21)的超声换能元件(29)相连接，传能液体介质(22)注入传能液体介质承载腔(23)内，起震膜(26)通过机械张紧机构设置在雾源承载腔(25)的底部开口上，雾源(24)通过雾源液面保持及补给容器(27)注入雾源承载腔(25)内，雾源承载腔(25)浸泡在传能液体介质(22)内，雾源液面保持及补给容器(27)通过连通管路(28)与雾源承载腔(25)相连。

4、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是雾气输送系统(3)主要包括：气瓶(31)、减压阀(32)、气体流量测量和控制元件(33)、断开阀(34)、及输送管路(35)，其连接方式为：气瓶(31)、减压阀(32)、气体流量测量和控制元件(33)、断开阀(34)通过输送管路(35)依次相连，并通过输送管路(35)与超声起雾器(2)中的雾源承载腔(25)的进气口相连。

5、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是雾气均匀分配喷头(4)主要包括：雾气缓冲腔室(41)、水冷套层(42)、喷雾小孔阵列(43)、循环水泵(44)、冷却水储存容器(45)、输送管路(46)，其连接方式为：水冷套层(42)包围雾气缓冲腔室(41)的外部，喷雾小孔阵列(43)设置在雾气缓冲腔室(41)的底部出口处，冷却水(47)设置在冷却水储存容器(45)内，冷却水储存容器(45)的出水口、水冷套层(42)的进水口、水冷套层(42)的出水口、循环水泵(44)的进水口、循环水泵(44)的出水口、冷却水储存容器(45)的进水口通过输送管路(46)依次相连。

6、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是尾气抽取与处理系统(5)主要包括：稀碱性溶液(51)及其承载容器(52)、耐碱泵(53)、流体负压产生机构(54)、气体输送管路(55)、液体输送管路(56)、尾气抽取口(57)，其连接方式为：稀碱性溶液(51)设置在稀碱性溶液承载容器(52)内，稀碱性溶液承载容器(52)的出水口、耐碱泵(53)的进水口、耐碱泵(53)的出水口、流体负压产生机构(54)的进水口、流体负压产生机构(54)的出水口、稀碱性溶液承载容器(52)的进水口通过液体输送管路(56)相连，而流体负压产生机构(54)的负压端则与密封炉体(11)的尾气抽取口(57)通过气体输送管路相连。

7、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是样品装载机构(6)以高比热、高导热、低摩擦系数陶瓷为材料，设有机械构造(61)、推拉点(62)、滑块(63)，其连接方式为：样品定位通过样品装载机构(6)的机械构造(61)实现，推拉点(62)位于样品装载机构推送边中部，与机械构造(61)相连，滑块(63)与样品装载机构(6)的底部和侧边相连。

8、根据权利要求1所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是样品输送机构(7)主要包括：密封外套(71)、推拉臂(72)、精密驱动部件(73)，其连接方式为：推拉臂(72)通过支撑元件与密封外套(71)相联，设置于密封外套(71)的中心轴线上，精密驱动部件(73)与推拉臂(72)通过紧固件相连。

9、根据权利要求8所述的超声起雾效应制备薄膜的大面积沉积设备，其特征是精密驱动部件(73)主要包括：精密驱动部件的外磁极(74)、步进电机(75)、丝杠机构(76)、线性运动机构的平移元件(77)、精密驱动部件的内磁极(78)，其连接方式为：精密驱动部件的内磁极(78)与推拉臂通过紧固件相连，精密驱动部件的外磁极(74)通过支撑元件与与密封外套(71)的外部相连，精密驱动部件的步进电机(75)通过丝杠机构(76)和紧固件与线性运动机构的平移元件(77)相连。