ES2361661T3 - Dispositivo y procedimiento de deposición de capas atómicas y método de revestimiento de substratos flexibles. - Google Patents
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Abstract
Un sistema (10, 110, 310) para depositar una película fina sobre un substrato flexible (12, 112, 312), que comprende: una primera zona de precursores (14, 114, 314) en la que se introduce un primer gas precursor cuando el sistema está en uso; una segunda zona de precursores (16, 116, 316) en la que se introduce un segundo gas precursor diferente del primer gas precursor cuando el sistema está en uso; una zona de aislamiento (20, 120, 320) interpuesta entre las zonas de precursores primera y segunda, y en la que se introduce un gas inerte cuando el sistema está en uso. La zona de aislamiento incluye una serie de pasajes (54, 56, 154, 156, 354, 356) limitadores del flujo que van a dar a las zonas de precursores primera y segunda y que están dispuestos para proporcionar una serie de pasajes a través de los que se introduce un substrato flexible (12, 112, 312) para que se desplace adelante y atrás entre las zonas de precursores primera y segunda en múltiples ocasiones y cada vez a través de la zona de aislamiento; y un mecanismo de transporte del substrato (60, 360), que incluye: varias primeras guías de giro (64, 164, 364) espaciadas a lo largo de la primera zona de precursores; al menos algunas de las primeras guías de giro están adaptadas para soportar el substrato durante un cambio en la dirección de desplazamiento del substrato hacia la segunda zona de precursores, y varias segundas guías de giro (66, 166, 366) espaciadas a lo largo de la segunda zona de precursores; al menos algunas de las segundas guías de giro están adaptadas para soportar el substrato durante un cambio en la dirección de desplazamiento del substrato hacia la primera zona de precursores.
Description
Dispositivo y procedimiento de deposición de
capas atómicas y método de revestimiento de substratos
flexibles.
El campo de esta revelación se refiere a los
sistemas de deposición de película fina y los métodos para revestir
substratos flexibles.
La deposición de capa atómica ("ALD"),
anteriormente conocida como epitaxia de capa atómica ("ALE"),
es un proceso de deposición de película fina conocido por su uso en
la fabricación de pantallas electroluminiscentes (EL), de circuitos
integrados de semiconductores y con otros fines. Véase la patente
estadounidense nº 4.058.430 de Suntola et al., y la
publicación de las solicitudes de patente estadounidense nº US
2004/0208994 A1 de Harkonen et al., US 2004/0124131 A1 de
Aitchison et al., y US 2005/0011555 A1 de Maula et al.
La ALD ofrece varias ventajas con respecto a otros métodos de
deposición de película fina, como la deposición física de vapor
("PVD") (por ejemplo, evaporación o pulverización) y la
deposición química de vapor ("CVD"), tal y como se describe en
Atomic Layer Epitaxy (T. Suntola y M. Simpson, eds., Blackie y Son
Ltd., Glasgow, 1990).
A diferencia de la CVD, en la que los flujos de
precursores son estáticos (es decir, que la velocidad del flujo se
mantiene constante durante el procesamiento) y el sustrato está
expuesto de forma simultánea a múltiples precursores presentes en la
cámara de reacción, los flujos de precursores del procesamiento ALD
son dinámicos y secuenciales, de forma que el substrato está
expuesto a un solo precursor al mismo tiempo. El crecimiento de ALÓ
con éxito ha exigido convencionalmente la introducción secuencial de
dos o más vapores precursores diferentes en un espacio de reacción
alrededor de un substrato. Por lo general, la ALD se realiza a
temperaturas elevadas y bajas presiones. Por ejemplo, el espacio de
reacción se puede calentar hasta una temperatura de entre 200ºC y
600ºC, y someterse a una presión de entre 0,1 mbar y 50 mbar. En un
reactor ALD típico, el espacio de reacción está limitado por una
cámara de reacción de un tamaño adecuado para albergar uno o más
substratos. Normalmente se utilizan uno o más sistemas de suministro
de materiales precursores (también conocidos como "fuentes de
precursores") para introducir los materiales precursores en la
cámara de reacción.
Una vez que los substratos están cargados en la
cámara de reacción y calentados a una temperatura de procesamiento
deseada, se dirige un primer vapor precursor sobre los substratos.
Parte del vapor precursor se quimioabsorbe o adsorbe sobre la
superficie de los substratos para formar una película monocapa. En
la ALD pura, las moléculas del vapor precursor no se unirán a otras
moléculas similares y por tanto el proceso es autolimitado. A
continuación, se purga el espacio de reacción para eliminar el
primer vapor sobrante y cualquier producto de reacción volátil. Por
lo general, el proceso de purga se realiza limpiando el espacio de
reacción con un gas de purga inerte que sea no reactivo con el
primer precursor. Después de la purga, se introduce un segundo vapor
precursor. Las moléculas del segundo vapor precursor se
quimioabsorben o reaccionan de otro modo con las moléculas del
primer precursor quimioabsorbido o adsorbido para formar un producto
de película fina de los precursores primero y segundo. Para
completar el ciclo ALD, el espacio de reacción se purga de nuevo con
un gas de purga inerte para eliminar el segundo vapor sobrante, así
como cualquier producto de reacción volátil. Normalmente los pasos
de introducción del primer precursor, purga, introducción del
segundo precursor y purga se repiten cientos o miles de veces, hasta
que se consigue el grosor de la película deseado.
Convencionalmente, las temperaturas, presiones y
condiciones necesarias de la cámara de reacción han limitado la
técnica ALD a la deposición sobre substratos de un tamaño
relativamente pequeño. Por ejemplo, entre los usos conocidos de la
ALD se incluyen las pantallas EL y los chips de semiconductores.
La US 6.888.172 B2 revela un aparato y un método
para formar una barrera de humedad de óxido metálico dieléctrica
transparente sobre cada uno de los múltiples dispositivos OLED
discretos formados anteriormente sobre la superficie del substrato
flexible. Múltiples estaciones de gas oxidante y estaciones de gas
organometálico se separan en sucesión alterna a lo largo de una
línea de transporte del substrato. En cada estación de gas oxidante
se forman sitios oxigenados en la superficie y, cuando el
dispositivo OLED avanza hasta la siguiente estación de gas
organometálico de la línea, un gas organometálico reacciona con los
puntos oxigenados de la superficie para formar una capa atómica de
un óxido metálico sobre el dispositivo OLED. Dispuestas entre cada
una de las estaciones de gas oxidante y las estaciones de gas
organometálico se encuentran estaciones de purga que expulsan un gas
inerte que incide sobre el sustrato, a fin de evitar que se mezclen
los dos gases de procesamiento que se pueden filtrar por las
estaciones de gas de procesamiento. El substrato avanza a través de
múltiples conjuntos de estaciones de gas y estaciones de purga para
formar sucesivas capas atómicas, una capa por cada conjunto de
estación de gas oxidante, estación de purga y estación de gas
organometálico adyacentes.
De acuerdo con una realización, un sistema para
depositar una película fina sobre un substrato flexible incluye una
zona de aislamiento interpuesta entre la primera y la segunda zona
de precursores. Cuando se utiliza, los gases precursores reactivos
primero y segundo se introducen en las respectivas zonas de
precursores primera y segunda, y se introduce un gas inerte en la
zona de aislamiento. Hay una serie de pasajes que restringen el
flujo desde la zona de aislamiento hasta la primera y la segunda
zona de precursores, separadas a lo largo de las zonas de
precursores. Los pasajes pueden incluir túnelas alargados y/o topes
flexibles para restringir el flujo de gases entre la zona de
aislamiento y las zonas de precursores. Cuando se utiliza, se
introduce un substrato flexible a través de los pasajes para que se
desplace atrás y adelante entre la primera y la segunda zona de
precursores en múltiples ocasiones y cada vez por la zona de
aislamiento. Un mecanismo de transporte del substrato del sistema
incluye un conjunto de primeras guías de giro, como rodillos,
separados a lo largo de la primera zona de precursores y un conjunto
de segundas guías de giro, separadas a lo largo de la segunda zona
de precursores. Al menos algunas de las primeras guías de giro están
adaptadas para soportar el substrato durante un cambio de dirección
de desplazamiento del substrato hacia la segunda zona de
precursores, y al menos algunas de las segundas guías de giro están
adaptadas para soportar el substrato durante un cambio de dirección
de desplazamiento del substrato hacia la primera zona de
precursores. En algunas realizaciones se proporcionan más de dos
zonas de precursores, estando todas ellas aisladas unas de otras. El
mecanismo de transporte del substrato puede incluir un carrete de
distribución y un carrete de tensión para el procesamiento rotativo
del substrato.
Según una realización, un método de deposición
de película fina incluye la introducción de un gas inerte en una
zona de aislamiento que está interpuesta entre la primera y la
segunda zona de precursores, introduciendo los gases precursores
primero y segundo en las respectivas zonas de precursores primera y
segunda, y, posteriormente guiando un substrato flexible atrás y
adelante entre la primera y la segunda zona de precursores, y a
través de una serie de pasajes de restricción del flujo de la zona
de aislamiento, de forma que el substrato transite por la primera y
la segunda zona de precursores múltiples veces. El método incluye
también la generación de diferenciales de presión entre la zona de
aislamiento y la primera zona de precursores, y entre la zona de
aislamiento y la segunda zona de precursores, siendo los
diferenciales de presión suficientes para inhibir la migración de
los gases precursores primero y segundo fuera de las respectivas
zonas de precursores primera y segunda, así como la mezcla de los
gases precursores primero y segundo dentro de una de las zonas,
impidiendo así básicamente las reacciones dentro de las zonas entre
las cantidades no adsorbidas de los gases precursores primero y
segundo. Los diferenciales de presión se pueden conseguir, por
ejemplo, mediante la inyección diferencial de gases en las diversas
zonas o mediante el bombeo diferencial o la estrangulación de los
gases de salida de las diversas zonas. En algunas realizaciones, se
inyecta un gas inerte en parte o en la totalidad de los pasajes.
Cuando el substrato transita por la primera zona de precursores se
adsorbe una monocapa del primer gas precursor sobre la superficie
del substrato y en un posterior tránsito del substrato por la
segunda zona de precursores el segundo gas precursor reacciona con
el primer precursor adsorbido en la superficie del substrato, para
depositar así una fina película sobre el substrato. Se pueden
depositar múltiples capas de material guiando el substrato a través
de un trayecto serpentino que atraviese las zonas de precursores
primera y segunda en múltiples ocasiones.
En algunas realizaciones del método y el
sistema, el substrato se transporta a través de tres o más zonas de
precursores, todas ellas aisladas entre sí por una zona de
aislamiento. Se puede calentar una o más de las guías de giro, zonas
de precursores, líquidos de aislamiento o zonas de aislamiento.
En algunas realizaciones, las zonas de
aislamiento y de precursores pueden operar a presiones
aproximadamente atmosféricas, mientras que en otras la presión puede
variar desde presiones de vacío relativamente bajas (por ejemplo,
0,13 Pa, (1 millitor)) hasta presiones positivas 66+ a 2000 Pa, 500
a 1500 Torr (aprox. 1-2 atmósferas).
En algunas realizaciones del método y el
sistema, se puede hacer avanzar el substrato flexible de forma
continua a lo largo de un trayecto serpentino en una primera
dirección hasta completar un primer paso y, posteriormente,
retroceder por el trayecto serpentino en una segunda dirección
contraria a la primera, para completar un segundo paso.
Las realizaciones del método también pueden
incluir los pasos de cambiar los precursores durante o entre los
pasos, introduciendo dopantes en una o más de las zonas de
precursores, y/o introduciendo un radical en una o más de las zonas
de precursores. En algunas realizaciones, la longitud o duración de
algunos de los tránsitos por las zonas de precursores se puede
ajustar, montando guías de giro móviles o separadores de zonas.
También se divulgan sistemas y métodos para
capturar los gases precursores de salida para su eliminación,
reciclaje o regeneración.
La Fig. 1 es una vista transversal esquemática
que ilustra un sistema y un método para la ALD sobre un substrato
flexible, de conformidad con una primera realización;
La Fig. 2 es una vista transversal esquemática
que ilustra un sistema y un método que utilizan la ALD para el
revestimiento de capas de diferentes materiales sobre un substrato
flexible, de conformidad con una segunda realización;
La Fig. 3 es una vista transversal esquemática
que ilustra un sistema y un método para la ALD en la que el
substrato pasa por un reactor de ALD multifase lineal, de
conformidad con una tercera realización; y
La Fig. 4 es una vista transversal esquemática
que ilustra un sistema y un método para la ALD sobre un substrato
flexible, de acuerdo con una cuarta realización, que incluye un
sistema de recuperación y reciclaje de precursores.
De acuerdo con realizaciones descritas en el
presente, se introduce un substrato flexible, como un filamento o un
tejido de metal o de plástico, por ejemplo, entre zonas adyacentes,
que tiene cada una un líquido de aislamiento o producto químico
precursor diferente presente en su interior. A medida que se hace
avanzar el substrato, cada segmento del substrato permanece
preferiblemente en las zonas de precursores suficientemente largas
para permitir la adsorción y la reacción necesarias de los productos
químicos precursores sobre la superficie del substrato. Una zona de
aislamiento interpuesta entre las zonas de precursores impide que se
mezclen los diferentes gases precursores. El substrato se desplaza
por las zonas para conseguir el revestimiento de una película fina
muy similar a los revestimientos depositados a través de procesos
ALD convencionales. Además de permitir la deposición de un
revestimiento de una película fina altamente conforme sobre
materiales de tejido y otros substratos alargados flexibles, los
sistemas y métodos conforme a las realizaciones aquí descritas
pueden evitar la necesidad de introducir en una cámara de reacción
común una secuencia de precursores e impulsos de gas de purga, en
sucesión alternada, como sucede en un reactor ALD de desplazamiento
ondulatorio convencional.
Entre otras posibles ventajas, determinados
sistemas y método revelados en el presente pueden facilitar la
deposición de capas de barrera y conductores transparentes sobre
substratos flexibles, como sobre substratos de plástico para las
pantallas de diodo orgánico emisor de luz (OLED), y la deposición de
revestimientos conformes sobre substratos de gran tamaño. Muchas
ventajas y usos adicionales de los sistemas y métodos se pondrán de
manifiesto mediante la siguiente descripción detallada, que
transcurre con referencia a las ilustraciones adjuntas.
La Fig. 1 ilustra una vista transversal
esquemática de un sistema 10, de conformidad con una primera
realización, para la deposición de un revestimiento de una película
fina sobre un substrato flexible 12 (mostrado en perfil en la
Fig.1), como un tejido de película de plástico o una hoja metálica,
por ejemplo. Con referencia a la Fig. 1, el sistema 10 incluye las
zonas de precursores primera y segunda 14 y 16, respectivamente,
separadas por una zona de aislamiento intermedia 20, en la que hay
un fluido inerte presente. El fluido inerte puede consistir de un
líquido inerte, aunque más preferiblemente consiste esencialmente de
un gas inerte, como el nitrógeno (N2). Cuando está en uso, los gases
precursores primero y segundo reactivos (Precursor 1 y Precursor 2)
se introducen en las respectivas zonas de precursores primera y
segunda 14 y 16, desde los sistemas de suministro de precursores
primero y segundo 24 y 26. Los sistemas de suministro de precursores
24 y 26 pueden incluir recipientes de fuentes de precursores (no
mostrados) ubicados fuera o dentro de las zonas de precursores 14 y
16. Adicionalmente o alternativamente, los sistemas de suministro de
precursores 24 y 26 pueden incluir tuberías, bombas, válvulas,
tanques y otros equipos asociados para el suministro de gases
precursores en las zonas de precursores 14 y 16. Un sistema de
suministro de un gas inerte 28 se incluye de forma similar para la
inyección de gas inerte en la zona de aislamiento 20.
En la realización mostrada, las zonas de
precursores 14 y 16 y la zona de aislamiento 20 están definidas y
limitadas por un recipiente o una cubierta exterior de la cámara de
reacción 30, divididas por los separadores primero y segundo 34 y 36
en tres subcámaras: concretamente, la cámara de un primer precursor
44, la cámara de un segundo precursor 46 y la cámara de un gas
inerte 50. El recipiente 30 puede comprender un recipiente a presión
o un recipiente de vacío que aísla de forma sustancial el espacio
del proceso del entorno exterior. En otras realizaciones, el
recipiente 30 puede tener pasajes de entrada y de salida para la
interconexión con otros módulos o equipos del proceso, como se
describe debajo con referencia a la Fig. 4. Una serie de primeros
pasajes 54 a través del primer separador 34 están separados a lo
largo de una dirección general de desplazamiento del substrato 12, y
una serie correspondiente de segundos pasajes 56 se proporcionan a
través del segundo separador 36. Los pasajes 54 y 56 están
dispuestos y configurados para introducir el substrato 12 atrás y
adelante entre las zonas de precursores primera y segunda 14 y 16,
en múltiples ocasiones, y cada vez a través de la zona de
aislamiento 20. Para un substrato de tejido, los pasajes 54 y 56
comprenden preferiblemente hendiduras con una anchura (exagerada en
la Fig. 1) ligeramente superior que el grosor del substrato 12 y una
longitud (no mostrada) que se prolonga hasta el plano de la Fig. 1
(es decir, normal para la página) y ligeramente superior a la
anchura del substrato. La zona de aislamiento 20 está, por tanto,
preferiblemente separada (aunque de forma imperfecta) de la primera
zona de precursores 14 por el primer separador 34 y de la segunda
zona de precursores 16 por el segundo separador 36.
Para evitar sustancialmente reacciones no ALD
provocadas por la combinación de las cantidades no adsorbidas de los
gases precursores primero y segundo en una de las cámaras 44, 46 y
50, es necesario que el sistema 10 inhiba la migración del Precursor
1 de la primera zona de precursores 14 a la zona de aislamiento 20 y
la migración del Precursor 2 de la segunda zona de precursores 16 a
la zona de aislamiento 20. Los pasajes 54 y 56 están configurados
preferiblemente para limitar el flujo de gases entre las zonas 14,
16 y 20 para evitar o limitar la difusión de gases precursores hacia
una zona común. Los pasajes 54 y 56 pueden incluir hendiduras con un
tamaño sólo ligeramente más grueso y superior que el grosor y la
anchura del substrato que pasa a través de ellos, dejando solamente
una cantidad muy pequeña de altura y márgenes de maniobra para que
el substrato 12 pase por ellos sin rozar los laterales de los
pasajes. Por ejemplo, la altura y los márgenes de maniobra pueden
oscilar entre micrones y milímetros en determinadas realizaciones.
Los pasajes 54 y 56 también pueden incluir túneles prolongados a
través de los que pasa el substrato 12, como se ilustra en las Figs.
1, 2, y 4. Estas hendiduras y túneles se denominan en ocasiones
válvulas de hendidura, aunque en realidad no se utiliza ninguna
compuerta de válvula móvil. En algunas realizaciones, los pasajes 54
y 56 incluyen un tope para limitar más el flujo. En una de estas
realizaciones, el substrato se introduce a través de hojas opuestas
de un material resistente, como un caucho sintético, que roza las
superficies opuestas del substrato.
En una realización alternativa (no mostrada), la
cámara de gas inerte 50 de la zona de aislamiento 20 y los
separadores 34 y 36 son eliminados, de forma que la zona de
aislamiento 20 consiste básicamente en una serie de pasajes largos y
estrechos que se prolongan completamente entre las zonas de
precursores 14 y 16. En esta realización, ninguna cámara de gas
inerte común 50 conecta los pasajes, de forma que el gas inerte se
inyecta directamente en los pasajes hacia la mitad de las zonas
precursoras primera y segunda 14 y 16 para ayudar a prevenir la
migración y combinación de los precursores. La zona de aislamiento
20 de esta realización incluiría un colector, o una serie de
colectores, para encaminar las líneas de gas inerte hasta las
boquillas a lo largo de los laterales de los pasajes. El colector o
colectores se formarían del material de la cámara de reacción que
limita con los pasajes y podría estar conectado a un sistema de
suministro de gas inerte a lo largo de los laterales del sistema, en
lugar de a un extremo del sistema como se muestra en la Fig. 1.
Para ayudar a aislar el primer gas precursor del
segundo gas precursor, los diferenciales de presión se establecen
preferiblemente entre la zona de aislamiento 20 y la zona del primer
precursor 14 y entre la zona de aislamiento 20 y la zona del segundo
precursor 16. En una realización, los diferenciales de presión se
pueden generar inyectando gas inerte en la zona de aislamiento 20 a
una presión superior que la presión operativa de las zonas de
precursores 14 y 16, y posteriormente haciendo salir los gases
pasivamente de las zonas de precursores 14 y 16. En otra
realización, la salida de las zonas de precursores 14 y 16 se podría
controlar con respecto a una salida pasiva desde la zona de
aislamiento 20 o mediante la estrangulación de un flujo de salida de
la zona de aislamiento 20. Los diferenciales de presión también se
pueden generar bombeando desde las zonas de precursores mediante una
bomba 58 o cualquier otra fuente de succión. Opcionalmente, la bomba
58 se puede conectar a todas las zonas, controlando el flujo de las
diversas zonas para mantener el diferencial de presión. La migración
de precursores de las zonas de precursores 14 y 16 a la zona de
aislamiento 20 también se puede impedir o limitar, controlando tanto
las velocidades de flujo relativas de los gases hacia las zonas como
las velocidades de bombeo desde las zonas, mediante el uso de
válvulas de control del flujo u otros dispositivos para controlar el
flujo. También se puede utilizar un sistema de control (no mostrado)
que reacciona a los sensores de presión de las diversas zonas, para
controlar la inyección de gas y las velocidades del flujo de salida,
para ayudar a mantener un diferencial de presión deseado.
En un ejemplo, la zona de aislamiento 20 opera a
una presión de aproximadamente (5 millitor) (es decir, la presión de
inyección del gas inerte puede ser de 0,67 Pa (5 millitorr)), y se
mantienen unos diferenciales de presión de aproximadamente 0,013 Pa
(0,1 millitorr) entre la zona de aislamiento 20 y cada una de las
zonas de precursores 14 y 16, de forma que se mantiene una presión
operativa aproximada de 0,65 Pa (4,9 millitorr) en las zonas de
precursores 14 y 16 mediante la succión aplicada a las zonas de
precursores 14, 16 por la bomba 58. En algunas realizaciones también
se pueden utilizar unos diferenciales de presión significativamente
superiores e inferiores. El diferencial de presión necesario se verá
afectado por la geometría de los pasajes 54 y 56 (incluyendo la
altura, la anchura y la longitud del túnel, si resulta aplicable),
la altura y los márgenes de maniobra alrededor del substrato dentro
de los pasajes 54 y 56, la velocidad de transporte del substrato 12,
la rugosidad de la superficie del substrato 12 y los pasajes 54 y
56, y la ubicación en la que se inyecta el gas inerte, como la
inyección directa en los pasajes 54 y 56 o generalmente en la cámara
de gas inerte 50. Otros factores, como la temperatura operativa, la
presión, las especies de precursores, y el tipo de substrato pueden
afectar a la cantidad de diferencial de presión necesaria para
inhibir o prevenir la migración de los gases precursores por los
pasajes.
En algunos procesos ALD, se utilizan gases
precursores como una presión de vapor muy reducida. Para facilitar
el bombeo y el control de la difusión, el gas inerte se puede
mezclar con estos gases precursores, antes o después de la
introducción de los gases precursores en el sistema 10, para
controlar la presión dentro de las zonas de precursores 14 y 16.
En algunas realizaciones, puede resultar
recomendable igualar las presiones o diferenciar de forma deliberada
las presiones de dos o más zonas de precursores para optimizar las
condiciones de crecimiento o mejorar la utilización de materiales
precursores. También puede ser recomendable bombear dos o más de las
zonas por separado e introducir gas inerte en las zonas de
precursores por separado para reducir más la migración entre zonas;
por ejemplo, se puede utilizar una condición de flujo cruzado para
hacer fluir el precursor en una dirección ortogonal a los pasajes 54
y 56 (entre el primer y el segundo extremo 72 y 84). El gas inerte
se puede introducir localmente en el interior de los pasajes 54 y 56
o cerca de los mismos, para evitar que los gases de cada zona
adyacente crucen por los pasajes 54 y 56. Si es necesario un mayor
aislamiento, se pueden utilizar múltiples zonas de bombeo
diferencial y purga en serie, con pasajes para limitar el flujo o
aislamiento con válvula de tope entre las zonas y pasos de salida de
cada una de las zonas.
Como se ha descrito anteriormente, las zonas de
precursores 14 y 16 pueden ser bombeadas para conseguir un
diferencial de presión de aislamiento entre la zona de aislamiento y
las zonas de precursores. En una configuración (no mostrada), se
podrían utilizar bombas separadas para cada una de las zonas 14, 16
y 20, evitando la mezcla de los gases precursores en la chimenea de
la bomba y la consiguiente acumulación de materiales o subproductos
de reacción en cualquiera de las líneas de bombeo, evitando así que
el polvo y los residuos se acumulen y obstruyan la chimenea de la
bomba. Otra forma de evitar que el material indeseable se deposite
en la chimenea de la bomba consiste en capturar los precursores de
salida utilizando un separador para precursores 59, como un sencillo
separador refrigerado de nitrógeno líquido en línea, por ejemplo del
modelo TLR4XI150QF comercializado por Kurt J. Lesker Company
(www.lesker.com). Se pueden colocar separadores de
precursores similares en cada una de las líneas de salida de
precursores en dirección ascendente de su conexión antes de la bomba
58. Utilizando gases inertes y materiales precursores con diferentes
presiones de vapor a una determinada temperatura, puede resultar
posible capturar y recuperar prácticamente hasta el 100% de los
gases precursores de salida, durante el paso de los gases inertes a
la chimenea de la bomba. Y dado que los diferentes precursores no se
mezclan en las zonas, la pureza del precursor se mantiene,
permitiendo una utilización de hasta el 100% de los materiales
precursores. Una vez llenos, los separadores 59 se pueden convertir
en fuentes de precursores, sustituyendo el nitrógeno líquido por un
líquido calentado o activando elementos de calentamiento fuera del
separador, invirtiendo posteriormente la dirección de bombeo o
cerrando una válvula de aislamiento (no mostrada) entre la bomba 58
y el separador 59. La temperatura operativa determinada del
separador/fuente dependería del precursor que se vaya a capturar y
de su presión de vapor. Un separador de nitrógeno líquido, por
ejemplo, puede funcionar a menos de 100º Kelvin. A continuación se
describen otras configuraciones de separador/fuente con referencia a
la Fig. 4.
\newpage
Un mecanismo de transporte del substrato 60 del
sistema 10 incluye múltiples guías de giro para guiar el substrato
12, incluyendo un primer conjunto de guías de giro 64 separadas a lo
largo de la primera zona de precursores 14 y un segundo conjunto de
guías de giro 66 separadas a lo largo de la segunda zona de
precursores 16. Las guías de giro 64 y 66 ayudan a definir una
trayectoria de transporte ondulada para el substrato 12 a medida que
avanza por el sistema 10. El mecanismo de transporte del substrato
60 puede incluir un carrete de distribución 72 para distribuir el
substrato 12 desde una primera bobina (rollo de entrada 74) para su
recepción en un primer extremo 76 de la zona de aislamiento 20, el
recipiente 30, o una de las zonas de precursores 14 y 16. El
mecanismo de transporte del substrato 60 puede incluir también un
carrete de tensión 82 para recibir el substrato revestido 12 de un
segundo extremo 84 de la zona de aislamiento 20, el recipiente 30, o
una de las zonas de precursores 14 y 16 opuesto al primer extremo
76, y enrollar el substrato 12 en un rollo de tensión 86 o una
segunda bobina. El carrete de distribución 72 y/o el carrete de
tensión 82 se pueden ubicar dentro del recipiente 30, como en el
interior de la zona de aislamiento 20, tal y como se ilustra en las
Figs. 1-2. Alternativamente, los carretes de
distribución y de tensión 72 y 82 se pueden ubicar fuera del
recipiente 30 (es decir, fuera de la zona de aislamiento 20 y de la
primera y segunda zonas de precursores 14 y 16), tal y como se
ilustra en las Figs. 3 y 4. Los rollos de entrada y tensión 74 y 86
cambiarán de diámetro durante el funcionamiento del sistema 10 y,
por tanto, precisarán sistemas de control de la tensión y/o de la
transmisión de un tipo bien conocido en el campo de los sistemas de
manejo de bobinas y de tejidos. Se pueden proporcionar guías de giro
adicionales para determinar la trayectoria de transporte del
substrato 12 a través del recipiente y, en algunas realizaciones, al
interior del recipiente 30. Por ejemplo, pueden ser necesarias guías
de giro adicionales (no mostradas) para compensar los cambios en el
diámetro de los rollos de entrada y de tensión 74 y 86 durante el
funcionamiento del
sistema 10.
sistema 10.
Las guías de giro 64 y 66 pueden comprender
soportes de guía giratorios, como rodillos, poleas, ruedas dentadas
o rodillos tensores, así como soportes de guía no giratorios, como
barras guía, raíles o canales. Los soportes de guía giratorios
adecuados incluyen tanto tensores, por ejemplo rodillos tensores,
como soportes giratorios accionados, siendo estos últimos accionados
por un mecanismo de impulso (no mostrado) que puede incluir medios
para sincronizar los soportes de guía giratorios entre sí y con el
carrete de distribución 72 y/o el carrete de tensión 82. Los
soportes de guía no giratorios pueden incluir preferiblemente una
superficie de rodadura fabricada o revestida de un material de baja
fricción, como PTFE (TEFLON^{TM}). En una realización, las guías
de giro 64 y 66 pueden comprender cojinetes de fluido (por ejemplo,
cojinetes de gas) que soportan el substrato 12 sobre un cojín
amortiguador de fluido dinámico, como un gas precursor y/o gas
inerte inyectado a través de pequeñas perforaciones en un anillo de
rodadura del cojinete de fluido.
Dependiendo de la configuración del mecanismo de
transporte del substrato 60 y de los pasajes 54 y 56, la trayectoria
de transporte del substrato 12 puede tener un perfil ondulado, un
perfil de dientes de sierra, o cualquiera otra forma adecuada para
transportar el substrato entre la primera y la segunda zona de
precursores 14 y 16. El substrato 12 preferiblemente se introduce
por los pasajes 54 y 56, y atraviesa la zona de aislamiento 20 en
una dirección normal para el plano de los separadores 32 y 34, de
forma que los pares opuestos del primer y el segundo pasaje 54 y 56
estén alineados con un eje transversal normal para los separadores
32 y 34. No obstante, también se pueden utilizar otras
distribuciones y configuraciones de la trayectoria de
transporte.
En la realización mostrada, cada una de las
primeras guías de giro 64 está posicionada dentro de la primera zona
de precursores 14 y soporta el substrato 12 mientras gira 180º
alrededor de la guía de giro 64 hacia la segunda zona de precursores
16. De igual modo, cada una de las segundas guías de giro 66 está
posicionada dentro de la segunda zona de precursores 16 y soporta el
substrato mientras gira 180º alrededor de la guía de giro 66 hacia
la primera zona de precursores 14. En una realización alternativa
(no mostrada), solamente algunas de las guías de giro 64 y 66 pueden
soportar el substrato 12 mientras gira hacia la zona de precursores
opuesta. Por ejemplo, se pueden utilizar dos guías de giro para un
único giro de 180º, soportando cada una el substrato durante 90º del
giro. En otras realizaciones, el substrato 12 puede girar durante
más o menos 180º entre recorridos de la zona de aislamiento 20. Se
podría aplicar un giro superior a 180º para acomodar más guías de
giro y, por tanto, más ciclos de deposición, dentro de un sistema de
una determinada longitud total. Una trayectoria de tránsito del
substrato 12 a través de las zonas de precursores 14 y 16 puede ser
curvada y/o recta. En una realización (no mostrada), alguna o la
totalidad de las primeras y segundas guías de giro pueden estar
ubicadas fuera de las respectivas zonas de precursores primera y
segunda, de forma que el substrato siga una trayectoria de tránsito
recta atravesando por completo la respectiva zona de precursores más
cercana a la guía de giro y a través de los pasajes de los
separadores y limitan los laterales interiores y exteriores de la
respectiva zona de precursores.
El sistema 10 ilustrado en la Fig. 1 incluye
diez primeras guías de giro 64 y diez segundas guías de giro 66, que
proporcionan diez ciclos completos de crecimiento ALD. En un
ejemplo, el sistema de la Fig. 1 se puede utilizar para depositar un
revestimiento de óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}) de
aproximadamente 1,0 mm (diez angstroms (10 A)) de grosor, utilizando
trimetilaluminio (TMA) como Precursor 1 y agua como Precursor 2. Se
pueden añadir ciclos ALD adicionales al sistema 10 añadiendo pares
de guías de giro. Por ejemplo, un sistema de 100 ciclos puede tener
200 guías de giro -100 primeras guías de giro 64 y 100 segundas
guías de giro 66. Al utilizar rodillos de guía de pequeño diámetro u
otras guías de giro, este sistema podría tener tan solo un metro de
largo desde el rollo de entrada 74 hasta el rollo de tensión 86,
aproximadamente 50 cm de alto, y solo ligeramente mayor que la
anchura del substrato 12. También se prevén sistemas capaces de 500,
1.000, 5.000 o más ciclos ALD en un único paso. Expansiones
similares resultan posibles en los sistemas de las Figs. 2 y 4, que
se describen más adelante.
\newpage
Para aumentar el grosor de la película más allá
de lo que se deposita en un único paso a través del sistema 10
mediante el número de ciclos ALD definidos por el mecanismo de
transporte 60, se puede hacer pasar el substrato 10 por el sistema
en múltiples ocasiones, desplazando el rollo de tensión 86 del
segundo extremo 84 al primer extremo 76 tras un paso, invirtiendo la
dirección de transporte del substrato 12 para devolverlo a través
del sistema, o bien utilizando un substrato de circuito cerrado que
circula de vuelta hacia el lateral de tensión 76 para conseguir
múltiples pasos a través del sistema sin desplazar ni manipular los
rollos. Entre los pasos secuenciales, se puede cambiar uno o más de
los precursores dentro de las zonas de precursores 14 y 16 para
proporcionar un revestimiento multicapa de dos o más materiales de
película fina.
La Fig. 2 ilustra un sistema 110 y un método de
conformidad con una segunda realización para depositar capas de
diferentes materiales sobre un substrato flexible 112 en un único
paso a través del sistema. En la realización de la Fig. 2, múltiples
zonas de precursores separadas se sitúan en secuencia a lo largo de
la cámara de reacción. En la Fig. 2, los numerales de referencia a
la serie 100 con los dos últimos dígitos similares a los numerales
de referencia de la Fig. 1 designan componentes similares. Por
ejemplo, el sistema 110 incluye una primera zona de precursores 114
alimentada por un primer sistema de suministro de precursores 124 y
una segunda zona de precursores 116 alimentada por un segundo
sistema de suministro de precursores 126, y una zona de aislamiento
120 alimentada por un sistema de suministro de gas inerte 128. El
sistema 110 de la Fig. 2 incluye también una tercera zona de
precursores 190 en la que se introduce un tercer gas precursor
(Precursor 3) diferente de los gases precursores primero y segundo
(Precursor 1 y Precursor 2) cuando el sistema está en uso. La
tercera zona de precursores 190 está separada de la zona de
aislamiento 120 por un tercer separador y posicionada frente a la
segunda zona de precursores 116. En la realización mostrada, el
tercer separador es una sección media del separador superior 134,
que incluye una serie de terceros pasajes 192 que lo atraviesan,
espaciados a lo largo de la tercera zona de precursores 190. De
igual modo, hay una cuarta zona de precursores 194 para recibir un
cuarto gas precursor (Precursor 4) posicionada frente a la segunda
zona de precursores 116 y separada de la zona de aislamiento 120 por
una sección final del separador superior 134, a través de la que se
suministra una serie de cuartos pasajes 196 espaciados. El Precursor
4 es preferiblemente diferente del Precursor 1, del Precursor 2 y
del Precursor 3, pero puede alternativamente ser el mismo que el
Precursor 1 para conseguir la deposición de capas alternas de
materiales de película fina. La tercera zona de precursores 190 está
aislada de la primera y la cuarta zona de precursores 114 y 194 por
un par de paredes de separación 198 en los extremos opuestos de la
tercera zona de precursores 190, extendiéndose cada una de ellas
entre el separador superior 134 y la pared de una cámara de reacción
exterior 132 del recipiente 30.
En la realización de la Fig. 2, se utilizan más
de dos zonas de precursores para fabricar múltiples capas de
materiales distintos -por ejemplo, unos diez primeros trayectos
ondulados pueden atravesar entre la primera zona de precursores 114
y la segunda zona de precursores 116, respectivamente, y los
siguientes diez trayectos ondulados pueden atravesar entre la
tercera zona de precursores 190 y la segunda zona de precursores
116, etc., resultando finalmente en una serie de películas
multicapa.
En un ejemplo, el sistema 110 ilustrado en la
Fig. 2 puede utilizar TMA como Precursor 1, agua como Precursor 2,
TiCl_{4} como Precursor 3, y TMA como Precursor 4 para un
revestimiento de 3 ciclos de Al_{2}O_{3} (aproximadamente 0,3 mm
(3A)), seguido de 4 ciclos de dióxido de titanio (TiO_{2})
(aproximadamente 0,2 mm (2A)), seguido de otros 3 ciclos de
Al_{2}O_{3}.
En otro ejemplo, se puede formar una película
fina de óxido de zinc (ZnO) dopado con aluminio utilizando un
sistema similar al mostrado en la Fig. 2. El ZnO dopado con aluminio
es una película de óxido conductor ópticamente transmisor que puede
ser útil como sustituto de los electrodos de óxido de estaño indio
(ITO) más caros, que habitualmente se utilizan en la electrónica y
las células solares. En este ejemplo, el zinc dietílico (DEZn) o
zinc dimetílico (DMZn) se utilizan como Precursor 1 y Precursor 4, y
cada una de las zonas de precursores primera y cuarta 114 y 194
incluye entre 50 y 100 guías de giro (es decir, el substrato
transita entre 50 y 100 veces en cada una de las zonas de
precursores primera y cuarta). Un oxidante, como agua, o más
preferiblemente ozono, se utiliza como Precursor 2, y TMA se utiliza
como Precursor 3. La tercera zona de precursores 190 puede incluir
solamente un número muy reducido de guías de giro (y tránsitos) -por
ejemplo dos- para depositar solamente una cantidad dopante de óxido
de aluminio en la masa de ZnO. Posteriormente, el substrato puede
ser transportado a través del sistema en múltiples ocasiones, en
múltiples pasos, para conseguir las propiedades ópticas, eléctricas
y mecánicas deseadas.
En una realización alternativa (no ilustrada),
la tercera zona de precursores 190 puede estar posicionada entre las
zonas de precursores primera y segunda 114 y 116, de forma que la
zona de aislamiento 120 forme un puente sobre la tercera zona de
precursores 190 y el substrato 112 atraviese por la tercera zona de
precursores 190 mientras se transporta entre las zonas de
precursores primera y segunda 114 y 116. Otras variaciones sobre la
configuración del sistema 110 también resultan posibles, teniendo la
variedad de configuraciones preferiblemente sus diversas zonas de
precursores aisladas entre sí por una o más zonas de aislamiento,
para evitar que los gases precursores reaccionen en cualquiera de
las zonas, salvo en la superficie del substrato 112.
Un sistema 200 mostrado en la Fig. 3 no es una
realización de acuerdo con la invención divulgada. El sistema 200
puede estar configurado sin rodillos, y aún así conseguir una
deposición de tipo ALD sobre un substrato 212 largo y fino, como un
tejido, pasando el substrato 212 a lo largo de una trayectoria de
transporte lineal entre zonas alternas 202, 204, 206, etc., de
precursor 1, gas inerte, precursor 2, gas inerte, precursor 1, gas
inerte, etc. En la Fig. 3, las líneas de salida o de bombeo de las
zonas de precursores 202, 206, etc. se omiten por simplicidad. A
pesar de que el sistema 200 probablemente sería mucho más largo que
los de las Figs. 1 y 2 para un determinado recuento de capas, el
sistema 200 de la Fig. 3 podría ser muy fino, por ejemplo si se
configurase como un sistema de línea recta como los utilizados para
los sistemas arquitectónicos de recubrimiento del vidrio. Por
consiguiente, el sistema 200 se podría utilizar para revestir tanto
substratos flexibles como substratos rígidos. También podría reducir
los problemas derivados, en los sistemas 10 y 110 de las Figs. 1 y
2, del contacto entre el substrato 12 y las guías de giro 64 y 66
del mecanismo de transporte del substrato 60. En una realización, el
precursor 1 es TMA y el precursor 2 es vapor de agua, y un paso del
substrato 212 por el sistema completa tres ciclos ALD para depositar
aproximadamente 0,3 mm (tres angstroms (3 A)) de óxido de aluminio
(Al_{2}O_{3}). Una variación de la configuración de la Fig. 3
consistiría en disponer de una cámara con tan solo cuatro zonas, por
ejemplo el precursor 1, el aislamiento del gas inerte, el precursor
2 y el aislamiento del gas inerte, para proporcionar un ciclo ALD
completo. Un substrato de circuito cerrado de material flexible (no
mostrado) se podría hacer circular a través de un sistema así y el
número de trayectos circulaciones del substrato de circuito cerrado
por la cámara determinaría el grosor del revestimiento
resultante.
Algunos sistemas y métodos como los descritos en
el presente pueden no precisar necesariamente una configuración
mecánica o geométrica altamente específica. Por ejemplo, además de
las configuraciones ilustradas en las Figs. 1-3, el
substrato podría ser impulsado por un trayecto con aspecto
zigzagueante o de una onda sinusoidal, o por cualquier trayecto,
siempre que el substrato se desplazase secuencialmente a través de
regiones que proporcionaran al menos lo siguiente: (1) exposición a
un precursor; (2) una zona de aislamiento, en la que el substrato no
estuviese expuesto a uno de los precursores primarios; (3)
exposición al menos a un segundo precursor; y (4) una segunda zona
de aislamiento como en el paso (2), que podría ser una zona común a
la utilizada para el paso (2). El substrato no tiene que pasar
necesariamente por los rodillos -básicamente cualquier disposición
mecánica que permita el recorrido o desplazamiento del substrato a
través de las zonas secuenciales podría funcionar.
La Fig. 4 ilustra un sistema 310 conforme a una
cuarta realización, en la que los dos últimos dígitos de los
numerales de referencia a la serie 300 que designan las zonas de
precursores 314 y 316, la zona de aislamiento 320 y los componentes
del mecanismo de transporte del substrato 360 se corresponden con
los numerales similares de referencia de dos dígitos que identifican
elementos similares en la realización de la Fig.1. Con respecto a la
Fig. 4, el sistema 310 incluye los rollos de entrada y tensión 374 y
386 ubicados fuera de la cubierta de la cámara de reacción 330. Se
proporcionan guías de giro 338 de entrada/salida adicionales dentro
de la zona de aislamiento 320. El substrato 312 se suministra a
través de una o más hendiduras, válvulas de tope u otros pasajes de
entrada o salida con restricción del flujo 340 y 342. El
posicionamiento de los rollos de entrada y tensión 374 y 386 en el
exterior de la cámara de reacción 330 puede facilitar la carga y
descarga de los mismos.
En una realización alternativa (no mostrada),
los rollos de entrada y tensión 374 y 386 pueden estar ubicados en
cámaras de vacío o bloqueos de carga separados, adyacentes a los
extremos primero y segundo 376 y 384 de la cubierta de la cámara de
reacción 330. Se pueden proporcionar módulos del proceso adicionales
entre el rollo de entrada 374 y la cámara de reacción 330 y/o entre
la cámara de reacción 330 y el rollo de tensión 386, de forma que el
proceso de revestimiento de una película fina podría comprender
solamente un módulo en un sistema de procesamiento del substrato de
mayor tamaño. Por ejemplo, se puede proporcionar una fase de
precalentamiento u otro módulo de funcionalización entre el rollo de
entrada 374 y la cámara de reacción 330. Entre los ejemplos de pasos
de precalentamiento o funcionalización útiles para el sistema de
revestimiento ALD 310 se incluyen el procesamiento de vacío para
acelerar la desgasificación del substrato 312 antes del
revestimiento; el tratamiento con luz ultravioleta; el tratamiento
con ozono, por ejemplo para hacer de las películas de plástico
normalmente hidrófobas películas hidrófilas a fin de mejorar el
procesamiento ALD; exposición a plasma u otras fuentes de radicales;
y pasos de limpieza. También se pueden utilizar otros módulos del
proceso, como la litografía y otros pasos de modelado, deposición no
ALD como la pulverización y otros pasos de revestimiento y acabado
de la superficie.
El sistema 310 incluye guías de giro ajustables
364 y 366 que se pueden acercar y alejar de los separadores 334 y
366 y de la zona de aislamiento 320, para cambiar el intervalo del
substrato en el interior de las zonas de precursores 314 y 316. La
ubicación de las guías de giro 364 y 366 se puede ajustar
independientemente o en grupos, y se puede controlar mediante un
sistema de control 310 para cambiar el intervalo a medida que las
necesidades del proceso varíen con el paso del tiempo. En la Fig 4.
se muestran tres grupos diferentes de guías de giro en cada zona de
precursores, teniendo cada grupo un intervalo diferente. El ajuste
del intervalo puede facilitar la nucleación para determinados
precursores y puede mejorar la penetración de los precursores en las
superficies porosas. De igual modo, los separadores 334 y 336 se
pueden desplazar en la misma dirección que las guías de giro
ajustables 364 y 366 (es decir, arriba y abajo), para cambiar el
intervalo del substrato en la zona de aislamiento 320.
El sistema 310 también incluye un subsistema de
reciclaje del precursor 400 ubicado en dirección ascendente de una
conexión 404 de las líneas de salida/bombeo de las zonas de
precursores primera y segunda 314 y 316. El subsistema 400 incluye
los separadores primero y segundo 410 y 420 flanqueados por un par
de válvulas de tres vías 430 y 432 o su equivalente, para permitir
que uno de los separadores 410 y 420 se interponga selectivamente en
la línea de bombeo 440 entre la zona de precursores 316 y la bomba
358. La primera de las válvulas 430 incluye dos salidas, estando una
conectada a la entrada del primer separador 410 y la otra conectada
a la entrada del segundo separador 420. De igual modo, la segunda
válvula 432 incluye dos entradas: una conectada a la salida del
primer separador 410 y la otra a la salida del segundo separador
420. La Fig. 4 muestra los laterales izquierdos de las válvulas 430
y 432 cerrados y los laterales derechos abiertos, de forma que el
segundo separador 420 está interpuesto en la línea de bombeo 440 y
actuando como separador de precursores. Mientras tanto, el primer
separador 410 está aislado de la línea de bombeo 440, como indican
las válvulas de cierre sombreadas del lado izquierdo de cada una de
las válvulas de tres vías 430 y 432. El primer separador 410 opera
en un modo regenerador, en el que el separador 410 se calienta para
liberar los materiales precursores anteriormente capturados en una
línea de reciclaje/suministro de precursores 450. Las válvulas de
aislamiento 462 y 464 se suministran entre las salidas de suministro
de los respectivos separadores 410 y 420 y una conexión de
suministro 470 en dirección descendente de las salidas de suministro
de la línea de suministro/reciclaje 450. La posición de las válvulas
430, 432, 462 y 464 se puede invertir con respecto a la que se
muestra en la Fig. 4, de forma que el primer separador 410 funcione
como el separador de precursores en línea y el segundo separador 420
funcione como fuente del precursor. En la realización mostrada, una
mitad del subsistema 400 siempre funciona como separador y la otra
mitad como componente de suministro del sistema de suministro de
precursores 326.
Un segundo subsistema (no mostrado) se puede
proporcionar en la primera línea de salida de la primera zona de
precursores en dirección ascendente de la conexión 404 para la
captura y el reciclaje del primer precursor de una forma
similar.
Los precursores apropiados 410 y 420 para el
subsistema 400 pueden incluir separadores de nitrógeno líquido en
línea simples o, más preferiblemente, "bombas de agua"
criogénicas modificadas para bombear un precursor, en lugar de agua,
a las presiones y temperaturas adecuadas. Las bombas de agua
criogénicas apropiadas incluyen preferiblemente calentadores
integrados con capacidad de regeneración. Algunos ejemplos de bombas
de agua criogénicas incluyen la criobomba de vapor de agua Polycold®
PFC y CTI-Cryogenics® LowProfile Waterpump^{TM},
ambas comercializadas por Brooks Automation (www.brooks.com).
Normalmente las bombas de agua criogénicas están configuradas para
bombear en un entorno de bajo vacío, pero se pueden modificar o
ajustar para que funcionen en los rangos de presión operativos de
los métodos descritos en el presente. Para algunos precursores, la
temperatura operativa del separador puede oscilar entre
100-150º Kelvin, mientras que para otros, puede
oscilar entre 150º y 300º Kelvin. Unas temperaturas de captura
superiores pueden permitir la captura de determinados productos
químicos precursores de haluro de metal, al tiempo que permiten el
paso de otros materiales de fondo, como el vapor de agua, los
disolventes y gases inertes, mejorando así la pureza del precursor
capturado.
Los sistemas y métodos descritos en el presente
pueden mostrar un revestimiento escaso o inexistente de las piezas
móviles de la máquina, incluyendo los carretes de distribución y
tensión 72, 82, 172, 182, 272, 282, 372 y 382, y las guías de giro
64, 66, 164, 166, 364 y 366, dado que cada una de estas piezas
solamente reside en una zona del sistema o totalmente fuera de las
zonas. A diferencia de los sistemas ALD convencionales, las válvulas
de impulso de alta velocidad no son necesarias en los sistemas
descritos en el presente y, en teoría, las necesidades de
mantenimiento serían mínimas.
Los sistemas y métodos coherentes con las
realizaciones divulgadas en el presente pueden operar en un rango
relativamente amplio de temperaturas y presiones. Las temperaturas y
presiones operativas necesarias vendrán determinadas en gran medida
por la química específica del proceso. Sin embargo, por ejemplo, las
presiones operativas pueden oscilar entre entornos de vacío
relativamente bajo de aproximadamente 0,13 Pa (1 millitorr)), hasta
entornos de presión positiva de 66+ a 2000 Pa
9500-1500 Torr (aproximadamente de 1 a 2
atmósferas)). Las presiones pueden ser diferentes en las distintas
zonas de precursores, para permitir el uso de precursores con
diferentes presiones de vapor, movilidad molecular y características
de reactividad, por ejemplo. En algunas realizaciones, dos o más
zonas de precursores y la zona de gas inerte se pueden mantener a
diferentes temperaturas, a fin de optimizar las propiedades de la
película y/o la producción. Las temperaturas operativas también
pueden variar entre una temperatura por debajo de la temperatura
ambiente hasta una bastante superior, a las temperaturas operativas
típicas de las cámaras de reacción ALD de ondas progresivas.
Se pueden utilizar rodillos o guías de giro 64,
66, 164,166, 364, 366 calentados en algunas realizaciones, para
calentar el substrato y promover el crecimiento de una película fina
mediante ALD. Una o más zonas de precursores 14,16,114,116, 314 y
316 y/o la zona de aislamiento 20, 120, 320 también se pueden
calentar. Los pasajes 54, 56,154, 156, 354, 356 se pueden calentar
inyectando un gas inerte calentado directamente en los pasajes.
En una realización, una descarga de plasma u
otra fuente de radicales se incluye en una o más zonas de
precursores, o en una cámara adyacente, para permitir el crecimiento
de una película ALD asistido por plasma o radicales.
Normalmente los sistemas y métodos descritos en
el presente resultarán en una deposición en ambas caras del
substrato. Para conseguir la deposición en una única cara, el
substrato puede ser revestido, plegado o enmascarado para la
deposición, para después destaparlo, desplegarlo o desenmascararlo y
obtener un producto acabado. Entre otros métodos posibles para la
deposición en una sola cara se incluyen la deposición sobre un
substrato tubular aplanado seguido de cortes longitudinales o cortes
de un substrato sólido tras la deposición en las dos caras.
Los sistemas y métodos descritos en el presente
no se limitan a la deposición sobre substratos de un tejido, como
películas de plástico u hojas metálicas. Se podría utilizar la misma
configuración básica parar revestir alambre, tubos flexibles,
materiales tejidos, como ropas, materiales trenzados, como cables
trenzados o cuerdas, materiales laminares no tejidos, como papel,
barreras de vapor de construcción, etc.
A continuación se recogen otros ejemplos de
posibles aplicaciones para los sistemas y métodos divulgados en el
presente:
1) Sobre una hoja de metal o plástico, como una
barrera química o de gas, un aislante eléctrico, un conductor
eléctrico o un semiconductor. Entre las aplicaciones específicas se
incluyen barreras de oxígeno y humedad para los envases médicos o
alimentarios, aislamiento eléctrico, películas conductoras o
semiconductoras para las células solares de gran superficie,
pantallas flexibles y productos electrónicos flexibles.
2) Revestimientos sobre materiales tejidos como
ropa, para aumentar su resistencia al fuego o funcionalizar la
superficie -para proporcionar resistencia a la humedad o a las
manchas, por ejemplo.
3) Barreras químicas o de gas sobre las
tuberías, como tuberías de plástico utilizadas en aplicaciones
médicas o químicas.
4) Mejoras de las propiedades mecánicas/físicas
de los materiales prensados o tejidos -por ejemplo, una película que
pueda servir de "relleno" para unir las fibras o partículas
individuales.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante toda esta especificación, la referencia
a "una realización" o "algunas realizaciones" significa
que una determinada propiedad, estructura o característica descrita
se incluye al menos en una realización. Por tanto, la aparición de
las frases "en una realización", "en algunas
realizaciones" y similares en diversos lugares de la presente
especificación no se refieren necesariamente a la misma realización.
Por otra parte, las propiedades, estructuras o características
descritas se pueden combinar de cualquier forma apropiada en una o
más realizaciones. En algunos casos, la invención se puede practicar
sin uno o más de los detalles específicos o con otros métodos,
componentes, materiales, etc. En otros ejemplos, no se muestran o no
se describen con detalle estructuras, materiales u operaciones bien
conocidos, para no generar confusión sobre aspectos de las
realizaciones.
Resultará obvio para las personas con
conocimientos en el campo que se pueden realizar numerosos cambios
en los detalles de las mencionadas realizaciones, sin desviarse de
los principios subyacentes de la invención. Por tanto, el ámbito de
aplicación de la presente invención debería venir determinado
únicamente por las siguientes reivindicaciones.
Claims (22)
1. Un sistema (10, 110, 310) para depositar una
película fina sobre un substrato flexible (12, 112, 312), que
comprende:
una primera zona de precursores (14, 114, 314)
en la que se introduce un primer gas precursor cuando el sistema
está en uso;
una segunda zona de precursores (16, 116, 316)
en la que se introduce un segundo gas precursor diferente del primer
gas precursor cuando el sistema está en uso;
una zona de aislamiento (20, 120, 320)
interpuesta entre las zonas de precursores primera y segunda, y en
la que se introduce un gas inerte cuando el sistema está en uso. La
zona de aislamiento incluye una serie de pasajes (54, 56, 154, 156,
354, 356) limitadores del flujo que van a dar a las zonas de
precursores primera y segunda y que están dispuestos para
proporcionar una serie de pasajes a través de los que se introduce
un substrato flexible (12, 112, 312) para que se desplace adelante y
atrás entre las zonas de precursores primera y segunda en múltiples
ocasiones y cada vez a través de la zona de aislamiento; y
un mecanismo de transporte del substrato (60,
360), que incluye:
varias primeras guías de giro (64, 164, 364)
espaciadas a lo largo de la primera zona de precursores; al menos
algunas de las primeras guías de giro están adaptadas para soportar
el substrato durante un cambio en la dirección de desplazamiento del
substrato hacia la segunda zona de precursores, y
varias segundas guías de giro (66, 166, 366)
espaciadas a lo largo de la segunda zona de precursores; al menos
algunas de las segundas guías de giro están adaptadas para soportar
el substrato durante un cambio en la dirección de desplazamiento del
substrato hacia la primera zona de precursores.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El sistema de la reivindicación 1, que
comprende también un primer separador (34, 134, 334) que separa la
zona de aislamiento de la primera zona de precursores; y un segundo
separador (36, 136, 336) que separa la zona de aislamiento de la
segunda zona de precursores, y en la que los pasajes limitadores del
flujo incluyen una serie de primeros pasajes (54, 154, 354) a través
del primer separador y una serie de segundos pasajes (56, 156, 356)
a través del segundo separador.
3. El sistema de la reivindicación 1 o 2, en el
que al menos algunas de las primeras guías de giro se pueden ajustar
dentro de la primera zona de precursores para acercarlas o
apartarlas de la zona de aislamiento, para ajustar así el intervalo
del substrato en la primera zona de precursores.
4. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, en la que el mecanismo de transporte del substrato
también comprende:
un carrete de distribución (72, 172, 372) para
distribuir el substrato desde una bobina (74, 174, 374) para su
recepción en un primer extremo (76, 376) de la zona de aislamiento;
y
un carrete de tensión (74, 174, 374) para
enrollar el substrato recibido de un segundo extremo (84, 384) de la
zona de aislamiento opuesta al primer extremo.
\vskip1.000000\baselineskip
5. El sistema de cualquier reivindicación
precedente también comprende:
una tercera zona de precursores (190) separada
de las zonas de precursores primera y segunda, y en la que se
introduce un tercer gas precursor diferente de los gases precursores
primero y segundo cuando el sistema está en uso;
un tercer separador que separa la tercera zona
de precursores de la zona de aislamiento; y
una serie de terceros pasajes (192) que se
extienden por el tercer separador y hasta la tercera zona de
precursores desde la zona de aislamiento; los terceros pasajes se
encuentran separados a lo largo de la tercera zona de precursores y
dispuestos para que el substrato se desplace adelante y atrás entre
las zonas de precursores segunda y tercera, y por la zona de
aislamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
6. El sistema de cualquier reivindicación
precedente también comprende:
un primer sistema de suministro de precursores
(24, 124, 324) conectado a la primera zona de precursores para el
suministro del primer gas precursor en la primera zona de
precursores;
un segundo sistema de suministro de precursores
(26, 126, 326) conectado a la segunda zona de precursores para el
suministro del segundo gas precursor en la segunda zona de
precursores; y
un sistema de suministro de gas inerte (28, 128,
328) conectado a la zona de aislamiento para la inyección de un gas
inerte en la zona de aislamiento, a fin de conseguir una presión en
la zona de aislamiento que sea superior a las presiones de las zonas
precursoras.
\vskip1.000000\baselineskip
7. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, en el que al menos algunos de los pasajes incluyen un
túnel.
8. El sistema de cualquier reivindicación
precedente también comprende:
una línea de salida (440) conectada a una o más
de las zonas de precursores; y un separador de precursores (59, 410,
420) ubicado en la línea de salida.
\vskip1.000000\baselineskip
9. El sistema de la reivindicación 8, que
comprende también una línea de reciclaje (450) conectada entre el
separador de precursores y una o más de las zonas de
precursores.
10. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, que comprende también un generador de radicales para el
suministro de un radical precursor a una o más de las zonas de
precursores.
11. El sistema de cualquier reivindicación
precedente, en la que al menos algunas de las guías de giro incluyen
un rodillo calentado.
12. Un método para depositar una película fina
sobre un substrato flexible (12,112, 312), que comprende:
la introducción de un primer gas precursor en
una primera zona de precursores (14, 114, 314);
la introducción de un segundo gas precursor en
una segunda zona de precursores (16, 116, 316) separada de la
primera zona de precursores, siendo el segundo gas precursor
diferente del primer gas precursor;
la guía de un substrato flexible (12, 112, 312)
adelante y atrás entre las zonas de precursores primera y segunda y
a través de una serie de pasajes limitadores del flujo (54, 56, 154,
156, 354, 356) de una zona de aislamiento (20, 120, 320) que está
interpuesta entre las zonas de precursores primera y segunda, para
que el substrato transite a través de las zonas de precursores
primera y segunda en múltiples ocasiones; una monocapa del primer
gas precursor se adsorbe sobre la superficie del substrato durante
el tránsito del substrato a través de la primera zona de precursores
y, durante un posterior tránsito del substrato a través de la
segunda zona de precursores, el segundo gas precursor reacciona con
el primer precursor adsorbido en la superficie del substrato, para
depositar así una película fina sobre el substrato;
la introducción de un gas inerte en la zona de
aislamiento; y
la generación de un primer diferencial de
presión entre la zona de aislamiento y la primera zona de
precursores y de un segundo diferencial de presión entre la zona de
aislamiento y la segunda zona de precursores, siendo los
diferenciales de presión suficientes para inhibir la migración de
los gases precursores primero y segundo fuera de las respectivas
zonas de precursores primera y segunda, así como la mezcla de los
gases precursores primero y segundo dentro de una de las zonas,
impidiendo así las reacciones dentro de las zonas entre las
cantidades no adsorbidas de los gases precursores primero y
segundo.
\vskip1.000000\baselineskip
13. El método de la reivindicación 12, que
comprende también la guía del substrato a través de una tercera zona
de precursores (190) en la que se introduce un tercer gas precursor
diferente del segundo gas precursor.
14. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 o 13, en el que la generación de diferenciales
de presión incluye la inyección de un gas inerte en los pasajes.
15. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 14, en el que la guía del substrato adelante y
atrás entre las zonas de precursores primera y segunda incluye el
avance continuo del substrato a lo largo de una trayectoria de
transporte ondulante.
16. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 15, que comprende también el ajuste de la
longitud de al menos algunos de los tránsitos a través de la primera
zona de precursores.
17. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 16, que comprende también:
la salida de un flujo del primer gas precursor
por la primera zona de precursores y la captura de al menos una
parte del primer gas precursor expulsado.
\vskip1.000000\baselineskip
18. El método de la reivindicación 17, que
comprende también el reciclaje del primer gas precursor capturado en
la primera zona de precursores.
19. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 18, que comprende también el calentamiento de
al menos una de las zonas de precursores primera y segunda.
20. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 19, que comprende también el calentamiento del
substrato.
21. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 20, que comprende también la introducción de
un radical al menos en una de las zonas de precursores.
22. El método de cualquiera de las
reivindicaciones 12 a 21, en el que la primera zona de precursores,
la segunda zona de precursores y la zona de aislamiento operan
aproximadamente a presiones atmosféricas.
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