KR20140039036A - 혼합 금속 산화물 장벽 막을 제조하기 위한 혼합 금속 산화물 장벽 막 및 원자 층 증착 방법 - Google Patents

혼합 금속 산화물 장벽 막을 제조하기 위한 혼합 금속 산화물 장벽 막 및 원자 층 증착 방법 Download PDF

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Abstract

알루미늄, 티탄, 및 산소의 혼합물(AlTiO)과 같은 혼합 금속 산화물의 박막 장벽 층(100)을 형성하는 방법은 할로겐화물 전구체, 산소 플라즈마, 및 유기 금속 전구체에 100℃의 표면 온도를 갖는 기판(110)의 순차적인 노출을 포함한다. 상기 방법으로 형성된 장벽 층은 유사한 전체 두께를 갖는 두 개의 금속 산화물의 나노적층물과 단일 금속 산화물 막을 초과하는 향상된 수증기 투습도를 보인다.

Description

혼합 금속 산화물 장벽 막을 제조하기 위한 혼합 금속 산화물 장벽 막 및 원자 층 증착 방법{MIXED METAL OXIDE BARRIER FILMS AND ATOMIC LAYER DEPOSITION METHOD FOR MAKING MIXED METAL OXIDE BARRIER FILMS}
본 출원은 전체로서 참고용으로 본 명세서에 병합된, 미국특허법 119조(e)항하에서 2011년 7월 11일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/506,607의 이익을 주장한다.
본 개시의 분야는 혼합 금속 산화물 장벽 막 및 그러한 장벽 막의 증착을 위한 공정에 관한 것이다.
기체, 액체, 및 다른 환경 요인들은 식품, 의료 디바이스, 제약품, 및 전기 디바이스와 같은 다양한 제품의 열화를 야기할 수 있다. 따라서, 종래, 장벽 층은 제조, 저장, 또는 제품의 사용 동안 패키징(packaging)을 통한, 산소 및 물과 같은 기체 또는 액체의 침투를 방지하거나 또는 제한하기 위해 민감한 제품과 연관된 패키징 상부 또는 내부에 포함되어져 왔다.
원자 층 증착(Atomic layer deposition)(ALD)은 가요성 기판을 코팅(coating)하기 위한 원자 층 증착 시스템 및 방법이라는 제목의 미국 출원 번호 11/691,421로 2007년 3월 26일에 출원된, 디키(Dickey) 등의 미국 특허 출원 공보 번호 US 2007/0224348 A1("'348 공보")에 기재되고, 가요성 기판을 코팅하기 위한 다중 전구체 영역을 이용한 원자 층 증착 시스템 및 방법이라는 제목의 미국 출원 번호 12/755,239로 2010년 4월 6일에 출원된, 디키(Dickey) 등의 US 2010/0189900 A1("'900 공보")에 기재되며, 이들 둘 모두는 본 명세서에 참고용으로 병합된, 박막 증착 공정이다. '348 및 '900 공보에 개시된 방법 및 시스템에 따른 박막 증착은 민감한 제품 및 다른 용도를 위한 패키징용 가요성 기판상에 장벽 층의 증착을 위해 제안되고 있다.
교차하는 다섯 또는 여섯 쌍의 유기 및 무기 층을 포함하는 복합 다층 장벽 막은 유기 발광 다이오드(OLEDs)의 플래스틱 기판을 통해 산소 및 물의 침투를 방지하는데 사용되어왔다. 이러한 일부 장벽은 각 층이 10 나노미터(nm) 미만의 두께를 갖는, ALD에 의해 제조된 이른바 나노적층물(nanolamiante)이다. 그러나 다층 장벽은 가요성 박막 패키징에 이상적이지 않은 상대적으로 높은 전체 장벽의 두께가 발생한다. 또한, 이러한 일부 장벽이 양질의 단기 수증기 투습도(water vapor transmission rate)(WVTR)를 나타낼 수 있지만, 다수의 공지된 다층 장벽은 정상 상태의 투과성을 상당히 감소시키기 보다는 단순히 투습도에 대한 긴 지연 시간을 갖는다는 것이 발견되었다.
산화 알루미늄{알루미나(alumina)로 알려진 Al203}은 고습/고온 환경에 노출되면 분해되는 물질이고, 이는 수분 장벽 막으로서는 위험한 선택이 된다. 또한 상술한 바와 같은 지연 시간 문제를 겪고 있는데, 심지어 단면 코팅에서 조차, 이는 품질 확인이 어렵고 고습도 환경에서 두꺼운 Al203 코팅에 대한 장기 성능에 관해 우려를 제기한다. 다른 한편으로, 본 명세서에 참고로 병합되어 2009년 12월 7일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/632,749에 개시되고 미국 2010/0143710 A1("'710 공보")으로 공개된 바와 같이, 본원 발명자는 산소-함유 플라즈마를 이용하여 형성된 티타늄 디옥사이드{티타니아(titania)로도 알려진 TiO2}가 우수한 수증기 장벽을 만든다는 것을 인식했다. TiO2는 고습도 환경에서 안정되며, 단면 지연 시간(single-sided lag time) 문제를 가지지 않는다. 그러나 본 발명자는 TiO2가 굴절로 인해, 특히 필요로 되는 TiO2 막 두께가 증가됨에 따라 광 전송 손실을 초래할 수 있는 고 굴절률을 가지고 있음을 발견했다.
일반적인 통념은 나노적층물이 혼합 물질보다 더 나은 장벽 막을 만든다고 주장한다. 예컨대, Al203 및 TiO2 층으로 알루미늄-티타늄-산화물 나노적층물을 개시하는 미국 특허 제4,486,487호를 보자. 그리고 많은 연구자들은 장벽 성능을 향상시키기 위한 방법으로 나노적층물을 검토하고 있다.
매우 낮은 정상-상태 수증기 투과성을 갖는 장벽 막 및 향상된 광 전송에 대한 필요성이 여전히 남아있다.
본 발명에 따라, 장벽 막은 기판 상에 증착된 다른 금속 산화물의 혼합물을 포함한다. 다층 장벽을 형성하는 다수의 종래 방법과는 대조적으로, 본 개시에 따른 혼합물은 검출 가능한 뚜렷한 층(즉, 본질적으로 균질한 혼합물)이 아니거나, 또는 각각 1.5nm 두께 미만이거나, 더욱 바람직하게는 약 1.0nm 두께 미만, 훨씬 더 바람직하게는 약 0.5nm 두께 미만, 일부 경우 0.3nm 두께 미만인 상이한 금속 산화물의 교차 층을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합 막은 제2 금속 산화물로 전환하기 전에 제1 금속 산화물 물질의 15개의 연속 증착 싸이클 이내로 형성된다. 다른 실시예에서, 제1 금속 산화물의 약 2 또는 3 분자 층은, 제2 금속 산화물로 전환하기 전에 그리고 유사한 두께로 증착하기 전에 그래서 원하는 혼합 산화물의 두께가 달성될 때 까지, 제 1 금속 산화물 물질의 약 10 옹스트롱(Å) (약 1nm)이 증착될 때 까지 형성된다. 이러한 혼합물은 원하는 두께에 따라, 수십, 수백, 또는 수천의 이러한 다층 금속 산화물의 교차 분자 층으로 구성할 수 있다.
특히, 각각의 상기 3 단계의 수순(sequences)에 대한 성장률은 단독의 TiO2 또는 Al203 중 어느 하나에 대한 것 보다 크며, 직접 반응될 수 있는 TMA 및 TiCl4를 제안하며, 할로겐화물 및 금속 알킬에 순차적 노출에 관한 특유의 화학적 성질을 나타낸다. 3 단계 "TMA+플라즈마+TiCl4" 수순은 4 단계 수순에서의 산화물의 전체 쌍과 동일한 성장률로 산출되며, 여기서 기판은 각 금속 전구체(예컨대, TMA+플라즈마+TiCl4+플라즈마) 이후에 노출되며, 단독의 개별 산화물 중 어느 하나 보다 훨씬 좋은 장벽 특성을 가진다. 예컨대, 3 단계 공정 "TMA+플라즈마+TiCl4"에 의해 산출된 장벽 특성은 4 단계 공정에서 얻어진 특성만큼이나 좋다.
도 1은 이하 논의된 예 1에 따른 혼합 AlTiO 막에 대한 막 두께의 함수로서 WVTR을 도시하는 그래프이며, 이를 유사한 증착 조건하에서 제조된 TiO2 막에 비교하는 그래프이고;
도 2는 증착 싸이클(cycle)의 수의 함수로서 동일한 혼합물 및 TiO2 막에 대한 WVTR을 비교하는 도면이며;
도 3은 그 위에 증착된 단일 혼합 AlTiO 막을 갖는 기판의 개략적인 단면도이고;
도 4는 양면에 증착된 혼합 AlTiO 막을 갖는 기판의 개략적인 단면도이며; 그리고
도 5는 밴드 루프(band loop)로 구성된 가소성 웹(web)에 박막 증착을 위한 시스템을 도시하는 개략적인 단면도이다.
본 발명에 따라, 장벽 막은 기판 상에 증착된 다른 금속 산화물의 혼합물을 포함한다. 다층 장벽을 형성하는 다수의 종래 방법과는 대조적으로, 본 개시에 따른 혼합물은 검출 가능한 뚜렷한 층(즉, 본질적으로 균질한 혼합물)이 아니거나, 또는 각각 1.5nm 두께 미만이거나, 더욱 바람직하게는 약 1.0nm 두께 미만, 훨씬 더 바람직하게는 약 0.5nm 두께 미만, 일부 경우 0.3nm 두께 미만인 상이한 금속 산화물의 교차 층을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 혼합 막은 제2 금속 산화물로 전환하기 전에 제1 금속 산화물 물질의 15개의 연속 증착 싸이클 이내로 형성된다. 다른 실시예에서, 제1 금속 산화물의 약 2 또는 3 분자 층은, 제2 금속 산화물로 전환하기 전에 그리고 유사한 두께로 증착하기 전에 그래서 원하는 혼합 산화물의 두께가 달성될 때 까지, 제 1 금속 산화물 물질의 약 10 옹스트롱(Å) (약 1nm)이 증착될 때 까지 형성된다. 이러한 혼합물은 원하는 두께에 따라, 수십, 수백, 또는 수천의 다층 금속 산화물의 이러한 교차 분자 층으로 구성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따른 혼합물은 산소 공급원으로서, 산소-함유 플라즈마와 같은 산소 라디칼 및 두 개의 금속에 대한 다른 화학 족에서의 전구체를 이용한 ALD에 의해 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 다양한 실시예에서, 하나의 금속 전구체는 할로겐 족(예컨대, 염화물 또는 브롬화물)에서 나오며, 다른 하나는 유기 금속 족(예컨대, 알킬)에서 나온다. 예컨대, 일실시예에서, 티타니아 및 알루미나(이하 AlTiO)의 혼합물은 티탄 전구체로서 사염화 티탄(TiCl4)과 같은 할로겐화물, 알루미늄 전구체로서 트리메틸 알루미늄(TMA)과 같은 알킬을 이용한 ALD에 의해 증착되며, DC 플라즈마는 금속 산화물 둘 모두에 대한 산소 전구체로서 건조 공기로 형성된다. 바람직하게는 산소 라디칼-함유 플라즈마는 기판에 직접 접촉한다(직접적인 플라즈마). 본 개시에 따라 형성된 혼합 AlTiO 막은, 이하 예에 도시된 바와 같이, TiO2 또는 Al203 둘 중 어느 하나로, 또는 각각의 층 두께가 1.5nm를 초과하는 두 물질의 이른바 "나노적층물"로 관찰되는 것보다 훨씬 우수한, 제공된 막 두께에 대한 안정한 WVTR 성능을 가지는 것이 관찰되었다. 또한 혼합 AlTiO 막은 TiO2 단독 보다 현저히 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 혼합 AlTiO 장벽 막은 약 2nm 내지 10nm의 범위로 전체 두께를 갖는다.
산소 플라즈마를 이용한 ALD에 의해 만들어진 혼합 금속 산화물 막은 종래의 열적 ALD 공정에 의해 만들어진 다층 또는 혼합 막 보다 우수한 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌고, 예컨대 물이 산소 전구체로서 이용되는 경우 증착 동안 반응로 및 기판 온도는 100℃ 또는 그 이상이다. 예컨대, 하나의 열적 ALD 실험에서, 알루미나와 티타니아의 1:1 혼합비(몰비)를 갖는 혼합 AlTiO 막은 두 개의 금속 산화물의 40배의 ALD 싸이클을 교차함으로써 기판 온도 100℃에서 평면 시스템 P400 배치 반응기(batch reactor)에 증착되는데, -즉 (a) TiCl4 전구체에 기판을 노출시키고, (b) 수증기에 기판을 노출시키며, (c) TMA에 기판을 노출시키고, (d) 수증기에 기판을 노출시키며, 단계 (a)-(d)를 40번 반복한다. 이 공정은 정형화된 기호에 의해 표현 된다: 40*(1*TiO2+1*Al203). 열적 ALD에 의해 만들어진 이러한 40-싸이클의 혼합 TiO2/Al203 막은 6.2nm의 전체 두께를 가지며 약 0.5g/m2/일의 불량한(높은) WVTR을 나타냈다. 이것은 동일 온도에서 열적 ALD 공정에 의해 동일 두께로 만들어진 경우 TiO2 또는 Al203 막 중 어느 하나보다 더 좋지 않으며, 또한 각각의 물질 또는 플라즈마-기반 공정을 이용하여 균등한 실행으로 생산된 혼합 물질 중 어느 하나보다 훨씬 더 좋지 않다.
또한, 산소-포함 플라즈마를 이용하여 TiO2 및 Al203의 나노적층물 적층의 장벽을 형성하기 위한 몇 가지 시도가 좋은 결과를 산출하지 못해왔다. 예컨대, (5nm TiO2+5nm Al203+5nm TiO2) 또는 (2nm TiO2+2nm Al203+2nm TiO2)와 같은 단순 막을 적층하는 시도는 두 물질의 성능 사이에 일반적으로 WVTR를 가지며 본질적으로 TiO2 및 Al203 물질의 평균과 같이 행동하는 막으로, 또는 두 물질 중 어느 하나보다 좋지 않은 일부 경우로 귀결된다.
이에 비해, 100℃ 미만에서 산소-함유 플라즈마를 이용하여 만들어진 AlTiO 혼합물을 포함하는 막은:
1) WVTR에서 안정적인 장기 장벽 성능(단독의 Al203과는 달리);
2) 10 내지 20nm 까지 코팅하기 위한 (순수 TiO2보다 훨씬 더 좋은) PET, BOPP 및 아크릴과 같은 가요성 중합체 막 상에 무시할 수 있는 또는 최소한의 반사 손실이 발생되는, 약 2.0 정도 미만(및 일반적으로 약 1.8 내지 1.9의 범위내)의 굴절률; 및
3) 단독의 Al203 또는 TiO2 중 어느 하나에 비해, 또는 제공된 WVTR 성능을 위해, 1nm보다 훨씬 더 큰 개별 층을 갖는 이들 물질의 나노적층물을 위해, 30% 내지 70%의 필요 두께의 감소(따라서 필수적인 싸이클의 수)를 보인다. 양호한 WVTR을 달성하고 광학적 특성을 향상시키는데 필요한 증착 싸이클의 수를 감소시키는 것 이외에, 더 얇은 막은 코팅된 가요성 기판의 굴요에 따라 보다 유연하고 손상에 덜 민감하다.
산소-함유 플라즈마를 이용하여 만들어진 AlTiO 혼합물을 포함하는 막의 실시예가 약 6 또는 13nm 미만의 두께로 예컨대 약 4 또는 5nm의 두께를 갖는 막에서 5x10-4g/m2/일 미만인 WVTR을 나타낼 수 있다. 약 3 또는 4nm 미만의 두께를 갖는 혼합 AlTiO 막의 다른 실시예는 0.005g/m2/일 미만의 WVTR을 나타낼 수 있다. 현재 테스트 기구가 그것을 확인하기에 충분할 만큼 민감하지는 않지만, 본 발명자들은 약 8 또는 10nm 미만의 두께를 갖는 혼합 AlTiO 막이 5x10-6g/m2/일 미만의 WVTR을 가질 것이라고 예상한다.
본 개시 및 청구범위의 목적을 위해, WVTR은 38℃(+/-0.1℃) 및 90%RH에서 ASTM F1249-06(2011) "변조된 적외선 센서를 이용한 플라스틱 막 및 판금화를 통한 수증기 투습도를 위한 표준 테스트 방법"에 따라 결정되지만, 변조된 적외선 센서보다는 오히려 오산화 인(P2O5)으로 코팅된 전극을 포함하는 전기량 센서로 구성된 테스트 기구로 결정된다. 하기에 제시된 실험결과에서, 수증기 투습도 측정은 모콘 아쿠아트란(MOCON Aquatran®) WVTR 측정기구(기구 "MOC"로 표시) 또는 일리노이 기구 모델 7001 WVTR 테스트 시스템(기구 "II"로 표시) 중 어느 하나를 사용하여 이루어졌다. 모콘 아쿠아트란 및 일리노이 기구 7001 테스트 시스템은 모두 적외선 센서보다 향상된 감도 P2O5로 코팅된 전극을 포함하는 전기량 센서를 갖는 ASTM F1249를 구현한다. 모콘 아쿠아트란 기구는 약 5x10-4g/m2/일의 신뢰성 있는 측정 하한을 가지며, 반면에 일반적으로 적외선 센서를 구현하는 테스트 기구는 약 5x10-2g/m2/일의 하한을 가진다. 이용 가능한 다른 테스트 방법 규격은 DIN EN ISO 15106-3(2005)을 포함한다. 시간이 지남에 따라 향상된 테스트 방법, 센서, 및 기구가 5x10-6g/m2/일 또는 그보다 낮게 하향하는 하한을 갖는 향상된 감도 및 향상된 정확도를 제공하기 위해 개발되거나 또는 발견될 수 있는 것이 가능하며; 인정 기준이 이러한 향상된 테스트 방법에 채택될 것이다. 미래의 테스트 방법, 센서, 기구 및 기준은 본 명세서에 개시된 WVTR 데이터를 수집하는 데 사용되는 테스트 방법에 비해 감도 및 정확도의 향상을 제공하는 정도로, 이들은 청구 범위 하에서 WVTR을 결정하는데 사용될 수 있다.
본 개시에 따른 혼합 막은, 제1 전구체 영역에서 TiCl4와 같은 할로겐화물, 제2 전구체 영역에서 TMA와 같은 유기 금속을 이용하고, 산소 라디칼 생성기(예컨대 직접 DC 플라즈마 생성기)를 분리영역에 위치시켜, '348 공보에 개시된 롤-투-롤(roll-to-roll) 증착 시스템에 의해 제조될 수 있다. 일실시예에서, DC 플라즈마 생성기는 제1 및 제2 전구체 영역보다 약간 높은 압력에서 분리 영역을 통해 흐르는 산소-함유 기체(예컨대 질소(N2) 운반 기체의 첨가 또는 미첨가로, 건조 공기, 산소 가스(O2), 이산화탄소(CO2), 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물)에 에너지를 공급하는데 이용된다. 다른 실시예에서, 적층 반응기의 구성은 '900 공보의 도 5에 도시된 5-영역 적층과 함께 다중-영역 적층(multi-zone stack)을 이용할 수 있다. 여기서 TiCl4와 같은 할로겐화물은 상하 전구체 영역에 도입되고 TMA와 같은 유기 금속이 중앙 전구체 영역에 도입되거나, 또는 그 반대로 도입되며, 산소 라디칼은 TiCl4 및 TMA 영역을 분리하는 중간 분리 영역에 도입된 산소-함유 기체로부터 생성된다.
성장률 및 장벽 특성을 포함한 증착 공정은, 약 70℃ 보다 큰 온도를 견딜 수 없는 2축 연신 폴리프로필렌(BOPP)과 같은 가요성 중합체 막 기판의 사용을 용이하게 하는 적어도 약 50℃ 내지 100℃의 범위에서 기판 온도에 비교적 둔감하다.
본 개시에 따른 혼합 금속 산화 막이 Al203 및 많은 다른 단일 금속 산화 장벽 보다 더 안정된 장벽 특성(WVTR, 산소 전송, 등등)을 가질 것이라고 예상된다. 예컨대, 24시간, 48시간, 또는 일주일까지의 범위내의 시간 주기 동안 38℃ 및 90%RH의 테스트 조건에 노출시, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 혼합 AlTiO 막은 초기 정착 수치 이상 50% 미만의 WVTR에서 증가(또는 변경)를 보여주는 것이 예상된다. 또 다른 예상되는 예에서, 노출시 2주 및 30일의 범위내의 시간 주기 동안 38℃ 및 90%RH의 테스트 조건에 노출시, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 혼합 AlTiO 장벽 막은 초기 정착 수치 이상 100 % 미만의 WVTR의 증가를 보여주는 것이 예상된다.
도 3은 가요성 기판(110) 상에 증착된 혼합 AlTiO(100) 단일 박막 장벽 층(또한 편면 장벽 층이라고도 함)의 단면을 도시한다. 도 4는 가요성 기판(110)의 대향면에 증착된 혼합 AlTiO의 제1 및 제2 박막 장벽 층(100 및 200)(또한 양면 장벽이라고도 함)의 단면을 도시한다.
도 5는 이하, 예 1 및 4의 테스트를 수행하는데 사용된 롤-투-롤 증착 시스템의 시제품에 대한 개략도를 제공한다. 이 시스템은 '348 공보에 기재된 시스템과 일치하며, 특히 710 공보의 도 5의 시스템과 일치한다. 본 명세서의 도 5를 참조하여, "루프-모드(loop-mode)" 구성은 기판(110)을 무한 밴드(루프)로 감싸며, 무한 대역은 기판이 중앙 분리 영역(10)으로부터 제1 전구체 영역(20)으로, 다시 분리 영역(10)으로, 제2 전구체 영역(30)으로, 그리고 분리 영역(10)으로 돌아와서 종료되도록 이동함에 따라 각각의 회전에서 두 개의 ALD 싸이클을 실행하는 단일 경로를 포함한다. 기판 웹(110)이 영역들(10, 20, 30) 사이에서 이동할 때, 서로 다른 영역을 분리하는 칸막이 판(40, 50)내에서 단지 슬롯일 뿐인 슬릿 밸브를 통과한다. 이 구성에서, 기판 웹(110)은 폐루프에서 전구체 및 분리 영역을 반복적으로 통과(10->20->10->30)될 수 있다. (이 시스템은, 실험 목적으로 사용된 루프 기판 구성이 공급 롤로부터 흡수 롤에 기판을 운반하는 것을 수반하지 않는 경우에도, 본 명세서에서는 "롤-투-롤" 증착 시스템으로 지칭된다.) 도 5에 도시된 루프 구성에서, 두 개의 플라즈마 생성기(60, 70)가 분리 영역(10)에 사용될 때, 루프 경로의 완전한 횡이동이 두 개의 ALD 증착 싸이클에서 이루어진다. 기판 밴드는 2x ALD 싸이클 - 제1 전구체의 절반 및 제2 전구체의 절반{본 명세서에서 x*(1*TiO2 +1*Al203)로 표현됨}을 달성하기 위해 루프 경로의 X배의 수에 따라 순환된다. 본 명세서에서 도 5의 시스템의 변형된 버전은, 후술되는 바와 같이, 기판의 각 회전상에 단일 ALD만을 실행하는 일부 경우에 있어서, 예 2, 3, 및 5에 따라 테스트 샘플을 생성하는데 이용되었다.
예 1
1:1 싸이클 비율{x*(1*TiO2+1*Al203)}로 혼합된 다양한 두께의 막들은 도 5에 따른 밴드 루프 구성을 갖는 증착 시스템을 이용하고 건조 공기 플라즈마를 이용하며 30 미터/분(m/min)에서 기판을 운반하여 80℃에서 실험적 가동으로 DuPont Tejin Mellinex® ST-504의 기판 상에 증착하였다. 이 운반 속도에서, 기판은 약 1초 동안 TMA 전구체에, 약 0.25초 동안 산소 플라즈마에, 약 1초 동안 TiCl4 전구체에, 그리고 다시 약 0.25초 동안 산소 플라즈마에 노출되었고, 그 후 이 순서가 반복된다. 임의의 장벽 특성을 보이는 최소 막 두께는 9쌍의 증착 싸이클에 의해 달성된 약 2nm 두께이며 {9*(1*TiO2+1*Al203)}로 나타난다. 12쌍(총 24 싸이클)의 경우, 약 3nm의 전체 막 두께를 산출하며, WVTR은 약 0.03g/m2/일이고, 이는 상업적 식품 패키징에 충분히 좋다. 20쌍(총 40 싸이클)의 경우, 약 5nm의 전체 막 두께를 산출하며, WVTR은 모콘 아쿠아트란 시스템(<~5 x 10-4g/m2/일)의 신뢰성 있는 검출 한계 이하이다. 따라서 WVTR의 곡선의 기울기 대 두께가 매우 급격하다. 이에 비해, Al203 또는 TiO2 중 어느 하나는 임의의 장벽 특성이 관찰되기 전에 즉 WVTR의 임의의 개선이 코팅되지 않은 노출된 기판의 WVTR을 초과하여 관찰되기 전에 단독으로 약 3.0 내지 3.5nm가 필요하다. TiO2 막은 아쿠아트란 검출 한계에 신뢰성 있게 도달하기 위해 약 8-10nm 이상의 두께를 가져야 하며, Al203 막은 아쿠아트란 검출 한계 이하에서 WVTR을 보이는 약 20nm 보다 큰 두께를 가져야 한다. 도 1은 본 예에 따른 1:1 비율의 혼합 막과, 동일한 증착 조건 하에서 제조된 TiO2 단일 막의 두께의 함수로서 WVTR을 나타낸 그래프이다. 도 2는 증착 싸이클의 수의 함수로서 동일한 혼합 AlTiO 및 TiO2 막에 대한 WVTR을 비교한다. 도 1 및 도 2의 그래프를 생성하는데 사용된 실험 데이터는 하기의 표 1 및 표 2에서 아래에 명시되어있다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
예 2
각 금속의 연속적인 여러 싸이클은 특성의 손실에 대한 한계를 결정하기 위해 점차적으로 증가되는 연속적인 싸이클의 수로 테스트되었다. 다음 공정에 따라 제조된 막은 상대적으로 유사하게 거동하며, 균질 혼합물을 증명한다:
2*(8*Ti02+8*Al203)
4*(4*Ti02+4*Al203)
8*(2*Ti02+2*Al203)
그러나 공정에 의해 제조된 막 1*(16*TiO2+16*Al203)은 열등한 결과를 낳았고, 이 막에서 상술한 Al203의 안정성 문제는 명백했다.
본 예 2의 실험에서, 도 5에 도시된 실험 반응기의 변형된 구성이 사용되었다. 변형된 구성에서, TiCl4 및 TMA 모두에 대한 전구체 입구는 차단 밸브 각각과 상부 전구체 영역(20)으로 배관되고, 플라즈마 생성기는 산소-함유 전구체가 주입되는, 하부 전구체 영역(30)에 위치된다. 불활성 기체는 분리 영역(10)에 주입된다. 두 밸브 중 하나가 밴드 루프의 여러 회전을 위한 제1 전구체를 도입하기 위해 개방되고, 이때 밸브가 폐쇄되고 상부 전구체 영역은 제2 전구체를 이용하여 여러 싸이클 동안 다른 밸브를 개방하기 전에 불활성 기체로 치환하며, 공정은 필요한 만큼 반복된다.
예 3
1:3 및 3:1 몰비, 즉, N*(1*TiO2+3*Al203) 및 N*(3*TiO2+1*Al203)를 갖는 혼합물 TiO2/Al203은, 상기 예 2에 기재된 밸브-제어 반응기 과정에 따라 제조되고, 그들의 WVTR이 테스트되었다. 비교 가능한 두께의 막의 경우, TiO2가 풍부한 막은 1:1 비율의 막과 유사하며 양호한 장벽 성능(낮은 WVTR)을 보였지만, Al203가 풍부한 혼합물은 상술한 장기 안정성 문제와 1:1 비율의 AlTiO 막 또는 3:1 비율의 TiO2가 풍부한 막 보다 훨씬 높은 최종적인 WVTR을 나타냈다.
예 4
기판 운반 속도가 약 15 미터/분(대략 두 배가 되는 전구체 및 플라즈마 노출 시간에서 얻어진, 예 1의 속도의 절반)으로 감소된 것 외에는, 예 4에 적용된 테스트 공정은 본질적으로 예 1에서와 동일한 공정이었다. 다른 조건은 다음을 포함한다: 65℃의 기판 온도, 약 1.4 토르(Torr)의 압력에서의 건조 공기 플라즈마, 도 2를 참조하여 '710 공보에 기재된 "REALD"구성에서 동작하며 - 상부 영역의 TMA, 하부 영역의 TiCl4, 중앙 분리 영역의 두 개의 플라즈마 전극(60, 70)(도 6)을 갖는 밴드 루프 모드, 60cm 길이로 약 50cm 넓이의 각 전극, 두 전극 사이에 분배된 약 140W DC의 전체 플라즈마 전력.
15 미터/분으로 감소된 운반 속도에서, 한 쌍(1*TiO2+1*Al203)의 싸이클 동안 성장률은 한 쌍당 약 0.3 내지 0.33nm 만큼 증가되며, 30 미터/분에서 부족 주입(underdosing)이 발생하는 것을 나타낸다. 표면 포화는 대략 15 미터/분 정도에서 달성되고, 성장률은 15 미터/분 이하의 속도에서 증가하는 것은 관찰되지 않았다. 흥미롭게도, 15 미터/분의 기판 속도에서 박막 성장률은 Al203 또는 TiO2 막의 정상 상태 증착의 평균에서 예상되는 것 보다는 높다(Al203을 위한 0.16nm 및 TiO2를 위한 0.10nm - 한 쌍당 총 0.26nm). 임의의 장벽 특성의 개시에 대한 중요한 필수 두께는 변경되지 않으며 약 2nm로 유지한다. 그러나 아마도 부분적으로 싸이클 당 성장률이 증가되므로, 예 1의 조건 하에서 2*18쌍(총 36 싸이클)과 비교해서, 5x10-4g/m2/일 미만의 WVTR은 2*15쌍, 또는 총 30 싸이클 만큼 낮은 싸이클 산출로 달성될 수 있다.
예 5
또다른 테스트에서, 혼합 AlTiO 막은 세 단계로 증착되었고, 여기서 기판은 단지 두 개의 금속 전구체 중 하나 이후에 건조 공기 플라즈마에 노출된다(예컨대 TMA-> 플라즈마 -> TiCl4 -> TMA-> 플라즈마 -> TiCl4 -기타 등등). 즉, 도 6의 밴드 루프 시스템의 플라즈마 생성기(60, 70) 중 하나가 비활성화된다. 놀랍게도, 이러한 3 단계 공정에 의해 증착된 막은 두 개의 금속 산화물 막 중 하나만(예컨대 단독의 Al203)을 형성하기 위한 공정에 의해 만들어진 것들처럼 거동하지 않았다. 이들 3 단계 공정에 관한 데이터를 아래의 표 3A 및 표 3B에 명시된다.
[표 3A]
Figure pct00003
[표 3B]
Figure pct00004
특히, 각각의 상기 3 단계의 수순(sequences)에 대한 성장률은 단독의 TiO2 또는 Al203 중 어느 하나에 대한 것 보다 크며, 직접 반응될 수 있는 TMA 및 TiCl4를 제안하며, 할로겐화물 및 금속 알킬에 순차적 노출에 관한 특유의 화학적 성질을 나타낸다. 3 단계 "TMA+플라즈마+TiCl4" 수순은 4 단계 수순에서의 산화물의 전체 쌍과 동일한 성장률로 산출되며, 여기서 기판은 각 금속 전구체(예컨대, TMA+플라즈마+TiCl4+플라즈마) 이후에 노출되며, 단독의 개별 산화물 중 어느 하나 보다 훨씬 좋은 장벽 특성을 가진다. 예컨대, 3 단계 공정 "TMA+플라즈마+TiCl4"에 의해 산출된 장벽 특성은 4 단계 공정에서 얻어진 특성만큼이나 좋다.
많은 변경이 본 발명의 기본 원리를 벗어남이 없이 상술한 실시예의 세부 사항으로 이루어질 수 있다는 것은 이 기술 분야의 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 단지 후속하는 청구 범위에 의해서만 결정되어야 한다.
10: 중앙 분리 영역 20: 제1 전구체 영역
30: 제2 전구체 영역 40, 50: 칸막이 판
60, 70: 플라즈마 생성기 100: 제1 박막 장벽 층
110: 가요성 기판 200: 제2 박막 장벽 층

Claims (18)

  1. 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법으로서,
    100℃ 미만으로 상기 기판의 표면 온도를 유지하면서, 적어도 2 nm의 두께를 갖는 막이 상기 기판 상에 형성 될 때까지 다음 수순(sequence)의 단계를 여러 번 반복하는, 방법에 있어서,
    (a) 기판을 할로겐화물 또는 유기 금속 중 어느 하나에 노출하는 단계;
    (b) 단계 (a) 이후에, 상기 기판을 산소 플라즈마에 노출하는 단계; 및
    (c) 기판을 할로겐화물 및 유기 금속 중 다른 하나에 노출하는 단계를 포함하는,
    기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계들의 수순은 단계 (c) 이후에 기판을 산소 플라즈마에 노출하는 단계 (d)를 더 포함하는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    단계 (c)를 수행하기 전에 단계 (a) 및 (b)의 서브(sub)-수순으로 여러 번 반복되는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 전구체 영역에 할로겐화물 기체를 도입하는 단계;
    제1 전구체 영역으로부터 이격된 제2 전구체 영역에 유기 금속 기체를 도입하는 단계;
    제1 및 제2 전구체 영역에서의 압력보다 약간 높은 분리 영역에서의 압력을 생성하도록 제1 및 제2 전구체 영역 사이에 개재된 분리 영역으로 산소-함유 기체를 도입하는 단계;
    기판과 전구체 영역 사이의 상대 운동을 전달하는 단계; 및
    산소 플라즈마를 발생시키도록 기판에 근접하여 분리 영역에 산소-함유 기체를 활성화시키는 단계를 더 포함하는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    기판은 상기 분리 영역을 통해 여러 번, 및 매번 제1 및 제2 전구체 영역 사이의 앞뒤로 운반되는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    수행된 단계 (a)의 횟수와 수행된 단계 (b)의 횟수의 비율은 1:1 및 3:1 사이이며, 단계 (a)는 기판을 할로겐화물에 노출하는 단계를 포함하는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    단계 (b)는 적어도 0.25초 동안 기판을 산소 플라즈마에 노출하는 단계를 포함하는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    기판의 표면 온도는 장벽 층의 증착 동안 50℃ 및 80℃ 사이로 유지되는, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    기판은 가요성 BOPP 막인, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    할로겐화물은 TiCl4이고 유기 금속은 TMA인, 기판 상에 장벽 층을 증착하는 방법.
  11. 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층으로서,
    장벽 층은 8nm 미만의 전체 두께를 가지며 AlTiO 혼합물을 포함하고, 장벽 층은 5x10-4g/m2/일 미만의 수증기 투습도를 갖는,
    가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전체 두께가 6nm 미만인, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  13. 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층으로서,
    장벽 층은 10nm 미만의 전체 두께를 가지며 AlTiO 혼합물을 포함하고, 장벽 층은 5x10-6g/m2/일 미만의 수증기 투습도를 갖는,
    가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  14. 제 13 항에 있어서,
    전체 두께가 8nm 미만인, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  15. 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층으로서,
    장벽 층은 4nm 미만의 전체 두께를 가지며 AlTiO 혼합물을 포함하고, 장벽 층은 0.005g/m2/일 미만의 수증기 투습도를 갖는,
    가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    장벽 층의 굴절률은 2.0 미만인, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  17. 제 11 항 내지 제 15 항에 있어서,
    장벽 층 내에 AlTiO 혼합물은 1.5nm 두께 보다 큰 알루미나 또는 티타니아의 개별 서브 층(sublayer)이 없는, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
  18. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    장벽 층은 1:1 내지 1:3의 범위에서 알루미나 대 티타니아 비율을 갖는, 가요성 중합체 기판 상에 증착된 장벽 층.
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