TW201718917A - 使用電漿作為間接加熱媒介之氣相沉積裝置及方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示用於在基板上沉積塗層之氣相沉積裝置及方法。該裝置包括含有電漿之加熱室及含有蒸發物源之蒸發物室。蒸發物係藉由經該電漿加熱該蒸發物源而產生。該加熱室與該蒸發物室隔開且與該蒸發物室導熱連接。該方法包括將電漿施加至加熱室；藉由自該電漿傳遞足以自該蒸發物源產生蒸發物之量的熱來加熱蒸發物源；且使該蒸發物或其反應產物於該基板表面上凝結以於其上形成塗層。該電漿維持與該蒸發物源及該蒸發物分離。

Description

使用電漿作為間接加熱媒介之氣相沉積裝置及方法

本發明係關於使用氣相沉積於基板上形成塗層之裝置及方法。

氣相沉積係眾所周知且廣泛使用之技術，其用於尤其在需要具有高均勻性、低缺陷率及其他要求性能特性之薄(＜1微米厚度)塗層之技術領域中之基板的塗佈。氣相沉積製程通常在最廣泛意義上涉及藉由將能量(例如熱)施加至蒸發物源形成蒸發物、然後藉助蒸發物或其反應產物之凝結於基板上形成塗層以於基板表面上形成層。 在利用氣相沉積製程用於使用塗佈材料(例如金屬或陶瓷)塗佈基板時，通常需要超過1000℃之溫度以自蒸發物源產生蒸發物。舉例而言，氟化鎂於聚合物膜基板上之沉積需要將氟化鎂蒸發物源加熱至1400℃以上之製程溫度。在先前技術氣相沉積製程中，此高溫加熱通常使用通常作為施加高電流負載(一般性地數十或數百安培或更高)之線型加熱器之一部分的電阻加熱元件來達成。此等電流負載僅可藉助昂貴、龐大且在使用期間需要冷卻之大型電纜來施加。此外，此等大負載在加熱元件上之多個點處之遞送通常沿元件產生不期望之溫度梯度。使用線型電阻加熱器以自蒸發物源產生蒸發物亦由於需要冷卻連接電纜而具有不均勻之溫度梯度及蒸發物通量分佈之缺點。 電漿可在需要在延伸之區域上均勻施加能量或熱之製程(包括塗佈製程，例如真空沉積)中用作熱源或能量源。舉例而言，如美國專利第6,444,945號中所揭示，電漿係在氣體中產生，其與自真空沉積源之排放組合以於基板上形成塗層(參見第64列第9行)。更一般而言，在已知之「電漿增強之物理氣相沉積」(PEPVD)製程或「電漿增強之化學氣相沉積」(PECVD)製程中，電漿可連同物理氣相沉積一起使用。在兩種先前技術製程中，電漿與蒸發物、蒸發物源及欲塗佈之基板中之一或多者接觸並相互作用或反應。 儘管此等相互作用及反應有時係此塗佈製程之期望組成部分(component)，但在其他情形中其可產生不期望且有害的效應。舉例而言，蒸發物與電漿之間之反應可根本上改變蒸發物之化學結構或使其降解，且所得塗層具有與所期望者不同的組成或具有差的品質。類似地，蒸發物源與電漿之間之接觸及反應可在形成蒸發物之前不期望地改變蒸發物源在其表面處之化學組成，從而再次改變所得塗層之性質或品質。另外，電漿與蒸發物之接觸及相互作用可對電漿性質具有不利效應。在其中塗層之組成意欲匹配蒸發物及蒸發物源之組成之製程中，電漿及/或塗層中之此等改變尤其有問題。此外，在某些條件下，電漿可損壞欲塗佈之基板且因此損壞最終經塗佈產品之品質。此外，在產生電漿所需之電極暴露於蒸發物之製程及裝置中，蒸發物於該等電極上之不期望沉積可阻礙電漿產生製程以及降低塗佈效率。作為該等製程中之更一般問題，塗層變化及基板損壞可由製程區中不均勻之溫度梯度及電漿條件引起。 因此，業內持續需要於基板上有效地產生期望組成之高品質、均勻塗層之經改良氣相沉積裝置及製程。

本發明係關於利用電漿作為間接加熱媒介以自蒸發物源產生蒸發物之氣相沉積裝置。該裝置包括含有電漿之加熱室及含有蒸發物源之蒸發物室。蒸發物係藉由經電漿加熱蒸發物源在蒸發物室中產生。加熱室與蒸發物室隔開且與蒸發物室導熱連接。 本發明進一步係關於於基板上沉積塗層之方法，該方法包括將電漿施加至加熱室；自電漿將足以自蒸發物源產生蒸發物之量的熱至施加蒸發物源；及使蒸發物或其反應產物於基板表面上凝結以於其上形成塗層；其中電漿維持與蒸發物源及蒸發物分離。 藉由使加熱室與蒸發物室隔開及電漿與蒸發物及蒸發源相應分離，本發明裝置及方法消除與電漿與蒸發物及蒸發物源接觸、相互作用及潛在反應相關之缺點。 本發明之其他態樣係如本文所揭示且主張。

如圖1至4中所圖解說明，本發明之第一態樣係關於利用電漿作為間接加熱媒介以自蒸發物源產生蒸發物之氣相沉積裝置。本發明之氣相沉積裝置100包括蒸發物產生總成102。總成102包括含有電漿(一般性地顯示於110處)之加熱室105；蒸發物源115；及含有蒸發物源115之蒸發物室125。蒸發物(一般性地顯示於在蒸發物室內之130處且作為流190藉助孔口150離開蒸發物產生總成102)係藉由經電漿110加熱蒸發物源115自蒸發物源115產生。端視蒸發物源115之物理狀態及類型，其可直接置於室125內或可保持於可選蒸發物源保持器120中，當使用時，其保持於蒸發物源115中。蒸發物源保持器120在蒸發物源係可流動材料之情形下可係(例如)坩堝或在蒸發物源係較佳不與蒸發物室125接觸之固體之情形下係內襯。 本發明裝置之重要態樣在於加熱室105與蒸發物室125隔開。此外，由於使用來自電漿之熱能來加熱蒸發物源以形成蒸發物，故加熱室105與蒸發物室導熱連接。如本文所用關於加熱室與蒸發物室之間之關係，術語「與...隔開」意指加熱室所含之空間或體積與蒸發物室所含之空間或體積係離散的，使得在蒸發物或蒸發物源中之任一者存在於蒸發物室125中之情況下，電漿不會且不能與蒸發物或蒸發物源物理接觸或相互作用或化學反應。如本文所用關於加熱室與蒸發物源之間之關係，片語「與...導熱連接」意指熱能可藉助一或多種熱傳遞機制在加熱室中之電漿與蒸發物室中所含之蒸發物源之間傳遞。 由於本發明裝置可用於施加塗層至(或形成塗層於)基板上，故本發明裝置較佳進一步包括基板塗佈站135。在基板塗佈站135處塗佈之基板140可係業內認為使用習用氣相沉積製程可塗佈之任何基板。適宜基板之實例包括玻璃及聚合膜。基板140之至少一個表面145於基板塗佈站135處經放置與蒸發物190接觸，使得蒸發物於表面145上凝結且於其上形成塗層。基板塗佈站135較佳毗鄰蒸發物室125；然而，熟習此項技術者將理解，在某些實施例中可期望塗佈站135位於蒸發物室125內。裝置較佳進一步包括使用既定強度之至少一個離子流(具有總強度C之多個離子流一般性地顯示於圖1之170處)處理基板140之表面145之至少一個離子源165。更具體而言，離子源165發射加速之離子流，其(i)在基板與蒸發物190接觸的同時處理基板140之表面145或(ii)在塗層形成期間或在塗層形成後不久處理藉由蒸發物凝結於基板140之表面145上所形成之塗層。離子流170使藉由蒸發物凝結於基板140之表面145上所形成之塗層緻密(藉助減小孔隙度)且改良其黏附。較佳地，離子源係經提供用於調諧或調整且然後選擇離子流之強度(電流)之可調諧離子源。離子流之強度藉助孔隙度操縱與塗層密度相關，使得離子流強度可經調整及/或調諧且然後選擇以使得達成期望之塗層緻密化程度。可用於本發明中之離子源為業內所熟知且係自(例如) Kauffman & Robinson以名稱End Hall Ion Source市面購得。 在圖1中所示之尤佳實施例中，基板140係網狀物或膜，具體而言聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜。在此實施例中，塗佈站135可包括具有進給輥155及捲取輥160之捲對捲載體，其用於在塗佈站135內傳送基板140。 儘管熟習此項技術者將理解，電漿可在單獨裝置中單獨產生並輸送至加熱室105，但本發明裝置較佳亦包括至少一個電漿源175以產生包含於加熱室105中之電漿110。如本文所用術語，電漿意欲包括其中顯著百分比之原子或分子經電離之任何氣態材料。如業內已知，將電漿視為較高能態之物質，其中存在帶正電荷之粒子及帶負電荷之粒子二者，形成準中性氣體。電漿源為業內所熟知且通常由與氣體接觸且連接至相對高電壓之電極製得。電漿源175可選自業內熟知之任何電漿產生器，包括空心陰極、雙極空心陰極型(例如受讓於本發明受讓人之美國專利第6,444,945號中所揭示者)、輝光放電或其他適宜類型。空心陰極電漿產生器係較佳的。電漿源之電源可係DC或AC電流。電漿源175在形式上可係「點型」或「線型」且裝置可包括多個電漿源。較佳電漿源175與本發明裝置成整體。 本發明之重要態樣在於，由於電漿不與蒸發物130或蒸發物源115物理接觸、相互作用或反應，故可能由此接觸、相互作用或反應引起之實質上影響電漿源選擇之任何限制均毫無意義。 蒸發物源115視情況保持於蒸發物源保持器120中。術語「保持器」不欲具有限制性，但包括能夠主動地固持、保持或扣緊蒸發物源之任何結構以及能夠被動地容納或支撐蒸發物源之結構。實例包括由石墨、耐火金屬、金屬氧化物及其組合製得之內襯及坩堝。 蒸發物源保持器120較佳位於室125內，使得蒸發物源115容納於蒸發物室125中。在此實施例中，蒸發物室125及加熱室105由壁185隔開。隔開加熱室105及蒸發物室125之壁185可係加熱室105及蒸發物室125中之一者或兩者之整體組件或可係單獨結構且較佳自諸如石墨等高熱傳遞材料形成。 熟習此項技術者將理解，用於構築本發明裝置及其組件之材料將基於許多因素選擇，該等因素包括(例如)化學反應性及相容性、系統操作條件及溫度。舉例而言，諸如鎢、鈮、鉭及諸如此類等材料將為較高溫度(例如1400℃)操作條件所需，而用於較低溫度(例如600℃)操作條件中之裝置可自不銹鋼、鈦及諸如此類來構築。 在首要關注最終塗層均勻性之公共設施中，本發明氣相沉積裝置之較佳實施例可包括具有多個加熱室、多個蒸發物室或二者之蒸發物產生總成。在此實施例中，多個蒸發物流190之輸出可改變及/或可重疊，藉此最小化來自製程參數(例如氣體分佈形狀、氣體壓力、源幾何形狀、個別蒸發流速率之差異及諸如此類)之變化性之潛在影響。借助非限制性實例，繪示於圖3中之蒸發物產生總成102包括兩個各自由壁185與單一蒸發物室125隔開之加熱室105，而繪示於圖4中之蒸發物產生總成102包括單一加熱室105及兩個各自由壁185與加熱室105隔開之蒸發物室125。 蒸發物源115可自塗佈領域中已知作為習用沉積製程之蒸發物源之材料選擇。實例包括金屬、金屬氧化物、氟化物及硫化物。蒸發物源115可呈固體或液體形式。 在一實施例中，蒸發物130實質上係與已不經化學反應轉化為氣態或蒸氣之蒸發物源115相同之材料或組合物。因此，此實施例之適宜蒸發物之實例包括金屬、金屬氧化物、氟化物及硫化物。在另一實施例中，蒸發物係藉由蒸發物與通常呈氣體或蒸氣形式之反應物反應而形成之蒸發物反應產物，該反應物在蒸發物產生時存在或在蒸發物形成時或之後有意放置以與蒸發物反應性接觸、更佳藉由在流190附近注射反應物。任何蒸發物反應產物之化學組成將取決於許多因素，包括(例如)蒸發物及反應物之選擇，且可包括(例如)氧化物、氮化物或類似材料。 儘管上文已在氣相沉積技術之情形中闡述本發明裝置，但熟習此項技術者應瞭解，尤其關於使用電漿作為加熱媒介，本發明之總成102提供用於蒸發物源之非接觸電漿加熱以形成蒸發物之可用裝置。因此，如圖2、3及4中所繪示，此一裝置將包括含有電漿之加熱室105及含有蒸發物源115之蒸發物室125。在本發明之非接觸電漿加熱之裝置中，蒸發物130係藉由經電漿110加熱蒸發物源115而產生且加熱室與蒸發物室隔開且與蒸發物源導熱連接。 本發明之另一態樣係用於在基板上沉積塗層之方法。在基板上沉積塗層之方法包括將電漿施加至加熱室；藉由自電漿傳遞足以自蒸發物源產生蒸發物之量的熱來加熱蒸發物源；及使蒸發物於基板表面上凝結以於其上形成塗層。電漿維持與蒸發物源及蒸發物分離。如本文所用，片語「維持與…分離」意指不會且不能物理接觸或相互作用或化學反應。因此，本發明方法中之電漿不會且不能與蒸發物或蒸發物源物理相互作用或接觸或化學反應。 將蒸發物源加熱至在適宜於基板上形成塗層之蒸氣壓力下足以產生蒸發物之溫度。該方法較佳包括將溫度維持在根據需要蒸發物源所加熱到之溫度以獲得於基板上連續凝結之蒸發物之恆定通量。如業內已知，此等溫度將部分地根據蒸發物源之選擇及其初始物理狀態而改變。尤其有利的塗層可藉由選擇需要加熱步驟以產生高於2000℃之蒸發物之蒸發物源而形成；然而，適宜塗層可藉由選擇需要加熱步驟以產生600℃至2200℃、較佳1000℃至2200℃且更佳1400℃至2200℃之蒸發物之蒸發物源而形成。 在包括形成蒸發物反應產物之本發明方法之實施例中，該方法包括藉由在凝結步驟之前或與凝結步驟同時使蒸發物與反應物反應形成蒸發物反應產物。通常呈氣體或液體形式之反應物可在蒸發物產生時存在，或可在蒸發物形成時或之後(例如)藉由在蒸發物流附近注射反應物經放置與蒸發物反應性接觸。 在其中該方法係用於將塗層沉積於網狀物或膜基板、具體而言聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膜基板上之方法之實施例中，該方法可另外包括在凝結步驟的同時將基板自進給輥155進給至捲取輥160。在此實施例中，本發明方法可單獨或與進給步驟組合進一步包括自至少一個離子源165在基板140之表面145處發射具有一定強度之至少一個離子流(具有強度C之多個離子流一般性地顯示於圖1之170處)連同使蒸發物於基板140之表面145上凝結以於其上形成塗層。如先前所述，離子流170使藉由蒸發物凝結於基板140之表面145上而形成之塗層緻密且改良其黏附。當由蒸發物190與反應物反應以形成蒸發物反應產物而造成塗層組成不同於蒸發物190之組成時，離子流170亦可改良反應速率。該方法可進一步包括選擇離子流之強度以使得達成期望之塗層緻密化程度。

100‧‧‧氣相沉積裝置
102‧‧‧總成；蒸發物產生總成
105‧‧‧加熱室；單一加熱室
110‧‧‧電漿
115‧‧‧蒸發物源
120‧‧‧可選蒸發物源保持器；蒸發物源保持器
125‧‧‧蒸發物室；室；單一蒸發物室
130‧‧‧蒸發物
135‧‧‧基板塗佈站；塗佈站
140‧‧‧基板
145‧‧‧表面
150‧‧‧孔口
155‧‧‧進給輥
160‧‧‧捲取輥
165‧‧‧離子源
170‧‧‧離子流
175‧‧‧電漿源
185‧‧‧壁
190‧‧‧蒸發物流；蒸發物；流

圖1係包括本發明之蒸發物產生總成之本發明氣相沉積裝置之實施例之部分橫截面示意圖； 圖2係本發明蒸發物產生總成之實施例之部分橫截面示意圖； 圖3係本發明蒸發物產生總成之實施例之部分橫截面示意圖，其中該總成包括多個加熱室及單一蒸發物室；及 圖4係本發明蒸發物產生總成之實施例之部分橫截面示意圖，其中該總成包括電漿源、單一加熱室及多個蒸發物室。

100‧‧‧氣相沉積裝置

102‧‧‧總成；蒸發物產生總成

105‧‧‧加熱室

110‧‧‧電漿

115‧‧‧蒸發物源

120‧‧‧可選蒸發物源保持器；蒸發物源保持器

125‧‧‧蒸發物室；室

130‧‧‧蒸發物

135‧‧‧基板塗佈站；塗佈站

140‧‧‧基板

145‧‧‧表面

150‧‧‧孔口

155‧‧‧進給輥

160‧‧‧捲取輥

165‧‧‧離子源

170‧‧‧離子流

175‧‧‧電漿源

185‧‧‧壁

190‧‧‧蒸發物流；蒸發物；流

Claims (20)

1. 一種氣相沉積裝置，其用於在基板上形成塗層且利用電漿作為間接加熱媒介以自蒸發物源產生蒸發物，該裝置包含(i)含有該電漿之加熱室及(ii)含有蒸發物源之蒸發物室； 其中蒸發物係藉由經該電漿加熱該蒸發物源來產生且其中該加熱室與該蒸發物室隔開且與該蒸發物室導熱連接。
2. 如請求項1之裝置，其進一步包含至少一個電漿源。
3. 如請求項1之裝置，其進一步包含毗鄰該蒸發物室之基板塗佈站。
4. 如請求項1之裝置，其進一步包含在該蒸發物室內之基板塗佈站。
5. 如請求項3之裝置，其中該基板塗佈站包含捲對捲載體，其包括進給輥及捲取輥以用於在該基板塗佈站內傳送該基板。
6. 如請求項3之裝置，其進一步包含至少一個用於利用離子流處理該塗層或該基板表面之離子源。
7. 如請求項5之裝置，其進一步包含至少一個用於利用離子流處理該塗層或該基板表面之離子源。
8. 如請求項6之裝置，其中該離子源係經提供用於調諧或調整該離子流之強度之可調諧離子源。
9. 如請求項1之裝置，其進一步包含容納於該蒸發物室內之蒸發物源保持器。
10. 一種用於在基板上沉積塗層之方法，該方法包含將電漿施加至加熱室；藉由自該電漿傳遞足以自蒸發物源產生蒸發物之量的熱來加熱該蒸發物源；且使該蒸發物或其反應產物於該基板表面上凝結以於其上形成塗層； 其中該電漿維持與該蒸發物源及該蒸發物分離。
11. 如請求項10之方法，其中該加熱步驟包含將該蒸發物源加熱至在適宜於該基板上形成塗層之蒸氣壓力下足以產生蒸發物之溫度。
12. 如請求項10之方法，其進一步包含如所要求維持該溫度以獲得連續凝結於該基板上之該蒸發物之恆定通量。
13. 如請求項11之方法，其中該溫度高於2000℃。
14. 如請求項11之方法，其中該溫度係介於600℃與2200℃之間。
15. 如請求項11之方法，其中該溫度係介於1400℃與2200℃之間。
16. 如請求項10之方法，其進一步包含藉由在該凝結步驟之前或與其同時使該蒸發物與反應物反應來形成蒸發物反應產物。
17. 如請求項10之方法，其進一步包含與該凝結步驟同時將該基板自進給輥進給至捲取輥。
18. 如請求項10之方法，其進一步包含與該凝結步驟同時在該基板表面處發射至少一個離子流。
19. 如請求項17之方法，其進一步包含與該凝結步驟同時在該基板表面處發射至少一個離子流。
20. 如請求項18之方法，其進一步包含選擇該離子流之強度以使得達成期望之塗層緻密化程度。