TWI480412B - 在可滲透基板上沈積材料之薄層 - Google Patents
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Description
本發明係關於藉由將前體注射至一可滲透基板上而在該可滲透基板上沈積一或多個材料層。
本申請案依據35 U.S.C.§ 119(e)主張在2011年2月18日提出申請之第61/444,658號共同待決美國臨時專利申請案之優先權,該專利申請案以全文引用的方式併入本文中。
諸如隔膜及織物之可滲透基板具有各種應用。可給可滲透基板沈積某些材料以增強或修改基板之各種特性。舉例而言,在可滲透基板中,某些應用需要高熔點及高強度。為獲得所要特性,可給可滲透基板沈積具有高於該等可滲透基板之一熔點及強度之材料。
可滲透基板之應用包含其用作可再充電電池(例如,鋰離子電池)中之分離器。經常藉由將粉末沈積至一多孔聚乙烯隔膜上來形成此等分離器。聚乙烯隔膜通常具有約25 μm或更小之一厚度、小於1 μm之孔隙大小及約40%或更小之孔隙率。藉由將粉末(例如,Al2
O3
)沈積至聚乙烯隔膜上,聚乙烯隔膜甚至在一高溫度中仍可保持其形狀。為了防止由於不充分塗佈而使聚乙烯隔膜過早熔化,在聚乙烯隔膜上將粉末塗佈至一顯著厚度。由於隔膜之厚度,可再充電電池之包裝密度降低(亦即,電池之大小增加)。
在諸如面紙或尿布之其他應用中,除高強度及熔點以外,亦需要抗水。可藉由將氧化物(諸如Al2
O3
或TiO2
)、氮
化物(諸如SiN)及碳材料(諸如石墨烯)沈積至紙上達數十埃或數百埃之範圍內之一厚度來達成此特性。
與將材料沈積至基板上相關聯之成本或時間可係顯著的,從而增加與製造可滲透基板相關聯之總體成本或時間。此外,所沈積材料之品質可能低於所要品質,從而降低產品之品質或增加產品中所需要的可滲透基板之量。
實施例係關於藉由使用包含面向彼此之兩個反應器之一沈積裝置在一可滲透基板上沈積一材料層。一個反應器面向可滲透基板之一個表面且注射前體至可滲透基板之該表面上。另一反應器面向可滲透基板之另一表面且注射相同或不同前體至可滲透基板之另一表面上。由第一反應器或第二反應器注射之前體之至少部分穿透可滲透基板且由第二反應器或第一反應器排出。
在一項實施例中,該沈積裝置進一步包含用於引起可滲透基板與第一反應器及第二反應器之間的相對移動之一機構。
在一項實施例中,該反應器包括經組態以注射前體至該表面上之一第一注射器,且另一反應器包含經組態以注射另一類型之前體至可滲透基板之另一表面上之一第二注射器。第一注射器及第二注射器中之每一者包含形成有面向可滲透基板之一反應室之一主體。
在一項實施例中,該主體進一步形成有經組態以排出前體之過量部分之一排放部分,及連接排放部分與反應室之
一收縮區。該收縮區可具有小於反應室之2/3之一高度。
在一項實施例中,該反應器進一步包含經組態以注射前體至可滲透基板之表面上之一第三注射器。另一反應器進一步包含經組態以注射相同或不同前體至可滲透基板之另一表面上之一第四注射器。
在一項實施例中,該裝置藉由注射前體來執行原子層沈積(ALD)或分子層沈積(MLD)。
實施例亦係關於一種在一可滲透基板上沈積材料之方法。藉由面向可滲透基板之一表面之一第一反應器注射一第一前體至可滲透基板之該表面上。藉由面向可滲透基板之另一表面之一第二反應器注射一第二前體至可滲透基板之另一表面上。藉由第二反應器排出穿透可滲透基板之第一前體之至少部分。
本文中參照隨附圖式闡述實施例。然而,可以諸多不同形式體現本文中所揭示之原理且不應將本文中所揭示之原理視為限於本文中所闡明之實施例。在說明中,可省略眾所周知的特徵及技術之細節以避免不必要地使實施例之特徵模糊不清。
在圖式中,圖式中之相同元件符號表示相同元件。為清晰起見,可擴大圖式之形狀、大小及區域以及類似物。
實施例係關於藉由使一可滲透基板在一組反應器之間通過而在該可滲透基板上沈積一材料層。當該可滲透基板在該等反應器之間通過時,該等反應器可注射源前體、反應
物前體、吹掃氣體或其一組合至該可滲透基板上。由一反應器注射之該氣體之部分穿透該可滲透基板且由另一反應器排出。由該反應器注射之剩餘氣體平行於該可滲透基板之表面移動且經由形成於該同一反應器上之一排放部分排出。在穿透該基板或平行於該表面移動時,該源前體或該反應物前體被吸收於該基板上或與已存在於該基板上之前體反應。
本文中所闡述之可滲透基板係指具有一平面結構之一基板,其中注射在基板之一側上之氣體或液體之至少部分可穿透至基板之相對側。除其他以外,可滲透基板亦包含紡織品、隔膜及織物以及織網。可滲透結構可由各種材料(除其他材料以外,亦包含紙、聚乙烯、多孔金屬、毛料、棉絮及亞麻)製成。
圖1係根據一項實施例之一沈積裝置100之一透視圖。除其他組件以外,沈積裝置100亦可包含一上部反應器130A及一下部反應器130B。一可滲透基板120自左向右移動(如箭頭114所指示)且在上部反應器130A與下部反應器130B之間通過,可滲透基板120沈積有一材料層140。整個沈積裝置100可包封在一真空中或一加壓容器中。雖然沈積裝置100係圖解說明為在基板120水平移動時於該基板上沈積材料,但沈積裝置100可經定向以便在基板120垂直地或沿一不同方向移動時沈積層140。
上部反應器130A連接至供應前體、吹掃氣體及其一組合至上部反應器130A中之管142A、146A、148A。排放管
152A及154A亦連接至上部反應器130A以自上部反應器130A之內部排出過量前體及吹掃氣體。上部反應器130A使其下部表面面向基板120。
下部反應器130B亦連接至管142B、146B、148B以接收前體、吹掃氣體及其一組合。排放管(例如,管154B)亦連接至下部反應器130B以自下部反應器130B之內部排出過量前體及吹掃氣體。下部反應器130B使其上部表面面向基板120。
在基板120於上部反應器130A之下部表面與下部反應器130B之上部表面之間自左向右移動時,沈積裝置100可對該基板執行原子層沈積(ALD)、分子層沈積(MLD)或化學汽相沈積(CVD)。ALD係藉由在基板上注射源前體隨後在基板上注射反應物前體來執行。除了形成於基板上一合成聚合物以外,MLD與ALD實質上相同。在CVD中,將源前體及反應物前體在注射至基板120上之前混合。沈積裝置100可基於供應至反應器130A、130B之氣體及其他操作條件而執行ALD、MLD或CVD中之一或多者。
圖2係根據一項實施例沿圖1之線A-B截取的沈積裝置100之一剖視圖。除其他組件以外,上部反應器130A亦可包含一源注射器202及一反應物注射器204。源注射器202連接至管142A以接收源前體(組合了諸如氬氣之載體氣體),且反應物注射器204連接至管148A以接收反應物前體(組合了諸如氬氣之載體氣體)。可經由一分開的管(例如,管146A)或經由供應源前體或反應物前體之管注射載體氣
體。
源注射器202之主體210形成有一溝渠242、若干穿孔(例如,孔或狹縫)244、一反應室234、一收縮區260及一排放部分262。源前體經由溝渠242及穿孔244流入反應室234中,且與可滲透基板120反應。源前體之部分穿透基板120且經由形成於下部反應器130B上之一排放部分268排出。剩餘源前體平行於基板120之表面流過收縮區260且排出至排放部分262中。該排放部分係連接至管152A且將過量源前體排出注射器202。
當源前體流過收縮區260時,由於源前體在收縮區260中之較高速度,自基板120之表面移除過量源前體。在一項實施例中,收縮區260之高度M小於反應室234之高度Z之2/3。此高度M對於自基板120之表面移除源前體係合意的。
反應物注射器204具有類似於源注射器202之一結構。反應物注射器204接收反應物前體且將反應物前體注射至基板120上。源注射器204具有形成有一溝渠246、若干穿孔248、一反應室236、一收縮區264及一排放部分266之一主體214。反應物注射器204之此等部分之功能及結構與源注射器202之對應部分實質上相同。排放部分266連接至管154B。
下部反應器130B具有類似於上部反應器130A之一結構,但具有面向與上部反應器130A相反之一方向之一上部表面。下部反應器130B可包含一源注射器206及一反應器
注射器208。源注射器206經由管142B接收源前體且將源前體注射至基板120之後表面上。源前體之部分穿透基板120且經由排放部分262排出。剩餘源前體平行於基板120之表面流入排放部分268中且自源注射器排出。
反應器注射器208之結構與反應器注射器204實質上相同,且因此,本文中為簡潔起見而省略其詳細說明。
沈積裝置100亦可包含用於移動基板120之一機構280。機構280可包含一馬達或一致動器,其如圖2中所圖解說明向右方向拉動或推動基板120。在基板120逐漸向右移動時,基板120之實質上整個表面係曝露於源前體及反應物前體,因此將材料沈積在基板120上。
藉由具有一組對置反應器,源前體及反應物前體不但垂直於基板120之表面流動而且平行於基板120之表面流動。因此,不但在平坦表面上而且在基板120中之孔隙或孔上沈積一保形材料層。因此,在基板120上較均勻且完全地沈積該材料。
為了減少洩漏於沈積裝置外部之前體材料,基板120與上部/下部反應器130A、130B之間的距離H係維持在一低值。在一項實施例中,距離H係小於1 mm,且更佳地小於數十μm。
圖3係根據一項實施例圖1之沈積裝置100切成兩半之一透視圖。如圖3中所展示,排放部分262、266、268、272具有一彎曲內部表面以跨越沈積裝置100之實質上整個長度接收過量源前體及過量反應物前體。上部反應器130A與
下部反應器130B分離開距離G。距離G足以使基板120在反應器130A、130B之間通過但並不過大而允許前體在基板120與反應器130A、130B之間的間隙之間洩漏出。
圖4係圖解說明根據一項實施例源前體在一源注射器202下面之流動之一圖示。如箭頭410、412所展示,藉由穿孔244向下注射源前體。源前體中之某些源前體如箭頭410所展示平行於基板120之上部表面移動且然後如箭頭420所指示經由排放部分262排出。剩餘源前體如箭頭412所展示向下流動、穿透基板120且向下流過源注射器206之排放部分268。如圖4中所展示,所注射源前體部分地穿透基板,同時剩餘源前體沿基板120流動。以此方式,使整個基板120吸收源注射物。雖然未圖解說明,但前體注射物亦流過基板120或沿基板120之表面流動。
在一項實施例中,三甲基鋁(TMA)用作源前體且O3
用作反應物前體以在基板120上沈積Al2
O3
。在另一實施例中,TMA用作源前體且NH3
用作反應物前體以在基板120上沈積AlN。源前體與反應物前體之各種其他組合可用於在基板120上沈積不同材料。
在一項實施例中,於源注射器與反應物注射器之間提供用於注射吹掃氣體(例如,氬氣)之吹掃注射器。此等吹掃注射器自基板移除過量源前體且促進在基板之表面及基板之孔隙上生長一保形層。亦可緊鄰反應物注射器提供吹掃注射器以自基板移除過量反應物前體。
在一項實施例中,可在上部及下部反應器中提供自由基
反應器以將氣體自由基作為反應物前體注射至基板上。圖5A係根據一項實施例包含自由基反應器504、508A之一沈積裝置500之一剖視圖。除了用自由基反應器504、508A替換注射器204、208以外,沈積裝置500與沈積裝置100實質上相同。
沈積裝置500包含源注射器502、506A及自由基反應器504、508A。源注射器502、506A之結構及功能與源注射器202、206相同,且因此,為簡潔起見而省略其說明。可滲透基板120如圖5A中之箭頭511所展示自左向右移動以便首先將可滲透基板120曝露於源前體(藉由源注射器502、506A)且然後曝露於自由基(藉由自由基反應器504、508A)。
除其他組件以外,自由基反應器504亦可包含一內部電極514及一主體520。除其他結構以外,主體520亦可形成有一溝渠522、若干穿孔(例如,孔或狹縫)518、一電漿室512、一注射孔526、一反應室524及一排放部分532。經由溝渠522及穿孔518將氣體提供至電漿室512中。在自由基反應器504之內部電極514與主體520之間施加電壓差以在電漿室512內產生電漿。自由基反應器504之主體520充當一外部電極。在一替代實施例中,可提供與主體520分離開之一外部電極以環繞電漿室512。由於產生電漿,在電漿室512中形成氣體之自由基且經由注射孔526將該等自由基注射至反應室524中。
如上文參照圖4所闡述,由自由基反應器504、508A所產
生之自由基之部分穿透基板且藉由在相對側之自由基反應器中所提供之排放部分排出。其他自由基平行於基板120之表面流動且藉由產生自由基之自由基反應器之排放部分排出。
圖5B係根據另一實施例包含自由基反應器520、508B之一沈積裝置501之一剖視圖。除了源注射器506B及自由基反應器508B之定向與沈積裝置500之對應組件係相對的以外,沈積裝置501與沈積裝置500實質上相同。
在一項實施例中,由源注射器502、506A或506B注射之源前體係三甲基鋁(TMA)且由自由基反應器504、508A或508B注射之反應物前體係O*
自由基。所沈積材料係Al2
O3
,其為可滲透基板提供抗水性。
在另一實施例中,由源注射器502、506A或506B注射之源前體係三甲基鋁(TMA)且由自由基反應器504、508A或508B注射之反應物前體係O*
自由基。所沈積材料係AlN或AlON。
在另一些實施例中,使用此項技術中眾所周知的源前體與反應物前體之組合在基板上沈積電介質材料(例如,SiN)或金屬(例如,TiN)層。SiN或TiN層有利地為基板提供抗水性或防水性質。
在另一實施例中,使用此項技術中眾所周知的源前體與反應物前體之組合在可滲透基板上沈積Ag或AgO。Ag或AgO層為基板提供抗微生物屬性。
在另一實施例中,可在基板上沈積石墨烯、非晶碳、類
金剛石碳(DLC)或其組合以增加基板之強度且為基板提供不同功能性。
在其他實施例中,合成有機無機層(例如,具有(Al-O-R-O)n
-結構之alucon)可沈積於親水性基板上以提供防水性能。亦可在可滲透基板上沈積諸如Al、Cu、TiN或氧化銦錫(ITO)之導電材料以製造導電薄片或用於減少由於電子裝置上之靜電衝擊所致的損壞。
圖6係根據一項實施例在一可滲透基板上沈積材料之一製程之一流程圖。將可滲透基板放置602於一第一反應器(例如,上部反應器130A)與一第二反應器(例如,下部反應器130B)之間。第一反應器、第二反應器或該等反應器二者注射606源前體至基板120上。由基板120吸收之後剩餘之過量源前體由第一反應器及第二反應器排出610。第一反應器、第二反應器或該等反應器二者亦可注射吹掃氣體以自基板120排出過量源前體。
然後移動614基板120以將先前已注射有源前體的基板120之一部分放置於用於由第一反應器、第二反應器或二者注射反應物前體之一位置。第一反應器、第二反應器或該等反應器二者注射618反應物前體至基板120上以在基板120之表面上及在基板120之孔隙中沈積一材料層。
第一反應器、第二反應器或該等反應器二者亦可注射吹掃氣體以自可滲透基板排出622過量反應物前體。
可重複製程602至622達預定次數以沈積一預定厚度之一材料層。
在以上實施例中,上部及下部反應器在基板上沈積相同材料。然而,在其他實施例中,上部及下部反應器中之每一者可注射不同氣體以在基板之兩個側上沈積一不同材料。
在一或多項實施例中,已沈積有材料之基板可在曝露於前體分子之後、期間或之前經受額外製程,諸如曝露於紫外(UV)線、微波或磁場。
使用該等實施例在可滲透基板上沈積材料係有利的,除其他原因以外,此亦係因(i)可在一低溫度(例如,低於150℃)下執行製程,(ii)所沈積材料具有對基板之強黏附性,及(iii)可原位地對基板執行各種製程(例如,自由基表面處理)而無需將基板移動至一不同裝置。
已使用本文中所闡述之實施例沈積有材料之基板可具有較高熔點或在一高溫度下保持其形狀。該等實施例亦產生具有一保形層之一基板,從而使得該基板能夠用作具有較高包裝密度之可再充電電池中之分離器。此外,實施例使得能夠使用較少前體材料在基板上沈積材料,從而產生較低製作成本。
雖然上文已關於數個實施例闡述了本發明,但可在本發明之範疇內做出各種修改。因此,本發明之揭示內容意欲說明而非限定在以下申請專利範圍中闡明的本發明之範疇。
100‧‧‧沈積裝置
114‧‧‧自左向右移動
120‧‧‧基板
130A‧‧‧上部反應器
130B‧‧‧下部反應器
140‧‧‧材料層
142A‧‧‧管
142B‧‧‧管
146A‧‧‧管
146B‧‧‧管
148A‧‧‧管
148B‧‧‧管
152A‧‧‧管
154B‧‧‧管
202‧‧‧源注射器
204‧‧‧反應物注射器/反應器注射器
206‧‧‧源注射器
208‧‧‧反應器注射器
210‧‧‧主體
214‧‧‧主體
234‧‧‧反應室
236‧‧‧反應室
242‧‧‧溝渠
244‧‧‧穿孔
246‧‧‧溝渠
248‧‧‧穿孔
260‧‧‧收縮區
262‧‧‧排放部分
264‧‧‧收縮區
266‧‧‧排放部分
268‧‧‧排放部分
272‧‧‧排放部分
280‧‧‧機構
410‧‧‧向下注射源前體
412‧‧‧向下注射源前體
420‧‧‧經由排放部分排出
500‧‧‧沈積裝置
501‧‧‧沈積裝置
502‧‧‧源注射器
504‧‧‧自由基反應器
506A‧‧‧源注射器
506B‧‧‧源注射器
508A‧‧‧自由基反應器
508B‧‧‧自由基反應器
511‧‧‧自左向右移動
512‧‧‧電漿室
514‧‧‧內部電極
518‧‧‧穿孔
520‧‧‧主體
522‧‧‧溝渠
524‧‧‧反應室
526‧‧‧注射孔
532‧‧‧排放部分
A‧‧‧線
B‧‧‧線
G‧‧‧距離
H‧‧‧距離
M‧‧‧高度
Z‧‧‧高度
圖1係根據一項實施例之一沈積裝置之一透視圖。
圖2係根據一項實施例沿圖1之線A-B截取之沈積裝置之一剖視圖。
圖3係根據一項實施例圖1之沈積裝置切成兩半之一透視圖。
圖4係圖解說明根據一項實施例前體材料在一源注射器下面流動之一圖示。
圖5A係根據一項實施例包含自由基反應器之一沈積裝置之一剖視圖。
圖5B係根據另一實施例包含一自由基反應器之一沈積裝置之一剖視圖。
圖6係圖解說明根據一項實施例執行沈積之一製程之一流程圖。
100‧‧‧沈積裝置
114‧‧‧自左向右移動
120‧‧‧基板
130A‧‧‧上部反應器
130B‧‧‧下部反應器
140‧‧‧材料層
142A‧‧‧管
142B‧‧‧管
146A‧‧‧管
146B‧‧‧管
148A‧‧‧管
148B‧‧‧管
152A‧‧‧管
154B‧‧‧管
A‧‧‧線
B‧‧‧線
Claims (23)
- 一種用於在一可滲透基板上沈積材料之沈積裝置,其包括:一第一反應器,其包含面向該可滲透基板之一第一側之具有一第一反應室的一主體,且經組態以注射一第一前體向該可滲透基板之一表面的一部分上;一第二反應器,其包含面向該可滲透基板之一第二側之具有一第二反應室的一主體,該第二反應室形成有位於直接相對該第一反應室之一排放部分且經組態以排出該第一前體之至少部分,該第一前體之該至少部分自對應於該表面的該部分的該可滲透基板之一第二側的一位置穿透;及一機構,用於引起該可滲透基板與該等第一及第二反應器之間的相對移動。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該第一反應器包括一排放部分,且該第二反應器包括經組態以注射一第二前體至該可滲透基板之該第二側上之一第二注射器。
- 如請求項2之沈積裝置,其中該第一反應室及該第二反應室之該等主體之每一者進一步形成有連接該排放部分與該反應室之一收縮區,該排放部分經組態以排出該第一前體之過量部分或該第二前體之過量部分。
- 如請求項3之沈積裝置,其中該收縮區具有小於該反應室之2/3之一高度,其中該收縮區之高度係定義為自該收縮區之頂部到該沈積裝置之底部的一距離及該反應室之 高度係定義為自該反應室之頂部到該沈積裝置底部之一距離。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該第一反應器進一步包括經組態以注射一第三前體至該可滲透基板之該表面上之一第三注射器,且該第二反應器進一步包括經組態以注射一第四前體至該可滲透基板之該另一表面上之一第四注射器。
- 如請求項5之沈積裝置,其中該第一前體及該第二前體係用於執行原子層沈積(ALD)或分子層沈積(MLD)之源前體,且該第三前體及該第四前體係用於執行該ALD或該MLD之反應物前體。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該第一前體及該第二前體係同一材料。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該第一反應器包括經組態以注射第一自由基至該表面上之一第一自由基反應器,且該第二反應器包括經組態以注射第二自由基至該另一表面上之一第二自由基反應器。
- 如請求項8之沈積裝置,其中該等第一及第二自由基反應器中之每一者包括形成有一自由基室及在該自由基室內延伸之一電極之一主體,其中在該主體與該電極之間施加電壓差以在該自由基室內產生電漿。
- 如請求項9之沈積裝置,其中該主體形成有連接至該自由基室以注射該等自由基至該基板上之一或多個注射孔。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該第一模組形成有在直接相對該第二反應室的一排放部分且經組態以排出沿著該可滲透基板之表面流動的該第一前體之一部分。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該機構包含使該基板沿著一方向移動之一馬達或一致動器。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該可滲透基板及該第一模組之間的一距離係小於1mm。
- 如請求項1之沈積裝置,其中該可滲透基板包含紡織品、隔膜、織物及織網之一者。
- 一種在一可滲透基板上沈積材料之方法,其包括:由面向該可滲透基板之一第一側之具有一第一反應室之一第一反應器注射一第一前體至該可滲透基板之該第一側之一表面上;由面向該可滲透基板之一第二側之一表面之具有一第二反應室之一第二反應器注射一第二前體至該可滲透基板之該第二側之該表面上,該第二反應器形成有位於直接相對該第一反應室之一排放部分;由該第二反應器的該排放部分從對應於該表面之該部分的該可滲透基板之該第二側之一位置排出穿透該可滲透基板的該第一前體之至少部分;及引起該可滲透基板與該等第一及第二反應器之間的相對移動。
- 如請求項15之方法,其進一步包括:排出在由該第一反應器注射至該基板上之後剩餘的該 第一前體過量部分;及排出在由該第二反應器注射至該基板上之後剩餘的該第二前體之過量部分。
- 如請求項15之方法,其進一步包括:由該第一反應器在該可滲透基板之該表面上注射一第三前體;且由該第二反應器在該可滲透基板之該另一表面上注射一第四前體。
- 如請求項17之方法,其中該第一前體及該第二前體係用於執行原子層沈積(ALD)或分子層沈積(MLD)之源前體,且該第三前體及該第四前體係用於執行該ALD或該MLD之反應物前體。
- 如請求項17之方法,其中該第一前體及該第二前體包括三甲基鋁(TMA),且該第三前體及該第四前體包括臭氧。
- 如請求項15之方法,其中該第一前體及該第二前體係同一材料。
- 如請求項15之方法,其進一步包括:由該第一反應器在該可滲透基板之該表面上注射第一自由基;及由該第二反應器在該可滲透基板之該另一表面上注射第二自由基。
- 如請求項21之方法,其進一步包括:在該第一反應器之一主體與延伸跨越形成於該第一反 應器中之一自由基室之一電極之間施加電壓差以產生該等第一自由基;及在該第二反應器之一主體與延伸跨越形成於該第二反應器中之一自由基室之一電極之間施加電壓差以產生該等第二自由基。
- 如請求項15之方法,其進一步包括注射吹掃氣體以自該可滲透基板移除該第一前體之過量部分或該第二前體之過量部分。
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