專利名稱：阻擋層方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用來在基材上形成阻擋層，從而形成氧氣和水蒸氣的擴散阻擋層的設(shè)備(arrangement)和方法。更具體來說，本發(fā)明提供了一種設(shè)備和方法，其中采用原子層沉積在塑料基材上形成阻擋層。制得的阻擋層將會更緊密地順應(yīng)基材表面，并減少小孔泄漏和裂紋的產(chǎn)生。
食品和藥物包裝經(jīng)常需要低擴散速率，特別是要求對氧氣和水蒸氣的低擴散速率。玻璃罐、密封玻璃瓶之類的玻璃包裝具有足夠低的氧氣和水蒸氣的傳輸速率。不幸的是，基于玻璃的包裝很貴。盡管聚合物基的包裝成本較低，但是大多數(shù)具有能夠有效用于封裝應(yīng)用的厚度的聚合物膜具有不合需要的高的氧氣和水蒸氣滲透性。通過將聚合物形成的塑料薄膜與阻擋材料層疊，可以獲得較低的氣體滲透速率。
一種眾所周知的涂敷有阻擋材料的塑料膜的例子是涂敷鋁的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。通常，這種涂敷的膜材料被用來包裝諸如馬鈴薯片、花生、小脆餅干等之類的食品。盡管涂敷鋁的PET由于該鋁涂層而具有良好的阻擋性質(zhì)，但是不是光學透明的，不適用于微波加熱爐。
如Chatham，Hood，Review在聚合物基材上的透明氧化物涂層對氧氣擴散阻擋性質(zhì)(Oxygen diffusion barrier properties of transparent oxide coatings on polymericsubstrates)，Surface and Coatings Technology 78(1996)，第1-9頁所述，可以用氧化鋁或鋁氧化物和二氧化硅或硅氧化物在塑料上形成透明阻擋層。通常，二氧化硅和氧化鋁是通過熱蒸發(fā)或等離子增強的化學氣相沉積(PECVD)，以大約100-300 厚的薄膜的形式沉積在基材上的，例如參見美國專利第5,224,441號，該專利參考結(jié)合入本文中。
在塑料上制備薄膜阻擋層具有一些問題。最顯著的問題是，聚合物具有粗糙的表面，通過熱蒸發(fā)獲PECVD沉積的膜對塑料基材表面起伏的順應(yīng)性很差。例如，通常在市場上購得的聚對苯二甲酸乙二酯(PET)的平均表面糙度為8-12 均方根(rms)，其中 所達到的阻擋性能被無機隔離材料對表面塑料的覆蓋所限制。在最佳的情況下，12微米厚的PET對氧氣和水蒸氣的滲透速率減小約1個數(shù)量級。盡管對于某些包裝應(yīng)用，這樣的滲透速率已經(jīng)足夠了，但是其他應(yīng)用要求低得多的氧氣和水蒸氣滲透速率。
例如，對用作微電子電路和顯示器的基材的塑料薄膜要求低得多的滲透速率。有機發(fā)光二極管(OLED)包含的發(fā)光材料當暴露于少量氧氣和水蒸氣時會迅速降解。OLED器件必須仔細密封，保護其免受水蒸氣和氧氣的影響。另外，任何用來密封和保護器件使其免受水分和氧氣影響的阻擋材料必須是透明的，以使光線透過。
發(fā)明簡述本發(fā)明的一個目的是提供一種用來形成基材的阻擋層，以降低對氧氣和水蒸氣滲透性的原子層沉積的設(shè)備和方法。
本發(fā)明另一個目的是提供一種用來制備密切順應(yīng)基材表面的阻擋層的原子層沉積設(shè)備和方法。
本發(fā)明另一個目的是提供一種用來制備塑料基材的光學透明阻擋層，以減少小孔和裂紋的量的原子層沉積的設(shè)備和方法。
本發(fā)明的這些目的和其它的目的，通過包括可抽空室的設(shè)備達到，所述可抽空室內(nèi)具有至少兩個原子層沉積源。每個原子層沉積源與室內(nèi)余下的沉積源隔離開。傳送器使基材移動通過該可抽空室。通過這種方式，在基材上涂敷阻擋材料，降低基材對氧氣和水蒸氣的滲透性。
本發(fā)明還提供了一種形成涂敷的膜的方法，該方法包括具有可抽空室的原子層沉積設(shè)備，所述可抽空室內(nèi)具有至少兩個原子層沉積源，每個原子層沉積源與室內(nèi)的剩余部分隔離開。將基材傳送到所述至少一個原子層沉積源中的第一沉積源處，使基材暴露于所述至少一個原子層沉積源，然后將基材傳送到下一個原子層沉積源處，使基材暴露于下一個原子層沉積源。使基材以這種方式暴露于多個沉積源，形成足夠厚的層后，使得涂敷的基材降低了對氧氣和水蒸氣的滲透性，將涂敷的基材輸送出可抽空室，或者將其從抽空室內(nèi)取出。
附圖
簡述所附圖是根據(jù)本發(fā)明的原子層沉積設(shè)備的示意圖。
優(yōu)選實施方式詳述在本發(fā)明中，使基材暴露于兩個或更多個原子層沉積源，從而在基材上形成涂層，該涂層提供了阻擋氧氣和水蒸氣通過基材的阻擋層。
原子層沉積是一種在表面上沉積非常薄的薄膜的方法。單獨的各前體氣體以連續(xù)的方式，以脈沖的形式施用到表面(通常是半導體晶片)上，前體在施用時未發(fā)生氣相混合。各種前體氣體與表面發(fā)生反應(yīng)，以一定的方式形成原子層，使得每次在表面上只沉積一個層。
附圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明的原子層沉積設(shè)備。原子層沉積(″ALD″)設(shè)備包括可以用處理泵12(圖中未顯示)抽氣的處理室10。基材14從位于卷繞室18內(nèi)的供給輥16上展開。基材14被連續(xù)地送入處理室10，通過該處理室10，并從其中離開，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的控制溫度的處理圓筒20進入處理室10，并再次繞在位于卷繞室18內(nèi)的重繞圓筒22上。通過卷繞系統(tǒng)對三個圓桶16、20和22相互之間的徑向速度和基材中的張力進行活性控制。合適的卷繞系統(tǒng)可購自美國威斯康星州Mequon的Rockwell Automation，以及美國弗吉尼亞州Leesburg的Eurotherm Inc.，可以用來使基材14移動進入處理室10、通過處理室10和從其中離開。
通過使卷繞室18和處理室10之間的開口24最小化，使卷繞室18和處理室10之間的流體連通最小化。ALD源26和28繞處理圓筒20交替排列(即以交替的形式)。各個ALD源26，28除了與處理圓桶20緊密相鄰的一面以外，所有的側(cè)面被接地的護罩(grounded shield)27封閉。ALD源本身是按照與圓筒的旋轉(zhuǎn)軸相平行取向的線性歧管進氣系統(tǒng)。對于這些要求與氧、氫、氮和氟之類的活性氣體發(fā)生表面反應(yīng)的ALD法，從中提供氣體的ALD源可被電偏置。超過數(shù)百伏的電偏置會使氣體等離子活化成為化學活化態(tài)。這些種類的ALD源是眾所周知的，例如在美國專利第5,627,435號中有所描述，該專利參考結(jié)合入本文中。較佳的是，將前體氣體以預定的流速引入ALD室26中，該流速與氣體從護罩27密封的空間滲漏到處理室10的滲漏速率相平衡。惰性氣體30流入處理室10中，攜帶ALD前體氣體，使它們通過處理室的排氣系統(tǒng)。處理室10中的氣壓由惰性氣體30進入處理室10的流速、惰性氣體通過泵12離開的流速以及從ALD源26、28泄漏的氣體來決定。通常該室內(nèi)的氣壓小于100毫托，更優(yōu)選小于50毫托。通過控制惰性氣體30進入處理室的流速和通過泵12除去氣體的流速，將處理室10內(nèi)的壓力控制在低于ALD源壓力的水平。ALD源26、28中前體氣體的壓力足夠高，使得當前體氣體在ALD源26、28開口端上方通過的時候，能覆蓋基材14的表面。通過這種方法，使基材14在被傳送通過處理室10的時候交替地暴露于ALD源26中的氣體A、處理室10中的吹掃氣體、以及ALD源28中的氣體B。
另外，設(shè)置處理條件使得在ALD源26中形成的單層A與ALD源28中形成的單層B發(fā)生化學反應(yīng)?？赏ㄟ^對處理圓筒20加熱來引起化學反應(yīng)。
重復上述步驟，從ALD源26和28交替地釋放氣體，直至達到所需的沉積層厚度。根據(jù)本發(fā)明，阻擋層的厚度為400-100 ，優(yōu)選200-50 ，更優(yōu)選150-50 。
合適的基材包括擔不限于撓性塑料。優(yōu)選的塑料包括選自以下的聚合物聚對苯二甲酸乙二酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、乙烯-乙烯醇、聚苯基環(huán)氧丙烷、聚偏二氯乙烯和聚酰胺?；牡暮穸韧ǔ?0-1600微米，優(yōu)選10-50微米。在ALD中用來制備金屬化的透明膜的前體是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的?？梢陨虡I(yè)使用的前體的例子包括O3，Al(CH3)3和H2O，Al(CH3)3和O2，Al(CH3)3和一氧化二氮。
下面將通過說明性的非限制性實施例進一步描述本發(fā)明。
實施例將12微米厚的PET基材從一個輥上展開進入處理室內(nèi)的圓筒內(nèi)。處理室內(nèi)的圓筒加熱至75℃。將PET基材暴露于第一ALD源，該第一ALD源沉積三甲基鋁，然后使基材在100毫托的處理壓力下暴露于氧或一氧化二氮的ALD源。使PET基材依次重復地暴露于沉積三甲基鋁的源、然后是氧或氧化亞氮的源。這可以通過將基材卷繞在圓筒上和展開，將基材暴露于相同的源，或者提供多個源來完成。通過ALD源100次時相應(yīng)的膜厚度約為120 。較佳的是，根據(jù)本發(fā)明涂敷的基材的氧氣滲透率小于0.1厘米3/米2/天，優(yōu)選小于0.010厘米3/米2/天，最優(yōu)選0.001厘米3/米2/天，其水蒸氣滲透速率小于0.1克/米2/天，優(yōu)選0.01克/米2/天，最優(yōu)選0.001克/米2/天。
盡管上文已經(jīng)具體說明和描述了優(yōu)選的實施方式，但是應(yīng)當理解，通過以上所揭示內(nèi)容和所附權(quán)利要求書的內(nèi)容，可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下對本發(fā)明進行許多改進和修改。
權(quán)利要求
1.一種原子層沉積設(shè)備，該設(shè)備包括可抽空的室，位于該室內(nèi)的至少兩個原子層沉積源，其中，各原子層沉積源與室內(nèi)的剩余部分相隔開，用來將基材傳送通過所述可抽空室的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，其特征在于，所述用來傳送基材的裝置包括可旋轉(zhuǎn)的圓筒。
3.如權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，該設(shè)備還包括用于各原子層沉積源的接地護罩。
4.如權(quán)利要求1所述的原子層沉積設(shè)備，該設(shè)備還包括與所述可抽空室相鄰的基材源室。
5.如權(quán)利要求4所述的原子層沉積設(shè)備，其特征在于，所述基材源室包括第一可旋轉(zhuǎn)圓筒和第二可旋轉(zhuǎn)圓筒，所述第一可旋轉(zhuǎn)圓筒周圍卷繞有聚合物膜，所述聚合物膜被傳送到可抽空室內(nèi)，所述第二可旋轉(zhuǎn)圓筒在聚合物膜離開可抽空室之后接收這些聚合物膜。
6.如權(quán)利要求5所述的原子層沉積設(shè)備，其特征在于，所述聚合物膜包含至少一種選自以下的聚合物聚對苯二甲酸乙二酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、乙烯-乙烯醇、聚苯基環(huán)氧丙烷、聚偏二氯乙烯和聚酰胺類。
7.如權(quán)利要求6所述的原子層沉積設(shè)備，其特征在于，所述聚合物膜包含聚對苯二甲酸乙二酯。
8.一種制備涂敷的基材的方法，該方法包括提供一種原子層沉積設(shè)備，該設(shè)備包括可抽空的室、位于該室內(nèi)的至少兩個原子層沉積源，其中各原子沉積源與室內(nèi)的剩余部分相隔開，將基材傳送到所述至少一個原子層沉積源中的第一沉積源處，使基材暴露于至少一個原子層沉積源，將基材傳送到下一個原子層沉積源，使所述基材暴露于所述下一個原子層沉積源。
9.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，該方法包括，通過旋轉(zhuǎn)負載基材的可旋轉(zhuǎn)圓筒來傳送基材，將涂敷的基材傳送出可抽空室。
10.如權(quán)利要求9所述的制備涂敷的基材的方法，該方法包括通過旋轉(zhuǎn)負載基材的可旋轉(zhuǎn)圓筒來傳送基材。
11.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述基材是聚合物膜。
12.如權(quán)利要求11所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述聚合物包括至少一種選自以下的聚合物聚對苯二甲酸乙二酯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚偏二氯乙烯、乙烯-乙烯醇、聚丙烯酸酯和聚酰胺。
13.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述第一原子層沉積源是三甲基鋁源。
14.如權(quán)利要求13所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述氧化劑選自氧氣、一氧化二氮和臭氧。
15.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述第一原子層沉積源是三甲基鋁源，下一個原子層沉積源是氧化劑源。
16.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，該方法還包括提供與所述可抽空室相鄰的基材源室。
17.如權(quán)利要求16所述的制備涂敷的基材的方法，該方法還包括位于所述基材源室內(nèi)的第一可旋轉(zhuǎn)圓筒和第二可旋轉(zhuǎn)圓筒，所述第一可旋轉(zhuǎn)圓筒周圍卷繞有聚合物膜，旋轉(zhuǎn)所述第一可旋轉(zhuǎn)圓筒，將聚合物膜傳送到可抽空室內(nèi)，旋轉(zhuǎn)所述第二可旋轉(zhuǎn)圓筒，接收離開可抽空室的聚合物膜。
18.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，該方法還包括將惰性氣體引入所述可抽空室。
19.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述惰性氣體選自氬氣和氧氣。
20.如權(quán)利要求8所述的制備涂敷的基材的方法，其特征在于，所述基材是聚合物膜，在所述聚合物膜上形成厚度為400-50的阻擋涂層。
全文摘要
描述了采用原子層沉積在基材上形成阻擋層的方法和設(shè)備。所述涂敷的基材降低了對氧氣和水蒸氣的滲透性。
文檔編號C23C16/455GK1918322SQ200580004380
公開日2007年2月21日 申請日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者F·簡森 申請人:波克股份有限公司