专利名称：阻挡层方法和设备的制作方法
背景技术：
本发明涉及用来在基材上形成阻挡层，从而形成氧气和水蒸气的扩散阻挡层的设备(arrangement)和方法。更具体来说，本发明提供了一种设备和方法，其中采用原子层沉积在塑料基材上形成阻挡层。制得的阻挡层将会更紧密地顺应基材表面，并减少小孔泄漏和裂纹的产生。
食品和药物包装经常需要低扩散速率，特别是要求对氧气和水蒸气的低扩散速率。玻璃罐、密封玻璃瓶之类的玻璃包装具有足够低的氧气和水蒸气的传输速率。不幸的是，基于玻璃的包装很贵。尽管聚合物基的包装成本较低，但是大多数具有能够有效用于封装应用的厚度的聚合物膜具有不合需要的高的氧气和水蒸气渗透性。通过将聚合物形成的塑料薄膜与阻挡材料层叠，可以获得较低的气体渗透速率。
一种众所周知的涂敷有阻挡材料的塑料膜的例子是涂敷铝的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。通常，这种涂敷的膜材料被用来包装诸如马铃薯片、花生、小脆饼干等之类的食品。尽管涂敷铝的PET由于该铝涂层而具有良好的阻挡性质，但是不是光学透明的，不适用于微波加热炉。
如Chatham，Hood，Review在聚合物基材上的透明氧化物涂层对氧气扩散阻挡性质(Oxygen diffusion barrier properties of transparent oxide coatings on polymericsubstrates)，Surface and Coatings Technology 78(1996)，第1-9页所述，可以用氧化铝或铝氧化物和二氧化硅或硅氧化物在塑料上形成透明阻挡层。通常，二氧化硅和氧化铝是通过热蒸发或等离子增强的化学气相沉积(PECVD)，以大约100-300 厚的薄膜的形式沉积在基材上的，例如参见美国专利第5,224,441号，该专利参考结合入本文中。
在塑料上制备薄膜阻挡层具有一些问题。最显著的问题是，聚合物具有粗糙的表面，通过热蒸发获PECVD沉积的膜对塑料基材表面起伏的顺应性很差。例如，通常在市场上购得的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的平均表面糙度为8-12 均方根(rms)，其中 所达到的阻挡性能被无机隔离材料对表面塑料的覆盖所限制。在最佳的情况下，12微米厚的PET对氧气和水蒸气的渗透速率减小约1个数量级。尽管对于某些包装应用，这样的渗透速率已经足够了，但是其他应用要求低得多的氧气和水蒸气渗透速率。
例如，对用作微电子电路和显示器的基材的塑料薄膜要求低得多的渗透速率。有机发光二极管(OLED)包含的发光材料当暴露于少量氧气和水蒸气时会迅速降解。OLED器件必须仔细密封，保护其免受水蒸气和氧气的影响。另外，任何用来密封和保护器件使其免受水分和氧气影响的阻挡材料必须是透明的，以使光线透过。
发明简述本发明的一个目的是提供一种用来形成基材的阻挡层，以降低对氧气和水蒸气渗透性的原子层沉积的设备和方法。
本发明另一个目的是提供一种用来制备密切顺应基材表面的阻挡层的原子层沉积设备和方法。
本发明另一个目的是提供一种用来制备塑料基材的光学透明阻挡层，以减少小孔和裂纹的量的原子层沉积的设备和方法。
本发明的这些目的和其它的目的，通过包括可抽空室的设备达到，所述可抽空室内具有至少两个原子层沉积源。每个原子层沉积源与室内余下的沉积源隔离开。传送器使基材移动通过该可抽空室。通过这种方式，在基材上涂敷阻挡材料，降低基材对氧气和水蒸气的渗透性。
本发明还提供了一种形成涂敷的膜的方法，该方法包括具有可抽空室的原子层沉积设备，所述可抽空室内具有至少两个原子层沉积源，每个原子层沉积源与室内的剩余部分隔离开。将基材传送到所述至少一个原子层沉积源中的第一沉积源处，使基材暴露于所述至少一个原子层沉积源，然后将基材传送到下一个原子层沉积源处，使基材暴露于下一个原子层沉积源。使基材以这种方式暴露于多个沉积源，形成足够厚的层后，使得涂敷的基材降低了对氧气和水蒸气的渗透性，将涂敷的基材输送出可抽空室，或者将其从抽空室内取出。
附图
简述所附图是根据本发明的原子层沉积设备的示意图。
优选实施方式详述在本发明中，使基材暴露于两个或更多个原子层沉积源，从而在基材上形成涂层，该涂层提供了阻挡氧气和水蒸气通过基材的阻挡层。
原子层沉积是一种在表面上沉积非常薄的薄膜的方法。单独的各前体气体以连续的方式，以脉冲的形式施用到表面(通常是半导体晶片)上，前体在施用时未发生气相混合。各种前体气体与表面发生反应，以一定的方式形成原子层，使得每次在表面上只沉积一个层。
附图中显示了根据本发明的原子层沉积设备。原子层沉积(″ALD″)设备包括可以用处理泵12(图中未显示)抽气的处理室10。基材14从位于卷绕室18内的供给辊16上展开。基材14被连续地送入处理室10，通过该处理室10，并从其中离开，经过旋转的控制温度的处理圆筒20进入处理室10，并再次绕在位于卷绕室18内的重绕圆筒22上。通过卷绕系统对三个圆桶16、20和22相互之间的径向速度和基材中的张力进行活性控制。合适的卷绕系统可购自美国威斯康星州Mequon的Rockwell Automation，以及美国弗吉尼亚州Leesburg的Eurotherm Inc.，可以用来使基材14移动进入处理室10、通过处理室10和从其中离开。
通过使卷绕室18和处理室10之间的开口24最小化，使卷绕室18和处理室10之间的流体连通最小化。ALD源26和28绕处理圆筒20交替排列(即以交替的形式)。各个ALD源26，28除了与处理圆桶20紧密相邻的一面以外，所有的侧面被接地的护罩(grounded shield)27封闭。ALD源本身是按照与圆筒的旋转轴相平行取向的线性歧管进气系统。对于这些要求与氧、氢、氮和氟之类的活性气体发生表面反应的ALD法，从中提供气体的ALD源可被电偏置。超过数百伏的电偏置会使气体等离子活化成为化学活化态。这些种类的ALD源是众所周知的，例如在美国专利第5,627,435号中有所描述，该专利参考结合入本文中。较佳的是，将前体气体以预定的流速引入ALD室26中，该流速与气体从护罩27密封的空间渗漏到处理室10的渗漏速率相平衡。惰性气体30流入处理室10中，携带ALD前体气体，使它们通过处理室的排气系统。处理室10中的气压由惰性气体30进入处理室10的流速、惰性气体通过泵12离开的流速以及从ALD源26、28泄漏的气体来决定。通常该室内的气压小于100毫托，更优选小于50毫托。通过控制惰性气体30进入处理室的流速和通过泵12除去气体的流速，将处理室10内的压力控制在低于ALD源压力的水平。ALD源26、28中前体气体的压力足够高，使得当前体气体在ALD源26、28开口端上方通过的时候，能覆盖基材14的表面。通过这种方法，使基材14在被传送通过处理室10的时候交替地暴露于ALD源26中的气体A、处理室10中的吹扫气体、以及ALD源28中的气体B。
另外，设置处理条件使得在ALD源26中形成的单层A与ALD源28中形成的单层B发生化学反应。可通过对处理圆筒20加热来引起化学反应。
重复上述步骤，从ALD源26和28交替地释放气体，直至达到所需的沉积层厚度。根据本发明，阻挡层的厚度为400-100 ，优选200-50 ，更优选150-50 。
合适的基材包括担不限于挠性塑料。优选的塑料包括选自以下的聚合物聚对苯二甲酸乙二酯、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、聚苯基环氧丙烷、聚偏二氯乙烯和聚酰胺。基材的厚度通常为10-1600微米，优选10-50微米。在ALD中用来制备金属化的透明膜的前体是本领域技术人员众所周知的。可以商业使用的前体的例子包括O3，Al(CH3)3和H2O，Al(CH3)3和O2，Al(CH3)3和一氧化二氮。
下面将通过说明性的非限制性实施例进一步描述本发明。
实施例将12微米厚的PET基材从一个辊上展开进入处理室内的圆筒内。处理室内的圆筒加热至75℃。将PET基材暴露于第一ALD源，该第一ALD源沉积三甲基铝，然后使基材在100毫托的处理压力下暴露于氧或一氧化二氮的ALD源。使PET基材依次重复地暴露于沉积三甲基铝的源、然后是氧或氧化亚氮的源。这可以通过将基材卷绕在圆筒上和展开，将基材暴露于相同的源，或者提供多个源来完成。通过ALD源100次时相应的膜厚度约为120 。较佳的是，根据本发明涂敷的基材的氧气渗透率小于0.1厘米3/米2/天，优选小于0.010厘米3/米2/天，最优选0.001厘米3/米2/天，其水蒸气渗透速率小于0.1克/米2/天，优选0.01克/米2/天，最优选0.001克/米2/天。
尽管上文已经具体说明和描述了优选的实施方式，但是应当理解，通过以上所揭示内容和所附权利要求书的内容，可以在不背离本发明精神和范围的前提下对本发明进行许多改进和修改。
权利要求
1.一种原子层沉积设备，该设备包括可抽空的室，位于该室内的至少两个原子层沉积源，其中，各原子层沉积源与室内的剩余部分相隔开，用来将基材传送通过所述可抽空室的装置。
2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述用来传送基材的装置包括可旋转的圆筒。
3.如权利要求1所述的原子层沉积设备，该设备还包括用于各原子层沉积源的接地护罩。
4.如权利要求1所述的原子层沉积设备，该设备还包括与所述可抽空室相邻的基材源室。
5.如权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述基材源室包括第一可旋转圆筒和第二可旋转圆筒，所述第一可旋转圆筒周围卷绕有聚合物膜，所述聚合物膜被传送到可抽空室内，所述第二可旋转圆筒在聚合物膜离开可抽空室之后接收这些聚合物膜。
6.如权利要求5所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述聚合物膜包含至少一种选自以下的聚合物聚对苯二甲酸乙二酯、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、聚苯基环氧丙烷、聚偏二氯乙烯和聚酰胺类。
7.如权利要求6所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述聚合物膜包含聚对苯二甲酸乙二酯。
8.一种制备涂敷的基材的方法，该方法包括提供一种原子层沉积设备，该设备包括可抽空的室、位于该室内的至少两个原子层沉积源，其中各原子沉积源与室内的剩余部分相隔开，将基材传送到所述至少一个原子层沉积源中的第一沉积源处，使基材暴露于至少一个原子层沉积源，将基材传送到下一个原子层沉积源，使所述基材暴露于所述下一个原子层沉积源。
9.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，该方法包括，通过旋转负载基材的可旋转圆筒来传送基材，将涂敷的基材传送出可抽空室。
10.如权利要求9所述的制备涂敷的基材的方法，该方法包括通过旋转负载基材的可旋转圆筒来传送基材。
11.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，其特征在于，所述基材是聚合物膜。
12.如权利要求11所述的制备涂敷的基材的方法，其特征在于，所述聚合物包括至少一种选自以下的聚合物聚对苯二甲酸乙二酯、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.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，其特征在于，所述第一原子层沉积源是三甲基铝源。
14.如权利要求13所述的制备涂敷的基材的方法，其特征在于，所述氧化剂选自氧气、一氧化二氮和臭氧。
15.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，其特征在于，所述第一原子层沉积源是三甲基铝源，下一个原子层沉积源是氧化剂源。
16.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，该方法还包括提供与所述可抽空室相邻的基材源室。
17.如权利要求16所述的制备涂敷的基材的方法，该方法还包括位于所述基材源室内的第一可旋转圆筒和第二可旋转圆筒，所述第一可旋转圆筒周围卷绕有聚合物膜，旋转所述第一可旋转圆筒，将聚合物膜传送到可抽空室内，旋转所述第二可旋转圆筒，接收离开可抽空室的聚合物膜。
18.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，该方法还包括将惰性气体引入所述可抽空室。
19.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，其特征在于，所述惰性气体选自氩气和氧气。
20.如权利要求8所述的制备涂敷的基材的方法，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为400-50的阻挡涂层。
全文摘要
描述了采用原子层沉积在基材上形成阻挡层的方法和设备。所述涂敷的基材降低了对氧气和水蒸气的渗透性。
文档编号C23C16/455GK1918322SQ200580004380
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年2月9日
发明者F·简森 申请人:波克股份有限公司