(57)【要約】  原子層堆積を用いて基板上にバリア層を形成する方法及び装置が記載されている。被覆基板は、酸素及び水蒸気に対する透過性が減少する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空可能なチャンバと、
該真空可能なチャンバ内の少なくとも２の原子層堆積源で、各原子層堆積源は該真空可能なチャンバの残りの部分から隔離されている原子層堆積源と、
該真空可能なチャンバを貫通して基板を搬送する基板搬送手段と、
を具備する原子層堆積装置。
【請求項２】
前記基板搬送手段は、回転可能なドラムを含む、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項３】
各原子層堆積源用の接地シールドをさらに具備する、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項４】
前記真空可能なチャンバに隣接する基板源チャンバをさらに具備する、請求項１に記載の原子層堆積装置。
【請求項５】
前記基板源チャンバは、第１の回転可能なドラム及び第２の回転可能なドラムを具備し、該第１の回転可能なドラムは該ドラムの周囲を包むポリマー膜を有し、該ポリマー膜は前記真空可能なチャンバ内に運ばれ、第２の回転可能なドラムはポリマー膜が前記真空可能なチャンバを出た後でポリマー膜を受け取る、請求項４に記載の原子層堆積装置。
【請求項６】
前記ポリマー膜は、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリプロピレン、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、ポリフェニルプロピレンオキシド、ポリビニリデンクロリド及びポリアミド類からなる群より選択される少なくとも１を含む、請求項５に記載の原子層堆積装置。
【請求項７】
前記ポリマー膜は、ポリエチレンテレフタレートを含む、請求項６に記載の原子層堆積装置。
【請求項８】
真空可能なチャンバと、該チャンバ内の少なくとも２の原子層堆積源で各原子層堆積源は該チャンバの残りから隔離されている原子層堆積源とを具備する原子層堆積装置を準備する工程と、
基板を少なくとも１の原子層堆積源の第１番目まで搬送する工程と、
該基板を少なくとも１の原子層堆積源に暴露させる工程と、
該基板を次の原子層堆積源まで搬送する工程と、
該基板を次の原子層堆積源に暴露させる工程と、
を含む被覆基板製造方法。
【請求項９】
基板を運ぶ回転可能なドラムを回転させることによって、基板を搬送する真空可能なチャンバの外に被覆基板を搬送することを含む、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１０】
基板を運ぶ回転可能なドラムを回転させることによって基板を搬送することを含む、請求項９に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１１】
前記基板はポリマー膜である、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１２】
前記ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリビニリデンクロリド、エチレンビニルアルコール、ポリアクリレート及びポリアミドからなる群より選択される少なくとも１を含む、請求項１１に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１３】
前記第１の原子層堆積源は、トリメチルアルミニウム源である、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１４】
酸化剤は、酸素、亜酸化窒素及びオゾンからなる群より選択される、請求項１３に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１５】
前記第１の原子層堆積源は、トリメチルアルミニウム源であり、次の原子層堆積源は酸化剤源である、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１６】
前記真空可能なチャンバに隣接する基板源チャンバを準備する工程をさらに含む、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１７】
前記基板源チャンバ内に第１の回転可能なドラム及び第２の回転可能なドラムを具備し、該第１の回転可能なドラムは該ドラムの周囲を包むポリマー膜を有し、
第１の回転可能なドラムを回転させて、該ポリマー膜を前記真空可能なチャンバまで搬送する工程と、
該第２の回転可能なドラムを回転させて、真空可能なチャンバを出たポリマー膜を受け取る工程と、
を含む、請求項１６に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１８】
不活性ガスを前記真空可能なチャンバ内に導入する工程をさらに含む、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項１９】
前記不活性ガスは、アルゴン及び酸素からなる群より選択される、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【請求項２０】
前記基板はポリマー膜であり、400Å〜50Åの厚みを有するバリアコーティングが前記ポリマー膜上に形成される、請求項８に記載の被覆基板製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素及び水蒸気に対する拡散障壁を形成するバリア層を基板上に創製する装置及びプロセスに関する。特に、本発明は、原子層堆積を用いてバリア層がプラスチック基板上に形成される装置及びプロセスを提供する。得られるバリア層は基板表面形状により近く合致して、ピンホール漏洩やクラックの発生を減少させる。
【０００２】
食料品包装や医薬品包装は、特に酸素及び水蒸気に対する低い拡散率をしばしば必要とする。十分に低い酸素及び水蒸気の透過速度は、ガラスジャー、密封ガラスバイアル瓶などのガラスパッケージによって発現する。残念ながら、ガラス系パッケージは高価である。ポリマー系パッケージはあまり費用がかからないが、包装用途に有用な厚みを有するほとんどのポリマー膜は、酸素及び水蒸気に対する望ましくない高い透過速度を示す。より低いガス透過度は、バリア材料を有するポリマーから形成されたプラスチック膜を積層することによって達成することができる。
【０００３】
バリア材料で被覆されたプラスチック膜のよく知られた例は、アルミニウム被覆ポリエチレンテレフタレート(PET)である。典型的には、この被覆膜材料は、ポテトチップス、ピーナッツ、ミニプレッツェルなどの食品を包装するために用いられている。アルミニウム被覆PETは、アルミニウムコーティングの結果として良好なバリア特性を示すが、光学的に透明ではなく、マイクロ波加熱オーブン（電子レンジ）と相性がよくない。
【０００４】
プラスチック材料上の透明バリアは、Chatham, Hood, Review: Oxygen diffusion barrier properties of transparent oxide coatings on polymeric substrates, Surface and Coatings Technology 78 (1996), pp 1-9に論じられているように、アルミナ又は酸化アルミニウム及びシリカ又は酸化ケイ素から形成され得る。典型的には、シリカ及びアルミナは、例えば米国特許第5,224,441号明細書（本願明細書に援用する）に開示されているように熱蒸発又はプラズマ化学気相成長 (PECVD)のいずれかによって、およそ100〜300Å厚の薄膜として基板上に堆積する。
【０００５】
プラスチック上に薄膜バリアを形成することはいくつかの問題を呈する。最も大きな問題は、ポリマーが粗表面を有し、熱蒸発又はPECVDによって蒸着された膜がプラスチック基板の起伏にあまり合致しないことである。例えば、市販のポリエチレンテレフタレート(PET)の典型的な平均表面粗さは8〜12Å二乗平均平方根(rms)（1Å =10-10m）である。達成され得るバリア性能は、無機バリア材料による表面プラスチックの被覆によって制限される。せいぜい、12ミクロン厚のPETに対する透過速度は、酸素及び水蒸気の両者に対して約１桁減少するにすぎない。これらの透過速度は、ある種の包装用途には充分であるかもしれないが、他の用途は、もっと低い酸素及び水蒸気透過速度を要求する。
【０００６】
例えば、マイクロエレクトロニクス回路及びディスプレイ用の基板として使用されるプラスチック膜についてはもっと低い透過速度が必要とされる。有機発光ダイオード(OLEDs)は、微量の酸素及び水蒸気に暴露されるとすぐに分解する発光物質を含む。OLEDデバイスは慎重に密封され、水蒸気及び酸素から保護されなければならない。さらに、水及び酸素からデバイスを密封して保護するために用いられるいかなるバリア材料も発光を可能とするために透明でなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、酸素及び水蒸気に対する透過性を減少させた基板用バリア層を形成する原子層堆積装置及びプロセスを提供することにある。
本発明の別の目的は、基板表面形状により近く合致するバリア層を提供する、原子層堆積装置及びプロセスを提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、ピンホール及びクラックの量を減少させたプラスチック基板用の光学的に透明なバリア層を提供する、原子層堆積装置及びプロセスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のこれらの目的及び他の目的は、内部に位置づけられている少なくとも２の原子層堆積源を有する真空可能なチャンバを含む装置によって達成される。各原子層堆積源はチャンバの残りから隔離されている。コンベアは、基板を真空可能なチャンバに貫通移動させる。この態様において、基板はバリア材料で被覆され、酸素及び水蒸気に対する透過性が減少する。
【００１０】
本発明は、また、少なくとも２の原子層堆積源を有し、各源はチャンバの残りから隔離されている、真空可能なチャンバを具備する原子層堆積装置を含む被覆膜製造方法を提供する。基板を少なくとも１の原子層堆積源の第１番目にまで搬送し、基板を少なくとも１の原子層堆積源に暴露させ、次いで、基板を次の原子層堆積源まで搬送して、ここで次の原子層堆積源に暴露させる。この態様で、基板を複数の源に暴露させて十分に厚い層を形成させた後、被覆基板を真空可能なチャンバの外に搬送するか、又はチャンバから取り出す。被覆基板は、減少した酸素及び水蒸気に対する透過性を示す。
【好ましい実施形態の説明】
【００１１】
本発明において、基板は２以上の原子層堆積源に暴露され、基板を横断する酸素及び水蒸気の透過に対するバリアを提供するコーティングを基板上に形成する。
原子層堆積は、非常に薄い膜を表面上に堆積させる方法である。個々の前駆体ガスは、気相中で前駆体が混合しない逐次態様で、表面、典型的には半導体ウェハ表面にパルス化される。１度に１層だけが表面上に堆積し得るような態様で、各前駆体ガスは表面と反応して原子層を形成する。
【００１２】
本発明による原子層堆積装置は、添付図面に示されている。原子層堆積("ALD")装置は、ポンプ12（図示せず）を作動させることによって真空にされ得る処理チャンバ10を含む。基板14は、巻き取りチャンバ18内に位置づけられている供給ロール16から巻き解される。基板14は、処理チャンバ10に連続的に供給されて、回転している温度制御された処理ドラム20上を経由して処理チャンバ10から出され、巻き取りチャンバ18内に位置づけられている再巻き取りドラム22上に再巻き取りされる。相互に関係する３個のドラム16、20及び22の径速度（radial speed）及び基板における引っ張り力は、巻き取りシステムにより積極的に制御される。適切な巻き取りシステムは、Rockwell Automation（Mequon, Wisconsin）及びEurotherm Inc.（Leesburg, Virginia.）から市販されており、基板14を処理チャンバ10内に移動させ、処理チャンバ10を貫通して、そして処理チャンバ10の外に移動させるために用いることができる。
【００１３】
巻き取りチャンバ18と処理チャンバ10との間の流体連通は、巻き取りチャンバ18と処理チャンバ10との間の開口24を最小にすることによって最小化する。ALD源26及び28は、処理ドラム20の周りに交互に（すなわち互い違いの形態で）配置されている。各ALD源26、28は、処理ドラム20に近い側面を除いてすべての面が接地シールド27によって包囲されている。ALD源自身は、ドラムの回転軸に平行に方向づけられている線形ガスマニフォールドインレットシステムである。酸素、水素、窒素及びフッ素などの活性化ガスとの表面反応を必要とするこれらのALD処理について、このガスが出てくるALD源は電気バイアスされていてもよい。数百ボルトを超える電気バイアスは、ガスを化学的に活性な状態までプラズマ活性化するだろう。これらの種の源は周知であり、例えば米国特許第5,627,435号明細書（本願明細書に援用する）に記載されている。好ましくは、前駆体ガスは、シールド27で包囲されているスペースから処理チャンバ10へのガスの漏洩率によって釣り合う所定流量で、ALDチャンバ26に導入される。不活性ガス30は、処理チャンバ10内に流れてALD前駆体ガスを随伴し、ALD前駆体ガスを随伴した不活性ガスをチャンバ排出システムを通して移動させる。処理チャンバ10内のガス圧は、チャンバ10への不活性ガス30の流量、ポンプ12による不活性ガスの除去及びALD源26、28からのガス漏洩によって決定される。典型的には、チャンバ内のガス圧は、100 mtorr未満であり、より好ましくは50 mtorr未満である。処理チャンバ10内の圧力は、チャンバへの不活性ガス30の流量及びポンプ12によるガスの除去を制御することによって、ALD源内の圧力よりも低レベルに維持される。基板14がALD源26、28の開口端部上を移動する際に、ALD源26、28内の前駆体ガスの圧力は十分高く、基板14の表面を被覆する。この態様において、基板14は、処理チャンバ10を貫通して搬送される際に、ALD源26内のガスA、処理チャンバ10内のパージガス及びALD源28内のガスBに交互に暴露される。
【００１４】
さらに、処理条件は、ALD源26内に形成された単層AがALD源28内に形成された単層Bと化学的に反応するように調整される。化学反応は、処理ドラム20に熱を与えることによって誘導されてもよい。
【００１５】
所望厚の堆積層が得られるまで上記を繰り返し、ALD源26及びALD源28からのガス排出を交互に行う。本発明によるバリア層の厚みは400Å〜100Åであり、好ましくは200Å〜50Åであり、より好ましくは150Å〜50Åである。
【００１６】
適切な基板は、限定されるものではないが、可撓性プラスチックを含む。好ましいプラスチックとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリプロピレン、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、ポリフェニルプロピレンオキシド、ポリビニリデンクロリド及びポリアミド類からなる群より選択されるポリマーを挙げることができる。基板の厚さは、典型的には10μm〜1600μmであり、好ましくは10μm〜50μmである。ALD内にメタライズされた透明膜を形成するための前駆体は周知である。一般的に用いられる前駆体の例としては、O3、Al(CH3)3及びH2O、Al(CH3)3及びO2、Al(CH3)3及び亜酸化窒素を挙げることができる。
【００１７】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例】
【００１８】
12ミクロン厚のPET基板を処理チャンバ内で、ロールからドラムに巻き解す。処理チャンバ内のドラムは75℃まで処理される。PET基板をトリメチルアルミニウム堆積用の第1のALD源に暴露させ、その後、酸素又は亜酸化窒素のALD源に100 mtorrの処理圧力で暴露させる。トリメチルアルミニウムを堆積させる源に、その後、酸素又は亜酸化窒素の源に逐次的に、PET基板を繰り返し暴露させる。これは、ドラム上に基板を巻き付けたり巻き解したりすることによって基板を同一源に暴露させるか又は多重源を与えることによって達成することができる。ALD源の上での100回のパスに対応する膜厚は、約120Åである。好ましくは、本発明による被覆基板は、0.1cc/m2/day未満、好ましくは0.010 cc/m2/day未満、最も好ましくは0.001cc/m2/day未満の酸素透過性と、0.1g/m2/day未満、好ましくは0.01g/m2/day未満、最も好ましくは0.001g/m2/day未満の水蒸気透過速度を有するであろう。
【００１９】
好ましい実施形態を特に説明してきたが、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて明細書の記載から本発明の多くの変形例が可能であることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明による原子層堆積装置の概略代表図である。
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【国際調査報告】
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