(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子のプラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）及び回転反応管を使用して粒子を被覆するためのシステム並びに方法の提供。【解決手段】反応管２００は、反応管に接続（アクセス）するための開放位置と、真空を維持する閉鎖位置とを有するチャンバ内に存在し、反応管アセンブリ１９０は、軸ＡＣ周りに回転移動しプラズマ発生装置１００に対して動作可能に配置される。プラズマ発生装置１００が、活性状態および不活性状態を有し、活性状態では前駆体ガスからプラズマが生成され、不活性状態ではプラズマが形成されることなく前駆体ガスが通過し、プラズマ発生装置１００の流出端部１０２が、反応管２００の流入部２０２に直に隣接して存在するか、あるいは、反応管２００の流入部２０２内に存在する。この構成により、前記反応管２００は、プラズマを反応管２００の内部に通し、粒子３００と反応させる、システムおよび方法。【選択図】図３Ａ
2017075391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１前駆体ガスおよび第２前駆体ガスを少なくとも使用して、粒子のプラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を実行するためのシステムであって、
頂部および底部を有するチャンバと、反応管アセンブリと、ガス供給システムと、プラズマ発生装置と、真空システムとを備え、
前記チャンバにおいて、前記頂部および前記底部は、チャンバ内部を規定し、前記チャンバは、前記頂部および前記底部が開放位置および閉鎖位置を有するように構成され、前記開放位置では、前記チャンバ内部への接続が提供され、前記閉鎖位置では、前記チャンバ内部は真空を維持し、
前記反応管アセンブリは、前記チャンバに対して動作可能に配置され、前記反応管アセンブリは、反応管を含み、前記反応管は、前記チャンバ内部に位置し、中心軸、外側表面、内部、流入部、中央部、および流出部を有し、前記中央部は、前記粒子を収容し、前記流出部は、前記外側表面に少なくとも一つの開口を含み、前記反応管アセンブリは、前記反応管が前記中心軸周りに回転するように構成され、
前記ガス供給システムは、第１前駆体ガスおよび第２前駆体ガスを少なくとも含み、
前記プラズマ発生装置は、前記チャンバ内部に配置され、反応管の前記中心軸に沿って、前記反応管の前記流入部に隣接するか、あるいは、少なくとも一部が前記流入部の内部に位置するとともに、前記プラズマ発生装置は、動作の活性状態および不活性状態を有し、前記ガス供給システムに動作可能に接続され、前記第１前駆体ガスおよび前記第２前駆体ガスの少なくとも一つを受け入れるように構成され、このとき、前記活性状態において、少なくとも一つの前駆体ガスから少なくとも一つの対応するプラズマを形成し、前記プラズマは、そこから流出し、前記流入部を介して前記反応管の内部に入り、
前記真空システムは、前記閉鎖位置において前記チャンバ内部を真空にし、これにより、前記反応管の内部が真空になり、前記反応管は、前記プラズマを前記反応管の内部に通し、そこで粒子と反応させる、
システム。
【請求項２】
前記プラズマ発生装置および前記反応管の少なくとも一つは、前記中心軸に沿って軸上に移動し、これにより、前記プラズマ発生装置を、前記反応管の前記流入部に対して動作可能に配置することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記頂部および前記底部は、ヒンジによって機械的に接続される、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記反応管は、石英またはセラミックで形成される、請求項１から３の何れか１項に記載のシステム。
【請求項５】
前記プラズマ発生装置は、移動装置によって動作可能に支持され、
前記移動装置は、前記反応管の前記中心軸に少なくとも沿って前記プラズマ発生装置を移動させるように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記反応管アセンブリは、駆動モータ、支持板、および駆動シャフトをさらに備え、
前記駆動モータは、前記チャンバ内部の外側に位置し、
前記支持板は、前記流出部において前記反応管を支持し、
前記駆動シャフトは、前記駆動モータに前記支持板を機械的に接続する、
請求項１から５の何れか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記駆動モータは移動可能であり、これにより、前記反応管は前記中心軸に沿って移動可能である、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
少なくとも一台の加熱装置をさらに備え、
前記加熱装置は、前記反応管内に収容された前記粒子に熱を加えるように動作可能に配置される、請求項１から７の何れか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記プラズマ発生装置は、中空陽極プラズマ源または中空陰極プラズマ源の何れかを含む、請求項１から８の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プラズマ源の駆動周波数は、２００ｋＨｚから１５ＭＨｚの間にある、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記プラズマ発生装置は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源を含む、請求項１から１０の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＥＣＲプラズマ源は、２．４ＧＨｚの駆動周波数を有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記プラズマ発生装置は、実質的に円筒形状を有し、該円筒形状は、約５０ｍｍから約１００ｍｍの間の軸長および約２０ｍｍから約５０ｍｍの間の径を有する、請求項１から１２の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記反応管は、第１径Ｄ１を有する流入部および流出部を有し、
前記中央部は、第２径Ｄ２を有し、
（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１
となっている、請求項１から１３の何れか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
粒子を被覆するためのプラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）システム用の反応管アセンブリであって、
反応管と、支持板と、駆動モータと、駆動シャフトとを備え、
前記反応管は、中心軸、近位開口端および遠位開口端、本体部、流入部、流出部、および中央部を有し、
前記本体部は、誘電体材料で形成され、内部を規定する外側表面を有し、
前記流入部は、前記近位開口端を含み、
前記流出部は、前記遠位開口端を含み、
前記中央部は、前記流入部と前記流出部との間にあり、前記粒子を収容できる大きさを有し、
そして、前記反応管は、前記流出部の外側表面に形成される少なくとも一つの開口を有し、
前記支持板は、前記反応管の前記遠位開口端に動作可能に取り付けられ、
前記駆動シャフトは、前記駆動モータを前記支持板に機械的に接続し、これにより、前記駆動モータが前記駆動シャフトを回転駆動すると、前記反応管は、前記中心軸周りに回転する
反応管アセンブリ。
【請求項１６】
前記流入部および前記流出部は、第１径Ｄ１を有し、前記中央部は、第２径Ｄ２を有し、
（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１
となっている、請求項１５に記載の反応管アセンブリ。
【請求項１７】
前記反応管の前記中央部において、内部に延びる羽根をさらに備え、
前記羽根は、前記反応管の回転中、前記粒子を撹拌するように構成される、請求項１５または１６に記載の反応管アセンブリ。
【請求項１８】
前記駆動モータは移動可能であり、これにより、前記反応管は、その中心軸に沿って移動可能となる、請求項１５から１７の何れか１項に記載の反応管アセンブリ。
【請求項１９】
プラズマ発生装置をさらに備え、
前記プラズマ発生装置は、前記反応管の前記流入部に隣接するか、あるいは、少なくとも一部が前記流入部の内部に位置して、動作可能に配置され、
前記プラズマ発生装置は、活性動作状態および不活性動作状態を有し、前記プラズマ発生装置の非活性部分は、前記反応管の前記外側表面に隣接して存在する、請求項１５から１８の何れか１項に記載の反応管アセンブリ。
【請求項２０】
前記プラズマ発生装置は、前駆体ガスを受け入れ、
ｉ）前記プラズマ発生装置が活性状態にあるとき、前記前駆体ガスからプラズマを生成し、
ｉｉ）前記プラズマ発生装置が不活性状態にあるとき、プラズマを形成することなく前記前駆体ガスを通過させるように構成される、
請求項１９に記載の反応管アセンブリ。
【請求項２１】
プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）システムであって、
請求項１９または２０に記載の反応管アセンブリと、チャンバとを備え、
前記チャンバは、頂部および底部を有し、前記頂部および前記底部は、チャンバ内部を規定し、
前記チャンバは、前記頂部および前記底部が開放位置および閉鎖位置を有するように構成され、前記開放位置では、前記チャンバ内部への接続が提供され、前記閉鎖位置では、前記チャンバ内部は真空を維持し、そして、
前記反応管アセンブリは、前記チャンバに対して動作可能に配置され、これにより、前記反応管は、前記チャンバ内部に位置し、前記プラズマ発生装置および前記反応管の少なくとも一つは、軸上に移動可能であり、これにより、前記プラズマ発生装置および前記反応管は、前記チャンバが前記閉鎖位置にあるとき、互いに動作可能に配置される、
プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）システム。
【請求項２２】
前記プラズマ発生装置および前記反応管が互いに動作可能に配置されるとき、前記プラズマ発生装置の少なくとも一部は、前記流入部において前記反応管の内部に位置する、請求項２１に記載のプラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）システム。
【請求項２３】
プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を使用して粒子を処理する方法であって、
ａ）中心軸、近位開口端および遠位開口端、本体部、流入部、流出部、および中央部を有する反応管の内部に前記粒子を供給することと、
ｂ）前記反応管の内部を真空にすることと、
ｃ）前記反応管を回転することと、
ｄ）プラズマ発生装置を使用して第１前駆体ガスから第１プラズマを生成することと、
ｅ）前記第１プラズマを、前記反応管の内部に流して、前記第１プラズマによって前記粒子の各々に対して第１化学反応を生じさせながら、前記流入部から前記流出部へと流すことと
を備え、
前記ａ）において、前記本体部は、誘電体材料で形成され、内部を規定する外側表面を有し、前記流入部は、前記近位開口端を含み、前記流出部は、支持板によって閉じられる遠位開口端を含み、前記中央部は、前記流入部と前記流出部との間にあり、前記粒子を収容できる大きさを有し、前記流入部および前記流出部よりも幅が広くなっており、そして、前記反応管は、前記流出部の外側表面に形成される少なくとも一つの開口を有するとともに、
前記ｄ）において、前記プラズマ発生装置は、前記反応管の前記流入部に直に隣接して配置されるか、あるいは、その少なくとも一部が前記流入部の内部に位置して、動作可能に配置され、前記プラズマ発生装置の非活性部分は、前記外側表面に隣接して存在し、
前記ｅ）において、前記第１プラズマは、前記流出部の少なくとも一つの開口を通って前記反応管の内部から外へ出る
という方法。
【請求項２４】
前記流入部および前記流出部は、第１径を有し、前記中央部は、（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１の範囲にある第２径Ｄ２を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
ｆ）前記反応管の内部をパージすることと、
ｇ）前記第２前駆体ガスを、前記プラズマ発生装置に流すことと
をさらに備え、
前記ｇ）は、
ｉ）前記プラズマ発生装置を活性化させず、これにより、前記第２前駆体ガスが前記反応管の内部に流入し、前記粒子に対して第２化学反応を引き起こし、被膜を形成すること、あるいは、
ｉｉ）前記プラズマ発生装置を活性化させて、これにより、前記第２前駆体ガスから第２プラズマが形成され、前記第２プラズマは、前記反応管の内部に流入して、第３化学反応を引き起こすこと
の何れかを含む、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ｄ）から前記ｇ）の工程を連続的に繰り返し、ＰＥ−ＡＬＤ薄膜を形成することをさらに備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
第１被膜および第２被膜を選択的に形成し、前記粒子の各々にＰＥ−ＡＬＤ薄膜を規定することをさらに備え、
前記ＰＥ−ＡＬＤ薄膜は、前記第２被膜の複数の層で構成される、
請求項２５または２６に記載の方法。
【請求項２８】
ｆ）前記反応管の内部をパージすることと、
ｇ）前記第２前駆体ガスを前記プラズマ発生装置に流入させることなく、前記第２前駆体ガスを前記反応管の内部に供給し、前記第２前駆体ガスは、前記反応管の内部に流入し、前記粒子に対して第２化学反応を引き起こし、被膜を形成することと
をさらに備える、請求項２５から２７の何れか１項に記載の方法。
【請求項２９】
プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を使用して粒子を処理する方法であって、
ａ）中心軸、近位開口端および遠位開口端、本体部、流入部、流出部、および中央部を有する反応管の内部に前記粒子を供給することであって、
前記反応管において、
前記本体部は、誘電体材料で形成され、内部を規定する外側表面を有し、
前記流入部は、前記近位開口端を含み、
前記流出部は、支持板によって閉じられる遠位開口端を含み、
前記中央部は、前記流入部と前記流出部との間にあり、前記粒子を収容できる大きさを有し、前記流入部および前記流出部よりも幅が広くなっており、
そして、前記反応管は、前記流出部の外側表面に形成された少なくとも一つの開口を有する、ことと、
ｂ）前記反応管の内部を真空にすることと、
ｃ）前記反応管を回転することと、
ｄ）プラズマ発生装置を、前記反応管の前記流入部に直に隣接して動作可能に配置するか、あるいは、プラズマ発生装置の少なくとも一部を前記流入部の内部に動作可能に配置し、前記プラズマ発生装置の非活性部分は、前記外側表面に隣接して存在し、前記プラズマ発生装置は、活性状態および不活性状態を含み、前記活性状態は、第１前駆体ガスからプラズマを生成し、前記不活性状態は、第１前駆体ガスをプラズマに変換することなく前記プラズマ発生装置を通過させることができることと、
ｅ）前記第１前駆体ガスを不活性状態の前記プラズマ発生装置に通して、前記第１前駆体ガスを前記反応管の内部の前記流入部から前記流出部へと流しつつ、前記第１前駆体ガスによって前記粒子の各々に対して第１化学反応を生じさせて、前記粒子に第１被膜を形成し、前記第１前駆体ガスは、前記流出部の少なくとも一つの開口を通って、前記反応管の内部から外に出ることと、
ｆ）前記反応管の内部から前記第１前駆体ガスをパージすることと、
ｇ）前記活性状態の間、第２前駆体ガスを前記プラズマ発生装置に流入させてプラズマを形成し、前記プラズマは、前記粒子上で前記第１被膜と化学反応して第２被膜を形成し、前記第１プラズマは、前記流出部の少なくとも一つの開口を通って、前記反応管の内部から外に出ることと、
を備える方法。
【請求項３０】
前記プラズマは酸素ラジカルを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記プラズマは窒素ラジカルを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記プラズマ発生装置は、中空陰極プラズマ源または中空陽極プラズマ源の何れかを含む、請求項２９から３１の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、原子層堆積（ＡＬＤ）に関する。具体的には、粒子上にＰＥ−ＡＬＤを実行する際に使用するための回転反応管を有するプラズマ助長されたＡＬＤ（ＰＥ−ＡＬＤ）システムに関する。
【０００２】
本明細書中で言及されるあらゆる刊行物または特許文献の全ての開示は、参照により組み込まれる。特許文献には、米国特許第６，６１３，３８３号、第６，７１３，１７７号、第６，９１３，８２７号、第７，１３２，６９７号、第８，１３３，５３１号、第８，１６３，３３６号、第８，２０２，５７５号および第８，６３７，１５６号、並びに、米国付与前特許公開第２００７／２９８２５０号公報、第２０１１／０２００８２２号公報、第２０１２／０００９３４３号公報、第２０１３／００５９０７３号公報および第２０１３／０１９３８３５号公報が含まれる。刊行物には、以下の技術文献が含まれる。
１）Ｌｏｎｇｒｉｅら、「粉体および小物体上での熱的プラズマ助長原子層堆積用の回転反応器」、表面被覆技術（Ｓｕｒｆａｃｅ  ＆  Ｃｏａｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）  ２１２（２０１２年）、１８３−１９１頁
２）ＭｃＣｏｒｍｉｃｋら、「多量のナノ粒子上での原子層堆積用の回転反応器」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ２５（１）、２００７年1月／２月、６７−７４頁
【背景技術】
【０００３】
ＡＬＤは、非常に制御された手法で物体上に薄膜を堆積する方法である。堆積処理は、蒸気状態の２以上の化学物質（「前駆体」）を使用して、物体の表面上でこれらの化学物質を連続的かつ自己制限的に反応させることによって制御される。連続的な処理は繰り返されて、層ごとに薄膜を構築する。これらの層は、原子スケールの厚さを有する。
【０００４】
ＰＥ−ＡＬＤはプラズマを利用し、少なくとも一つの前駆体を供給する。これは、任意の反応において、前駆体をイオン化する必要があるためである。このようなイオン化をしないと、前駆体を十分に反応させて所望の材料を形成することが不可能となり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＡＬＤは、粒子上に薄層を形成するために使用することができる。粒子は、多くの場合、０．０１ミクロンから１００ミクロン代の径を有する。粒子上にＡＬＤを実行することは、基板の２Ｄ表面上でＡＬＤを実行するよりも困難である。これは、粒子の被膜は三次元的であり、被膜が粒子表面全体を覆う必要があるためである。また、多数の粒子を被覆する必要があるときに、被覆される全体面積が比較的大きくなる。したがって、粒子上にＡＬＤを実行するための改良されたシステムおよび方法が絶え間なく必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ＰＥ−ＡＬＤおよび回転反応管を使用して粒子を被覆するためのシステムおよび方法が開示される。この回転反応管は、反応管アセンブリの一部である。反応管アセンブリは、軸周りに回転移動し、これにより、反応管アセンブリは、プラズマ発生装置に対して動作可能に配置される。プラズマ発生装置は、活性状態および不活性状態を有する。活性状態では、前駆体ガスからプラズマを生成し、不活性状態では、プラズマを形成することなく前駆体ガスを通過させる。反応管は、チャンバ内に存在する。チャンバは、反応管に接続（アクセス）するための開放位置と、真空を支持（維持）する閉鎖位置とを有する。プラズマ発生装置の流出端部は、反応管の流入部に直に隣接して存在するか、あるいは、反応管の流入部内に存在する。この構成により、プラズマ発生装置の活性部分が反応管の外側表面に隣接して存在する必要がなくなる。
【０００７】
本開示の一局面は、第１前駆体ガスおよび第２前駆体ガスを少なくとも使用して、粒子のプラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を実行するためのシステムである。このシステムは、頂部および底部を有するチャンバを含む。頂部および底部は、チャンバ内部を規定（区画）する。前記チャンバは、前記頂部および前記底部が開放位置および閉鎖位置を有するように構成される。前記開放位置は、前記チャンバ内部への接続（アクセス）を提供し、前記閉鎖位置では、前記チャンバ内部は真空を維持する。また、前記システムは、反応管アセンブリを含む。前記反応管アセンブリは、前記チャンバに対して動作可能に配置される。前記反応管アセンブリは、反応管を含む。前記反応管は、前記チャンバ内部に位置し、中心軸、外側表面、内部、流入部、中央部、および流出部を有する。前記中央部は、前記粒子を収容する。前記流出部は、前記外側表面に少なくとも一つの開口を含む。前記反応管アセンブリは、前記反応管が前記中心軸周りに回転するように構成される。また、前記システムは、ガス供給システムを含む。前記ガス供給システムは、第１前駆体ガスおよび第２前駆体ガスを少なくとも含む。また、前記システムは、プラズマ発生装置を含む。前記プラズマ発生装置は、前記チャンバ内部に配置され、反応管の前記中心軸に沿って、前記反応管の前記流入部に隣接するか、あるいは、少なくとも一部が前記流入部の内部に位置する。前記プラズマ発生装置は、動作の活性状態および不活性状態を含み、前記ガス供給システムに動作可能に接続され、前記第１前駆体ガスおよび前記第２前駆体ガスの少なくとも一つを受け取るように構成される。このとき、前記活性状態において、そこ（少なくとも一つの前駆体ガス）から少なくとも一つの対応するプラズマを形成する。前記プラズマは、そこから流出し、前記流入部を介して前記反応管の内部に入る。また、前記システムは、真空システムを含む。前記真空システムは、前記閉鎖位置において前記チャンバ内部に真空を形成する。これにより、前記反応管の内部で真空が形成される。前記反応管は、前記プラズマを前記反応管の内部に通し、そこで粒子と反応させる。
【０００８】
本開示の他の局面は、上述のシステムであって、前記プラズマ発生装置および前記反応管の少なくとも一つは、前記中心軸に沿って軸上に移動し、これにより、前記プラズマ発生装置を、前記反応管の前記流入部に対して動作可能に配置することができる。
【０００９】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記頂部および前記底部は、ヒンジによって機械的に接続される。
【００１０】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記反応管は、石英またはセラミックで形成される。
【００１１】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記プラズマ発生装置は、移動装置によって動作可能に支持される。前記移動装置は、前記反応管の前記中心軸に少なくとも沿って前記プラズマ発生装置を移動させるように構成される。
【００１２】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記反応管アセンブリは、駆動モータ、支持板、および駆動シャフトをさらに含む。前記駆動モータは、前記チャンバ内部の外側に位置する。前記支持板は、前記流出部において前記反応管を支持する。前記駆動シャフトは、前記駆動モータに前記支持板を機械的に接続する。
【００１３】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記駆動モータは移動可能であり、これにより、前記反応管は前記中心軸に沿って（平行）移動可能である。
【００１４】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記システムは、少なくとも一台の加熱装置をさらに含む。前記加熱装置は、前記反応管内に収容された前記粒子に熱を加えるように動作可能に配置される。
【００１５】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記プラズマ発生装置は、中空陽極プラズマ源または中空陰極プラズマ源の何れかを含む。
【００１６】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記プラズマ源の駆動周波数は、２００ｋＨｚから１５ＭＨｚの間にある。
【００１７】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記プラズマ発生装置は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源を含む。
【００１８】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記ＥＣＲプラズマ源は、２．４ＧＨｚの駆動周波数を有する。
【００１９】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記プラズマ発生装置は、実質的に円筒形状を有し、該円筒形状は、約５０ｍｍから約１００ｍｍの間の軸長および約２０ｍｍから約５０ｍｍの間の径を有する。
【００２０】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記反応管は、第１径Ｄ１を有する流入部および流出部を有する。前記中央部は、第２径Ｄ２を有する。また、以下の不等式を満たす。
（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１
【００２１】
本開示の一局面は、粒子を被覆するためのプラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）システム用の反応管アセンブリである。前記反応管アセンブリは、反応管を含む。前記反応管は、中心軸、近位開口端および遠位開口端、本体部、流入部、流出部、中央部を有する。前記本体部は、誘電体材料で形成され、内部を規定する外側表面を有する。前記流入部は、前記近位開口端を含む。前記流出部は、前記遠位開口端を含む。前記中央部は、前記流入部と前記流出部との間にあり、前記粒子を収容できる大きさを有する。そして、前記反応管は、前記流出部の外側表面に形成された少なくとも一つの開口を有する。また、前記反応管アセンブリは、支持板を含む。前記支持板は、前記反応管の前記遠位開口端に動作可能に取り付けられる。また、前記反応管アセンブリは、駆動モータおよび駆動シャフトを含む。前記駆動シャフトは、前記駆動モータを前記支持板に機械的に接続する。これにより、前記駆動モータが前記駆動シャフトを回転駆動すると、前記反応管は、前記中心軸周りに回転する。
【００２２】
本開示の他の局面は上述の反応管アセンブリであって、前記流入部および前記流出部は、第１径Ｄ１を有する。前記中央部は、第２径Ｄ２を有する。そして、以下の不等式を満たす。
（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１
【００２３】
本開示の他の局面は上述の反応管アセンブリであって、前記反応管アセンブリは、前記反応管の前記中央部において、内部に延びる羽根をさらに含む。前記羽根は、前記反応管の回転中、前記粒子を撹拌するように構成される。
【００２４】
本開示の他の局面は上述の反応管アセンブリであって、前記駆動モータは移動可能であり、これにより、前記反応管は、その中心軸に沿って（平行）移動可能となる。
【００２５】
本開示の他の局面は上述の反応管アセンブリであって、前記反応管アセンブリは、プラズマ発生装置をさらに含む。前記プラズマ発生装置は、前記反応管の前記流入部に隣接するか、あるいは、少なくとも一部が前記流入部の内部に位置して、動作可能に配置される。前記プラズマ発生装置は、活性動作状態および不活性動作状態を有する。前記プラズマ発生装置の非活性部分は、前記反応管の前記外側表面に隣接して存在する。
【００２６】
本開示の他の局面は上述の反応管アセンブリであって、前記プラズマ発生装置は、前駆体ガスを受け取り、ｉ）前記プラズマ発生装置が活性状態にあるとき、前記前駆体ガスからプラズマを生成し、ｉｉ）前記プラズマ発生装置が不活性状態にあるとき、プラズマを形成することなく前記前駆体ガスを通過させるように構成される。
【００２７】
本開示の一局面は、プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）システムである。このシステムは、上述の反応管アセンブリを含む。また、このシステムは、頂部および底部を有するチャンバを含む。頂部および底部は、チャンバ内部を規定（区画）する。前記チャンバは、前記頂部および前記底部が開放位置および閉鎖位置を有するように構成される。前記開放位置は、前記チャンバ内部への接続（アクセス）を提供し、前記閉鎖位置では、前記チャンバ内部は真空を維持する。前記反応管アセンブリは、前記チャンバに対して動作可能に配置される。これにより、前記反応管は、前記チャンバ内部に位置する。前記プラズマ発生装置および前記反応管の少なくとも一つは、軸上に移動可能であり、これにより、前記プラズマ発生装置および前記反応管は、前記チャンバが前記閉鎖位置にあるとき、互いに動作可能に配置される。
【００２８】
本開示の他の局面は上述のシステムであって、前記プラズマ発生装置および前記反応管が互いに動作可能に配置されるとき、前記プラズマ発生装置の少なくとも一部は、前記流入部において前記反応管の内部に位置する。
【００２９】
本開示の一局面は、プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を使用して粒子を処理する方法である。この方法は、ａ）反応管の内部に前記粒子を供給することを含む。前記反応管は、中心軸、近位開口端および遠位開口端、本体部、流入部、流出部、中央部を有する。前記本体部は、誘電体材料で形成され、内部を規定する外側表面を有する。前記流入部は、前記近位開口端を含む。前記流出部は、支持板によって閉じられる遠位開口端を含む。前記中央部は、前記流入部と前記流出部との間にあり、前記粒子を収容できる大きさを有し、前記流入部および前記流出部よりも幅が広くなっている。そして、前記反応管は、前記流出部の外側表面に形成された少なくとも一つの開口を有する。また、この方法は、ｂ）前記反応管の内部に真空を形成することを含む。また、この方法は、ｃ）前記反応管を回転することを含む。また、この方法は、プラズマ発生装置を使用して第１前駆体ガスから第１プラズマを生成することを含む。前記プラズマ発生装置は、前記反応管の前記流入部に直に隣接して配置されるか、あるいは、その少なくとも一部が前記流入部の内部に位置して、動作可能に配置される。前記プラズマ発生装置の非活性部分は、前記外側表面に隣接して存在する。また、この方法は、ｅ）前記第１プラズマを、前記反応管の内部に通過させて、前記第１プラズマによって前記粒子の各々に対して第１化学反応を生じさせながら、前記流入部から前記流出部へと流すことを含む。前記第１プラズマは、前記流出部の少なくとも一つの開口を通って前記反応管の内部から外へ出る。
【００３０】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記流入部および前記流出部は、第１径を有し、前記中央部は、（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１の範囲にある第２径Ｄ２を有する。
【００３１】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、ｆ）前記反応管の内部をパージ（浄化）することをさらに含む。また、前記方法は、ｇ）第２前駆体ガスを、前記プラズマ発生装置に通すことを含む。ここで、ｉ）前記プラズマ発生装置を活性化させず、これにより、前記第２前駆体ガスが前記反応管の内部に流入し、前記粒子に対して第２化学反応を引き起こし、被膜を形成するか、あるいは、ｉｉ）前記プラズマ発生装置を活性化させて、これにより、前記第２前駆体ガスから第２プラズマが形成され、前記第２プラズマは、前記反応管の内部に流入して、第３化学反応を引き起こすことを含む。
【００３２】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、ｄ）からｇ）の工程を連続的に繰り返し、ＰＥ−ＡＬＤ薄膜を形成することをさらに含む。
【００３３】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、第１被膜および第２被膜を選択的に形成し、前記粒子の各々にＰＥ−ＡＬＤ薄膜を規定することをさらに含む。前記ＰＥ−ＡＬＤ薄膜は、前記第２被膜の複数の層で構成される。
【００３４】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記方法は、ｆ）前記反応管の内部をパージ（浄化）することをさらに含む。前記方法は、ｇ）前記第２前駆体ガスを前記プラズマ発生装置に流入通過させることなく、前記第２前駆体ガスを前記反応管の内部に供給することをさらに含む。前記第２前駆体ガスは、前記反応管の内部に流入し、前記粒子に対して第２化学反応を引き起こし、被膜を形成する。
【００３５】
本開示の一局面は、プラズマ助長原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を使用して粒子を処理する方法である。この方法は、ａ）反応管の内部に前記粒子を供給することを含む。前記反応管は、中心軸、近位開口端および遠位開口端、本体部、流入部、流出部、中央部を有する。前記本体部は、誘電体材料で形成され、内部を規定する外側表面を有する。前記流入部は、前記近位開口端を含む。前記流出部は、支持板によって閉じられる遠位開口端を含む。前記中央部は、前記流入部と前記流出部との間にあり、前記粒子を収容できる大きさを有し、前記流入部および前記流出部よりも幅が広くなっている。そして、前記反応管は、前記流出部の外側表面に形成された少なくとも一つの開口を有する。また、この方法は、ｂ）前記反応管の内部を真空にすることを含む。また、この方法は、ｃ）前記反応管を回転することを含む。また、この方法は、ｄ）プラズマ発生装置を、前記反応管の前記流入部に直に隣接して動作可能に配置するか、あるいは、プラズマ発生装置の少なくとも一部を前記流入部の内部に動作可能に配置することを含む。前記プラズマ発生装置の非活性部分は、前記外側表面に隣接して存在する。前記プラズマ発生装置は、活性状態および不活性状態を含む。前記活性状態では、第１前駆体ガスからプラズマを生成する。前記不活性状態では、第１前駆体ガスをプラズマに変換することなく前記プラズマ発生装置を通過させることができる。また、この方法は、ｅ）前記第１前駆体ガスを不活性状態の前記プラズマ発生装置に通して、前記第１前駆体ガスを前記反応管の内部を通して前記流入部から前記流出部へと流しつつ、前記第１前駆体ガスによって前記粒子の各々に対して第１化学反応を生じさせて、前記粒子に第１被膜を形成することを含む。前記第１前駆体ガスは、前記流出部の少なくとも一つの開口を通って、前記反応管の内部から外に出る。また、この方法は、ｆ）前記反応管の内部から前記第１前駆体ガスをパージ（浄化）することをさらに含む。また、この方法は、ｇ）前記活性状態の間、第２前駆体ガスを前記プラズマ発生装置に流入させてプラズマを形成することを含む。前記プラズマは、前記粒子上で前記第１被膜と化学反応して、第２被膜を形成する。前記第１プラズマは、前記流出部の少なくとも一つの開口を通って、前記反応管の内部から外に出る。
【００３６】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記プラズマは酸素ラジカルを含む。
【００３７】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記プラズマは窒素ラジカルを含む。
【００３８】
本開示の他の局面は上述の方法であって、前記プラズマ発生装置は、中空陰極プラズマ源または中空陽極プラズマ源の何れかを含む。
【００３９】
さらなる特徴点及び利点は、以下の詳細な説明に明記される。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に記載された実施形態を実施することによって認識されるであろう。上記の概要及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
添付図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部を構成すると共に本明細書の一部に組み込まれる。図面は、１または複数の実施形態を示しており、詳細な説明と共に種々の実施形態の原理や動作を説明する役割を担う。このように、本開示は、添付図面と共に以下に示す詳細な説明からより完全に理解されることになるであろう。
【図１Ａ】図１Ａは、本開示にかかるＰＥ−ＡＬＤシステムの一例を示す上方斜視図である。この図では、チャンバが閉鎖位置で示される。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ＰＥ−ＡＬＤシステムの正面図である。この図では、チャンバが開放位置で示される。
【図１Ｃ】図１Ｃは、チャンバ内部に流量制御部を接続する追加のガス管が存在すること以外は、図１Ｂと同様の図である。この追加のガス管は、プラズマ発生装置を迂回する。
【図２Ａ】図２Ａは、本明細書に開示されるＰＥ−ＡＬＤシステムの反応管アセンブリの一例を示す拡大側面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの反応管アセンブリの反応管の一例を示す側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２Ａの反応管アセンブリと同様の側面図であり、ＰＥ−ＡＬＤシステムを使用して粒子のＰＥ−ＡＬＤ被膜を実行する種々の処理工程を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２Ａの反応管アセンブリと同様の側面図であり、ＰＥ−ＡＬＤシステムを使用して粒子のＰＥ−ＡＬＤ被膜を実行する種々の処理工程を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図２Ａの反応管アセンブリと同様の側面図であり、ＰＥ−ＡＬＤシステムを使用して粒子のＰＥ−ＡＬＤ被膜を実行する種々の処理工程を示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図２Ａの反応管アセンブリと同様の側面図であり、ＰＥ−ＡＬＤシステムを使用して粒子のＰＥ−ＡＬＤ被膜を実行する種々の処理工程を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。図面において可能な限り、同一または類似の部分には、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。
【００４２】
下記の特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。
【００４３】
いくつかの図面において、参考のためにデカルト座標が描かれているが、これは方向および配置位置を限定するものではない。
【００４４】
本明細書で使用される用語「粒子」は、一般的に１ｍｍ未満のサイズであり、典型的には０．５ｍｍ未満のサイズの小さな物体（例えば、粉体、マイクロスフェア（微小球）、顆粒など）を含む。粒子の表面は、なめらかであっても、起伏があっても、多孔質などであってもよい。粒子は、球状、円形、扁球などであってもよいが、その形状はこれに限定されず、ＡＬＤ系処理に適したあらゆる妥当な形状を有し得る。
【００４５】
本明細書で使用される略語ＲＰＭは、「一分当たりの回転数（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）」を意味する。
【００４６】
ＰＥ−ＡＬＤシステム
図１Ａは、本明細書に開示されるＰＥ−ＡＬＤシステム（「システム」）の一例を示す上方斜視図である。図１Ｂは、後述するように、開放位置におけるシステム１０の正面図である。システム１０は、チャンバ２０を含む。チャンバ２０は、頂部（上部）２２および底部３２によって規定される。一例では、チャンバ２０の頂部２２および底部３２は、円筒形であり、端部２４，３４をそれぞれ含む。端部２４，３４は、相互に結合し、チャンバ内部４０を形成する。チャンバ内部４０は、真空密封されることができる。頂部２２および底部３２は、ヒンジ３０によって動作可能に接続される。ヒンジ３０によって、頂部２２は（例えば、ハンドル３１を使用して手動で）回動して底部３２から開放することができる。これにより、図１Ｂに示すようにチャンバ内部４０にアクセスすることができる。頂部２２は天井２５を有し、底部３２は床３５を有する。一例では、チャンバ内部４０は、２５０ｍｍから５００ｍｍの範囲内の径の円形断面を有する円筒形状を有する。
【００４７】
システム１０は、ガス供給システム５０を含む。ガス供給システム５０は、第１前駆体ガス源５２および第２前駆体ガス源５４を少なくとも有する。第１前駆体ガス源５２および第２前駆体ガス源５４は、第１前駆体ガス６２および第２前駆体ガス６４をそれぞれ含んでいる。ガス供給システム５０は、パージガス源５６も含む。パージガス源５６は、不活性ガス（例えば、Ｎ、Ａｒ、Ｈｅなど）などのパージガス６６を含んでいる。第１前駆体ガス源５２および第２前駆体ガス源５４は、流量制御部８０を介してガス管７０に動作可能に接続される。流量制御部８０は、第１前駆体ガス６２および第２前駆体ガス６４、並びにパージガス６６のガス管７０への流量を制御する。ガス管７０は、プラズマ発生装置１００に動作可能に接続される。プラズマ発生装置１００は、流量制御部８０の下流側に動作可能に配置される。一例では、流量制御部８０は、第１前駆体ガス６２および第２前駆体ガス６４の少なくとも一つが、窒素またはアルゴンなどの不活性ガス（例えば、パージガス６６）と混合できるように操作される。
【００４８】
プラズマ発生装置１００は、流出部１０２を含む。流出部１０２は、一例では、ノズルの形態であるか、あるいは、ノズルを含む。
【００４９】
一例では、プラズマ発生装置１００は、中空陰極プラズマ源を含む。他の例では、プラズマ発生装置１００は、中空陽極プラズマ源を含む。中空陽極プラズマ源の一例は、米国特許第３，５１５，９３２号に記載されている。一例では、中空陰極および中空陽極プラズマ発生装置１００は、２ＫＨｚから１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数で動作可能である。
【００５０】
他の例では、プラズマ発生装置１００は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ源を含む。一例では、ＥＣＲプラズマ源は、外部コイルによって与えられる磁界と連動したマイクロ波源を有する。磁気コイル駆動の周波数および磁界強度は、マイクロ波周波数に適合するように設計される。例えば、マイクロ波周波数が２．４ＧＨｚであれば、８７５ガウスの磁界が２．４ＧＨｚの電子サイクロトロン周波数を生成し、電子の回転移動がマイクロ波と共鳴する。これが、電子と中性ガスとの衝突の確率を増大させ、イオン化ガス（プラズマ）を作り出す。
【００５１】
一般的に言うと、プラズマ発生装置１００は、比較的小型に設計される。一例では、プラズマ発生装置１００は、通常、５０ｍｍから１００ｍｍの間の軸長、および、２０ｍｍから５０ｍｍの間の径を有する円筒形状を有する。
【００５２】
プラズマ発生装置１００および流量制御部８０は、制御部１１０に動作可能に接続される。制御部１１０は、プラズマ発生装置１００および流量制御部８０の動作を制御するように構成される。一例では、制御部１１０は、持続性コンピュータ読み取り可能媒体（例えば、ソフトウェアおよび／またはファームウェア）で具現化された指令を含む。持続性コンピュータ読み取り可能媒体は、プラズマ発生装置１００にプラズマを発生させ、流量制御部８０に前駆体ガス６２および６４、並びにパージガス６６の流量を制御させる。一例では、制御部１１０は、プラズマ発生装置１００に電力も供給する。
【００５３】
一例では、プラズマ発生装置１００は、２つの動作状態、すなわち、活性状態および不活性状態を含む。活性状態では、通過するガスをプラズマに変換する。不活性状態では、通過するガスをプラズマに変換しない、すなわち、ガスは不変のまま通過する。制御部１１０は、プラズマ発生装置１００の動作状態を規定するために使用することができる。
【００５４】
また、システム１０は、真空システム１２０を含む。真空システム１２０は、真空ライン１２２を介してチャンバ内部４０に動作可能に接続される。システム１０が閉鎖位置にあるとき、すなわち、図１Ａに示されるように、チャンバ２０の頂部２２および底部３２が各端部２４および３４において相互結合しているときに、真空システム１２０は、チャンバ内部４０内を真空にするために使用される。
【００５５】
図２Ａは、一例の反応管アセンブリ１９０を示す側面図である。反応管アセンブリ１９０は、システム１０の一部を形成する。反応管アセンブリ１９０は、反応管２００を含む。反応管２００は、中心軸ＡＣ、本体部２０１、ならびに近位開口端２０２および遠位開口端２０４を有する。本体部２０１は、外側表面２０３を有する。図２Ｂは、反応管２００を真横から見た図である。一例の反応管２００は、幅広の中央部２１０を含む。中央部２１０は、幅狭の端部２１２および２１４によって両脇を取り囲まれている。端部２１２および２１４は、近位開口端２０２および遠位開口端２０４をそれぞれ含む。幅狭の端部２１２は、本明細書では、「流入部」とも呼ばれる。一方、幅狭の端部２１４は、以下の説明する理由で「流出部」と呼ばれる。
【００５６】
一例では、幅広の中央部２１０、並びに幅狭の端部２１２および２１４は、例えば、実質的に円形の断面形状を有する円筒形状である。反応管２００は、プラズマまたは反応ガスと容易に反応しない材料で作られている。材料の例として、石英、多くの異なる種類のセラミックの何れか一つなどの誘電体材料が含まれる。
【００５７】
反応管２００は、本体部２０１によって規定された内側表面２１８を有する内部２１６を含む。内部２１６は、幅広の中央内部部分２２０と、２つの幅狭の内部部分２２２および２２４とを有する。中央内部部分２２０は、幅広の中央部２１０と関連付けられている。幅狭の内部部分２２２および２２４は、幅狭の端部２１２および２１４によってそれぞれ規定されている。一例では、湾曲した各変化領域２３２および２３４が、幅広の中央部２１０を、幅狭の端部２１２および２１４につなげている。
【００５８】
図１Ｂおよび図２Ａに示される例では、幅狭の端部２１２および２１４は、同一の径Ｄ１を有し、幅広の中央部２１０は、径Ｄ２を有する。そしてここで、（１．２５）・Ｄ１≦Ｄ２≦（３）・Ｄ１となっている。一例では、反応管２００は、１２５ｍｍから２２５ｍｍの範囲内の軸長Ｌを有する。一例では、径Ｄ１は、１０ｍｍから２０ｍｍの範囲内であり、径Ｄ２は、２０ｍｍから６０ｍｍの範囲内である。そしてここで、Ｄ２＞Ｄ１となっている。さらに後述するように、反応管２００は、その中心軸ＡＣ周りに回転可能である。そのため、反応管２００は、本明細書では、「回転反応管」と呼ばれる。
【００５９】
なお、プラズマ発生装置１００は、比較的小型で、反応管２００の近位開口端２０２に対して動作可能に配置されることに留意すべきである。そして具体的には、プラズマ発生装置１００は、反応管２００の流入部２１２の内部部分２２２に直に隣接して配置されるか、あるいは、その少なくとも一部が反応管２００の流入部２１２の内部部分２２２内に位置するように配置される。この構成により、反応管２００の外側表面２０３の周囲で、ＲＦコイル、電極などの活性プラズマ発生素子または活性プラズマ発生装置の使用を避けることができる。プラズマ発生装置１００の不活性部品の一例は、その容器（筐体）、または取付特徴部、または構造素子（図示せず）である。このように、一例では、プラズマ発生装置１００は、非活性部分を有する。非活性部分は、反応管２００の外側表面２０３に隣接して存在する。
【００６０】
図２Ａは、幅広の中央部２１０の内部部分２２０に存在する粒子３００を示す。図２Ｂは、粒子３００の一例の拡大図も含む。粒子３００は外側表面３０２を有する。被覆に適した粒子３００の種類の例は、後述する。粒子３００は、一般的に、従来のＡＬＤ処理に適したあらゆる材料を含む。すなわち、前駆体ガス６２および６４は、粒子３００の外側表面３０２と反応する（接着することを含む）ために用いられる。一例では、粒子３００の大きさは、０．０１ミクロンから１００ミクロン代の範囲内にある。一例では、粒子３００の外側表面３０２は、被膜（例えば、酸化物被膜）によって規定されうる。被膜は、粒子３００の本体またはバルクとは異なる材料で形成される。
【００６１】
図２Ｂに最もよく示される例では、反応管２００の幅広の中央部２１０は、任意で羽根２５０を含んでもよい。羽根２５０は、内側表面２１８から中心軸ＡＣへ向けて放射状に内側へ延びており、内部部分２２０内で粒子３００の撹拌を促す。これにより、最小限の凝集で粒子３００の外側表面３０２に均一な被膜を施すことができる。
【００６２】
再度図２Ａを参照すると、一例では、反応管２００は、幅狭の端部２１４に形成された一つ以上の開口３１６を含む。一つ以上の開口３１６は、幅狭の端部２１４の内部部分２２４の外部へガス（後述するように、プラズマを含む）を流出させるように構成される。これにより、後述するように、幅狭の端部２１４が流出部１０２となる。これは、反応管アセンブリ１９０が、前面３２２を有する支持部材３２０を含んでいるためである。支持部材３２０の前面３２２は、反応管２００の遠位開口端２０４を少なくとも実質的に閉鎖する。一例では、支持部材３２０は、エンドプレートの形態である。一例では、幅狭の端部２１４の一部は、図３Ａから図３Ｄの断面図に示されるように、支持部材３２０の方へ延びており、後述するように、反応管２００を支持部材３２０に固定させる際の補助となる。
【００６３】
また、反応管アセンブリ１９０は、駆動シャフト３３０および駆動モータ３４０を含む。駆動シャフト３３０は、支持部材３２０を駆動モータ３４０に機械的に接続する。駆動モータ３４０は、チャンバ２０の外側に存在することが好ましい。一例では、駆動シャフト３３０は、例えば、チャンバ２０の頂部２２において、密閉されたベアリングまたは回転フィードスルー３５０を貫通する。駆動モータ３４０は、駆動シャフト３３０を回転させる（すなわち、駆動モータ３４０は、駆動シャフト３３０を回転駆動する）。駆動シャフト３３０は、反応管２００、および、反応管２００に取り付けられた支持部材３２０の中心軸ＡＣ周りでの回転を順次駆動する。一例では、反応管アセンブリ１９０は、０ＲＰＭから３００ＲＰＭの範囲内での回転速度ＲＲで、反応管２００を軸回転させるように構成される。一例では、回転速度ＲＲは、少なくとも１ＲＰＭである。
【００６４】
一例では、反応管アセンブリ１９０は、反応管２００が軸方向に平行移動できるように、すなわち、矢印ＡＲ１で示されるように、ｘ方向に前後に移動可能となるように構成される。この軸方向の移動は、例えば、駆動モータ３４０を軸方向に移動させることによって実現できる。反応管２００を軸方向に移動させることで、プラズマ発生装置１００を、流入部２１２の近位開口端２０２に対して動作可能に配置することができる。一例では、プラズマ発生装置１００の少なくとも一部（例えば、流出部１０２）は、図２Ａに示されるように、反応管２００の流入部２１２の内部２２２内に存在する。
【００６５】
一例では、プラズマ発生装置１００の位置決めは、システム１０が開放位置にあるとき、＋ｘ方向に反応管２００を移動させることによって実現することができる。これにより、プラズマ発生装置１００と反応管２００の近位開口端２０２との間に適切な空間距離を作り、チャンバ２０を閉鎖位置に配置することができる。チャンバ２０が開放位置にあり、使用者が近位開口端２０２にアクセスできる際、被覆対象粒子３００は、反応管２００の内部２１６に投入される。
【００６６】
他の例では、プラズマ発生装置１００は、プラズマ発生装置１００を移動させることによって位置決めされることができる。一例では、これは、移動装置１０４（例えば、移動ステージ）上にプラズマ発生装置１００を載置する、あるいは支持することによって実現される。移動装置１０４は、矢印ＡＲ２で示されるように、少なくともｘ方向にプラズマ発生装置１００を移動させるように構成される。一例では、移動装置１０４は、制御部１１０に動作可能に接続される。制御部１１０は、プラズマ発生装置１００の動き（移動）を制御するように構成される。この構成により、プラズマ発生装置１００を、反応管２００の幅狭の端部２１２の内部部分２２２の外部に後退させることができる。これにより、チャンバ２０は、開放位置に移動できる。その後、チャンバ２０が閉鎖位置になったときに、プラズマ発生装置１００を内部部分２２２へ挿入することができる。
【００６７】
また、システム１０は、少なくとも一つの加熱装置４００を含む。加熱装置４００は、稼働したときに熱（すなわち、赤外線エネルギー）４０２を放射するように動作可能に配置される。一例では、加熱装置４００は、チャンバ２０内の例えば、底部３２の床３５上に配置される。これにより、加熱装置４００は、チャンバ２０が閉鎖位置にあるときに、反応管２００に接近することができる。また、少なくとも一つの加熱装置４００を、チャンバ２０の頂部２２の天井２５に配置することもできる。一例では、複数の加熱装置４００を設けてもよい。少なくとも一つの加熱装置４００は、制御部１１０に電気的に接続されるか、あるいは、独立した電源に接続されることができる（図示せず）。
【００６８】
ＰＥ−ＡＬＤシステムを使用して粒子を被覆する方法
粒子３００が反応管２００の内部２１６に位置すると、その後、チャンバ２０の頂部２２は閉じられ、密閉されたチャンバ内部４０を形成する。この時点で、反応管２００は、−ｘ方向に移動する（あるいは、プラズマ発生装置１００が＋ｘ方向に移動する）。これにより、プラズマ発生装置１００の一部（例えば、流出部１０２）は、その動作可能位置に存在する。一例では、動作可能位置は、図２Ａに示されるように、反応管２００の流入部２１２の内部部分２２２に直に隣接するか、あるいは、反応管２００の流入部２１２の内部部分２２２内にある。
【００６９】
この時点で、真空システム１２０は、チャンバ内部４０の圧力を、例えば、５０ミリトールから５００トールの範囲内の圧力に減少させるために使用される。反応管２００は、近位開口端２０２および開口３１６で開放するため、反応管２００の内部２１６の圧力は、最初にチャンバ２０の圧力と同一になる。
【００７０】
その後、駆動モータ３４０が稼働し、これにより、反応管２００が中心軸ＡＣ周りに回転し始める。上述したように、一例では、幅広の中央部２１０の内部部分２２０の羽根２５０は、粒子３００を撹拌するように機能する。これにより、粒子３００は、反応管２００の内部表面２１８に存在せず、そのほとんどの時間を、内部部分２２０内で撹拌されて過ごす。さらに、加熱装置４００が稼働して、熱４０２を発する。熱４０２は、粒子３００を温め、例えば、１００℃から４００℃の範囲内の温度に上昇させ、化学反応を促進する。別の実施形態では、チャンバ２０全体が加熱装置４００を介して加熱され、これにより、加熱されたチャンバ２０は、背面側熱輻射４０２を生成する。背面側熱輻射４０２は、粒子３００に入射し、粒子３００を加熱する。
【００７１】
図３Ａから図３Ｄは、粒子３００上にＡＬＤ被膜またはＡＬＤ薄膜を形成する処理の一例を示す。図１Ａ、図１Ｂおよび図３Ａを参照すると、上述したようにシステム１０が構成されると、制御部１１０が流量制御部８０を稼働させ、第１前駆体ガス源５２からの第１前駆体ガス６２を、ガス管７０を通してプラズマ発生装置１００へ流入させる。この例では、制御部１１０はプラズマ発生装置１００を稼働させず（すなわち、制御部１１０はプラズマ発生装置１００を不活性状態に設定または維持し）、これにより、第１前駆体ガス６２は、プラズマ生成力を受けることなく、プラズマ発生装置１００にそのまま流入する。第１前駆体ガス６２は、プラズマ発生装置１００の流出部１０２から、反応管２００の流入部２１２および内部２１６、具体的には、幅広の中央部２１０の内部部分２２０へ流入する。ここで、第１前駆体ガス６２は、粒子３００と混合し、各粒子３００の外側表面３０２と相互作用し、外側表面３０２に初期被膜３０５を形成する。初期被膜３０５は、第１前駆体ガス６２の一つ以上の構成要素を含む。第１前駆体ガス６２は、継続的に供給されるか、または、一つ以上のパルスで供給される。
【００７２】
第１前駆体ガス６２は、反応管２００の内部２１６内で形成される圧力差に起因して、幅広の中央部２１０の内部部分２２０から幅狭の端部２１４の内部部分２２４へ流れる。（未反応の）第１前駆体ガス６２は、幅狭の端部２１４の開口３１６を経由して内部２１６の外へ流出し、チャンバ内部４０へ入る。チャンバ内部４０では、第１前駆体ガス６２は、真空システム１２０によってチャンバ内部４０の外へ送出される。
【００７３】
図３Ｂに示されるように、初期被膜３０５が形成されると、その後、制御部１１０は、流量制御部８０に対して、第１前駆体ガス６２の流入を停止させ、パージガス源５６からのパージガス６６を流入させ始める。制御部１１０は、プラズマ発生装置１００を不活性状態に維持する。これにより、パージガス６６は、プラズマ発生装置１００を通り、プラズマ生成力を受けることなく反応管２００の内部２１６に流入する。実質的にパージガス６６のみが反応管２００の内部２１６に残るまで、パージガス６６および残存する第１前駆体ガス６２を、開口３１６の外へ流出させる。
【００７４】
図３Ｃに示すように、パージ工程が完了すると、制御部１１０は、流量制御部８０に対して、パージガス６６の流入を停止させ、第２前駆体ガス源５４からの第２前駆体ガス６４の流入を開始させる。また制御部１１０は、プラズマ発生装置１００を稼働させる。これにより、第２前駆体ガス６４がプラズマ発生装置１００を通過すると、第２前駆体ガス６４はプラズマガス（「プラズマ」）６４＊に変換される。プラズマガス６４＊は、第２前駆体ガス６４のラジカル化分子（例えば、酸素ラジカルＯ＊、Ｎ＊など）などのイオンを含みうる。プラズマ６４＊は、プラズマ発生装置１００の流出部１０２の外へ流出し、反応管２００の内部２１６に流入する。プラズマ６４＊は、幅広の中央部２１０の内部部分２２０を通って進み、初期被膜３０５と反応して、第２被膜３０７を形成する。第２被膜３０７は、プラズマ６４＊の構成要素の一つ以上を含む。（未反応の）プラズマ６４＊は、幅狭の端部２１４において開口３１６の外へ流出し、チャンバ内部４０へ流れる。そのプラズマ６４＊は、真空システム１２０を介してチャンバ内部４０の外へ送出される。
【００７５】
第２被膜３０７が形成されると、その後、制御部１１０は、流量制御部８０に対して、第２前駆体ガス６４の流入を停止させ、パージガス源５６からのパージガス６６を流入させ始めて、反応管２００のさらなるパージを実行する。パージ工程中、プラズマ発生装置１００は、再び不活性状態に設定される。これにより、パージガス６６は、プラズマ発生装置１００を通り、プラズマ生成力を受けることなく反応管２００の内部２１６に流入する。実質的にパージガス６６のみが反応管２００の内部２１６に残るまで、パージガス６６および残存するプラズマ６４＊（未変換の第２前駆体ガス６４および揮発性副生物と同様）は、開口３１６の外へ流出する。
【００７６】
上記の処理工程または処理動作は、第２被膜３０７の複数の層で形成された最終薄膜３１０が形成されるまで繰り返される。
【００７７】
第２前駆体ガス６４からプラズマ６４＊を形成する際において生成し得る副生成物の一つは、プラズマ発生装置１００の内側におけるＡＬＤ薄膜の意図しない積層である。任意のタイプの薄膜３１０の形成において、プラズマ発生装置１００の内側でのＡＬＤ薄膜の積層は、望ましくない。例えば、形成する薄膜３１０に金属の堆積が含まれていると、十分に厚い金属薄膜がプラズマ生成ユニット１００に形成され、プラズマ生成ユニット１００（例えば、ユニット内の電極）の「ショート」および動作の停止を引き起こす。薄膜３１０の形成が非導電性材料のみを含む場合には、この現象は起こりにくくなる。プラズマ発生装置１００の内側のＡＬＤ薄膜積層が、その動作に弊害をもたらす場合には、いくつかの選択肢が選択可能である。
【００７８】
第１の選択肢は、プラズマ発生装置１００内で、異なる（「浄化」）プラズマ６４＊を形成し始めることによって、ＡＬＤ薄膜が形成されるプラズマ発生装置１００の内側表面２１８（例えば、電極表面）を清掃することである。これは、堆積サイクルの間で実施することができる。例えば、粒子３００上に所望の被膜を堆積させて、粒子３００が除去された後に、システム１０は閉じられ、プラズマ発生装置１００の内側表面２１８から直前の堆積ＡＬＤ材料を削るように設計された異なるガスで動作される。例えば、プラズマ発生装置１００に形成されたＡＬＤ薄膜が酸化物の場合には、ＡＬＤ堆積された酸化物材料を除去するために、塩素系またはフッ素系プラズマが生成されうる。
【００７９】
第２の選択肢は、２つの前駆体ガス６２および６４のうちの一つのみが、プラズマに励起または「変換」される必要があるときに利用することができる。この場合、プラズマに変換される必要のある第１前駆体ガス６２または第２前駆体ガス６４が、プラズマ発生装置１００を通過する唯一の前駆体ガス６２または６４であり得る。一方、他の非プラズマ前駆体ガスは、図１Ｃに示されるように、独立のガスライン７０’を経由してチャンバ内部４０に導入される。この他の非プラズマ前駆体ガスは、近位開口端２０２を介した回転反応管２００の内部２１６および遠位開口端２０４における開口３１６を通って、内部部分２２０内に存在する粒子３００と相互作用する。
【００８０】
第３の選択肢は、あらゆるＡＬＤ薄膜積層がプラズマ発生装置１００の性能に悪影響を及ぼし始めた際に行われる、プラズマ発生装置１００の単純な定期交換である。
【００８１】
最終薄膜３１０が粒子３００上に形成されると、チャンバ２０を開き、被覆された粒子３００が反応管２００から除去される。
【００８２】
様々な例では、前駆体ガス６２および６４の一方または両方が、対応するプラズマになり得る。例えば、上述の方法の変形例は、第１前駆体ガス６２がプラズマ発生装置１００を通過するときに、プラズマ発生装置１００を稼働することによって第１前駆体ガス６２からプラズマを形成しながら、第２前駆体ガス６４を最初の状態で反応管２００の内部２１６に通して、第２被膜３０７を形成することを含む。もう一つの例は、第１前駆体ガス６２および第２前駆体ガス６４の両方に対して稼働状態のプラズマ発生装置１００を有し、これらの流入中にそれぞれのプラズマを形成する。
【００８３】
実施例
以下には、粒子３００、第１および第２前駆体ガス６２および６４、並びに得られる最終薄膜３１０の４つの異なる実施例が示される。
【００８４】
実施例１：粒子３００＝コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）；第１前駆体ガス６２は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）である。；第２前駆体ガス６４は、Ｏ２である。Ｏ２は、プラズマ発生装置１００によってＯ＊に変換される。；最終薄膜３１０は、アルミナ（酸化アルミニウム）である。
【００８５】
実施例２：粒子３００＝シリコン；第１前駆体ガス６２は、ＴＤＭＡＴ（テトラキス（ジメチルアミド）チタニウム（ＩＶ））である。；第２前駆体ガス６４は、Ｎ２である。Ｎ２は、プラズマ発生装置１００によってＮ＊に変換される。；最終薄膜３１０は、ＴｉＮである。
【００８６】
実施例３：粒子３００＝炭化タングステン；第１前駆体ガス６２は、ビス（エチルシクロペンタジエナル）プラチナ（ＩＩ）である。；第２前駆体ガス６４は、Ｏ２である。Ｏ２は、プラズマ発生装置１００によってＯ＊に変換される。；最終薄膜３１０は、プラチナである。
【００８７】
実施例４：粒子３００＝酸化バリウム（ＢａＯ）。第１前駆体ガス６２は、ＴＤＭＡＴ（テトラキス（ジメチルアミド）チタニウム（ＩＶ）である。；第２前駆体ガス６４は、Ｏ２である。Ｏ２は、プラズマ発生装置１００によってＯ＊に変換される。；最終薄膜３１０は、ＴｉＯ２である。
【００８８】
粒子３００の材料の他の例は、ガラス、セラミック、酸化物系粒子、プラスチック、ポリマーなどを含み、これらが使用されうる。また、４つの実施例に記載の前駆体ガス以外の他の前駆体ガスも、使用可能である。
【００８９】
当業者には明白であるが、添付される特許請求の範囲で規定された本開示の精神または範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載された本開示の好ましい実施形態に対して様々な変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内で行われる本開示の修正及び変更を包含する。
【図１Ａ】
2017075391.tif 000003
【図１Ｂ】
2017075391.tif 000004
【図１Ｃ】
2017075391.tif 000005
【図２Ａ】
2017075391.tif 000006
【図２Ｂ】
2017075391.tif 000007
【図３Ａ】
2017075391.tif 000008
【図３Ｂ】
2017075391.tif 000009
【図３Ｃ】
2017075391.tif 000010
【図３Ｄ】
2017075391.tif 000011
【外国語明細書】
2017075391.tif 000012
2017075391.tif 000013
2017075391.tif 000014
2017075391.tif 000015
2017075391.tif 000016
2017075391.tif 000017
2017075391.tif 000018
2017075391.tif 000019
2017075391.tif 000020
2017075391.tif 000021
2017075391.tif 000022
2017075391.tif 000023
2017075391.tif 000024
2017075391.tif 000025
2017075391.tif 000026
2017075391.tif 000027
2017075391.tif 000028
2017075391.tif 000029
2017075391.tif 000030
2017075391.tif 000031
2017075391.tif 000032
2017075391.tif 000033
2017075391.tif 000034
2017075391.tif 000035
2017075391.tif 000036
2017075391.tif 000037
2017075391.tif 000038
2017075391.tif 000039
2017075391.tif 000040
2017075391.tif 000041
2017075391.tif 000042
2017075391.tif 000043
2017075391.tif 000044
2017075391.tif 000045