含硅和碳的阻挡层的卷到卷等离子体增强化学气相沉积方法

摘要

本发明提供在挠性基材上形成阻挡层的方法和工艺。连续卷到卷法包括使用至少一个构造成引导基材穿过处理室的辊向处理室提供基材。该工艺包括通过使在处理室内的基材的至少一部分暴露于包含含硅和碳的前体气体的等离子体而邻近该基材沉积阻挡层。本发明进一步涉及包含基于结构单元SiC:H的阻挡层的涂布挠性基材。该阻挡层具有高密度和低孔隙率。此外，该阻挡层显示出10

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明一般地涉及阻挡层的沉积，更具体地涉及含硅和碳的阻挡 层的卷到卷(roll-to-roll)等离子体增强化学气相沉积。

2.相关技术的说明

阻挡层常用于提供免受环境中众多潜在损害条件的防护。例如， 疏水性阻挡层可以用于提供对水的防护，不透明性阻挡层可以用于提 供对各类辐射的防护，抗刮性阻挡层可以用于提供对磨损的防护，等 等。阻挡层可以在药品和食物包装中以及在众多挠性电子器件、包括 液晶和二极管显示器、光伏和光学器件(包括太阳能电池)以及薄膜 电池中用作对湿分和氧气的防护措施。通常在基材、例如挠性塑料膜 或金属箔上形成阻挡层。

适合用作层间电介质或环境阻挡体的氢化碳氧化硅膜及其制备 方法是本领域已知的。例如，Loboda等人的美国专利6,159,871描述 了制备氢化碳氧化硅膜的化学气相沉积法。Loboda专利中所述的CVD 法包括将包含含甲基的硅烷和提供氧的气体的反应性气体混合物引入 包含基材的沉积室内。25℃-500℃下在含甲基的硅烷与提供氧的气体 之间诱发反应。反应过程中存在受控量的氧，这在基材上产生介电常 数为3.6或更小的包含氢、硅、碳和氧的膜。

Loboda的国际申请公布WO 02/054484描述了包括形成为半导体 材料所制成的基材的固态器件组件的集成电路。该集成电路还包括连 接固态器件的金属配线。至少在金属配线上形成扩散阻挡层而且该扩 散阻挡层是组成为SiwCxOyHz的合金膜，其中w为10-33的值，x为 1-66的值，y为1-66的值，z为0.1-60的值，以及w+x+y+z＝100原 子％。

Loboda等人的美国专利6,593,655描述了其上形成有膜的半导 体器件。如下产生该膜：将包含含甲基的硅烷和提供氧的气体的反应 性气体混合物引入包含半导体器件的沉积室，并且在25℃-500℃下诱 发含甲基的硅烷与提供氧的气体之间的反应。反应过程中存在受控量 的氧，这在半导体器件上产生介电常数为3.6或更小的包含氢、硅、 碳和氧的膜。

Cerny等人的美国专利6,667,553描述了一种基材，例如液晶器 件、发光二极管显示器件和有机发光二极管显示器件。如下在基材上 产生膜：将包含含甲基的硅烷和提供氧的气体的反应性气体混合物引 入包含该基材的沉积室内。在25℃-500℃下在含甲基的硅烷与提供氧 的气体之间诱发反应。反应过程中存在受控量的氧，这在基材上产生 介电常数为3.6或更小的包含氢、硅、碳和氧的膜。该膜对于波长为 400nm-800nm的光具有95％或更高的透射率。

P.O’Connor的美国专利20030215652描述了一种聚合物容器， 其具有式SiOxCyHz的含有机物层的等离子体聚合的表面。该等离子体 形成的阻挡体系可以是等离子体沉积的连续涂层，其具有从等离子体 层与聚合物容器原始表面之间的界面上的式SiOxCyHz变化到沉积过 程中已经变成该容器的新表面的表面上的SiOx的组成。通过在没有氧 化化合物存在下启动等离子体，然后向等离子体中加入氧化化合物， 从而形成该连续体。将氧化化合物的浓度提高至足以氧化前体单体的 浓度。或者，从基材界面起具有组成连续性的阻挡体系可以通过不改 变氧化内容物的情况下提高功率密度和/或等离子体密度而形成致密 的高阻挡部分。此外，氧气增加和提高的功率密度/等离子体密度的组 合可以形成梯度阻挡体系的致密部分。

诸如上述那些的常规沉积工艺采用间歇式处理以在基材上沉积 阻挡层。然而，间歇式处理不是一种连续技术而且通常需要将基材装 载至处理室内，在基材之上形成阻挡层，然后从处理室内取出具有在 其上形成的阻挡层的基材。一旦从处理室内取出基材，可以将另一基 材放在处理室内以便在该新基材上可以形成阻挡层。放入基材和/或从 室内取出基材所需的时间会增加形成阻挡层所需的总处理时间并且降 低系统的生产量。

J.Madocks的专利申请WO 02/086185涉及可以在连续卷到卷方 法中使用的潘宁放电等离子体源。类似于潘宁放电的磁场和电场布置 在两个表面之间的区域中有效地捕集电子霍尔电流。将基材靠近电极 中的至少一个布置并且相对于等离子体移动时，根据工艺条件对该基 材进行等离子体处理、涂布或者改性。

本发明涉及解决一个或多个上述问题的影响。

发明概述

以下呈现本发明的简化概述以便提供对本发明某些方面的基本 理解。这种概述不是本发明的详尽综述。并非意图确定本发明的关键 或重要要素或者描绘本发明的范围。其唯一的目的在于作为在后面论 述的更详细说明的序言以简化形式呈现一些概念。

本发明的一种实施方案中，提供一种在基材上形成阻挡层的方 法。定义为连续卷到卷处理的所述方法包括使用至少一个构造成引导 基材穿过处理室的辊向处理室提供基材。该方法还包括通过使在处理 室内的基材的至少一部分暴露于包含含硅和碳的前体气体的等离子体 而邻近该基材沉积阻挡层。

本发明的另一实施方案中，根据一种工艺在基材上形成阻挡层。 所述工艺包括使用至少一个构造成引导基材穿过处理室的辊向处理室 提供基材。定义为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的所述工艺还包 括通过使在处理室内的基材的至少一部分暴露于包含含硅和碳的前体 气体的等离子体而邻近该基材沉积阻挡层。

本发明的另一实施方案中，提供一种装置以便在基材上形成阻挡 层。所述装置包括构造成接收基材的至少一部分并且使基材的所述至 少一部分暴露于等离子体的处理室。所述装置还包括至少一个用于引 导基材穿过处理室的辊以便通过暴露于含硅和碳的前体气体而邻近该 基材沉积阻挡层。

本发明的另一实施方案中，提供一种在基材上形成阻挡层的方 法。所述方法包括使用至少一个辊引导长度为L的基材穿过包含等离 子体的处理室，该等离子体由含硅和碳的前体气体在添加或不添加惰 性气体和/或氧化剂的情况下形成。所述方法还包括当引导基材穿过处 理室时，沿着长度L在该基材的选定部分处邻近基材的表面沉积阻挡 层。

本发明所述的阻挡层具有比常规的氢化碳化硅或碳氧化硅膜更 高的密度和更低的孔隙率。该阻挡层具有低水蒸气透过率，通常为 10^-2-10^-3gm^-2d^-1。

附图简要说明

连同附图参照下列说明可以理解本发明，在附图中同样的标号数 字表明同样的要素，以及其中：

图1从概念上说明可以按照本发明采取卷到卷技术用于沉积阻挡 层的反应器系统的一种示例性实施方案；

图2显示本发明的涂布基材的横截面图；

图3描绘按照本发明形成的阻挡涂层的FTIR；

图4提供按照本发明形成的阻挡涂层的透光率；

图5描绘作为气相中氧含量的函数的碳化硅基阻挡涂层的透光 率；

图6描绘作为反应器系统中电功率的函数的碳化硅基阻挡层的透 光率；

表1概括实施例1-4的阻挡涂层的工艺参数和性能。透水性试验 在38℃和100％相对湿度(RH)下进行。

虽然本发明容许各种改进和替代形式，但是通过附图示范性地显 示了其特定实施方案并且在本文中对其作了详细描述。然而，应当理 解本文中特定实施方案的说明不是意图将本发明限于所公开的特定形 式，而是相反，意图覆盖落在如所附权利要求限定的本发明范围内的 所有改进、等价物和替代物。

特定实施方案的详细说明

以下描述本发明的说明性实施方案。为了清楚起见，并非实际实 施的所有特征都在本说明书中描述。当然将会意识到在开发任何上述 实际实施方案中，应当作出许多关于实施的决定从而实现开发者的特 定目标，例如服从系统相关和商业相关的约束，这将随不同的实施方 式而有所变化。此外，应当意识到尽管这种开发努力可能是复杂且费 时的，然而对于阅读过本公开内容的本领域技术人员而言这将是例行 的工作。

现在将参照附图描述本发明。各种结构、系统和装置只是为了说 明而示意性地描绘在附图中，以至于不会因本领域技术人员公知的细 节而使本发明不清楚。尽管如此，包括附图以描述和说明本发明的说 明性实例。本文使用的措辞和短语应当理解和解释成具有与相关领域 技术人员对于那些措辞和短语的理解一致的含义。不存在术语或短语 的特别定义(也就是与本领域技术人员理解的普通和常规含义不同的 定义意图)旨在通过本文中术语或短语的一致使用而显示。在术语或 短语意图具有特殊含义(即与技术人员的理解不同的含义)的程度下， 这种特殊定义将会明白地以定义方式在说明书中提出，所述方式直接 和明确地提供该术语或短语的特殊定义。

图1从概念上说明可以采取卷到卷技术用于沉积阻挡层的反应器 系统100的一种示例性实施方案。在所示的实施方案中，反应器系统 100用于实施制备水蒸气不可透过的涂布挠性塑料基材的连续卷到卷 等离子体法。卷到卷制造是其中在用辊限定网幅的宽度并且保持网幅 的适当张力和位置的情况下卷材或网幅通过加工机械的工艺。因此， 该技术有时称作“网幅加工(web processing)”。网幅通常是用作 阻挡层的基材的挠性塑料或金属箔材料的大连续卷材。当基材穿过处 理室时，引入化学品并且产生功能层。在所示的本实施方案中，反应 器系统100包括处理室(未示出)。得益于本公开内容的本领域技术人 员将会意识到，为了清楚起见，只有与本发明相关的反应器系统和处 理室的特征示于图1中并且在本文中描述。

两个辊120(1-2)可以用于向处理室提供挠性基材125。挠性基材 125可以是塑料基材或金属箔。在可供替代的实施方案中，塑料膜基 材125可以由聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚酯、聚醚砜、聚碳酸酯、聚酰亚胺、多氟烃等形成。辊120 另外与可以用于在辊120和室壁之间建立电压差的电压源(未示出)连 接。例如，辊120可以充当阴极或充当阳极以便在处理室内形成电场。 在优选的实施方案中，还可以提供附加的辊从而引导基材125和/或调 节或维持基材125中的张力。然而，得益于本公开内容的本领域技术 人员应当意识到本发明不限于图1所示的辊120的特定数目和/或构 造。在可供替代的实施方案中，更多或更少的辊120可以用于向处理 室提供数个部分的基材125。一种实施方案中，辊120可以是温度控 制的。

气体源130用于向处理室提供一种或多种气体。尽管在图1中描 绘单个气体源130，但是得益于本公开内容的本领域技术人员将会意 识到本发明不限于单个气体源130。在可供替代的实施方案中，任何 数目的气体源130可以用于向处理室提供气体。一种实施方案中，气 体源130向处理室提供含硅树脂和碳、例如有机基硅烷的气体。气体 源130还可以提供氢气和/或氧气，以及一种或多种惰性气体例如氩气 和/或氦气。例如，气体源130可以提供由作为含硅碳的前体的三甲基 硅烷((CH₃)₃SiH)、连同或不连同作为惰性气体的氩气组成的气体混合 物。处理室内的气体可以被电离从而在处理室内形成等离子体135。 等离子体135则可以在处理室内通过磁场约束。这类等离子体源通常 称为潘宁放电等离子体源。

操作中，基材125经过辊120(2)进入处理室，在该处理室中使基 材125的一侧暴露于等离子体。接着当基材125暴露于等离子体时可 以将阻挡层沉积在基材125上。例如，当基材125通过辊120引导穿 过处理室时，阻挡层可以沉积在基材125暴露于等离子体的部分上。 例如，如果由包含硅、碳和氢的气体形成等离子体，可以由基于结构 单元SiC:H的氢化碳化硅形成非梯度阻挡层。另一实例中，如果由包 含硅、碳、氢和氧的气体形成等离子体，可以由基于结构单元SiOC:H 的氢化碳氧化硅形成阻挡层。基材125然后可以经过附加的辊离开处 理区并可以通过另一辊120(2)引导回到处理区中，在那里它再 次暴露于处理室中的等离子体，以至于可以形成附加部分的阻挡层。 这样可以制造连续阻挡层涂布的塑料膜。

图2显示涂布基材200的横截面图。在所示的实施方案中，阻挡 层205已经沉积在挠性基材200上。例如，阻挡层205可以用等离子 体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积，如本文所述的。

回到图1，可以调节反应器系统100的操作参数，例如网幅速度 (或辊速)、等离子体功率、气体压力、浓度和/或流动速率，从而实 现阻挡层的某些性能。一种实施方案中，可以调节操作参数以使得阻 挡层与常规氢化碳化硅和/或硅氧烷膜相比，具有相对较高的密度和低 的纳米孔隙率。例如，潘宁放电等离子体源中的等离子体的低等离子 体阻抗容许反应器系统100在低压下操作。通过在低毫托(mTorr)范 围内(＜50mTorr)操作，气体物质的平均自由行程足够长以使气相化学 相互反应和颗粒形成减到最少。通过施加300-400W的等离子体功率， 这容许阻挡层的优质沉积的更高单体输送和沉积速率(例如，至多200 nm.m/min的动态沉积速率)。

使用本文所述技术形成的阻挡层的性能可以通过采用各类度量 衡学确定。示例性的度量衡学技术包括用Tristan分光计测定阻挡层 的厚度和厚度均匀性；用MOCON Permatran-W渗透试验系统和/或常规 Ca试验分析阻挡层性能；经由用Shimadzu UV 2401 PC分光计进行的 UV-VIS光谱法确定阻挡层的光学性能；用X射线的能量分散分析 (EDAX)、卢瑟福背散射光谱学(RBS)和傅里叶变换红外(FTIR)光谱法确 定阻挡层的组成；通过阻挡层的水接触角的光学测量确定表面可润湿 性；通过标准带试验确定阻挡层的附着性能；通过采取Steelwool试 验确定阻挡层的抗刮性；用Veeco’s Dimension 5000 AFM以轻敲模式 下的原子力显微镜(AFM)确定阻挡层的膜表面粗糙度；用常规沸水试 验、以及用扫描电子显微镜(SEM)和/或光学显微镜检验确定热稳定性。

图3描绘用本文所述技术的实施方案形成的阻挡层的实施方案的 傅里叶变换红外(FTIR)光谱。将阻挡层的IR吸收率作为按cm^-1计的波 数的函数作图。在图3所示的实施方案中，阻挡涂层由基于结构单元 SiC:H的氢化碳化硅或者基于结构单元SiOC:H的氢化碳氧化硅形成。 IR吸收率显示对应于阻挡层材料的各种化学键振动、例如弯曲模式和 伸缩模式的峰。静态条件下沉积的阻挡层的FTIR谱(图3)显示具有减 少的氢含量的典型SiC-基键结构，这是高密度等离子体(HDP)工艺的 特征。另外图3中所示(图例框)的是通过椭圆光度法测定的涂层的相 应折射率(RI)值。

如此在挠性塑料基材上形成的阻挡涂层具有10^-2-10^-3g.m^-2d^-1的 低水蒸气透过率(WVTR)，如通过Mocon Inc.的Permatran-W渗透性测 试仪以及通过Dow Corning Co.进行的钙(Ca)降解试验测定的那样。 阻挡层还是高疏水性的，例如阻挡层的水接触角可以是85°以上。沉 积的阻挡层的厚度也可以取决于网幅速度，通常调节该速度以便阻挡 层厚度为0.5-2.0μm。此外，碳化硅阻挡层是光滑的。根据阻挡层的 厚度，均方根粗糙度(rms)为2-6nm，如同由原子力显微镜(AFM)测定 那样。阻挡层是透明的，通常对于电磁谱的可见区中的光透过至少 55％，如同图4所示的空白基材和涂布阻挡层的基材的紫外-可见光谱 中所示的。在所示实施方案中，在纵轴上绘制透射率百分比而在横轴 上绘制按纳米计的光波长。线条描绘了空白PEN基材、空白PET基材、 用氢化碳化硅基阻挡层涂布的基材的透射率。透射率通常随着增大波 长而提高并且处于约70-90％的范围。此外，可以通过氧化作用 (oxygenation)提高阻挡层的透明度。如图4所示(虚线和点线)，碳 氧化硅阻挡层对于电磁谱的可见区域的光具有至少80％的透明度。

用本文所述技术形成的阻挡层可以在食物、饮料和药品包装中以 及在众多挠性电子器件、包括液晶和二极管显示器、光伏和光学器件 (包括太阳能电池)以及薄膜电池中用作对湿分和氧气的防护措施。

实施例

提供下列实施例以更好地说明本法明的涂布基材和方法。然而， 这些实施例旨在是说明性的而不限制本发明。实施例中，用中等频率 范围内操作的单个和/或两个不对称潘宁放电等离子体源进行阻挡涂 层沉积。沉积室内辊的温度保持在18-25℃。表1和2提供根据本发 明实施例形成的阻挡层的一些物理性能以及图4、5和6展现阻挡层的 一些光学性能。

实施例1-2

在300-500W的等离子体功率下进行阻挡涂层沉积(表1)。在 20-30mTorr的压力下，将含硅碳的前体、即三甲基硅烷((CH₃)₃SiH)、 或者Ar/((CH₃)₃SiH)的气体流速比率至多2.5的包含三甲基硅烷 ((CH₃)₃SiH)和氩气(Ar)的反应性气体混合物引入沉积室中进行沉积过 程(表1)。阻挡涂层沉积在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜材料上。沉 积的阻挡层的厚度通常约0.75μm。阻挡涂层包含硅(Si)、碳(C)、作 为杂质的氧(O)和氢(H)，其组成比为Si/C＝0.60-0.65和 O/Si＝0.075-0.10，即该材料可以分类为基于结构单元SiC:H的氢化碳 化硅(表1，图3-实线)。阻挡层具有10^-3-10^-2g.m^-2d^-1的低水蒸气透过 率(WVTR)，如由Mocon Inc.的Permatran-W渗透性测试仪测定的那样。 阻挡层光滑而且良好附着。阻挡层可以在可见光谱的400nm范围内是 高度吸收的，涂布的塑料基材具有透明性，对于波长600nm和更高的 可见光典型地超过50％(图4，实线)。

实施例3和4

在250-300W的功率范围下进行阻挡涂层沉积(表1)。在30-50 mTorr的压力下，将气体流速比率Ar/((CH₃)₃SiH)＝1.0-1.5以及 O₂/((CH₃)₃SiH)＝0.5-1.25的包含含硅碳的前体、即三甲基硅烷 ((CH₃)₃SiH)、氩气(Ar)和氧气(O₂)的反应性气体混合物引入沉积系统 中进行沉积过程(表1)。本实施例中，阻挡涂层沉积在PET和PEN挠 性基材上。沉积的阻挡层的厚度通常为1.5-2.0μm。阻挡涂层含硅 (Si)、碳(C)、氧(O)和氢(H)，其组成比为Si/C＝0.95-1.10和 O/Si＝0.35-1.0，即该材料可以分类为基于结构单元SiOC:H的氢化碳 氧化硅(表1，图3-虚线和点线)。阻挡层具有10^-3-10^-2g.m^-2d^-1的低水 蒸气透过率(WVTR)，如由Mocon Inc.的Permatran-W渗透性测试仪测 定的那样。阻挡层是光滑的-均方根粗糙度(rms)为4-6nm。涂布的塑 料基材具有透明性，对于波长500nm和更高的可见光典型地超过 75％(图4，虚线和点线)。此外，阻挡层良好附着于塑料基材上并且经 受住标准带试验。另外，涂布塑料基材、相应地阻挡层经受住沸水试 验。

图5描绘作为气相中氧含量的函数的塑料基材上氧掺杂碳化硅基 阻挡层的透射率。所示实施方案中，作为在横轴上绘制的氧气流速的 函数，在纵轴上绘制阻挡层的透射率。阻挡层的折射率倾向于随着增 加氧含量而降低，阻挡层的透射率倾向于随着增加氧含量而增加。

图6描绘作为反应器系统中电功率的函数的塑料基材上氧掺杂碳 化硅基阻挡层的透射率。所示实施方案中，作为在横轴上绘制的按瓦 特计的施加电功率的函数，在纵轴上绘制阻挡层的透射率。阻挡层的 透射率倾向于随着施加电功率的增加而降低。

包含硅、碳、氢和/或氧的阻挡层的卷到卷沉积可以是用于形成 阻挡层涂布膜、例如可以用于挠性电子器件中的阻挡层塑料的非常有 效的技术。例如，本文描述的三甲基硅烷PECVD阻挡层技术的实施方 案已进行试验而且成功适合使用卷到卷涂布系统。本文所述的阻挡层 沉积技术相对于工艺操作条件和阻挡层性能显示宽范围的可调性，而 且已经实现至多150nm.m/min的动态沉积速率。由于潘宁放电等离子 体源提供的能量输入，可以建立“温和”工艺条件(200-300W的等离 子体功率)。温和工艺条件可以特别适合沉积具有高阻挡防护水平、 即WVTR＜10^-3g.m^-2d^-1和阻挡改善系数BIF＞1000的应力被降低、抗龟裂 和透明的涂层。

上面公开的特定实施方案只是说明性的，因为本法明可以在不同 但是对得益于本文教导的本领域技术人员而言显然等价的方式下进行 改进和实施。此外，除了如下面的权利要求中所述之外，不希望限于 设备结构或设计的细节。因此显然的是，可以改变或改进上面公开的 特定实施方案而且所有这些变化都认为是在本发明的范围内。因此， 本文寻求的保护如下面的权利要求书所述。