低蒸汽压化合物的等离子体增强化学沉积方法及其设备技术

一种在真空室中的用于在衬底上使低蒸汽压单体材料进行等离子体增强化学蒸汽沉积的设备，包括：　　　　（ａ）闪蒸器壳体，该壳体带有制备单体颗粒的单体雾化器、从该单体颗粒制备蒸发物的加热蒸发表面和蒸汽出口；和　　　　（ｂ）辉光放电电极，该电极在蒸发物出口下游，从蒸发物制备辉光放电等离子体；以及　　　　（ｃ）衬底，接受并将该辉光放电等离子体低温冷凝在该衬底上。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的涉及一种制造等离子体聚合膜的方法。具体而言，本专利技术涉及用闪蒸的低蒸汽压化合物的原料源经等离子体增强化学沉积以制造等离子体聚合膜。本文所用术语“(甲基)丙烯酸的”系指“丙烯酸的或甲基丙烯酸的”。本文所用术语“低温冷凝”及其形态系指当气体与温度低于气体露点的表面接触时气相转变为液相的相变物理现象。
技术介绍
等离子体增强化学蒸汽沉积(PECVD)的基本方法叙述于“薄膜过程”，由J.L.Vossen，W.Kern编，Academie Press，1978，部分IV，章IV-1无机化合物的等离子体沉积，章IV-2辉光放电聚合，本文引为参考。大致说来，辉光放电等离子体产生在平滑的或有尖突物的电极上。按照传统，气体入口将高蒸汽压单体气体引入等离子体区，在其中形成自由基，致使其随后与衬底撞击，单体中的一些自由基在衬底上发生化学键合或交联(固化)。高蒸汽压单体气体包括CH4、SiH4、C2H6、C2H2或从高蒸汽压液体中产生的气体，例如苯乙烯(87.4°F(30.8℃)下为10乇)，环己环(60.4°F(15.8℃)下为100乇)，四甲基二硅氧烷(82.9°F(28.3℃)下的1，3二氯四甲基二硅氧烷为10乇)和它们的组合，它们能用温和的可控加热蒸发。由于这些高蒸汽压单体气体不易在室温或升温下低温冷凝，依靠自由基对相关表面的化学键合代替低温冷凝会使沉积速度低(最大只有零点几微米/分)。由于相关衬底被等离子体蚀刻对此问题的缓解使之可与低温冷凝相竞争。较低蒸汽压物质不能用于PECVD，因为将较高分子量的单体加热到足以使其蒸发的温度时通常会在蒸发之前引起反应或者使气体的计量难于控制，这二者都是不可行的。闪蒸方法叙述于美国专利4,954,371中，本文引为参考。这种基本方法亦称为聚合物多层(PML)闪蒸。大体上，一种可辐射聚合和/或可交联的材料在低于该材料的分解温度和聚合温度的温度下供入。该材料雾化为微滴，该微滴尺寸界于1-50微米。通常采用超声雾化器。微滴然后在真空下与其温度高于该材料沸点但其温度又低于引起热解的加热表面接触以被闪蒸。蒸汽低温冷凝在衬底上，然后辐射聚合或交联为很薄的聚合物层。该材料可包括基本单体或其混合物、交联剂和/或引发剂。闪蒸的缺点在于要求两个相连的步骤，低温冷凝后紧接固化或交联，而且两者在空间和时间上是分开的。根据等离子体聚合膜制造的技术现状，PECVD和闪蒸或辉光放电等离子体沉积和闪蒸都未组合使用。但是据J.D.Affinito、M.E.Gross、C.A.Coronado和P.M.Martin在“聚合物电解质在柔性衬底上的真空沉积”中的报导，无机化合物辉光放电等离子体发生器已与低压气氛下(真空)的闪蒸组合用于衬底的等离子加工。文章发表于“第九届国际真空丝网涂复会议论文集”的全会报告中，1995.11.R.Baskin编，Baskin出版社1995，20-36页，并示于附图说明图1。在这个系统中，等离子体发生器100用于蚀刻移动衬底104的表面102，以便接受来自闪蒸106的单体气体流出物，单体气体在被蚀刻的表面102上低温冷凝，然后经过第一固化装置(来示)，例如电子柬或紫外辐射，以引发交联和固化。等离子体发生器100具有壳体108、气体入口110。气体可以是氧、氮、水或惰性气体如氩、或它们的组合。在其内部，电极112是平滑的或具有一个或多个尖突物114，电极112产生辉光放电并使气体形成等离子体，等离子体蚀刻表面102。闪蒸器106具有壳体116、单体入口118和雾化喷嘴120，例如超声雾化器。流经喷嘴120的物流被雾化为颗粒或微滴122，它们撞击加热表面124，颗粒或微滴122在其上闪蒸为气体，该气体流经一系列挡板126(可任选用)至出口128并在表面102上低温冷凝。虽然采用过其它的气流分布装置，但发现挡板126能够提供适宜的气流分布或均匀度，同时可使表面102易于放大。固化装置(未示)位于闪蒸器106的下游。因此，这里需要一种制造等离子体聚合层的设备和方法，其速度快且能自固化，无需固化装置。这种设备和方法将特别有利于制造PML聚合物层。专利技术简述本专利技术可从两方面来看，其(1)低蒸汽压单体材料用等离子体增强化学蒸汽沉积在衬底上的设备和方法，其(2)制造自固化聚合物层，特别是自固化PML聚合物层的设备和方法。从两方面来看，本专利技术是闪蒸和等离子体增强化学蒸汽沉积(PECVD)的组合，这种组合提供了一些出人意料的优点，它能在PECVD方法中应用低蒸汽压单体材料，并提供来自闪蒸方法的自固化，其沉积速率令人吃惊地快于标准PECVD的沉积速率。一般说来，本专利技术的设备为(a)闪蒸壳体，其内部有用于制备单体颗粒的单体雾化器，用于将单体颗粒制成蒸汽的加热蒸发表面及蒸发物出口，(b)辉光放电电极，位于蒸发物出口下游，用于从蒸发物制备辉光放电等离子体，其中(c)衬底，它靠近辉光放电等离子体，用于接受辉光放电等离子体并使其衬底上低温冷凝。全部部件宜置于低压(真空)室中。本专利技术的方法具有如下步骤(a)闪蒸液体单体，在蒸发物出口形成蒸发物；(b)使蒸发物通至辉光放电电极，将蒸发物制成辉光放电单体等离子体；和(c)辉光放电单体等离子体在衬底上低温冷凝，并使辉光放电等离子体在其上交联，其中辉光放电等离子体中产生的自由基导致交联，并达到自固化。本专利技术的一个目的在于提供一种组合闪蒸与辉光放电等离子体沉积的设备和方法。本专利技术的一个目的在于提供一种制备自固化聚合物层的设备和方法。本专利技术的另一目的在于提供一种制备自固化PML聚合物层的设备和方法。本专利技术的还一目的在于提供一种低蒸汽压单体的PECVD沉积的设备和方法。本专利技术的优点在于，它对衬底的移动方向是不敏感的，因为沉积的单体层是自固化的。在现有技术中，沉积的单体层需要辐射固化设备，以致衬底的移动应必须从沉积位置移向辐射设备。本专利技术的另一优点在于，可组合多层材料，例如，本文引作参考的美国专利5,547,508和5,396,644、5,260,095所列的多聚合物层、聚合物和金属的交替层和其它的层皆可用本专利技术在真空环境中制备。本说明书结论部分具体和明确地对本专利技术的主题提出了权利要求，但是操作和编排方法两者及其其它优点和目的最好参阅下面的详细叙述结合附图来理解，其中相似的代码系指类似部件。附图描述图1是现有技术中无机化合物辉光发电等离子体发生器与闪蒸相组合的剖面图。图2是本专利技术的闪蒸发和辉光放电等离子体沉积相组合的设备的剖面图。图2a是本专利技术的设备的剖面端视图。图3是本专利技术的以衬底作电极的剖面图。优选实施方案描述本专利技术的设备示于图2。本专利技术的设备和方法宜于在低压(真空)环境或室中实施。压力宜界于10-1乇-10-6乇。闪蒸器106拥有壳体116、单体入口118和雾化喷嘴120。经喷嘴120的物流雾化为颗粒或微滴122，颗粒或微滴122撞击加热表面124，并在其上颗粒或微滴闪蒸为气体或蒸发物，后者流经一系列挡板126至蒸发物出口128并低温冷凝在表面102上。防止在挡板126和其它内部构件表面上的低温冷凝的措施是将挡板126和其它内部构件表面加热到超过蒸发物的低温冷凝温度或其露点。虽然采用过其它的气流分布装置，但发现挡板126能提供适宜的气流分布和均匀度，同时易使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：J·D·阿菲尼托，
申请(专利权)人：巴特勒记忆研究所，
类型：发明
国别省市：