本發(fā)明涉及原子層沉積(ALD)，且詳言之，涉及一種具有旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管的等離子體增強型ALD(PE-ALD)系統(tǒng)，該旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管用于在于粒子上執(zhí)行PE-ALD時使用。

本文中提到的任何公開案或?qū)＠墨I之全部揭示內(nèi)容被以引用的方式并入，包括：美國專利第6,613,383號、第6,713,177號、第6,913,827號、第7,132,697號、第8,133,531號、第8,163,336號、第8,202,575號及第8,637,156號，及美國核準(zhǔn)前公開案第2007/298250號、第2011/0200822號、第2012/0009343號、第2013/0059073號及第2013/0193835號，及以下技術(shù)公開案：

1)Longrie等人之“用于在粉末及小物件上的熱及等離子體增強型原子層沉積之旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器(A rotary reactor for thermal and plasma-enhanced atomic layer deposition on powders and small objects)”表面及涂層技術(shù)212(2012)，183至191；及

2)McCormick等人之“用于在大量奈米粒子上原子層沉積之旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器(Rotary reactor for atomic layer deposition on large quantities of nanoparticles)”真空科學(xué)與技術(shù)雜志，A 25(1)，2007年1月/2月，第67至74頁。

背景技術(shù)：

ALD為以非常受控制之方式在對象上沉積薄膜之方法。通過使用呈蒸氣形式的兩種或兩種以上化學(xué)品(“前驅(qū)體”)及依序且按自我限制方式在對象之表面上使其反應(yīng)來控制沉積過程。重復(fù)依序過程以逐層堆積薄膜，其中所述層在厚度上為原子規(guī)模。

PE-ALD利用等離子體傳遞前驅(qū)體中之至少一者。這是因為某些反應(yīng)需要電離前驅(qū)體。在無此電離之情況下，前驅(qū)體可能不足夠有反應(yīng)性以形成所要的材料。

ALD可用以在粒子上形成薄層。粒子之直徑常為0.01微米至100多微米。在粒子上執(zhí)行ALD比在基板之2D表面上難，因為粒子涂層為三維且涂層需要覆蓋粒子之全部表面。同樣，當(dāng)需要涂布大量粒子時，經(jīng)涂布之全部區(qū)較大。因此，存在對于用于在粒子上執(zhí)行ALD的改良之系統(tǒng)及方法之持續(xù)需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

揭示用于使用PE-ALD及旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管涂布粒子之系統(tǒng)及方法。旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管為反應(yīng)器管組件的部分，該反應(yīng)器管組件可旋轉(zhuǎn)及軸向移動使得其相對于等離子體產(chǎn)生裝置可操作地安置。該等離子體產(chǎn)生裝置具有自前驅(qū)氣體產(chǎn)生等離子體的活動狀態(tài)及在不形成等離子體之情況下傳送前驅(qū)氣體的非活動狀態(tài)。反應(yīng)器管駐留在一腔室中，該腔室具有用于接近反應(yīng)器管的開放位置及支撐真空的關(guān)閉位置。等離子體產(chǎn)生裝置之輸出端緊鄰反應(yīng)器管之輸入?yún)^(qū)段或在反應(yīng)器管之輸入?yún)^(qū)段內(nèi)駐留。此構(gòu)造避免對于等離子體產(chǎn)生裝置的鄰近反應(yīng)器管的外表面駐留的活動部分的需求。

本發(fā)明之一方面為一種用于使用至少第一與第二前驅(qū)氣體執(zhí)行粒子的等離子體增強原子層沉積(PE-ALD)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有界定一腔室內(nèi)部之頂部區(qū)段及底部區(qū)段的一腔室。該腔室構(gòu)造成使得該頂部區(qū)段及該底部區(qū)段具有一開放位置以提供到該腔室內(nèi)部的通路，及其中該腔室內(nèi)部保持真空的一關(guān)閉位置。該系統(tǒng)亦包括相對于該腔室可操作地設(shè)置的一反應(yīng)器管組件。該反應(yīng)器管組件包括一反應(yīng)器管，該反應(yīng)器管駐留于該腔室內(nèi)部內(nèi)且具有一中心軸線、一外表面、一內(nèi)部、一輸入?yún)^(qū)段、含有所述粒子的一中心區(qū)段及包括在該外表面中的至少一個孔隙的一輸出區(qū)段。該反應(yīng)器管組件構(gòu)造成用以繞該中心軸線旋轉(zhuǎn)該反應(yīng)器管。該系統(tǒng)亦包括一氣體供應(yīng)系統(tǒng)，該氣體供應(yīng)系統(tǒng)包括至少第一前驅(qū)氣體及第二前驅(qū)氣體。該系統(tǒng)亦包括在該腔室內(nèi)部內(nèi)且鄰近該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段或至少部分在該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段內(nèi)沿著反應(yīng)器管的所述中心軸線設(shè)置的一等離子體產(chǎn)生裝置。該等離子體產(chǎn)生裝置具有活動及非活動操作狀態(tài)，且可操作地連接至該氣體供應(yīng)系統(tǒng)，且構(gòu)造成用以接收該第一前驅(qū)氣體及該第二前驅(qū)氣體中之至少一者。當(dāng)在該活動狀態(tài)中時，自其形成至少一個對應(yīng)的等離子體，該等離子體經(jīng)自其輸出且經(jīng)由該輸入?yún)^(qū)段至該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部中。該系統(tǒng)亦包括一真空系統(tǒng)，其在該關(guān)閉位置中在該腔室內(nèi)部中形成該真空，藉此在反應(yīng)器管的所述內(nèi)部中形成該真空，反應(yīng)器管使該等離子體流經(jīng)該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部且與其中的所述粒子反應(yīng)。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該等離子體產(chǎn)生裝置及該反應(yīng)器管中之至少一者可沿著該中心軸線軸向移動，使得該等離子體產(chǎn)生裝置可相對于該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段可操作地定位。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該頂部區(qū)段與該底部區(qū)段由一鉸鏈機械耦接。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該反應(yīng)器管由石英或陶瓷制造。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該等離子體產(chǎn)生裝置由一平移裝置可操作地支撐，該平移裝置構(gòu)造成用以至少沿著該反應(yīng)器管的所述中心軸線平移該等離子體產(chǎn)生裝置。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該反應(yīng)器管組件進一步包括：一驅(qū)動馬達，其駐留于該腔室內(nèi)部外；一支撐板，其在該輸出區(qū)段處支撐該反應(yīng)器管；和一驅(qū)動軸，其將該支撐板機械連接至該驅(qū)動馬達。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該驅(qū)動馬達可移動使得該反應(yīng)器管可沿著該中心軸線平移。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)進一步包括至少一個加熱裝置，其經(jīng)可操作地設(shè)置以將熱量提供至該反應(yīng)器管中含有的所述粒子。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該等離子體產(chǎn)生裝置包括中空陽極等離子體源或中空陰極等離子體源。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，用于該等離子體源之驅(qū)動頻率在200kHz與15MHz之間。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該等離子體產(chǎn)生裝置包括一電子回旋共振(ECR)等離子體源。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該ECR等離子體源具有2.4GHz的驅(qū)動頻率。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該等離子體產(chǎn)生裝置具有一大致圓柱形形狀，其具有在大約50mm與100mm之間的一軸向長度及在大約20mm至50mm之間的一直徑。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，該反應(yīng)器管具有該輸入?yún)^(qū)段及該輸出區(qū)段，該輸入?yún)^(qū)段及該輸出區(qū)段具有一第一直徑D1。該中心區(qū)段具有一第二直徑D2。滿足以下不等式。(1.25)·D1≤D2≤(3)·D1。

本發(fā)明之一方面為一種用于涂布粒子之一等離子體增強型原子層沉積(PE-ALD)系統(tǒng)之反應(yīng)器管組件。該反應(yīng)器管組件包括一反應(yīng)器管，該反應(yīng)器管具有一中心軸線、近開放端及遠開放端、由介電材料制造且具有界定一內(nèi)部的一外表面的一主體、包括該近開放端的一輸入?yún)^(qū)段、包括彼遠開放端的一輸出區(qū)段、在該輸入?yún)^(qū)段與該輸出區(qū)段之間且經(jīng)設(shè)定大小以含有所述粒子的一中心區(qū)段，其中至少一個孔隙形成于該外表面中該輸出區(qū)段處。該反應(yīng)器管組件亦包括一支撐板，其可操作地附接至該反應(yīng)器管的所述遠開放端。該反應(yīng)器管組件亦包括一驅(qū)動馬達及一驅(qū)動軸。該驅(qū)動軸將該驅(qū)動馬達機械連接至該支撐板，使得當(dāng)該驅(qū)動馬達可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動該驅(qū)動軸時，該反應(yīng)器管繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的反應(yīng)器管組件，該輸入?yún)^(qū)段及該輸出區(qū)段具有一第一直徑D1。該中心區(qū)段具有一第二直徑D2。滿足以下不等式。(1.25)·D1≤D2≤(3)·D1。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的反應(yīng)器管組件，該反應(yīng)器管組件進一步包括在該反應(yīng)器管的所述中心區(qū)段中的向內(nèi)延伸的葉片。所述葉片構(gòu)造成用以在該反應(yīng)器管的旋轉(zhuǎn)期間攪拌所述粒子。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的反應(yīng)器管組件，該驅(qū)動馬達可移動使得該反應(yīng)器管可沿著其中心軸線平移。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的反應(yīng)器管組件，該反應(yīng)器管組件進一步包括一等離子體產(chǎn)生裝置，其鄰近該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段或至少部分在該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段內(nèi)可操作地設(shè)置。該等離子體產(chǎn)生裝置具有活動及非活動操作狀態(tài)。該等離子體產(chǎn)生裝置中無活動部分鄰近該反應(yīng)器管的所述外表面駐留。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的反應(yīng)器管組件，該等離子體產(chǎn)生裝置構(gòu)造成用以接收一前驅(qū)氣體，及i)當(dāng)該等離子體產(chǎn)生裝置在該活動狀態(tài)中時，自其產(chǎn)生等離子體，及ii)當(dāng)該等離子體產(chǎn)生裝置在該非活動狀態(tài)中時，在不形成等離子體之情況下傳送該前驅(qū)氣體。

本發(fā)明之一方面為一種等離子體增強型原子層沉積(PE-ALD)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括以上描述的反應(yīng)器管組件。該系統(tǒng)亦包括具有界定一腔室內(nèi)部的頂部區(qū)段及底部區(qū)段的一腔室。該腔室構(gòu)造成使得該頂部區(qū)段及該底部區(qū)段具有一開放位置以提供到該腔室內(nèi)部的通路，及其中該腔室內(nèi)部保持真空的一關(guān)閉位置。該反應(yīng)器管組件相對于該腔室可操作地設(shè)置，使得該反應(yīng)器管駐留于該腔室內(nèi)部內(nèi)。該等離子體產(chǎn)生裝置及該反應(yīng)器管中之至少一者可軸向移動，使得當(dāng)該腔室在該關(guān)閉位置中時，該等離子體產(chǎn)生裝置與該反應(yīng)器管可相對于彼此可操作地安置。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的系統(tǒng)，當(dāng)該等離子體產(chǎn)生裝置與該反應(yīng)器管相對于彼此可操作地安置時，該等離子體產(chǎn)生裝置之至少一部分駐留于該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部內(nèi)該輸入?yún)^(qū)段處。

本發(fā)明之一方面為一種使用等離子體增強型原子層沉積(PE-ALD)處理粒子之方法。該方法包括a)將所述粒子提供至一反應(yīng)器管的一內(nèi)部，該反應(yīng)器管具有一中心軸線、近開放端及遠開放端、由介電材料制造且具有界定該內(nèi)部的一外表面的一主體、包括該近開放端的一輸入?yún)^(qū)段、包括由一支撐板關(guān)閉的一遠開放端的一輸出區(qū)段、在該輸入?yún)^(qū)段與該輸出區(qū)段之間且經(jīng)設(shè)定大小以含有所述粒子且比該輸入?yún)^(qū)段及該輸出區(qū)段寬的一中心區(qū)段，其中至少一個孔隙形成于該外表面中該輸出區(qū)段處。該方法亦包括b)在該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部內(nèi)形成真空。該方法亦包括c)旋轉(zhuǎn)該反應(yīng)器管。該方法亦包括使用緊鄰該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段或至少部分在該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段內(nèi)可操作地安置的一等離子體產(chǎn)生裝置自一第一前驅(qū)氣體產(chǎn)生第一等離子體。該等離子體產(chǎn)生裝置中無活動部分鄰近該外表面駐留。該方法亦包括e)使該第一等離子體自該輸入?yún)^(qū)段流經(jīng)該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部而至該輸出區(qū)段，其中該第一等離子體引起在所述粒子中之每一者上的一第一化學(xué)反應(yīng)。該第一等離子體經(jīng)由該輸出區(qū)段中的所述至少一個孔隙退出該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該輸入?yún)^(qū)段及該輸出區(qū)段具有一第一直徑，且該中心區(qū)段具有在(1.25)·D1≤D2≤(3)·D1之范圍中的一第二直徑。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該方法進一步包括f)沖洗該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部。該方法亦包括g)使一第二前驅(qū)氣體流經(jīng)該等離子體產(chǎn)生裝置，包括以下中之任一者：i)不啟動該等離子體產(chǎn)生裝置使得該第二前驅(qū)氣體流動至該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部中且引起在所述粒子上的一第二化學(xué)反應(yīng)以形成涂層，或ii)啟動該等離子體產(chǎn)生裝置使得一第二等離子體自該第二前驅(qū)氣體形成且流動至該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部中且引起一第三化學(xué)反應(yīng)。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該方法進一步包括依序重復(fù)動作d)至g)以產(chǎn)生一PE-ALD膜。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該方法進一步包括交替地形成第一與第二涂層以界定在所述粒子中之每一者上的一PE-ALD膜。該PE-ALD由該第二涂層的多個層組成。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該方法進一步包括f)沖洗該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部。該方法進一步包括g)將該第二前驅(qū)氣體提供至該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部，而不使該第二前驅(qū)氣體流經(jīng)該等離子體產(chǎn)生裝置。該第二前驅(qū)氣體流動至該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部中，且引起在所述粒子上的一第二化學(xué)反應(yīng)以形成涂層。

本發(fā)明之一方面為一種使用等離子體增強型原子層沉積(PE-ALD)處理粒子的方法。該方法包括a)將所述粒子提供至一反應(yīng)器管之一內(nèi)部，該反應(yīng)器管具有一中心軸線、近開放端及遠開放端、由介電材料制造且具有界定該內(nèi)部的一外表面的一主體、包括該近開放端的一輸入?yún)^(qū)段、包括由一支撐板關(guān)閉的所述遠開放端的一輸出區(qū)段、在該輸入?yún)^(qū)段與該輸出區(qū)段之間且經(jīng)設(shè)定大小以含有所述粒子且比該輸入?yún)^(qū)段及該輸出區(qū)段寬的一中心區(qū)段，其中至少一個孔隙形成于該外表面中該輸出區(qū)段處。該方法亦包括b)在該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部內(nèi)形成真空。該方法亦包括c)旋轉(zhuǎn)該反應(yīng)器管。該方法亦包括d)緊鄰該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段或至少部分在該反應(yīng)器管的所述輸入?yún)^(qū)段內(nèi)可操作地設(shè)置一等離子體產(chǎn)生裝置。該等離子體產(chǎn)生裝置中無活動部分鄰近該外表面駐留。該等離子體產(chǎn)生裝置具有自一第一前驅(qū)氣體產(chǎn)生等離子體的一活動狀態(tài)，及允許一第一前驅(qū)氣體流經(jīng)該等離子體產(chǎn)生裝置而不被轉(zhuǎn)換至等離子體的一非活動狀態(tài)。該方法亦包括e)使該第一前驅(qū)氣體流經(jīng)在該非活動狀態(tài)中的所述等離子體產(chǎn)生裝置，且自該輸入?yún)^(qū)段至該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部中，至該輸出區(qū)段，其中該第一前驅(qū)氣體引起在所述粒子中之每一者上的一第一化學(xué)反應(yīng)且在其中形成一第一涂層。該第一前驅(qū)氣體經(jīng)由該輸出區(qū)段中的所述至少一個孔隙退出該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部。該方法亦包括f)自該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部沖洗該第一前驅(qū)氣體。該方法亦包括g)當(dāng)在該活動狀態(tài)中時使一第二前驅(qū)氣體流經(jīng)該等離子體產(chǎn)生裝置以形成等離子體。該等離子體與所述粒子上的所述第一涂層化學(xué)反應(yīng)以形成一第二涂層。該第一等離子體經(jīng)由該輸出區(qū)段中的所述至少一個孔隙退出該反應(yīng)器管的所述內(nèi)部。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該等離子體包括氧自由基。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該等離子體包括氮自由基。

本發(fā)明之另一方面為以上描述的方法，該等離子體產(chǎn)生裝置包括一中空陰極等離子體源或一中空陽極等離子體源。

額外特征及優(yōu)點闡述于以下“具體實施方式”中，且部分地將易于自描述為本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見或藉由實踐如此處書面描述及權(quán)利要求中所描述的實施例以及隨附圖式而認識到。應(yīng)理解，前述大體描述及以下“具體實施方式”兩者均僅為例示性，且意欲提供概述或構(gòu)架以理解權(quán)利要求之本質(zhì)及特性。

附圖說明

包括隨附圖式以提供進一步理解，且隨附圖式并入本說明書中，且構(gòu)成本說明書之一部分。該等圖式說明一個或多個實施例且與“具體實施方式”一起用以解釋各種實施例之原理及操作。因而，自結(jié)合附圖進行之以下“具體實施方式”，將變得更充分地理解本發(fā)明，其中：

圖1A為根據(jù)本發(fā)明的一實例PE-ALD系統(tǒng)之俯視正視圖，其中展示腔室處于關(guān)閉位置中；

圖1B為PE-ALD系統(tǒng)之正視圖，其中腔室處于開放位置中；

圖1C類似于圖1B，但設(shè)有在將流控制器連接至腔室內(nèi)部的繞過等離子體產(chǎn)生裝置的附加氣體管；

圖2A為本文中揭示的PE-ALD系統(tǒng)之一實例反應(yīng)器管組件的近距側(cè)視圖；

圖2B為圖2A之反應(yīng)器管組件的一實例反應(yīng)器管之端視圖；及

圖3A至圖3D為類似于圖2A之側(cè)視圖且說明用于使用PE-ALD系統(tǒng)執(zhí)行粒子的PE-ALD涂布的各種過程步驟之側(cè)視圖。

具體實施方式

現(xiàn)將詳細參考本發(fā)明之各種實施例，其實例說明于隨附圖式中。每當(dāng)可能時，遍及圖式使用相同或相似參考數(shù)字及符號以指相同或相似部分。該等圖式未必按比例，且本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，圖式已經(jīng)簡化以說明本發(fā)明之關(guān)鍵方面。

如下文所闡述的權(quán)利要求并入至此“具體實施方式”內(nèi)且構(gòu)成“具體實施方式”之部分。

笛卡爾坐標(biāo)出于參考原因而展示于一些圖中且并不意欲關(guān)于方向或定向為限制性。

如本文中所使用之術(shù)語“粒子”包括在大小上通常小于1mm且在大小上通常小于0.5mm之小對象(例如，粉末、微球、顆粒等)。粒子之表面可為平滑的、波狀的、多孔的等。雖然粒子可為球形、圓形、扁球形等，但其形狀不限于此，且可為經(jīng)得起基于ALD之處理之任何合理形狀。

本文中使用之縮寫字RPM表示“每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)”。

PE-ALD系統(tǒng)

圖1A為如本文中所揭示的一實例PE-ALD系統(tǒng)(“系統(tǒng)”)10之俯視正視圖。圖1B展示如以下所解釋在開放位置中的系統(tǒng)10之正視圖。系統(tǒng)10包括由一頂部區(qū)段22及一底部區(qū)段32界定的一腔室20。在一實例中，腔室20之頂部區(qū)段22及底部區(qū)段32為圓柱形且包括界接以形成可經(jīng)真空密封之腔室內(nèi)部40的相應(yīng)的邊緣24及34。頂部區(qū)段22及底部區(qū)段32由鉸鏈30可操作地連接，該鉸鏈允許頂部區(qū)段22自底部區(qū)段32擺動成開放(例如，手動，使用把手31)，藉此允許接近腔室內(nèi)部40，如圖1B中所展示。頂部區(qū)段22具有頂板25且底部區(qū)段32具有底板35。在一實例中，腔室內(nèi)部40具有具圓形橫截面的圓柱形形狀，該圓形橫截面具有在自250mm至500mm之范圍中的直徑。

系統(tǒng)10包括一氣體供應(yīng)系統(tǒng)50，其至少具有分別含有第一前驅(qū)氣體62及第二前驅(qū)氣體64的第一前驅(qū)氣體源52及第二前驅(qū)氣體源54。氣體供應(yīng)系統(tǒng)50亦包括一沖洗氣體源56，其含有沖洗氣體66，諸如惰性氣體(例如，N、Ar、He等)。第一前驅(qū)氣體源52及第二前驅(qū)氣體源54經(jīng)由流控制器80可操作地連接至氣體管70，該流控制器控制第一前驅(qū)氣體62及第二前驅(qū)氣體64以及沖洗氣體66至氣體管70中的流動。氣體管70可操作地連接至可操作地設(shè)置于流控制器80下游的等離子體產(chǎn)生裝置100。在一實例中，流控制器80可經(jīng)操作使得第一前驅(qū)氣體62及第二前驅(qū)氣體64中之至少一者可與諸如氮氣或氬氣之惰性氣體(例如，沖洗氣體66)混合。

等離子體產(chǎn)生裝置100包括一輸出區(qū)段102，在一實例中，該輸出區(qū)段呈噴嘴之形式或另外包括一噴嘴。

在一個實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100包括一中空陰極等離子體源。在另一實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100包括一中空陽極等離子體源，其實例描述于美國專利第3,515,932號中。在一實例中，中空陰極及中空陽極等離子體產(chǎn)生裝置100可在處于自2KHz至13.56MHz之范圍中的頻率下操作。

在另一實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100包括電子回旋共振(ECR)等離子體源。在一實例中，ECR等離子體源具有與由外部線圈提供之磁場耦合的微波源。磁性線圈驅(qū)動中之頻率及磁場強度經(jīng)設(shè)計以匹配微波頻率。舉例而言，若微波頻率為2.4Ghz，875高斯的磁場產(chǎn)生2.4Ghz的電子回旋頻率，且電子之旋轉(zhuǎn)移動與微波共振。這增大了電子與中性氣體之間碰撞之可能性，從而產(chǎn)生經(jīng)電離氣體(等離子體)。

一般言之，等離子體產(chǎn)生裝置100經(jīng)設(shè)計以較緊湊。在一實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100具有大體圓柱形形狀，其具有在50mm與100mm之間的軸向長度及在20mm與50mm之間的直徑。

等離子體產(chǎn)生裝置100及流控制器80可操作地連接至控制器110，該連接器構(gòu)造成用以控制等離子體產(chǎn)生裝置100及流控制器80的操作。在一實例中，控制器110包括在非暫時性計算機可讀媒體(例如，軟件和/或韌體)中的指令實施例，其使等離子體產(chǎn)生裝置100產(chǎn)生等離子體且使流控制器80控制前驅(qū)氣體62及64及沖洗氣體66的流動。在一實例中，控制器110亦將電力提供至等離子體產(chǎn)生裝置100。

在一實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100包括兩個操作狀態(tài)：穿過其之氣體經(jīng)轉(zhuǎn)換至等離子體的活動狀態(tài)，及穿過其之氣體未轉(zhuǎn)換至等離子體(亦即，其未更改地穿過)的非活動狀態(tài)?？刂破?10可用以限定等離子體產(chǎn)生裝置100的操作狀態(tài)。

系統(tǒng)10亦包括一真空系統(tǒng)120，其經(jīng)由真空管線122可操作地連接至腔室內(nèi)部40。真空系統(tǒng)120用以當(dāng)系統(tǒng)10在關(guān)閉位置中時拉動腔室內(nèi)部40中之真空，亦即，腔室20之頂部區(qū)段22與底部區(qū)段32在相應(yīng)的邊緣24及34處界接，如圖1A中所展示。

圖2A為形成系統(tǒng)10之部分的一實例反應(yīng)器管組件190之側(cè)視圖。反應(yīng)器管組件190包括一反應(yīng)器管200，該反應(yīng)器管具有一中心軸線AC、具有外表面203的一主體201及近開放端202及遠開放端204。圖2B為反應(yīng)器管200之端視圖。一例示性反應(yīng)器管200包括在每一側(cè)上由分別包括近開放端202及遠開放端204的窄端區(qū)段212及214包圍的一寬中心區(qū)段210。出于下文論述之原因，窄端區(qū)段212在本文中亦被稱作“輸入?yún)^(qū)段”，而窄端區(qū)段214被稱作“輸出區(qū)段”。

在一實例中，寬中心區(qū)段210及窄端區(qū)段212及214為圓柱形，例如，具有大致環(huán)形橫截面形狀。反應(yīng)器管200由不易于與等離子體或反應(yīng)性氣體反應(yīng)的材料制造。實例材料包括介電材料，諸如，石英及許多不同類型的陶瓷中的任一者。

反應(yīng)器管200包括內(nèi)部216，其具有由主體201界定的內(nèi)表面218。內(nèi)部216具有與寬中心區(qū)段210相關(guān)聯(lián)的寬中心內(nèi)部部分220及分別由窄端區(qū)段212及214界定的兩個窄內(nèi)部部分222及224。在一實例中，相應(yīng)的彎曲過渡區(qū)域232及234將寬中心區(qū)段210接合至窄端區(qū)段212及214。

在圖1B及圖2A中說明的一實例中，窄端區(qū)段212與214具有相同直徑D1，且寬中心區(qū)段210具有直徑D2，其中(1.25)·D1≤D2≤(3)·D1。在一實例中，反應(yīng)器管200具有在自125mm至225mm之范圍中的軸向長度L。在一實例中，直徑D1在自10mm至20mm之范圍中，且直徑D2在自20mm至60mm之范圍中，其中D2>D1。如以下進一步論述，可將反應(yīng)器管200繞其中心軸線AC旋轉(zhuǎn)，且因此可將其本文中稱作“旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管”。

應(yīng)注意，等離子體產(chǎn)生裝置100較緊湊，且相對于反應(yīng)器管200的近開放端202可操作地安置，且詳言之，緊鄰其設(shè)置至反應(yīng)器管200的輸入?yún)^(qū)段212的內(nèi)部部分222，或至少部分設(shè)置于該內(nèi)部部分內(nèi)。此構(gòu)造避免在反應(yīng)器管200的外表面203周圍使用活動等離子體產(chǎn)生元件或裝置，諸如，RF線圈、電極等。等離子體產(chǎn)生裝置100的非活動元件之一實例為其外殼或安裝特征或相似結(jié)構(gòu)元件(未展示)。因此，在一實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100不具有鄰近反應(yīng)器管200的外表面203駐留的活動部分。

圖2A展示駐留于寬中心區(qū)段210的內(nèi)部部分220中的粒子300。圖2B包括具有外表面302的實例粒子300之近距視圖。適合于涂布的粒子300之實例類型在下文論述，且通常包括經(jīng)受傳統(tǒng)ALD過程的任何材料，亦即，其中可使用前驅(qū)氣體62及64與粒子300的外表面302反應(yīng)(包括黏附至該外表面)。在一實例中，粒子300之大小在自0.01微米至100多微米之范圍中。在一實例中，粒子300之外表面302可由為與粒子300之主體或塊不同的材料的涂層(例如，氧化物涂層)界定。

在最佳地在圖2B中所見之一實例中，反應(yīng)器管200的寬中心區(qū)段210可選地包括葉片250，其自內(nèi)表面218徑向向內(nèi)朝向中心軸線AC延伸，且輔助保持粒子300在內(nèi)部部分220內(nèi)攪拌以確保粒子300的外表面302的均勻涂布，并伴有最少黏聚。

再次參看圖2A，在一實例中，反應(yīng)器管200包括形成于窄端區(qū)段214中的一個或多個孔隙316。該一個或多個孔隙316構(gòu)造成用以允許氣體(包括等離子體，如下文所論述)流出窄端區(qū)段214的內(nèi)部部分224，藉此使窄端區(qū)段214為如上文所論述的輸出區(qū)段102。這是因為反應(yīng)器管組件190包括一支撐部件320，其具有至少基本上封住反應(yīng)器管200的另外遠開放端204的前表面322。在一實例中，支撐部件320呈端板之形式。在一實例中，窄端區(qū)段214的一部分延伸至支撐部件320中(如圖3A至圖3D的橫截面圖中所展示，在下文介紹及論述)，以輔助將反應(yīng)器管200緊固至支撐部件320。

反應(yīng)器管組件190亦包括一驅(qū)動軸330及一驅(qū)動馬達340。驅(qū)動軸330將支撐部件320機械連接至驅(qū)動馬達340。驅(qū)動馬達340優(yōu)選地駐留于腔室20之外。在一實例中，驅(qū)動軸330穿過腔室20中(例如，頂部區(qū)段22中)的密封的軸承或相似的旋轉(zhuǎn)饋通件350。驅(qū)動馬達340用以旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸330(亦即，驅(qū)動馬達340可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動驅(qū)動軸330)，此又驅(qū)動反應(yīng)器管200及附接至其的支撐部件320繞中心軸線AC的旋轉(zhuǎn)。在一實例中，反應(yīng)器管組件190構(gòu)造成用以按在自0RPM至300RPM之范圍中的旋轉(zhuǎn)速率RR軸向旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管200。在一實例中，旋轉(zhuǎn)速率RR為至少1RPM。

在一實例中，反應(yīng)器管組件190構(gòu)造成使得反應(yīng)器管200可軸向平移，亦即，可在x方向上來回移動，如由箭頭AR1指示。例如，通過軸向移動驅(qū)動馬達340可實現(xiàn)此軸向移動。反應(yīng)器管200之軸向移動允許等離子體產(chǎn)生裝置100相對于輸入?yún)^(qū)段212之近開放端202可操作地設(shè)置。在一實例中，等離子體產(chǎn)生裝置100之至少一部分(例如，輸出區(qū)段102)駐留于反應(yīng)器管200之輸入?yún)^(qū)段212之內(nèi)部部分222內(nèi)，如圖2A中所展示。

在一個實例中，可藉由當(dāng)系統(tǒng)10在開放位置中時在+x方向上移動反應(yīng)器管200使得在等離子體產(chǎn)生裝置100與反應(yīng)器管200的近開放端202之間存在足夠空隙將腔室20置于關(guān)閉位置中來實現(xiàn)等離子體產(chǎn)生裝置100的定位。當(dāng)腔室20在開放位置中且近開放端202對用者而言可接近時，可將待涂布之粒子300添加至反應(yīng)器管200的內(nèi)部216。

在另一實例中，可通過移動等離子體產(chǎn)生裝置100來定位等離子體產(chǎn)生裝置100。在一實例中，這通過將等離子體產(chǎn)生裝置100安裝或另外支撐于平移裝置104(例如，平移平臺)上來實現(xiàn)，該平移裝置構(gòu)造成用以至少在x方向上平移等離子體產(chǎn)生裝置100，如由箭頭AR2指示。在一實例中，平移裝置104可操作地連接至構(gòu)造成用以控制等離子體產(chǎn)生裝置100之移動(平移)的控制器110。此構(gòu)造允許使等離子體產(chǎn)生裝置100退出反應(yīng)器管200的窄端區(qū)段212的內(nèi)部部分222，使得可將腔室20移動至開放位置，且接著當(dāng)腔室20在關(guān)閉位置中時，將其插入至內(nèi)部部分222中。

系統(tǒng)10亦包括可操作地設(shè)置以在啟動時輻射熱量(亦即，紅外線能量)402的至少一個加熱裝置400。在一實例中，加熱裝置400設(shè)置于腔室20內(nèi)，例如，在底部區(qū)段32之底板35上，使得當(dāng)腔室20在關(guān)閉位置中時，加熱裝置400最緊密接近反應(yīng)器管200。至少一個加熱裝置400亦可設(shè)置于腔室20的頂部區(qū)段22的頂板25上。在一實例中，使用多個加熱裝置400。至少一個加熱裝置400電連接至控制器110或可連接至獨立電源(未展示)。

使用PE-ALD系統(tǒng)的粒子涂布的方法

一旦將粒子300置放至反應(yīng)器管200之內(nèi)部216中，便接著關(guān)閉腔室20的頂部區(qū)段22以形成密封的腔室內(nèi)部40。此時，在-x方向上移動反應(yīng)器管200(或在+x方向上移動等離子體產(chǎn)生裝置100)，使得等離子體產(chǎn)生裝置100的一部分(例--輸出區(qū)段102)駐留在其可操作位置中，在實例中，該可操作位置緊鄰反應(yīng)器管200的輸入?yún)^(qū)段212的內(nèi)部部分222或在該內(nèi)部部分內(nèi)，如圖2A中所展示。

在此點，使用真空系統(tǒng)120減小腔室內(nèi)部40中的壓力，例如，在自50毫托至500托之范圍中。因為反應(yīng)器管200在近開放端202及亦在孔隙316中為開放，所以反應(yīng)器管200之內(nèi)部216中的壓力一開始與腔室20的壓力相同。

接著啟動驅(qū)動馬達340，藉此起始反應(yīng)器管200繞中心軸線AC的旋轉(zhuǎn)。如上所論述，在一實例中，寬中心區(qū)段210的內(nèi)部部分220中的葉片250用以攪拌粒子300，使得不擱置于反應(yīng)器管200的內(nèi)表面218上且花費其多數(shù)時間在內(nèi)部部分220內(nèi)攪拌。此外，啟動加熱裝置400以產(chǎn)生熱量402，熱量用以加熱粒子300，例如，至在自100℃至400℃之范圍中的一溫度，以有助于化學(xué)反應(yīng)。在一替代實施例中，經(jīng)由加熱裝置400加熱全部腔室20，使得經(jīng)加熱腔室20產(chǎn)生入射于粒子300上且加熱所述粒子的黑體熱輻射402。

圖3A至圖3D說明在粒子300上形成ALD涂層或膜的一實例過程。參看圖1A、圖1B及圖3A，一旦如上所述構(gòu)造系統(tǒng)10，控制器110便啟動流控制器80以使來自第一前驅(qū)氣體源52的第一前驅(qū)氣體62流經(jīng)氣體管70而至等離子體產(chǎn)生裝置100。在本實例中，控制器110不啟動等離子體產(chǎn)生裝置100(亦即，其將等離子體產(chǎn)生裝置100設(shè)定或使其處于非活動狀態(tài)中)，使得第一前驅(qū)氣體62直接流經(jīng)等離子體產(chǎn)生裝置100，而不經(jīng)受等離子體產(chǎn)生的力。第一前驅(qū)氣體62自等離子體產(chǎn)生裝置100的輸出區(qū)段102流動至反應(yīng)器管200的輸入?yún)^(qū)段212中且至內(nèi)部216中，且詳言之，流動至寬中心區(qū)段210的內(nèi)部部分220中。此處，第一前驅(qū)氣體62與粒子300混合且與每一粒子300的外表面302相互作用以在其中形成初始涂層305，其中初始涂層305包括第一前驅(qū)氣體62之組份中的一者或多者?？蓪⒌谝磺膀?qū)氣體62提供為連續(xù)流或提供為一個或多個脈沖。

歸因于在反應(yīng)器管200的內(nèi)部216內(nèi)產(chǎn)生的壓力差，第一前驅(qū)氣體62自寬中心區(qū)段210的內(nèi)部部分220流動至窄端區(qū)段214的內(nèi)部部分224。(未反應(yīng)的)第一前驅(qū)氣體62經(jīng)由窄端區(qū)段214中的孔隙316流出內(nèi)部216，且進入腔室內(nèi)部40，在腔室內(nèi)部，其由真空系統(tǒng)120抽汲出腔室內(nèi)部40。

參看圖3B，一旦形成初始涂層305，控制器110便接著使流控制器80停止第一前驅(qū)氣體62的流動且起始沖洗氣體66自沖洗氣體源56的流動?？刂破?10使等離子體產(chǎn)生裝置100處于非活動狀態(tài)中，使得沖洗氣體66流經(jīng)等離子體產(chǎn)生裝置100且至反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中，而不經(jīng)受等離子體產(chǎn)生的力。沖洗氣體66及任何剩余的第一前驅(qū)氣體62流出孔隙316，直至基本上僅沖洗氣體66剩余于反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中。

參看圖3C，一旦完成沖洗步驟，控制器110便接著使流控制器80停止沖洗氣體66的流動且起始第二前驅(qū)氣體64自第二前驅(qū)氣體源54的流動。控制器110亦啟動等離子體產(chǎn)生裝置100，使得當(dāng)?shù)诙膀?qū)氣體64流經(jīng)等離子體產(chǎn)生裝置100時，其經(jīng)轉(zhuǎn)換至等離子體氣體(“等離子體”)64*。等離子體氣體64*可包括離子，諸如，第二前驅(qū)氣體64的自由基化之分子(例如，氧自由基O*、N*等)。等離子體64*流出等離子體產(chǎn)生裝置100的輸出區(qū)段102且至反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中。等離子體64*行進經(jīng)由寬中心區(qū)段210的內(nèi)部部分220且與初始涂層305反應(yīng)以形成第二涂層307。第二涂層307包括等離子體64*之組份中之一者或多者。(未反應(yīng)之)等離子體64*在窄端區(qū)段214處流出孔隙316且至腔室內(nèi)部40中，在腔室內(nèi)部，其經(jīng)由真空系統(tǒng)120被抽汲出腔室內(nèi)部40。

一旦形成第二涂層307，控制器110便接著使流控制器80停止第二前驅(qū)氣體64的流動且起始沖洗氣體66自沖洗氣體源56的流動以執(zhí)行反應(yīng)器管200的另一沖洗。再次，在沖洗步驟期間將等離子體產(chǎn)生裝置100設(shè)定至非活動狀態(tài)，使得沖洗氣體66流經(jīng)等離子體產(chǎn)生裝置100且至反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中，而不經(jīng)受等離子體產(chǎn)生的力。沖洗氣體66及任何剩余等離子體64*(以及任何未轉(zhuǎn)換的第二前驅(qū)氣體64及揮發(fā)性副產(chǎn)物)流出孔隙316，直至基本上僅沖洗氣體66剩余于反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中。

可重復(fù)以上過程步驟或動作，直至形成由第二涂層307的多個層組成的最終膜310。

自第二前驅(qū)氣體64形成等離子體64*的一個潛在副產(chǎn)物為ALD膜在等離子體產(chǎn)生裝置100內(nèi)部的非故意堆積。在某些類型之膜310的形成中，在等離子體產(chǎn)生裝置100內(nèi)部的ALD膜堆積可為不良的。舉例而言，當(dāng)形成膜310涉及沉積金屬時，足夠厚的金屬膜可形成于等離子體產(chǎn)生單元100中，且使等離子體產(chǎn)生單元100(例如，其中之電極)“短路”及停止操作。此不大可能發(fā)生，膜310之形成僅涉及非傳導(dǎo)性材料。在等離子體產(chǎn)生裝置100內(nèi)部的ALD膜堆積對其操作不利之情況下，若干選項可用。

第一選項為藉由在等離子體產(chǎn)生裝置100內(nèi)起始不同(“清除”)等離子體64*的形成來清潔等離子體產(chǎn)生裝置100的其上形成ALD膜的內(nèi)表面218(例如，電極表面)。舉例而言，在將所要的涂層沉積至粒子300上且移除粒子300后，系統(tǒng)10可關(guān)閉且藉由不同氣體操作，該不同氣體經(jīng)設(shè)計以自等離子體產(chǎn)生裝置100的內(nèi)表面218蝕刻最近沉積之ALD材料。舉例而言，在形成于等離子體產(chǎn)生裝置100中的ALD膜為氧化物之情況下，可產(chǎn)生氯基或氟基等離子體以蝕刻掉ALD沉積的氧化物材料。

當(dāng)兩個前驅(qū)氣體62及64中之僅一者需要被激發(fā)至等離子體或“轉(zhuǎn)換”成等離子體時，第二選項可用。在此情況下，需要被轉(zhuǎn)換至等離子體的第一前驅(qū)氣體62或第二前驅(qū)氣體64可為僅路過等離子體產(chǎn)生裝置100的前驅(qū)氣體62或64，而另一非等離子體前驅(qū)氣體可經(jīng)由單獨的氣體管線70’引入至腔室內(nèi)部40中，如圖1C中所展示。此另一非等離子體前驅(qū)氣體經(jīng)由近開放端202及遠開放端204處的孔隙316一路前進至旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中，且與駐留于內(nèi)部部分220中的粒子300相互作用。

一旦任何ALD膜堆積開始不利地影響等離子體產(chǎn)生裝置100的效能，第三選項簡單地為等離子體產(chǎn)生裝置100的周期性替換。

一旦最終膜310形成于粒子300上，便可開放腔室20且自反應(yīng)器管200移除涂布的粒子300。

在各種實例中，可使一或兩種前驅(qū)氣體62及64至對應(yīng)的等離子體內(nèi)。舉例而言，以上描述的方法的一變化包括藉由當(dāng)?shù)谝磺膀?qū)氣體62穿過等離子體產(chǎn)生裝置100時將其啟動來自第一前驅(qū)氣體62形成等離子體，同時允許第二前驅(qū)氣體64在其原始狀態(tài)中傳送至反應(yīng)器管200的內(nèi)部216中以形成第二涂層307。另一實例具有在活動狀態(tài)中之等離子體產(chǎn)生裝置100，以用于第一前驅(qū)氣體62及第二前驅(qū)氣體64兩者在其流動序列期間形成相應(yīng)的等離子體。

實例

以下闡述粒子300、第一前驅(qū)氣體62及第二前驅(qū)氣體64及所得最終膜310的四個不同實例

實例1：粒子300＝氧化鋰鈷(LiCoO₂)；第一前驅(qū)氣體62為TMA(三甲基鋁)；第二前驅(qū)氣體64為O₂，其由等離子體產(chǎn)生裝置100轉(zhuǎn)換至O*；且最終膜310為氧化鋁。

實例2：粒子300＝硅；第一前驅(qū)氣體62為TDMAT(四二甲基酰胺基鈦)；第二前驅(qū)氣體64為N₂，其由等離子體產(chǎn)生裝置100轉(zhuǎn)換至N*；且最終膜310為TiN。

實例3：粒子300＝碳化鎢；第一前驅(qū)氣體62為雙乙基環(huán)戊正烷鉑；第二前驅(qū)氣體64為O₂，其由等離子體產(chǎn)生裝置100轉(zhuǎn)換至O*；且最終膜310為鉑。

實例4：粒子300＝氧化鋇(BaO)。第一前驅(qū)氣體62為TDMAT(四二甲基酰胺基鈦)；第二前驅(qū)氣體64為O₂，其由等離子體產(chǎn)生裝置100轉(zhuǎn)換至O*；且最終膜310為TiO₂。

可使用用于粒子300的其他實例材料，包括玻璃、陶瓷、基于氧化物的粒子、塑料、聚合物；且亦可使用超出四個實例中描述的前驅(qū)氣體的其他前驅(qū)氣體。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見，可在不脫離如隨附權(quán)利要求中所定義的本發(fā)明之精神或范疇之情況下對如本文中所描述的本發(fā)明之優(yōu)選實施例進行各種修改。因此，本發(fā)明涵蓋修改及變化，限制性條件為其在隨附權(quán)利要求及其等效物之范疇內(nèi)。