多噴射縫式燃燒器及用于在基板上沉積材料的裝置制造方法
【專利摘要】多噴射縫式燃燒器及用于在基板上沉積材料的裝置。本發(fā)明公開了用于在基板上沉積導(dǎo)電材料的工藝，包括：燃燒預(yù)混合的燃料和氧化劑以形成貼著移動的物體或基板的滯止火焰，該移動的物體或基板穩(wěn)定滯止火焰；以及將至少一種前體引入到火焰以在基板上形成導(dǎo)電材料。
【專利說明】多噴射縫式燃燒器及用于在基板上沉積材料的裝置
[0001]本申請是申請日為2009年3月16日、申請?zhí)枮?00980114008.8 (國際申請?zhí)枮镻CT/US2009/037282)、發(fā)明名稱為“制備導(dǎo)電材料的方法及包括導(dǎo)電材料的器件”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本公開涉及用于在基板上形成諸如透明導(dǎo)電氧化物的導(dǎo)電材料的裝置、工藝以及這種材料在器件中的用途。
【背景技術(shù)】
[0003]諸如超導(dǎo)材料和透明導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料具有非常廣泛的應(yīng)用。例如，透明導(dǎo)電氧化物(TCO)膜對于諸如蜂窩電話、個人數(shù)字助理、平板顯示器、等離子體屏幕、計算機以及諸如ATM機的各種觸摸面板器件的光顯示器件很有用。TCO也用于光伏學(xué)中，諸如薄膜太陽能電池、液晶顯示器、發(fā)光二極管以及抗靜電和防霧涂層及EMI屏蔽體。
[0004]在基板上沉積膜的各種方法是已知的，包括濺射技術(shù)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、噴霧熱解、燃燒化學(xué)氣相沉積(CCVD)以及脈沖激光沉積。在一些情形中，由這些方法生成的膜是導(dǎo)電的和/或透明的。
[0005]在冷基板上沉積晶體薄膜最常用的技術(shù)是濺射。盡管不同的膜需要不同的濺射條件，但是用于沉積透明導(dǎo)電氧化物(包括摻雜錫的銦氧化物(ITO)和摻雜鋁的氧化鋅(AZ0或ZnO = Al))的各種技術(shù)已經(jīng)被公開。參見，例如，美國專利7，309，405 ;美國專利 5,458，753 ；日本經(jīng)審查的專利公布 N0.72011/1991 ;Minami, Nanto, &Takata〃Highlyconductive and transparent ZnO thin films prepared by RF magnetron sputteringin an applied external D`C magnetic-fielcT, Thin Solid Films, 1985，124，43-47。灘射涂覆基板的技術(shù)幾乎全都要求密封的真空室，且因而作為批處理來實施。因此，這樣很難大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]CVD方法通常也需要低壓或密封室，因而使得這些技術(shù)較不利于薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)。但是，Hu和Gordon報告了在大氣壓力下氣相沉積二乙基鋅、三乙基鋁和乙醇的加熱混合物來生產(chǎn) AZO 膜。Hu&Gordon, 〃Textured aluminum-doped zinc oxide thin-films fromatmospheric-pressure chemical-vapor deposition〃J.0f App.Phys.，1992，71，880-890。在367°C和444°C之間的高基板溫度記錄了滿意的結(jié)果。高基板溫度被認(rèn)為使得能夠發(fā)生表面重排列反應(yīng)以促進沉積膜的合理的結(jié)晶度。
[0007]噴霧熱解和CCVD都涉及通過燃燒分子前體或分子簇而沉積為晶體膜，且這兩種技術(shù)都可以在大氣壓力下使用來形成薄膜。這兩種技術(shù)一般都需要約450°C的基板溫度。KaidMshourC^Preparation of ZnO-doped Al by spray pyrolysis technique", AppliedSurface Science, 2007, 253，3029-3033)證明了通過在加熱到450°C的最佳溫度的靜態(tài)基板上噴霧熱解硝酸銨和醋酸鋅來制造AZO膜。美國專利6，013, 318公開了 CCVD制造薄膜的應(yīng)用，由此燃燒燃料、氧化劑和前體氣體或液體產(chǎn)生沉積到鄰近基板上的氣相化合物。該公開涉及擴散火焰，即當(dāng)燃料和氧化劑被分開注入并在火焰前沿附近相遇時形成的火焰° 此外，Zhao 等人("Transparent Conducting ZnO:Al Films via CCVD for AmorphousSilicon Solar Cells", preprint, 29th IEEE PVSC, New Orleans, 2002 年 5 月)公開了一種露天CCVD工藝，在該工藝中，ZnO = Al膜在火焰上沉積到熱的硼硅酸鹽玻璃基板上。金屬前體通過氧流被輸送到火焰中。
[0008]另一公開的意圖在沉積過程中保持基板冷卻的技術(shù)是脈沖激光沉積(美國專利6，818，924)，其中基板放置在體材料附近，隨后用脈沖激光輻照體材料。材料從靶蒸發(fā)到基板上，從而保持基板冷卻。該技術(shù)類似于濺射，因為待沉積的材料需要在還原氣氛中蒸發(fā)。
[0009]已報告了通過滯止火焰制備顆粒涂層(即，二氧化鈦顆粒涂層)的工藝(參見，例如 McCormick 等人，"Thermal Stability of Flame Synthesized AnataseTiO2Nanoparticles^, J.Phys.Chem.B, 2004, 108, 17398-17402 ;以及 Zhao 等人，〃Ultraf ineAnatase TiO2Nanoparticles Produced in Premixed Ethylene Stagnation FlameatIAtmosphere^, Proc.Combustion Institute, 2005, 30, 2569-2576)。這些文獻(xiàn)描述了在靜止穩(wěn)定的板下方短距離形成滯止火焰并將二氧化鈦顆粒收集到移入和移出火焰的基板上。這些文獻(xiàn)沒有公開貼著可移動的穩(wěn)定的板產(chǎn)生滯止火焰。
[0010] 盡管公開了在基板上形成導(dǎo)電材料，但是仍希望提供能夠在基板上形成導(dǎo)電材料的裝置和工藝。進一步希望提供能夠在連續(xù)工藝中在緩和條件以及低基板溫度下在基板上形成導(dǎo)電材料的工藝。還希望提供能夠在寬的表面區(qū)域上形成導(dǎo)電材料的高度均勻的膜的工藝。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本公開的優(yōu)點包括用于在基板上形成導(dǎo)電材料的裝置和方法。有利地，本公開的方法能夠在連續(xù)工藝中以低基板溫度在基板上形成導(dǎo)電材料，但是其不限于此。
[0012]這些和其他優(yōu)勢至少部分地由一種在基板上形成導(dǎo)電材料(例如，透明導(dǎo)電氧化物)的工藝來實現(xiàn)。該工藝包括:燃燒預(yù)混合的燃料和氧化劑以貼著基板形成滯止火焰來穩(wěn)定滯止火焰，以及將至少一種前體引到火焰以在基板上形成導(dǎo)電材料。
[0013]本公開的實施方式包括燃燒預(yù)混合的燃料/氧化劑，例如預(yù)混合的烴/氧，以通過一個或多個燃燒器形成一個或多個滯止火焰，以及貼著一個或多個火焰移動基板，以在距基板短距離處形成/穩(wěn)定一個或多個火焰?；迥軌蛲ㄟ^移動的物體來保持，該移動的物體使基板能夠貼著火焰重復(fù)地移動來在基板上沉積導(dǎo)電材料。將一種或多種前體引入一個或多個滯止火焰以在基板上形成導(dǎo)電材料。
[0014]另外的實施方式包括將燃料和氧化劑引導(dǎo)通過具有多于一個噴嘴的燃燒器以及將前體引導(dǎo)通過燃燒器的不同噴嘴。
[0015]在本公開的一方面，該工藝包括通過燃燒預(yù)混合的燃料和氧化劑以貼著基板(例如，移動的基板)形成滯止火焰來穩(wěn)定滯止火焰而在基板上形成透明導(dǎo)電氧化物(TC0)，以及將至少一種TCO形成前體(如鋁、錫、鋅和/或基于銦的前體)引入火焰以在基板上形成TCO。實施方式包括在基板上形成摻雜鋁的氧化鋅和/或銦錫氧化物TCO膜。
[0016]本公開的另一方面包括多噴射縫式燃燒器和用于形成一個或多個滯止火焰的裝置。該裝置包括用于形成矩形滯止火焰的多噴射縫式燃燒器，該燃燒器包括與狹縫形狀的第一噴嘴流體連通以使可燃燒氣體通過噴嘴流動和燃燒的第一端口、與鄰近第一噴嘴的狹縫形狀的第二噴嘴流體連通以用于將一種或多種前體引入由通過第一噴嘴的可燃燒氣體的燃燒所產(chǎn)生的火焰的第二端口。燃燒器可具有另外的噴嘴以將另外的組分引入到氣體或前體，例如另外的前體或另外的可燃燒氣體，或用于添加惰性氣體。在裝置中使用基板來穩(wěn)定由通過第一噴嘴的氣體的燃燒形成的滯止。
[0017]本公開的另一方面為包括具有由滯止火焰產(chǎn)生的導(dǎo)電材料的基板的器件，諸如光電器件。
[0018]本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下詳述將易于明白本發(fā)明的另外的優(yōu)勢，其中僅通過實現(xiàn)本發(fā)明所考慮的最佳模式的圖示示出并說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。如將認(rèn)識到的，本發(fā)明可以為其他和不同的實施方式，且其各種細(xì)節(jié)能夠在各種明顯的方面進行修改，所有都不偏離本發(fā)明。因而，附圖和說明被認(rèn)為實際上是示例性的且不作為限制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]參考附圖，其中具有相同附圖標(biāo)記的元件代表相同的元件，且在附圖中:
[0020]圖1是能夠用于利用滯止火焰在基板上形成導(dǎo)電材料的燃燒器布置的示意圖。
[0021]圖2是能夠用于利用圓的預(yù)混合的滯止火焰在基板上形成導(dǎo)電材料的燃燒器布置的示意圖。
[0022]圖3是能夠用于利用矩形的預(yù)混合的滯止火焰在基板上形成導(dǎo)電材料的多噴射縫式燃燒器布置的示意圖。
[0023]圖4是圖3的多噴射縫式燃燒器的側(cè)視圖的示意圖。
[0024]圖5是利用了能夠用于在基板上形成導(dǎo)電材料和另外的材料的一系列燃燒器的燃燒器布置的不意圖。`
【具體實施方式】
[0025]本公開涉及在基板上制備導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料能夠以涂層或膜的形式或任何其他形式沉積到基板上。利用滯止火焰將導(dǎo)電材料沉積到基板上。滯止火焰能夠通過使離開燃燒器的燃燒氣體流轉(zhuǎn)向并隨后通過貼著穩(wěn)定表面的火焰擴張而穩(wěn)定成薄火焰片來建立。如此處使用的，術(shù)語“貼著”在穩(wěn)定滯止火焰的情況下指的是火焰和穩(wěn)定表面處于表面將火焰穩(wěn)定成滯止火焰這樣的距離。一般地，火焰處于離開表面的短距離處，但是術(shù)語“貼著”不排除或需要火焰接觸穩(wěn)定表面。穩(wěn)定表面可以是物體的表面或基板自身的表面。通過將至少一種前體引入火焰，然后通過火焰加熱、氧化和/或以其他方式轉(zhuǎn)換以形成隨后沉積到基板的表面上的材料來實現(xiàn)導(dǎo)電材料的沉積。應(yīng)相信，通過材料的流沖擊、擴散和/或熱遷移進行了導(dǎo)電材料的沉積，該材料可以為分子簇或納米微粒的形式，由離開火焰到達(dá)基板的表面的加熱、氧化和/或以其他方式轉(zhuǎn)換的前體而產(chǎn)生。
[0026]滯止火焰有利地不需要火苗。因此，滯止火焰也被稱為滯止點火焰，其與任何固體表面分離，因為火焰穩(wěn)定主要通過流輻散而不是燃燒器或基板表面的傳導(dǎo)熱損失。它們能夠通過預(yù)混合氧化劑與燃料并使該流在可燃燒組分到達(dá)火焰前沿之前通過燃燒器噴射而形成。如果局部軸向流速等于火焰速度，則能夠?qū)崿F(xiàn)垂直于流方向的靜止的平火焰前沿。該條件產(chǎn)生薄的火焰前沿，因為所有的反應(yīng)物容易獲取。[0027]與噴射或擴散火焰不同，滯止火焰有利地具有高度均勻性和大體薄的輪廓或厚度，這使得能夠較高程度地控制引入火焰的任何前體的加熱和/或燃燒。進一步能夠在寬的表面區(qū)域上形成滯止火焰。此外，引入預(yù)混合的火焰的前體經(jīng)歷短停留時間，這允許有限的分子大小成長和前體材料的分子或簇大小的窄分布?；鹧娴母呔鶆蛐杂欣谝牖鹧娴娜魏吻绑w的均勻處理，且允許在大表面區(qū)域上的均勻沉積。[0028]相比之下，擴散火焰為這樣的火焰，在該火焰中，氧化劑在燃燒過程中通過擴散而與燃料組合。結(jié)果，擴散速率限制了燃料燃燒速率。燃燒烴的擴散火焰往往會產(chǎn)生煤煙，因為可能沒有足夠的氧化劑來使反應(yīng)徹底，但是也有一些例外。擴散火焰往往沒有局部的火焰前沿。
[0029]擴散火焰和滯止火焰之間的差別很大，當(dāng)應(yīng)用于沉積材料時尤其如此。滯止火焰相對較薄，且其位置相對于基板可調(diào)節(jié)。這導(dǎo)致對火焰的明顯更好的控制，而且對由火焰形成的分子前體或前體簇也有很好的控制。與擴散火焰不同，基板在滯止火焰上方移動而不顯著地影響火焰。基板的移動有利地允許基板由對流而保持冷卻，且允許以均勻的方式和連續(xù)的工藝沉積材料，該工藝能夠容易與其他處理步驟相組合。此外，不需要異質(zhì)的表面反應(yīng)來用滯止火焰實現(xiàn)高度結(jié)晶的薄膜。
[0030]滯止火焰已經(jīng)被分析用于火焰速度測量，且用于穩(wěn)定這種火焰的機制是已知的。參見例如 Powling, Fuel, 1949, volume28, pp.25-28 ；Egerton, Proceedings of TheRoyal Society A, 1952，volume211, pp.445-471 ;Biedler 等人，Jet Propulsionl957,volume27, pp.1257-1260。關(guān)于預(yù)混合的滯止火焰的性能和形成的另外的參考內(nèi)容能夠在Law, Combustion Physics, Cambridge Press, 2006中找到。但是，認(rèn)為，不期望滯止火焰用來在基板上形成導(dǎo)電材料。
[0031]在實踐本公開的一方面時，滯止火焰由預(yù)混合的燃料和氧化劑的燃燒(例如，點燃和/或燃燒)來形成。能夠使用任何可燃燒燃料和氧化劑來形成火焰。例如，燃料能夠為任何可燃燒的組分，諸如一種或多種烴，其包括但不限于:鏈燒，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戍燒、己燒、庚燒、羊燒等；稀經(jīng)，例如乙稀、丙稀、丁稀、丁二稀等；塊，例如乙塊、丙塊等；芳香烴，例如苯、甲苯、二甲苯；非烴，如氫、一氧化碳等。氧化劑可以為氧化燃料以形成滯止火焰的任何成分，并且包括但不限于氧、空氣等。
[0032]滯止火焰能夠由將沉積導(dǎo)電材料的基板來穩(wěn)定，或由保持基板的另一物體來穩(wěn)定。在本公開的一個實施方式中，火焰通過移動的基板或物體來穩(wěn)定。應(yīng)理解，盡管滯止火焰能夠貼著固定的基板形成，但是意外地發(fā)現(xiàn)滯止火焰也能夠貼著移動的穩(wěn)定表面(即，物體或基板的表面)來形成。用可移動的穩(wěn)定器表面形成滯止火焰有利地允許連續(xù)制造工藝。如此處所使用的，術(shù)語移動、可移動的、平移的或關(guān)于穩(wěn)定滯止火焰所用的基板或物體的移動的其他術(shù)語指相對于火焰移動以形成滯止火焰的基板或物體。也能夠利用固定的基板在基板上形成導(dǎo)電材料。但是，在該條件下，基板需要被冷卻以使其不達(dá)到對導(dǎo)電材料或基板不利的溫度，且基板的選擇優(yōu)選地限于能夠承受這種工藝的溫度的基板。
[0033]當(dāng)利用滯止火焰在基板上形成導(dǎo)電材料時能夠使用任何基板。有用的基板不限于任何特定材料或設(shè)計，只要其能夠用于滯止火焰。有利地，基板不需要是平的，因為滯止火焰能夠在一定范圍內(nèi)符合基板的表面輪廓。優(yōu)選地，基板或其表面具有足夠高的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，該溫度高到足以承受在基板上形成導(dǎo)電材料的過程中的明顯的變形。暴露于滯止火焰的基板或其表面所經(jīng)歷的溫度將取決于諸如燃料、氧化劑、前體、其各自的供給速率、基板貼著火焰的移動速率等的參數(shù)。在本公開的一方面，在基板上形成導(dǎo)電材料的過程中，基板的溫度維持在不高于約300°C，例如不高于約200°C，以及不高于約150°C，例如不高于約125°C。合適的基板包括由以下材料制成的基板:金屬，諸如基于鐵的金屬、鋁等；陶瓷；半導(dǎo)體，諸如基于鎵或硅的材料；塑料，諸如聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、聚砜、聚亞安酯、聚丙烯酸酯、基于聚烯烴的塑料、氟化聚合物、多聚糖、聚炔；等等。在本公開的一個方面，基板由透明塑料制成。例如，能夠使用透明基板，例如但不限于:聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、Teflon-PFA, SUPRADEL? HTS、各種其他聚砜、聚醚砜、各種類型的玻璃，諸如硼硅玻璃、鈉鈣玻璃、石英等以及其他各種類型的透明材料。在本公開的一個方面，基板包括透明材料，且具有超過約125°C的玻璃轉(zhuǎn)變溫度。
[0034]在本公開中能夠使用任何前體，只要該前體能夠在單獨或與其他前體和/或一種或多種摻雜劑一起穿過滯止火焰之后形成導(dǎo)電材料。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料為產(chǎn)生小于IG歐姆/平方的薄層電阻的導(dǎo)電材料。本公開的導(dǎo)電材料能夠具有小于IM歐姆/平方的薄層電阻，例如不大于約50k歐姆/平方，且更優(yōu)選地小于約100歐姆/平方，例如小于約10歐姆/平方。能夠用來通過滯止火焰形成導(dǎo)電材料的前體包括:有機金屬化合物，諸如金屬烷基，如烷基鋒、~甲基鋒、二乙基鋒、二甲基鋒、二乙基鋒、烷基招、二甲基招、二乙基招、烷基鋒、四甲基錫、四乙基錫、二丁基錫、二甲基錫、2_乙基己酸亞錫、異丙氧基鋼、醋酸鋼等，金屬齒化物，例如三氯化錫、四氯化錫、二甲基二氯化錫，金屬氧化物，金屬氫化物，金屬氮化物，金屬胺，以及無機化合物，稀土過渡金屬前體，如基于金、銅和銀的前體等。許多前體商業(yè)可得，而其他能夠通過常規(guī)化學(xué)制備來制備。
[0035]在本公開的一個方面，通過將一種或多種前體引入滯止火焰來在基板上沉積導(dǎo)電材料。前體的選擇和前體的質(zhì)量比將決定沉積在基板上的材料。在本公開的一個方面，所述前體或多個前體選擇成在基板上形成透明導(dǎo)電氧化物。合適的前體包括至少一種TCO形成前體，如基于鋁、錫、鋅和/或銦的前體。在本公開中能夠使用另外的TCO形成前體，只要前體能夠在單獨或與其他前體和/或摻雜劑一起通過之后形成透明導(dǎo)電氧化物。能夠形成到基板上的透明導(dǎo)電氧化物包括但不限于:氧化錫(SnO2)、銦錫氧化物(ITO);氧化鋅(ZnO)、摻雜鋁的鋅氧化物(AZO);銦鑰氧化物(In-Mo-O);銻錫氧化物(ATO);摻雜有各種其他元素諸如 F、In、Ga、B、S1、Ge、T1、Zr、Hf、Sc、Y 等的 ZnO0
[0036]在不需要形成導(dǎo)電材料的該工藝的其他方面能夠使用其他前體。能夠利用這些前體來在基板上形成另外的材料，諸如電子擴散或抗反射層，例如，在隨后的工藝中，或者能夠在基板上形成導(dǎo)電材料之前或期間利用這些前體。形成前體的不導(dǎo)電材料包括但不限于:四異丙氧基欽、硅烷等。
[0037]鑒于本公開的指導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇合適的參數(shù)來最優(yōu)化利用滯止火焰在基板上產(chǎn)生形成的導(dǎo)電材料的性能。例如，利用滯止火焰產(chǎn)生的導(dǎo)電材料的性能受多個因素影響，包括:前體的選擇、前體濃度(其能夠由前體供給速率控制)、火焰溫度(其能夠由預(yù)混合的燃料-氧化劑混合物的組分控制)以及前體停留時間(其能夠由預(yù)混合的燃料-氧化劑混合物的供給速率控制)。認(rèn)為，前體的供給速率能夠影響離開火焰的材料的大小。此外，可燃燒氣體的供給速率能夠影響滯止火焰相對于基板的位置，燃料與氧化劑的比率能夠影響火焰溫度，而基板移動的速度或速率能夠影響基板的溫度且某種程度上影響前體沉積到基板上之前的前體材料的性能。
[0038]通過滯止火焰沉積導(dǎo)電材料能夠被最優(yōu)化以形成晶粒以及在沉積的導(dǎo)電材料中的各種尺寸和形態(tài)，這則影響沉積的材料的化學(xué)、光學(xué)和電性能。例如，滯止火焰能夠產(chǎn)生由具有可再生的且窄的尺寸分布和高的結(jié)晶含量的金屬和/或金屬氧化物組成的微粒。這些性能有利于形成具有良好的催化和光催化性能的材料，而同時在長時間過去之后保留化學(xué)和熱穩(wěn)定。
[0039]在本公開的實施方式中，在露天的氣氛條件下形成滯止火焰。露天指不存在包圍該過程的封閉物。此外，火焰不經(jīng)受真空或壓力，而是在產(chǎn)生火焰的地點可利用的大氣壓力下產(chǎn)生。在本公開的另一實施方式中，在封閉環(huán)境下形成滯止火焰。該火焰可經(jīng)受真空或壓力以及氧化、還原或惰性氣體環(huán)境。例如，能夠在約I托至10，000托，例如在I托至1500托的壓力下形成滯止火焰。
[0040]在本公開的一方面，形成在基板上的導(dǎo)電材料具有小于約100歐姆/平方的薄層電阻，例如小于約15歐姆/平方的薄層電阻。通過選擇合適的參數(shù)，能夠在每小時約0.01微米至每小時約1000微米的速率下在基板上沉積導(dǎo)電膜。在基板上沉積導(dǎo)電材料能夠在
0.001微米至約1000微米或更多的厚度下進行。在本公開的一方面中，在基板上形成了具有在不小于約50%的可見光區(qū)域的平均透光性的TCO膜，例如在不小于70%或90%的可見光區(qū)域的平均透光性。常規(guī)上，能夠利用4點探針(例如，具有SRM232探針的Jandel HM21量表，從Bridge Technology可得)來測量薄層電阻,且可以利用常規(guī)的UV-vis吸收光譜分析儀來測量透光率。
[0041]本公開的另一方面包括用于形成一個或多個滯止火焰的裝置和燃燒器。該裝置包括用于產(chǎn)生滯止火焰的燃燒 器，燃燒器具有與噴嘴流體連通以允許可燃燒氣體通過噴嘴的流動和燃燒的至少一個端口。該端口還可允許將前體引入到噴嘴，或者燃燒器能夠具有允許另外地引入前體和其他組分 (諸如另外的可燃燒氣體、惰性氣體等)的另外的端口和噴嘴。例如，公開了形成矩形滯止火焰的多噴射縫式燃燒器。多噴射燃燒器包括與狹縫形狀的第一噴嘴流體連通以允許可燃燒氣體通過噴嘴的流動和燃燒的第一端口、與鄰近第一噴嘴的狹縫形狀的第二噴嘴流體連通以將一種或多種前體引入由通過第一噴嘴的可燃燒氣體的燃燒所產(chǎn)生的火焰的第二端口。該多噴射縫式燃燒器能夠進一步包括第三端口，該第三端口與鄰近狹縫形狀的第二噴嘴的第三噴嘴流體連通，以允許將另外的組分引入氣體或前體。用于在基板上沉積材料的裝置能夠包括多噴射縫式燃燒器以及用于穩(wěn)定由通過第一噴嘴的氣體的燃燒形成的滯止火焰的基板。
[0042]圖1示出利用了滯止火焰的燃燒器布置。如所示出的，火焰100不附著于燃燒器102。燃燒器上的噴嘴不限于任何特定的設(shè)計。例如，燃燒器上的噴嘴可以為管或狹縫或能夠允許可燃燒氣體流過噴嘴以形成滯止火焰的任何幾何結(jié)構(gòu)。噴嘴的形狀影響滯止火焰的形狀。例如，如果噴嘴為矩形或圓形，則滯止火焰能夠被形成為具有矩形或圓形幾何形狀的層。滯止火焰100為由于流輻散而存在的獨立式火焰，如輻散流動流104所示，其允許軸向流速達(dá)到在垂直于該流的特定平面上的預(yù)混合的燃料-氧化劑混合物的火焰速度，其中火焰能夠建立?；鹧嫦鄬τ诨?06的位置能夠由改變通過燃燒器的燃料-氧化劑混合物110的流速108來調(diào)節(jié)。在該示例中，前體與燃料-氧化劑混合物一起傳送到火焰。由惰性氣體114 (如氮氣或氬氣)形成的共環(huán)式鞘流112可被噴射以保護可燃燒的和燃燒的氣體不受周圍空氣影響并保持流場均勻。
[0043]圖1還示出當(dāng)穩(wěn)定的表面116為移動的基板106的一部分時，通過保持燃燒器不動，穩(wěn)定的表面116可由于其相對于基板上方的環(huán)境空氣的移動而被對流地冷卻。在火焰片中的約4m/s的速度和2000°C的氣體溫度下，基板的溫度通常能夠保持低至125°C。這有利地允許利用具有低玻璃轉(zhuǎn)變溫度的基板，導(dǎo)電材料能夠沉積到該基板上。這些低溫基板包括具有125°C以上的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的透明聚合物膜，例如聚碳酸酯和Teflon-PFA以及納米聚合物材料，例如玻璃。甚至可通過增加基板移動速度和/或通過將貼著基板的火焰的溫度或火焰距離來利用具有較低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的基板。
[0044]在本公開的一個實施方式中，圖2示出裝置200，該裝置200被設(shè)計成產(chǎn)生貼著移動的穩(wěn)定器表面204的圓形滯止火焰202。該穩(wěn)定器表面能夠為沉積導(dǎo)電材料的基板,或其能夠是保持基板的移動表面。在該實施方式中，穩(wěn)定器板204保持基板206。如圖2所示，燃料208、氧化劑210和惰性氣體212在流混合器214中混合，且被引入管狀燃燒器216。惰性氣體能夠為不干擾燃料的燃燒的任何氣體，例如氮氣或氬氣。預(yù)混合的可燃燒燃料被點燃以形成滯止的不附著的火焰202。前體218 (在該示例中，前體為液體)通過混合器214引入火焰，在混合器214中，前體蒸發(fā)并與燃料-氧化劑-惰性氣體混合。能夠利用液體泵220來控制引入到火焰的前體218的量。
[0045]在本公開的另一個實施方式中，圖3示出被設(shè)計成貼著表面，例如移動的穩(wěn)定器表面304產(chǎn)生矩形滯止火焰302的裝置300。穩(wěn)定器表面可以是沉積導(dǎo)電材料的基板，或者其可以是保持基板的傳送帶或旋轉(zhuǎn)鼓。在該示例中，基板306附著于片304，且基板306和片304都在穩(wěn)定地貼著基板306的火焰上移動。矩形火焰的益處包括能夠增加滯止火焰片的長度(如，大于I米)，同時保持火焰片的寬度恒定。這允許涂覆更大的基板而不改變火焰結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。如圖3所示，預(yù)混合的燃料-氧化劑-惰性混合物308被引入到多噴射縫式燃燒器312的中心狹縫310。前體314通過狹縫316A和316B被帶到燃燒器。另一燃料-氧化劑-惰性混合物流318能夠被引入到燃燒器312并通過狹縫320A和320B噴射。因而，前體可以由惰性氣體攜帶到火`焰，且保持與燃料和氧化劑分離，直到其從狹縫噴出。這允許更好地控制前體輸送，且當(dāng)一種或多種前體能夠與燃料或氧化劑反應(yīng)時是有利的。在該情形，前體流夾在兩種燃料-氧化劑流之間，以便確保所有前體都通過火焰。由惰性氣體組成的鞘流322被引入并且噴射通過狹縫324A和324B。前體和燃料-氧化劑-惰性流在其流出縫式燃燒器時被混合。預(yù)混合的可燃燒燃料被點燃以形成滯止的、未附著的火焰302。
[0046]在本公開的一個方面中，能夠利用具有多噴射縫式噴嘴的燃燒器來形成預(yù)混合的滯止火焰，如圖3所示的裝置300。多噴射縫式噴嘴的側(cè)視圖也在圖4中示出。
[0047]圖5是利用多個燃燒器的燃燒器布置的示意圖，該燃燒器能夠用于在基板上形成一種或多種導(dǎo)電材料和另外的材料。每個燃燒器能夠配置成燃燒一種或多種預(yù)混合的燃料和氧化劑以貼著移動的物體或基板形成多于一個滯止火焰來穩(wěn)定多于一個滯止火焰。在該示例中，燃燒器502為空氣動力學(xué)形狀的狹縫，但是可利用任何一種或多種燃燒器構(gòu)造。例如，滯止火焰能夠通過適當(dāng)形狀的燃燒器形成，例如空氣動力學(xué)噴嘴、管狀或縫式燃燒器。每個燃燒器用于形成滯止火焰(為了圖示簡單未示出)，而滯止火焰能夠通過保持基板的物體或基板自身來穩(wěn)定。在該示例中，基板穩(wěn)定多個滯止火焰并且是長片504的形式，但是能夠使用其他物體和基板形式，取決于燃燒器的定位，例如盤能夠與設(shè)置成圓形的多個燃燒器一起使用?；蹇捎砂ㄍ该鞑牧?，如透明玻璃或塑料材料的任何材料制成。如圖5所不，基板504通過旋轉(zhuǎn)鼓506在燃燒器上移動。根據(jù)基板在燃燒器上的速度和其他因素，鼓能夠是冷的，這能夠通過空氣或其他方式進行。插圖508示出直接在三個燃燒器上的三個鼓，其中有基板。盡管具有直接在燃燒器上的或多或少的鼓可能是有利的，例如用于輔助冷卻基板，但是鼓不需要這樣被定位。在燃燒器上可以有一些鼓或沒有鼓。
[0048]圖5的布置提供了許多優(yōu)點。通過利用多個燃燒器，基板溫度能夠通過貼著多火焰、以較快速度移動基板使得不需要通過單個燃燒器來維持在基板上沉積導(dǎo)電材料的相同速率來維持低溫。利用多個燃燒器也允許在基板上較快速地沉積導(dǎo)電材料。此外，利用多個燃燒器，每個燃燒器和滯止火焰能夠單獨配置成在移動的基板上沉積導(dǎo)電材料或不導(dǎo)電材料。每個燃燒器能夠單獨地配置成在移動的基板上產(chǎn)生任何滯止火焰以及產(chǎn)生相同的或不同的材料(導(dǎo)電或不導(dǎo)電)。
[0049]在公開的實施方式中，能夠通過滯止火焰在透明基板上形成透明導(dǎo)電氧化物(TCO)(諸如AZO或ITO)。TCO能夠作為由貼著火焰間歇地但連續(xù)地移動基板而沉積的薄膜形成。優(yōu)選地，基板由能夠承受在不超過約200°C，例如不超過約125°C的溫度下的顯著變形的材料制成?；鹧婺軌蛲ㄟ^可燃燒氣體(如乙烯、氧和氬的混合物)流過空氣動力學(xué)噴嘴或縫式燃燒器來建立以及通過在可移動的穩(wěn)定器表面下面的火焰擴張而穩(wěn)定成薄片。通過將合適的TCO形成前體引入火焰以形成TCO膜來實現(xiàn)薄沉積物。合適的前體的示例包括用于產(chǎn)生AZO膜的鋅和鋁前體和用于產(chǎn)生ITO膜的合適的銦和錫前體。膜沉積物被認(rèn)為由金屬和金屬氧化物蒸汽的流沖擊和擴散以及從火焰片到移動表面的金屬氧化物簇或納米微粒的熱遷移來驅(qū)動。
[0050]實施例
[0051]以下的實施例旨在進一步示出本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式且本質(zhì)上不是要限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到或僅利 用常規(guī)試驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)在此說明的具體物質(zhì)和過程的許多等價形式。
[0052]燃燒器組件(如圖2示意性示出的)利用具有Icm出口直徑的空氣動力學(xué)形狀的噴嘴，以產(chǎn)生貼著12英寸直徑的距噴嘴端口 3.4cm間隔的鈦盤的滯止火焰。所有測試在大氣壓力下進行。
[0053]預(yù)燃燒的混合物(例如，約5.1%的乙烯(C2H4)、約15.7%的氧(O2)和平衡氬(Ar)的預(yù)燃燒的混合物)的層流噴射在229cm/s的冷氣體速度(STP)下流出。火焰在盤下面穩(wěn)定約0.3cm。氣體噴射和火焰由通過中心管流出的氬的屏蔽隔離。未燃燒的氣體用質(zhì)量流量控制器(Omega FMA1700-1800)單獨計量，且在流入燃燒器噴嘴之前混合。
[0054]己烷中15%(wt)的二乙基鋅(Alfa-Aesar Item#89038)和己烷中 25%(wt)的三乙基鋁(Alfa-Aesar Item#89054)以95%(體積)與5%(體積)的比例混合。通過注射泵以3ml/小時將液體混合物通過皮下注射針注入未燃燒的混合物(Genie Plus, Kent Scientific)。為了防止前體在線路中冷凝，將整個氣體線路和燃燒器加熱到70°C。在此條件下，二乙基鋅和三乙基鋁的局部壓力基本上小于其飽和壓力。
[0055]基板(鈦盤)安裝在精確步進電動機(Aerotech BM250JUF)上，其能夠以I弧秒的精確性到達(dá)期望位置。電動機速度在100至600RPM之間，并由BAI Intellidrive控制器來控制。電動機軸和氣體噴射之間的中心-中心距離是12.lcm。在鈦盤上加工一系列平坦的狹縫，從而允許安裝多個顆粒膜沉積基板。當(dāng)冷卻的盤旋轉(zhuǎn)時，基板重復(fù)地插入到火焰上且每次通過時，氧化鋅和氧化鋁蒸汽、簇和納米微粒沉積到基板上。
[0056]利用圓噴射的典型的用于在預(yù)清潔的玻璃基板上形成AZO膜的操作條件，在工作臺下面提供Icm噴射端口直徑的預(yù)混合的滯止火焰(如圖2示意性示出的)。移動的穩(wěn)定器表面是1/4英寸厚的旋轉(zhuǎn)的鈦盤。玻璃或其他基板可以安裝在盤下。未燃燒的預(yù)混合的氣體包含5.1%C2H4-15.7%02-Ar，且體積流率是10.79L/min。前體為己烷中的15%(wt)的二乙基鋅和己烷中的25%(wt)的三乙基鋁，以95%(vol)與5%(vol)的比例混合?；鍦囟燃s為120。。。
[0057]
前體注射速盤速度沉積時間每總沉積時表面電阻(k 其他條件 率(ml/小時)(RPM) 描/ (ms) 間(分鐘)歐姆/平方)
【權(quán)利要求】
1.一種形成矩形滯止火焰的多噴射縫式燃燒器，包括: 第一端口，所述第一端口與狹縫形狀的第一噴嘴流體連通，用于允許可燃燒氣體通過所述噴嘴的流動和燃燒； 第二端口，所述第二端口與鄰近所述第一噴嘴的狹縫形狀的第二噴嘴流體連通，用于將一種或多種前體引入到由通過所述第一噴嘴的可燃燒氣體產(chǎn)生的火焰。
2.如權(quán)利要求1所述的多噴射縫式燃燒器，還包括: 第三端口，所述第三端口與鄰近狹縫形狀的所述第二噴嘴的第三噴嘴流體連通，用于允許將另外的組分引入氣體或前體。
3.一種用于在基板上沉積材料的裝置，所述裝置包括: 權(quán)利要求2所述的多噴射縫式燃燒器；以及 基板，所述基板用于穩(wěn)定由通過所述第一噴嘴的氣體的燃燒形成的滯止火焰。
【文檔編號】C23C16/54GK103484835SQ201310320018
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2008年3月14日
【發(fā)明者】王海, 丹尼斯·J·法理斯 申請人:赫斯提亞Tec有限公司