面向柔性電子製造的空間隔離原子層沉積系統基礎研究

《面向柔性電子製造的空間隔離原子層沉積系統基礎研究》是依託華中科技大學，由陳蓉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：面向柔性電子製造的空間隔離原子層沉積系統基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳蓉
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

原子層沉積（ALD）薄膜製造方法因其優良的均勻一致性和厚度可控性，在柔性電子器件的封裝層、功能層等具有突出表現和潛在套用。近年迅速發展的空間隔離原子層沉積（SALD）方法可以進一步滿足柔性電子大面積、批量化、低成本的製造需求，但其工藝參數與裝備較為複雜，涉及到流量、壓力、濃度等流體狀態參數，襯底移動速度，設備結構參數，以及襯底溫度分布的綜合影響。本項目旨在通過研究這些參數之間的規律，實現均勻一致、快速高效的沉積。主要包括通過仿真分析和實驗驗證，在自主設計搭建的SALD系統上進行耦合化學反應的動態流體動力學仿真來分析隔離效果；建立跨尺度數值分析模型來指導產率和前驅體利用率的最佳化；通過閉環預測控制算法及最佳化硬體加熱方式，實現具有較強抗外界干擾性的快速穩定控制系統，以獲得襯底表面溫度的均勻分布。為高效空間隔離原子層沉積系統的擴展設計提供理論和實驗指導，推進我國柔性電子領域關鍵工藝與裝備的發展。

結題摘要

本課題研究按項目計畫書執行，圍繞著動態基底薄膜快速均勻生長與飽和吸附間的難題，逐步建立了微間隙帶內耦合物質傳輸、化學反應、基底運動的流體動力學模型，提出了高速動態複雜流場狀態下前驅體有效隔離的判定準則, 發明了空間隔離原子層沉積反應單元模組化設計方法, 攻克了薄膜快速均勻製備難題，並成功研製平動式（包括原型機與模組化裝備）、卷對卷式系列空間隔離ALD裝備。通過對模組化反應單元的拓展與集成，自主研製的常壓空間隔離原子層沉積裝備實現了納米疊層薄膜的快速製備以及精確調控，在薄膜沉積不均性保持在±3%以內的前提條件下，沉積速率達到100 nm/min，相較傳統時間隔離0.2 nm/min的沉積速率提升2~3個數量級，是所見報導的國際最好水平。通過集成模型預測閉環溫度控制、自整定多項式運動曲線、背壓精密控制等一系列核心關鍵技術，裝備溫度切換速度可達40 ℃/min，較PID算法效率提升67%，同時展現出優良的抗干擾魯棒性和動態穩定性；基底殘餘振動小於25μm，較T型運動曲線下降80%以上；自主研發的密封組件可實現反應區域壓力精確控制。相關理論成果受到了國內外學術人員的高度評價。法國國家科學研究中心化學研究所負責人Constantin Vahlas研究員認為申請人所採取“數值模擬方法是ALD腔體設計的有力工具”。項目執行期間，在國際知名期刊Chem. Mater., Small等上累計發表論文48篇，代表性論文成果入選Nanoscale期刊封面。申請發明專利47項（含國際專利4項，授權21項），相關成果榮獲2018年第46屆日內瓦國際發明展評審團特別嘉許金獎、2016年華中科技大學年度智慧財產權獎。基於上述學術影響，項目負責人在重要國際會議上做大會/主旨/邀請學術報告20餘次。在完成項目預定計畫的同時，本項目還針對柔性電子封裝層和功能層的需求，將裝備推廣套用於太陽能電池、柔性顯示等領域。與武漢華星光電半導體顯示技術有限公司就柔性OLED器件的高效封裝開展產學研合作研究，製備的複合納米疊層膜將OLED器件的封裝可靠性提升至1000小時，對比商用SiNx封裝可靠性提升10倍；在保持高透光性的同時，封裝層彎折30000次無裂紋，具有良好的柔韌性，有力地支撐了第六代AMOLED柔性顯示面板的研製與套用。