粉末保形包覆：PALD 技術(shù)的基本實(shí)現(xiàn)方法

技術(shù)的變革需要?jiǎng)?chuàng)新精神，更依賴創(chuàng)新者之間的合作。Alan Weimer 與 Steve Geogre 兩位教授自本世紀(jì)初起的合作，造就了全新的粉末工程加工技術(shù)：PALD（粉末原子層沉積）。而由此衍生的兩家 ALD 技術(shù)公司 ALD Nanosolutions 以及 Forge Nano （二者在 2020 年完成合并）已經(jīng)成為全球最大的粉末 ALD 技術(shù)推行者，實(shí)現(xiàn)從克級(jí)到千噸級(jí)的粉末表面保形涂層加工。

關(guān)于 ALD 以及 PALD 技術(shù)

與傳統(tǒng)的表面改性不同，PALD 是真正可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)/分子層級(jí)控制精度的粉末涂層技術(shù)，并保持良好的共形性。原子層沉積技術(shù)是一種基于自限制性的化學(xué)半反應(yīng)將被沉積物質(zhì)以單原子膜的形式一層一層的鍍?cè)谖矬w表面的薄膜技術(shù)。與常規(guī)的化學(xué)氣相沉積不同，原子層沉積將完整的化學(xué)反應(yīng)分解成多個(gè)半反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)單原子層級(jí)別的薄膜控制精度。由于基底表面存在類似羥基這樣的活性位點(diǎn)，因此前驅(qū)體可以形成單層的飽和化學(xué)吸附，從而實(shí)現(xiàn)自限制性反應(yīng)。而在經(jīng)過(guò)單個(gè)周期反應(yīng)后，新的位點(diǎn)暴露出來(lái)，可以進(jìn)行下一個(gè)周期的反應(yīng)。而 ALD 反應(yīng)的特點(diǎn)決定了：

1. 反應(yīng)具有自限制性，因此每個(gè)周期理論上最多只有一層目標(biāo)涂層形成
2. ALD 反應(yīng)具有較好的繞鍍性，可以實(shí)現(xiàn)其他方法無(wú)法達(dá)到的保形，均勻的涂層
3. 厚度可控，通過(guò)控制反應(yīng)的周期，從而實(shí)現(xiàn)原子層級(jí)的厚度控制

ALD 的原理：氧化鋁涂層的生長(zhǎng)

PALD 誕生自工業(yè)經(jīng)驗(yàn)與學(xué)術(shù)精神的碰撞

20 世紀(jì)末，在美國(guó)的科羅拉多大學(xué)博爾德分校，剛剛從工業(yè)界轉(zhuǎn)回學(xué)術(shù)界的 Alan Weimer 開(kāi)始重拾科學(xué)研究的樂(lè)趣。這位特立獨(dú)行的研究者在偶然聽(tīng)到 Steve Geogre 教授關(guān)于原子層沉積技術(shù)的報(bào)告后，立馬投入到這一研究中。二人的合作產(chǎn)生了良好的化學(xué)反應(yīng)，在短短幾年內(nèi)，他們就申請(qǐng)了大量的相關(guān)專利，其中就包括對(duì)大規(guī)模的粉末顆粒表面進(jìn)行 ALD 包覆。當(dāng)時(shí)，ALD 技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)得到越來(lái)越多的重視，但沒(méi)有人相信可以實(shí)現(xiàn)大量粉末材料的 ALD 涂層沉積。很多質(zhì)疑者的疑問(wèn)在當(dāng)時(shí)看起來(lái)無(wú)懈可擊：

1. 粉末材料巨大的比表面積，以及容易團(tuán)聚的特點(diǎn)，ALD 方法如何實(shí)現(xiàn)充分的氣固接觸？
2. 與半導(dǎo)體行業(yè)不同，粉末材料用量巨大，如何實(shí)現(xiàn)批量的粉末 ALD 包覆處理？
3. ALD 反應(yīng)的前驅(qū)體成本高昂，如何讓企業(yè)接受這樣的高成本方案？

Alan Weimer 這位特立獨(dú)行的研究者，顯然沒(méi)有把這些質(zhì)疑放在心上，在陶氏化學(xué)多年的工作經(jīng)驗(yàn)讓他具備驗(yàn)證工程化技術(shù)的能力。在本世紀(jì)初，工業(yè)界更偏向于提升粉末本身的性能，很少關(guān)注到表面改性。而學(xué)術(shù)界對(duì)于納米技術(shù)的研究剛剛興起，液相法靈活的特點(diǎn)更受歡迎，ALD 高昂的入門(mén)成本讓大多數(shù)研究者對(duì)其束之高閣。但經(jīng)過(guò)二位教授多年的努力，PALD 技術(shù)已被科學(xué)界接受，并引起工業(yè)界的興趣。

Alan Weimer：我的興趣一直是嘗試并成為該領(lǐng)域的第一人

PALD 被用來(lái)做什么

早期，PALD 應(yīng)用是保護(hù) LED 熒光發(fā)光材料免遭水汽侵蝕從而失活，使用 ALD 涂層材料所可有效節(jié)約加工能源，只需要其他方法的 75% 到 80%，有顯著的成本效益。另一個(gè)應(yīng)用主要是針對(duì)鋰離子電池的包覆改性，從而提升電池的循環(huán)使用壽命以及安全性。

PALD 的實(shí)現(xiàn)方式

Q：為什么半導(dǎo)體晶圓 ALD 不適合處理粉末樣品

最早的粉末 ALD 研究都是小批量的，部分研究者會(huì)采用半導(dǎo)體晶圓 ALD 設(shè)備處理少量的粉末。但受限于粉末的分散技術(shù)，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。在粉末表面進(jìn)行的 ALD 反應(yīng)比平面樣品更為復(fù)雜，由于粉末樣品巨大的表面積，使相同體積下的粉末材料需要更多的前驅(qū)體進(jìn)行反應(yīng)。如果把電子元件看作一張課桌，那么同樣體積的粉末的表面積幾乎可以等同于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)。

粉末 ALD 需要覆蓋的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平面器件

同時(shí)粉末易于團(tuán)聚的特點(diǎn)也導(dǎo)致平面 ALD 方式前驅(qū)體擴(kuò)散效率低下。因此對(duì)粉末進(jìn)行 ALD 需要實(shí)現(xiàn)：

1. 反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)粉末攪拌功能
2. 前驅(qū)體輸送需要更高效的擴(kuò)散以及單次大體積的加藥

平面 ALD 處理樣品會(huì)導(dǎo)致的問(wèn)題

1. 流化床系統(tǒng)

Steve Geogre 教授從 2004 年起采用流化床以及旋轉(zhuǎn)床等方法結(jié)合的方式進(jìn)行粉末的包覆處理。而 Alan Weimer 教授緊隨其后，采用更大批次處理的流化床系統(tǒng)進(jìn)行粉末包覆的研究，并搭建了多種粉末 ALD 系統(tǒng)，Wank 等人是第一個(gè)在流化床包覆反應(yīng)器中使用 ALD 包覆一次顆粒的人，在隨后 King 等人也提出發(fā)展出使用質(zhì)譜儀 (M/S) 跟蹤 ALD 化學(xué)表面反應(yīng)的進(jìn)行的方案。

流化床 PALD 包覆系統(tǒng)

在流體作用下呈現(xiàn)流（態(tài)）化的固體粒子層稱為流化床。流化床方案是較為理想的一種分散方式，流化是將顆粒懸浮在移動(dòng)的流體中，使其表現(xiàn)為類液體狀態(tài)的一種方法。隨流體速度的不同，床層可具有不同的流化特性。如流速 U 過(guò)低，則床層固定不動(dòng)，流體僅從顆粒間空隙流過(guò)，壓降 Δp 隨流速 U 而增加。如流速增大到使壓降和單位橫截面上的床層重量相等，固體顆粒便開(kāi)始浮動(dòng)，床層呈現(xiàn)流動(dòng)性，這種狀態(tài)稱為最小流化或起始流化。這時(shí)按空床橫截面計(jì)算的流速稱為起始流化速度或最小流化速度 Umf。流速再增大，床層將隨流速的增大而繼續(xù)膨脹，出現(xiàn)壓降穩(wěn)定、流動(dòng)性能良好的穩(wěn)定操作區(qū)，稱為正常流化。如流速繼續(xù)增大，則床層湍動(dòng)加劇，床面漸難辨認(rèn)。當(dāng)流速達(dá)到它對(duì)單個(gè)固體顆粒的曳力同顆粒的浮重相等時(shí)，顆粒便開(kāi)始被氣流帶出。這時(shí)的空床流速稱為終端速度或帶出速度 ut，Umf 和 ut值決定于顆粒和流體的性質(zhì)，它們是一般鼓泡流化床操作的上、下限。

氣固流化由于其較高的物理混合率和床層翻轉(zhuǎn)頻率從而具有較高的接觸效率�？焖俚幕旌线�有助于創(chuàng)造一個(gè)對(duì)流渦旋，以保持等溫的條件，防止局部過(guò)熱。流化床反應(yīng)器 (FBR) 除傳熱系數(shù)高外，傳質(zhì)速率也高。ALD 前驅(qū)體的表面吸附是一個(gè)快速的過(guò)程，其速率限制步驟是由前驅(qū)體分子找到并與表面成核位置反應(yīng)的概率決定的。由于氣體擴(kuò)散路徑的增加，對(duì)于軟團(tuán)聚或黏合程度較高的粉末，這一過(guò)程將比平面 ALD 需要更長(zhǎng)的時(shí)間。高顆粒循環(huán)頻率的流化床系統(tǒng)可以促進(jìn)顆粒碰撞，避免未反應(yīng)的前驅(qū)分子逃逸。

流化床 ALD 包覆各種類型的粉末

而為了實(shí)現(xiàn)更大的粉末處理量，單批次的流化床工藝一次性最多只能達(dá)到公斤級(jí)處理量。ALD 反應(yīng)需要大量的時(shí)間，而反應(yīng)腔可容納的粉末量有限。

由 ALD Nanosolutions 設(shè)計(jì)的 5kg 級(jí)流化床 ALD 反應(yīng)系統(tǒng)，位于美國(guó) NERL 實(shí)驗(yàn)室

為了有效提升流化床的吞吐量，采用空間 ALD 的方法可有效提升處理效率。常規(guī)的 ALD 工藝基本是粉末固定，前驅(qū)體不斷通入流出。而空間 ALD 則讓粉末不斷運(yùn)動(dòng)，在多級(jí)腔室中進(jìn)行不同的半反應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)級(jí) ALD 的工藝，通過(guò)將多個(gè)流化床反應(yīng)器連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定周期的 ALD 反應(yīng)，每個(gè)腔室進(jìn)行不同的半反應(yīng)，而粉末可從第一個(gè)腔室不斷轉(zhuǎn)移到新的腔室完成反應(yīng)。當(dāng)腔室體積足夠大，即可實(shí)現(xiàn)百公斤級(jí)甚至噸級(jí)的連續(xù)批次粉末處理。

多級(jí)流化床 ALD 系統(tǒng)

2. 旋轉(zhuǎn)床系統(tǒng)

當(dāng) ALD 表面反應(yīng)具有較低的反應(yīng)粘著系數(shù)時(shí)，反應(yīng)物在流化床反應(yīng)器中的停留時(shí)間可能太短而無(wú)法達(dá)到較高的前驅(qū)體利用效率。為了解決這些挑戰(zhàn)，Alan Weimmer 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型旋轉(zhuǎn)反應(yīng)器，以實(shí)現(xiàn)在靜態(tài) ALD 前驅(qū)體擴(kuò)散期間穩(wěn)定的顆粒攪拌。在這種新型反應(yīng)器中，真空室中放置了一個(gè)帶有多孔金屬壁的圓筒。通過(guò)磁耦合旋轉(zhuǎn)饋通裝置旋轉(zhuǎn)多孔圓筒圓筒，從而獲得小于標(biāo)準(zhǔn)重力的離心力，粒子被連續(xù)的粒子“雪崩”效應(yīng)所攪動(dòng)。此外，惰性 N2 氣體脈沖有助于將顆粒從多孔壁上移出，并提供了一種有效的方法來(lái)清除顆粒床上的反應(yīng)物和產(chǎn)物。

顆粒在離心力，氣流作用以及重力的作用下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流化

對(duì)于需要更長(zhǎng)前驅(qū)體駐留時(shí)間的反應(yīng)或前驅(qū)體擴(kuò)散效率較高的反應(yīng)，旋轉(zhuǎn)式的反應(yīng)腔提供了一種更為簡(jiǎn)便的粉末 ALD 方式以及更高效的前驅(qū)體利用。而在工業(yè)級(jí)粉末 ALD 包覆時(shí)，粉末旋轉(zhuǎn)床可以節(jié)約更多的空間，進(jìn)行單批次更大吞吐量的粉末處理。

利用旋轉(zhuǎn)床實(shí)現(xiàn)的顆粒包覆

3. 振動(dòng)床

除了流化床以及旋轉(zhuǎn)床，振動(dòng)也是實(shí)現(xiàn)粉末分散的一種良好方式。在實(shí)驗(yàn)級(jí)反應(yīng)器中，常把振動(dòng)與其它兩種方式進(jìn)行結(jié)合。而振動(dòng)床最大的優(yōu)勢(shì)在于其連續(xù)化生產(chǎn)以及高通量粉末處理的能力。結(jié)合空間 ALD 技術(shù)，連續(xù)振動(dòng)空間顆粒 ALD 反應(yīng)器利用線性振動(dòng)將顆粒輸送到前驅(qū)體氣體的交替區(qū)域。在高通量粉末處理工藝中，實(shí)現(xiàn)多個(gè)循環(huán) ALD 需要將多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)，這將導(dǎo)致一較大的系統(tǒng)占地面積和成本。相比之下，連續(xù)振動(dòng)的空間顆粒 ALD，顆粒通過(guò)定向振動(dòng)通過(guò)前驅(qū)體氣體的交替區(qū)域流動(dòng)，可以在保持低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)粉末的高通量處理。振動(dòng)導(dǎo)致密集顆粒區(qū)域的攪動(dòng)，有助于打破堵塞，防止顆粒團(tuán)聚。床層攪拌也促進(jìn)了氣-顆粒和顆粒-顆粒的有效混合。在連續(xù)振動(dòng)的空間粒子 ALD 反應(yīng)器中，線性振動(dòng)以中頻、低振幅振蕩的方式輸送粒子通過(guò)交替氣區(qū)。這種振動(dòng)床比流化床更容易實(shí)現(xiàn)較多反應(yīng)周期的 ALD 工藝，且可隨時(shí)調(diào)整反應(yīng)空間的長(zhǎng)度，甚至可以達(dá)到每年千噸級(jí)的粉末處理量。

Alan Weimmer 組設(shè)計(jì)的連續(xù)式振動(dòng)床

鍛造未來(lái)，從一個(gè)原子層開(kāi)始

從十多年前飽受質(zhì)疑到如今被學(xué)術(shù)界接受，PALD 技術(shù)已處在工業(yè)應(yīng)用的前夜，對(duì)這一切 Alan Weimmer 教授并不吃驚，“即使在學(xué)術(shù)界獲取資金很困難，我的興趣一直是嘗試并成為該領(lǐng)域的第一人。打破質(zhì)疑很重要，只要我認(rèn)為其具備科學(xué)可行性，我就會(huì)堅(jiān)定不移進(jìn)行下去“。正是在這樣的信念下，Alan 與 Steve 教授二人開(kāi)創(chuàng)了一種全新的沉積技術(shù)子類，而由他們的學(xué)生創(chuàng)辦的公司 Forge Nano，正在把這一技術(shù)推廣至工業(yè)界。“在大規(guī)模的 PALD 技術(shù)加持下，納米級(jí)包覆的成本已經(jīng)可以被控制在企業(yè)可以接受的水平，我們也很希望在不久的將來(lái)這一技術(shù)能被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。” Forge Nano 首席執(zhí)行官 Paul 如是說(shuō)。

研究人員正在調(diào)試 Rotary ALD 系統(tǒng)

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