專利名稱：用于電弧等離子體沉積設(shè)備的噴嘴式噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在各種襯底例如玻璃、石英、金屬或金屬化的材料以及塑料上形成保護(hù)膜的電弧等離子沉積技術(shù)；更具體地說，涉及一種組合的噴咀式噴射器，用于導(dǎo)引等離子體流和將反應(yīng)性試劑注入到等離子體中，以便高速沉積透明覆蓋層，該覆蓋層耐磨損，吸收紫外線或反射紅外線。
各種薄膜的技術(shù)重要性使各種各樣的沉積鍍覆方法得到發(fā)展。
化學(xué)蒸氣沉積(CVD)法通過包含所薄膜組成成分的氣態(tài)反應(yīng)劑的熱活化和表面反應(yīng)在襯底表面上形成固體薄膜。通過對(duì)襯底加熱提供熱解各種反應(yīng)劑所需的能量。為了實(shí)現(xiàn)合理的反應(yīng)速率，襯底要加熱得相當(dāng)高的溫度，其范圍約500°F到2000°F。這種溫度妨礙這種方法應(yīng)用于熱敏感襯底材料。
利用在沉積鍍覆室中在氣體中的放電形成等離子體，由等離子體增強(qiáng)的化學(xué)蒸氣沉積(PECVD)向反應(yīng)劑提供能量。通常將襯底浸入到等離子體中。沉積速率一般是慢的。
由于聚碳酸酯具有高的沖擊強(qiáng)度、低密度、光透明性以及良好可加工性，所以是一種選擇用于上釉以及光學(xué)涂覆的常用工程材料。然而，聚碳酸酯材料是軟的，缺少像玻璃那樣的耐磨性能，以及對(duì)超過約300°F的溫度是敏感的。前期研究已經(jīng)表明，利用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)蒸氣沉積(PECVD)法形成的氧化硅覆蓋層可以提高聚碳酸酯的耐磨性能，使其適合上釉等應(yīng)用場合。然而，先前的利用硅烷和氮氧化物作為先質(zhì)的PECVD技術(shù)速度慢，通常沉積速率僅約為每分0.05微米。后來在PECVDK中采用有機(jī)硅作先質(zhì)用于利用等離子體形成耐磨聚合物覆蓋層，不過沉積速率并沒有明顯提高。
本發(fā)明的方法對(duì)利用本發(fā)明的沉積法所制成的物品或制品提供了改進(jìn)的附著力、熱膨脹相容性、輻射防護(hù)性，或耐磨性。利用這里公開的裝置和方法，通過在高溫和低溫的片狀、膜狀和成形襯底材料上進(jìn)行等離子沉積鍍膜可以形成這樣的保護(hù)覆蓋層。
設(shè)計(jì)和制造了一種噴咀式噴射器，以利用界面穩(wěn)定的電弧起燃器作為等離子體發(fā)生器來進(jìn)行等離子體沉積薄膜覆蓋層。噴咀式噴射器的設(shè)計(jì)要控制反應(yīng)劑的噴射、電離和反應(yīng)，并且這些功能本身又決定了覆蓋層的沉積速率、覆蓋層面積、覆蓋層組合物以及覆蓋層質(zhì)量。利用本發(fā)明的噴咀式噴射器，以氧和硅氧烷作為反應(yīng)劑，已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明在聚碳酸酯和玻璃襯底上可按每分約30微米的沉積速率形成透明的覆蓋層。該硅氧烷形成的覆蓋層大大提高了聚碳酸酯襯底的耐磨性能。通過用合適的金屬有機(jī)化合物替代硅氧烷，還可以在塑料襯底上沉積其它氧化物覆蓋層，例如氧化鋅或氧化鈦。這些覆蓋層常用作防護(hù)紅外線或紫外線的覆蓋層。本發(fā)明的噴咀式噴射器在單一的裝置將噴咀的定向控制功能和一個(gè)或多個(gè)噴射器的反應(yīng)劑引入功能相組合。
在利用本發(fā)明的噴咀式噴射器的電弧等離子體沉積過程中，可用作單體的有機(jī)硅化合物包括硅烷和其它硅化合物，該化合物中至少一個(gè)硅原子鍵合到至少一個(gè)碳或一個(gè)氫原子上，這些化合物例如為硅氧烷類，硅氮烷類和有機(jī)硅氧烷類。
這里所公開的噴咀式噴射器適合于與各種等離子體發(fā)生裝置例如界面穩(wěn)定的電弧等離子體起燃器結(jié)合使用，該裝置具有至少一個(gè)位于在陰極和陽極之間的水冷電絕緣的板。在4948485和4957062號(hào)美國專利中介紹多板式界面穩(wěn)定的電弧發(fā)生裝置。
利用多板的串級(jí)電弧已用作等離子體源，用于制備類金剛石的碳覆蓋層以及分別由碳?xì)浠衔镆约坝袡C(jī)硅形成的等離子聚合覆蓋層。據(jù)報(bào)道沉積速率為每分鐘幾微米。然而，覆蓋層面積是小的，直徑為幾厘米，材料的利用程度低，小于約20％。取決于各種條件，還可能在中心沉積區(qū)的外側(cè)形成粉末或粉末狀的覆蓋層。為使該形成覆蓋層的技術(shù)實(shí)用和經(jīng)濟(jì)，關(guān)鍵是擴(kuò)大覆蓋層區(qū)域、增加沉積速率和使粉末形成降至最低。本發(fā)明的噴咀式噴射器實(shí)現(xiàn)了這些改進(jìn)要求。
設(shè)計(jì)一種噴咀式噴射器，以便改進(jìn)用于低溫等離子體沉積鍍膜和實(shí)施聚合方法的界面穩(wěn)定的電弧等離子體發(fā)生器的覆蓋層性能。將噴淋環(huán)或狹縫環(huán)噴射器置入噴咀，用于輸送氣體或蒸氣反應(yīng)劑。噴射器的位置影響氣體電離的程度，進(jìn)而影響反應(yīng)程度，因此影響覆蓋層的化學(xué)計(jì)量以及結(jié)構(gòu)、最終影響其性能。噴咀式噴射器的形狀和尺寸也影響反應(yīng)的程度、覆蓋層面積以及襯底上的熱載荷。利用這種噴咀式噴射器，曾在中心以每分鐘約30微米的速率在30厘米×30厘米的面積內(nèi)沉積形成光學(xué)上透明的覆蓋層。沒有這種噴咀式噴射器的粉末狀覆蓋層形成。
噴咀式噴射器的組成結(jié)構(gòu)包含有圓柱形和圓錐形的等離子體通道以及2級(jí)圓錐形通道和其間的一個(gè)圓柱形區(qū)。噴咀式噴射器中的圓錐形通道的發(fā)散角度范圍約從0到60°。在噴頭基部處的等離子體通道的開口直徑約由4到7毫米。直徑較小的通道可用于涂復(fù)較小的物品。噴咀式噴射器的長度為1.5到25厘米，借此來控制該可以發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域的容積。噴咀式噴射器可以為單一整體結(jié)構(gòu)，或者可以由幾個(gè)部分組裝而成，例如帶有用于將反應(yīng)劑引入等離子體中的噴射器的不銹鋼主體、用于將噴咀式噴射器安裝到等離子體發(fā)生器上的銅適配器、以及安裝到主體的下游端部上的延伸部分，以便存在于噴咀式噴射器內(nèi)部的反應(yīng)區(qū)形成合適的容積。噴射器可內(nèi)置入用于噴射氧的銅適配器內(nèi)，而且該銅適配器是鍍金的以抗氧化。噴咀式噴射器的模塊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得能適應(yīng)噴頭尺寸和氣體噴射位置，不再需要分開的導(dǎo)向控制和反應(yīng)劑噴射裝置。


圖1是電弧等離子體沉積涂覆系統(tǒng)的斷面示意圖，該系統(tǒng)包含真空室、等離子體發(fā)生器以及本發(fā)明的噴咀式噴射器。
圖2是等離子體發(fā)生器和根據(jù)本發(fā)明的噴咀式噴射器的斷面圖。
下面參閱圖1，示意表示的電弧等離子體沉積涂覆系統(tǒng)包含真空室反應(yīng)器1，該反應(yīng)器具有等離子體發(fā)生器2、等離子體處理室4、等離子體入口6和噴咀式噴射器8。經(jīng)過供氣管線3向等離子體發(fā)生器提供等離子體氣體，例如氬。噴咀式噴射器8裝有供氧管線12和一對(duì)提供反應(yīng)劑用管線14和16，管線14和16可以各自獨(dú)立運(yùn)行或組合運(yùn)行。未示出的直空泵系統(tǒng)經(jīng)過出口23維持等離子體處理室4內(nèi)的低壓。需涂覆的襯底20支承在等離子體處理室內(nèi)的有溫度控制的支承體22上。在等離子體噴射路徑中的襯底和噴咀之間安置有適于利用手柄25手動(dòng)定位或自動(dòng)定位的可伸縮的擋板24。
參閱圖2，利用由陰極2經(jīng)過電絕緣板6流向水冷陽極4的電子流產(chǎn)生等離子體，該電絕緣板6具有發(fā)散形狀的中心氣體等離子體通道。該裝置裝有多個(gè)均勻間隔開的陰極，但在圖上僅示出一個(gè)陰極2。各陰極是水冷式的。各陰極安裝在裝于水冷銅板6上的陰極安裝座8上。該板6電絕緣的。經(jīng)過未示的水管線向冷卻水通道9供水。利用水管線12提供陽極4的冷卻水，并流過在陽極體內(nèi)的水道5。處理室內(nèi)的真空部分地是利用O形密封環(huán)15和15a維持的。
通過供氣管線14向等離子體發(fā)生器提供等離子體氣體例如氬。通過該與環(huán)形導(dǎo)道18和狹縫式噴射器20相連通的管線16向噴咀提供氧。經(jīng)過管線22提供的該反應(yīng)劑輸向?qū)Ч?4和各均勻間隔的噴射孔26。如圖所示，噴咀具有與導(dǎo)管32和噴射孔34相連通的輔助反應(yīng)劑供應(yīng)管線30。該輔助供應(yīng)系統(tǒng)可用于向在噴咀式噴射器內(nèi)的活化區(qū)或反應(yīng)區(qū)提供另一種反應(yīng)氣體或稀釋氣體。
噴咀式噴射器包括發(fā)散部分40，用于將等離子體和反應(yīng)物質(zhì)導(dǎo)向需涂覆的襯底表面。該部分40可以是噴咀裝置的整體一部分，也可以設(shè)計(jì)成可拆卸的延伸部分。如圖所示，該延伸部分具有與直接鄰近陽極的噴咀部分相同的發(fā)散角度。該延伸部發(fā)可以隨陽極等離子體通道和噴咀式噴射器的相鄰部分的形狀和幾何尺寸改變，例如具有喇叭口或鐘形口。
緊固螺釘7是用于將陰極安裝座固定到板6和陽極4上的數(shù)個(gè)螺釘之一。
本發(fā)明提供一種通過將各種反應(yīng)劑噴射到等離子體中以進(jìn)行表面處理和在襯底表面上沉積一層透光粘合涂層的裝置，該裝置包括具有一個(gè)或多個(gè)陰極以及至少一個(gè)陽極的等離子體發(fā)生器、可在低于大氣壓力下工作的處理室、位于在處理室內(nèi)用于支承襯底的襯底支承裝置、與處理室相連通用于將處理室抽真空到低于大氣壓力的真空泵裝置以及噴咀式噴射器，該噴咀式噴射器安裝在等離子體發(fā)生器的陽極端部，用于將等離子體射向襯底，并將反應(yīng)劑輸送到在噴咀式噴射器內(nèi)的等離子體中。
噴咀式噴射器包含反應(yīng)劑輸送裝置，用于當(dāng)?shù)入x子體由等離子體發(fā)生器射出時(shí)將反應(yīng)劑噴射到等離子體中。
噴咀式噴射器通常呈圓錐形，其廣口端朝向襯底。噴咀的發(fā)散角度和長度決定了裝置內(nèi)所包含的容積。這本身又確定了可用于處理或涂覆襯底表面的活性物質(zhì)的反應(yīng)和形成的時(shí)間。
用于將反應(yīng)劑噴入等離子體中的反應(yīng)劑輸送裝置位于在噴咀式噴射器的窄口端，并包含至少兩個(gè)分開的環(huán)形注射導(dǎo)管以及用于使反應(yīng)劑均勻注入到等離子體中的分配裝置。
通常噴咀式噴射器從等離子體發(fā)生器的陽極端伸入到處理室。然而，該噴咀式噴射器裝置可以安裝在真空室外的等離子體發(fā)生器的陽極端，經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼婵彰芊饧c真空室內(nèi)部相連通。
實(shí)驗(yàn)水冷式串級(jí)電弧用作等離子體發(fā)生器。該電弧發(fā)生器包含銅陽極，該銅陽極利用至少一個(gè)或一系列的電絕緣銅盤與鍍釷的鎢制成的三個(gè)針狀陰極相隔開。隨著氬流過電弧點(diǎn)燃器中的孔的同時(shí)，DC電壓施加到電極上以產(chǎn)生等離子體。等離子體膨脹通過噴咀式噴射器進(jìn)入處于由真空泵維持的降低了壓力的真空室，因此形成等離子體射流。噴咀式噴射器被加熱到約200℃，以避免高沸點(diǎn)的有機(jī)硅反應(yīng)劑的凝結(jié)。需涂覆的襯底在適當(dāng)?shù)募庸ぞ嚯x例如距陽極約15到70厘米處利用金屬支承臺(tái)支承在射流軸線上。一可伸縮的擋板用于調(diào)節(jié)襯底對(duì)等離子體的暴露程度。
在通常的沉積操作程序中，利用在襯底和噴咀式噴射器之間的擋板控制氬等離子體。將氧引入噴咀式噴射器，以便產(chǎn)生氧/氬等離子體。在氧噴射位置下游引入含硅的反應(yīng)劑以開始沉積之前，縮回該擋板并使襯底暴露于氧/氬等離子體中持續(xù)一段短的時(shí)間。
在表1中比較了噴咀式噴射器對(duì)涂覆面積、沉積速率、以及覆蓋層的泰伯(Taber)耐磨耗性能。覆蓋層約2微米厚。發(fā)現(xiàn)對(duì)于大面積的涂覆圓錐形的噴咀式噴射器(G273,G241)是最有效的。不用這種噴咀式噴射器通常會(huì)形成粉末或粉末狀覆蓋層。
表1 噴咀式噴射器對(duì)涂覆性能的影響
a 圓錐形，圓錐-圓柱-圓錐形，圓錐-圓柱形b 距陽極的距離c 襯底和陽極之間的距離d D4=八甲基環(huán)四硅氧烷，TMDSO=四甲基雙硅氧烷，HMDSO=六甲基雙硅氧烷e 具有硅氧烷硬涂層的聚碳酸酯加工距離為由陽極到襯底的距離D4流量是通過使液體溫度保持在80℃下控制的。
在上述各特定實(shí)驗(yàn)中，該噴咀式噴射器包括帶有兩個(gè)噴淋頭式噴射環(huán)的主體、用于將噴咀式噴射器安裝到陽極上和將氧注射到等離子體中的適配器、以及朝襯底擴(kuò)張的延伸部分。25°的2級(jí)噴咀式噴射器是具有從4毫米擴(kuò)張到11毫米的陽極適配器的噴射器，接著是直徑11毫米的圓柱形部分以及按25°擴(kuò)張的主體。25°的4英寸圓錐形噴咀式噴射器始終按25°擴(kuò)張，具有氧噴射適配器，并且圓錐形延伸4英寸長。40°的4英寸圓錐形噴咀式噴射器始終按40°擴(kuò)張，具有帶氧噴射器的陽極適配器，并且圓錐形延伸4英寸長。40°的4英寸長號(hào)形噴咀式噴射器與40°的4英寸圓錐形噴咀式噴射器相似，不同的是通過使用由長號(hào)形的嗽叭口截下的4英寸部分使得該延伸段張開得更大。
權(quán)利要求
1．一種整體的噴咀式噴射器，以用于電弧等離子體沉積裝置，該裝置包括有等離子體氣體入口的電弧等離子發(fā)生器、至少一個(gè)陰極、具有擴(kuò)張的等離子體通道的陽極、安裝在陽極上的噴咀式噴射器，所述噴咀式噴射器具有從陽極延伸的擴(kuò)張通道、用于將氧注射到在陽極附近的等離子體中的氧噴射器以及至少一個(gè)反應(yīng)劑噴射器以用于當(dāng)?shù)入x子體膨脹進(jìn)入擴(kuò)張通道中時(shí)將反應(yīng)氣體噴射到等離子體中。
2．一種通過將反應(yīng)劑噴射到等離子體中以進(jìn)行表面處理和在襯底表面上沉積一層透光粘合涂層的裝置，該裝置包括具有一個(gè)或多個(gè)陰極以及至少一個(gè)陽極的等離子體發(fā)生器、可在低于大氣壓力下工作的處理室、位于在處理室內(nèi)用于支承襯底的襯底支承裝置、與處理室相連通用于將處理室抽真空到低于大氣壓力的真空泵裝置以及噴咀式噴射器，該噴咀式噴射器安裝到等離子體發(fā)生器的陽極端部，用于將等離子體射向襯底，并將反應(yīng)劑輸送到在噴咀式噴射器內(nèi)的等離子體中。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中該噴咀式噴射器包含反應(yīng)劑輸送裝置，用于當(dāng)?shù)入x子體由等離子體發(fā)生器射出時(shí)反應(yīng)劑噴射到等離子體中。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中該噴咀式噴射器呈圓錐形，其廣口端朝向襯底。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中用于將反應(yīng)劑噴射到等離子體中的反應(yīng)劑輸送裝置位于噴咀式噴射器的窄口端，并包含至少兩個(gè)分開的噴射導(dǎo)管和環(huán)形分配裝置，用于將反應(yīng)劑均勻注入到等離子體中。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中該噴咀式噴射器由等離子體發(fā)生器的陽極端伸入到處理室。
全文摘要
設(shè)計(jì)和制造一種噴嘴式噴射器,用于采用界面穩(wěn)定的電弧點(diǎn)燃器作為等離子體發(fā)生器的沉積薄膜層的等離子體沉積裝置中。該噴嘴式噴射器控制反應(yīng)劑的噴射、電離和反應(yīng),這些功能本身又決定了覆蓋層沉積速率、覆蓋層面積、覆蓋層組合物以及覆蓋層質(zhì)量。
文檔編號(hào)C23C16/50GK1210902SQ98115080
公開日1999年3月17日 申請(qǐng)日期1998年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月26日
發(fā)明者B·L－M·楊 申請(qǐng)人:通用電氣公司