CN101175866B - 用于涂覆基材的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用物理气相沉积来涂覆基材的设备，其包含一真空室，一线圈(1)设置于该真空室内用来在该线圈内使用变化的电流将一定数量的导电材料(10)保持飘浮及用来加热与蒸发该材料，在该线圈内设有装置用来使该线圈与飘浮的材料隔离。根据本发明，该设备的特征在于该隔离装置为由不导电材料制成的容器(2)的一部分，该容器具有一个或多个开口(5)，用来将被蒸发的导电材料引导至该将被涂覆的基材。本发明还涉及一种使用物理气相沉积涂覆基材的方法。

Description

用于涂覆基材的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种使用物理气相沉积来涂覆基材的设备，其包含一真空室，一线圈被设置于该真空室内，其用来通过使用该线圈内变化的电流使一定数量的导电材料保持飘浮及用来加热与蒸发该材料，其中在该线圈内放置装置用来使该线圈与飘浮的材料隔离。本发明还涉及一种使用物理气相沉积涂覆基材的方法。

背景技术

从WO 03/071000A1中可了解到导电材料的飘浮及蒸发。在本文中将描述一种用一层导电材料涂覆基材的技术，该导电材料是在真空室中从气相冷凝至该基材上。将一定数量的导电材料在线圈上方保持飘浮，其中，在该线圈中供送变化的电流。由于该电流，在该线圈内产生交变的电磁场。该电磁场在该导电材料上施加向上的力。该电流还提供电能来加热该飘浮的导电材料，使得它熔化并最终蒸发；然而，某些导电材料并不熔化而是升华。在该线圈与飘浮的材料之间存在电隔离装置，譬如管子或导管，用来防止线圈的绕组之间的飞弧并防止线圈以及真空室的污染。被产生的蒸气经由该导管的一端被释放并被用来涂覆该基材。

上述的设备具有难以控制在基材上的涂层的缺点。特别是，当该设备被用来连续地涂覆一条通过该真空室的条带时，难以在该条带的宽度上产生具有均匀厚度及组成的涂层。

为了要克服此缺点，WO02/06558A1提供一种真空室，可在该真空室内运送条带，通过具有一个或多个约束的导管可将蒸气运送至该条带，使得该蒸气在令人窒息的条件下沉积。该文件提供了用来在同一时间沉积两种蒸气的方法，但该方法也可被用来只沉积一种蒸气。以此方式，当有多个开口被使用在该约束上且该导管足够宽时，可在 该条带上施加均匀的涂层。

然而，用该方法施加涂层的一个缺点为，该涂层对该基材的黏着并非是最佳的。另一个缺点为，该涂层的密度并非是最佳的。这造成了有必要对该经过涂覆的基材施加进一步的处理步骤，譬如滚压该条带。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种使用物理气相沉积来涂覆基材的设备及方法，使用该装置和方法能够在该基材上产生改进的涂层。

本发明的另一目的是提供一种使用物理气相沉积来涂覆基材的设备及方法，使用该装置和方法，能够在该基材上产生一层具有增强的黏性及密度的涂覆材料。

使用物理气相沉积来涂覆基材的设备可实现一个或多个目的，该设备包含一真空室，一线圈被设置于该真空室内用来通过使用该线圈内的变化电流将一定数量的导电材料保持飘浮及用来加热与蒸发该材料，其中，在该线圈内设置有装置，以使该线圈与飘浮的材料隔离，该隔离装置为由不导电材料制成的容器的一部分，该容器具有一或多个开孔用来将被蒸发的导电材料引导至要被涂覆的基材。

该设备能够包含该被蒸发的材料，使得该容器内的压力高于该容器之外的真空室内的压力。令人吃惊地是，发现该容器内的高压能够在该容器内产生等离子体，所以由部分离子化的蒸发材料构成的气体包含原子、离子、基团与电子。该等离子体是在如WO03/071000A1中提到的变化电流的频率下产生的，该频率譬如50kHz或更高，该频率远低于已知用于产生等离子体的频率。该等离子体的一部分被引导通过所述开孔，待涂覆的基材置于所述开孔前方。因为离子是带电的这一事实，所以涂层对于基材具有更佳的黏着性且该涂层也更加致密。该容器必须是用不导电材料制成，这是因为离子在接触导电壁时将会变成原子。

优选地，该容器具有在其两端都具有密封件的导管的形状，在密封件上具有一个或多个开孔。以此方式，可以提供一种简单类型的容器，等离子体被容纳在该容器内且在使用时等离子体通过开孔部分释放以涂覆基材。

根据本发明的一优选实施例，该容器具有在其一端具有一密封件而在另一端具有盒状突起的导管的形状，该突起具有多个开孔。该优选实施例特别适于涂覆条带，这是因为该盒状突起的表面可具有大致为待涂覆的基材的形状，导致该表面与该基材之间为相等的距离。这将在该基材上提供均匀的涂层。

优选地，该突起至少与该待涂覆的基材等宽。这在涂覆条带状材料时特别重要，所以长度至少是几百米的材料可被运送通过该真空室。该条带可以用纸、金属、塑料或其它材料制成。使用该实施例的容器，该条带材料可被涂覆在其整个宽度上。

优选地，所述开孔具有孔或狭缝的形状。因此该等离子体可以一种有效的方式被释放。

根据一优选实施例，该容器设有加热装置来加热该容器。所述加热装置为在该容器的壁内的电线圈或电线。该容器应被加热，这是因为该蒸气与该等离子体在碰到冷的壁时将冷凝。

优选地，该容器设有由导电材料制成的加热元件，导电材料例如为钼或钨的电阻线。以此方式，提供相对简单的加热组件来加热该不导电的容器。

根据一优选实施例，容器用陶瓷材料制成，陶瓷材料譬如氮化硼或氮化硅。陶瓷材料非常适合该设备将遇到的条件，譬如高温及高热冲击与应力。此外，陶瓷材料具有高导热性。

根据本发明的另一方面，提供一种使用物理气相沉积来涂覆基材的方法，其使用真空中的线圈用来保持一定数量的导电材料飘浮以及加热和蒸发该材料，其中在该线圈中具有变化的电流，并且在该线圈与飘浮材料之间设置隔离装置，该隔离装置是被加热的不导电材料制成的容器的一部分，该容器具有一个或多个开孔用来将被蒸发的导电材料引导至该待涂覆的基材，其中该被蒸发的材料在该容器的内部形成一等离子体，该等离子体通过该容器上的开孔被释放以涂覆该基材。

该方法在该容器内提供一等离子体，并具有如上所述的优点。

优选地，该容器被加热至等于或高于该飘浮材料的温度。以此方式，该蒸气或等离子体不会凝结在该容器壁上。

根据一优选实施例，在该容器内的等离子体的压力介于10^-1至10^-5mbar之间，优选地介于10^-2至10^-4mbar之间。在压力高于10^-5mbar，优选地高于10^-4mbar时，将在该容器内产生等离子体，只要压力没有变得过高，如不高于10^-1mbar，优选地不高于10^-2mbar，该等离子体可被保持。清楚的是，该压力取决于要被蒸发的导电材料的类型、飘浮的导电材料的温度以及该容器和其上的开孔的尺寸。此外，清楚的是，在该真空室内该容器外面的压力必须低于该等离子体的压力，因此等离子体可通过该容器上的开孔释放。优选地，该真空室内的压力比该容器内的压力低10至1000倍，更优选地大约低100倍。

根据一实施例，该被涂覆的基材是相对于该容器被连续地运送的条带。使用根据本发明的方法，可提供一种具有致密且良好地黏着的涂层的条带。

根据一优选实施例，在该基材与该容器之间保持一电位梯度，使得离子朝向该基材加速。由于该电位梯度，离子在撞击到该基材的表面时具有高动能。该高动能使得离子黏着到该基材上或已在该基材的涂层上，在基材上形成非常致密且良好黏附的涂层，或者因为该离子的能量太高，使得该离子在该基材的表面上弹回。然而，在后一种情况下，该离子的部分能量被基材上的涂层吸收，使得该涂层更加密实。介于基材与容器之间的电压可以是10至40伏。

附图说明

本发明将参照附图加以说明。

图1示意性地示出根据本发明的设备的实施例的剖视图。

图2示出图1设备的A-A剖视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明设备的优选实施例。线圈1被置于真空室(未示出)中。容器2具有导管状部分3，其被置于该线圈1内，在该导管状部分中产生蒸气。该部分3的下端封闭且其上端被连接至盒状部分4上，该盒状部分4被设计成可放置待涂覆的基材。在该部分4的表面上设有开孔5。

在图1所示的实施例中，容器2适于涂覆被运送到该容器上方一短距离处的条带(未示出)。因此，容器2的部分4是细长形的，从而能够涂覆该条带的整个宽度。

图2示出图1中容器2的A-A剖视图。该剖视图示出该盒状部分4，其中管子6插入到盒子7中且电线圈或线8被放置在该管子6与该盒子7之间。

在该设备的操作过程中，使用供送装置(未示出)将导电材料引入到该容器2的导管状部分3中。在该线圈1中产生一变化的电流，从而产生交变电磁场。由于该电磁场，该导电材料被保持飘浮于该线圈上方，而同时对该导电材料加热。在大多数的情况下，该导电材料熔化以形成液滴10且蒸发，在某些情况下在未熔化时升华。

因为容器2除了多个开孔5之外都封闭，所以由于该液滴10的蒸发，该容器内的压力高于周围的真空室内的压力。

令人吃惊地，这就使得能够在该容器内产生等离子体并通过使用如用于容器本身的材料的电绝缘或不导电材料将该等离子体保持在该容器内，从而保持该等离子体。该容器内的等离子体的压力介于10^-1 至10^-5mbar之间，优选地介于10^-2至10^-4mbar之间。在压力高于10^-5mbar时，优选地高于10^-4mbar时，在该容器内产生等离子体，只要该压力没有变得过高，如不高于10^-1mbar，优选地不高于10^-2mbar，将保持该等离子体。该等离子体是在如WO03/071000A1中提到的变化电流的频率下产生的，该频率譬如50kHz或更高，该频率远低于已知的产生等离子体的频率。当然，在周围的真空室内的压力必须低于该容器内的压力，这样等离子体能够通过开孔5释放。

此外，该容器必须被加热至等于或高于该蒸气/等离子体的温度，用以防止蒸气/等离子体凝结在该容器的壁上。为了这样做，在该容器的壁内使用电线圈或电线8。因为该容器必须耐热且耐热冲击，且具 有高导热性，所以通常使用陶瓷材料，陶瓷材料譬如氮化硼或氮化硅，但也可使用其它陶瓷，譬如氧化锆、氧化钇、四溴化铪(hafniumbromide)或溴化锆，因为陶瓷是不导电的。

该容器上的开孔可以是任意形状，但通常是圆孔或狭缝。开孔的总面积取决于该容器的体积及涂覆率。另外，介于开孔之间的距离是可变的，且该距离取决于介于该容器上具有开孔的表面与待涂覆的基材之间的距离。通常，从该容器通过孔释放的等离子体具有火焰状的形状。

由于该等离子体中的离子是带电的这一事实，离子将会较好地黏着至该基材上且形成更致密的涂层。

通过在该容器与待涂覆的基材之间施加电位差，能进一步改进该涂层的黏着性及密度。由于该电位差，使离子朝向该基材加速，因而将以高速度撞击该基材表面。这会产生具有高密度的良好黏着的涂层。适当的电位差为10至40伏。

Claims (14)

1.一种使用物理气相沉积涂覆基材的设备，其包含真空室，一线圈设置于该真空室内，用来通过使用该线圈内变化的电流，使一定数量的导电材料保持飘浮并用来加热和蒸发该材料，其中，在该线圈内设有隔离装置，用来使该线圈与飘浮的材料隔离，其特征在于，该隔离装置为由不导电材料制成的容器的一部分，该容器具有一个或多个开口，用来将蒸发的导电材料引导至将被涂覆的基材，该容器设有加热装置以加热该容器，所述加热装置为在该容器的壁内的电线圈或电线，所述容器和开口的尺寸使得容器中的压力比真空室中的压力高10到1000倍。

2.如权利要求1所述的设备，其中，该容器具有导管的形状，其在两端处具有密封件，且密封件上具有一个或多个开孔。

3.如权利要求1所述的设备，其中，该容器具有导管的形状，在其一端具有一密封件，在另一端具有盒状的突起，该突起具有多个开孔。

4.如权利要求3所述的设备，其中该突起至少与该待涂覆的基材等宽。

5.如权利要求2-4中任一项所述的设备，其中所述开孔具有孔或狭缝的形状。

6.如权利要求1所述的设备，其中该容器设有由导电材料制成的加热元件。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述导电材料为钼或钨的电阻线。

8.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其中该容器由陶瓷材料制成。

9.如权利要求8所述的设备，其中所述陶瓷材料为氮化硼或氮化硅。

10.一种使用物理气相沉积涂覆基材的方法，其使用真空中的线圈用来使一定数量的导电材料保持飘浮并且加热和蒸发该材料，其中在该线圈中具有变化的电流，在该线圈与该飘浮的材料之间设有隔离装置，其特征在于，该隔离装置是被加热的由不导电材料制成的容器的一部分，该容器具有一个或多个开孔用来将被蒸发的导电材料引导至该待涂覆的基材，其中该被蒸发的材料在该容器的内部形成等离子体，该等离子体通过该容器上的所述开孔释放以涂覆该基材，该容器设有加热装置，将该容器加热至等于或高于该飘浮材料的温度，所述加热装置为在该容器的壁内的电线圈或电线，将容器中的压力保持为比真空室中的压力高10到1000倍。

11.如权利要求10所述的方法，其中，在该容器内，该等离子体的压力介于10^-1至10^-5mbar之间。

12.如权利要求11所述的方法，其中，在该容器内，该等离子体的压力介于10^-2至10^-4mbar之间。

13.如权利要求10-12任一所述的方法，其中，被涂覆的基材是条带，其被相对于该容器连续地输送。

14.如权利要求10-12任一所述的方法，其中，在该基材与该容器之间保持一电位梯度，使得该等离子体被朝向该基材加速。