CN101218372A - 等离子弧涂覆系统 - Google Patents

Abstract

用于涂覆衬底的系统包括加热该衬底的加热器。加热器包括多个热源的二维阵列，当衬底处于热源阵列中时，这些热源向衬底供给热量。加热器还包括控制器，该控制器控制各热源的工作，以便根据衬底的预定温度分布来加热衬底表面的局部区域。

Description

等离子弧涂覆系统

技术领域

本发明总体涉及一种用于涂覆衬底的系统。更具体地说，本发明涉及一种等离子弧涂覆系统。

背景技术

现有的多等离子弧涂覆器包括电阻加热器，以便在衬底进入涂覆腔室或涂覆站之前预热衬底。这些加热器沿衬底运动方向延伸较长距离。而且，这些加热器沿与衬底运动垂直的方向具有较低的空间分辨率，且相对于衬底在加热器站中的滞留时间具有较慢的热响应时间。

在涂覆处理过程中，多个涂覆站连续供给试剂，例如，涂覆站使用用于各个等离子弧的环形歧管或用于电弧阵列的跑道形(racetrack)歧管。不过，这些歧管并不能够使得上游和下游的喷射孔彼此独立地供给以及打开和关闭。

而且，在某些涂覆站中，电弧和歧管布置在涂覆站的相对侧，以便涂覆衬底的两侧，这需要平衡相对的射流以便减小或防止过度喷涂。不过，在两侧涂覆站中，相对的射流将很难实现平衡，且通常不能在产品运行过程中保持一致。因此，当射流并不由衬底完全截获时，相对的射流将混合，从而使得由衬底相对侧的电弧发出的前体凝聚。

发明内容

本发明涉及用于涂覆衬底的系统、装置和方法。一方面，用于加热衬底的加热器包括：多个热源的二维阵列，当衬底处在热源阵列中时，这些热源向衬底供给热量；以及控制器，该控制器各别地控制各热源的工作，以便根据衬底的预定温度分布来加热衬底表面的局部区域。热区的覆盖范围称为热点大小，其相对于衬底的特征尺寸而言较小。这些热源的强度能够相对于衬底在加热器中的滞留时间而言快速变化。加热器可以包括第二热源阵列，这些热源向衬底的相对侧供给热量。

另一方面，用于对运动衬底的表面进行涂覆的装置包括：一组等离子弧；多个第一试剂歧管，这些第一试剂歧管位于该组等离子弧的上游；以及多个第二试剂歧管，这些第二试剂歧管位于该组等离子弧的下游。各歧管有至少一个孔，试剂通过该孔而喷射至由与该歧管相关联的电弧发出的等离子体射流中。控制器根据衬底的轮廓和根据衬底相对于该组电弧的位置而调节通向各歧管的试剂流。试剂歧管和等离子弧的第二结构可以用于涂覆衬底的相对表面。

通过下面的说明书和权利要求，将很容易了解其它特征和优点。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的、用于涂覆衬底的系统；

图2示出了前进通过图1的系统的衬底及填充物；

图3A示出了图1的本发明实施例系统的涂覆站；

图3B示出了图3A的涂覆站沿线3B-3B的视图；

图4示出了根据本发明实施例的、具有阀系统的试剂歧管部分，该试剂歧管部分用于图3A和3B的涂覆站；

图5A示出了图1的本发明实施例系统的精细(fine)加热器；

图5B是图5A的加热器沿线5B-5B的视图；

图6A示出了图1的本发明实施例系统的粗加热器；以及

图6B是图6A的粗加热器沿线6B-6B的视图。

具体实施方式

下面参考图1，图中示出了根据本发明一个实施例的、用于对衬底进行等离子体涂覆的系统10。作为主要部件，系统10包括涂覆站12、涂覆站14、精细加热器16、位于涂覆站14的进口侧的精细补充加热器18、以及位于精细加热器16的进口侧的粗加热器20。

还参考图2，系统10的不同构型部包括当衬底22前进通过涂覆站12、14时使活性试剂在(一些实施方式中使多种活性试剂)撞击于该衬底22的一侧或两侧上。衬底22可以是交通工具的后窗、顶板或其它部件。衬底22可以由聚碳酸酯制成。加热器16和20保证衬底22在进入涂覆站12之前处于合适温度，而加热器18对衬底22重新加热，以便弥补在进入随后的涂覆站14之前在传送过程中的任何热损失。

各衬底22通过凸片24而安装在传送器系统上。在一些实施方式中，填充物26也通过一组凸片28而安装在传送器系统上。替代地，衬底22能够安装在各填充物26上。

填充物26靠近地隔开，这样，它实际上为衬底22的边缘的外延。填充物26为一次性或可重复使用的部分，由例如聚碳酸酯或铝制成，它形成衬底22周围的边界。在该结构中，填充物26作为外部热量和涂层材料的收集器。因此，使用填充物将促使衬底上的温度和涂层厚度均匀。在特定实施例中，当传送器系统使得衬底(和可选的填充物)以大约2.5cm/s的速度通过系统10时，在涂覆站12的进口处，衬底22上面的温度为大约65℃±10℃，且在涂覆站14之后，涂层厚度在大约2μm至3μm之间。涂层试剂连续流入歧管中将导致在衬底之间的材料浪费。而且，该连续流将产生额外的清洁和维护负担。

在衬底边缘处，比衬底中央更易于形成较大的涂层厚度，而系统10的各种实施例能够减小在衬底边缘处形成较厚等离子体涂层的趋势。因为有优选的涂层厚度范围(也就是，不能太薄，太薄将损害耐磨性，且不能太厚，太厚将损害浸水性能)，希望尽量减小整个衬底的厚度变化，以便使得涂覆处理更稳固。在边缘处的涂层较厚可能是导致在衬底边缘处的浸水性能较不稳定的因素。

而且，当在连续的衬底之间有间隙时，系统10尽量减少了在涂覆站12、14的真空腔室壁(和可能使用的填充物26)上的外来涂层材料，当连续的衬底的相邻后边缘和前边缘由于它们的不同轮廓而不能嵌套时，或者因为衬底输送系统用于使衬底独立运动或铰接以便适应复杂形状或适应静止加热步骤与扫描涂覆步骤的组合，从而不能嵌套时，在连续的衬底之间将出现间隙。

下面参考图3A和3B，每个涂覆站12、14包括真空腔室，该真空腔室在各侧上有多个，例如六个，等离子弧30。各站12、14还包括与例如一对电弧相关联的上游试剂歧管部分32和下游试剂歧管部分34。因此，涂覆站腔室的每侧设置有三个上游试剂歧管部分32和三个下游试剂歧管部分34。涂覆站12、14的不同实施例包括通过彼此独立的歧管部分32、34来喷射涂层试剂。一组氧歧管部分35也与各歧管部分32、34相关联。可使用简单的控制机构来使氧歧管部分35各自打开和关闭，或者两个或更多氧歧管部分35的组合能够一起操作。

如图3B中所示，前进的衬底22的前边缘37a首先经过上游歧管部分32，然后经过一组电弧30，最后经过下游歧管部分34，而后边缘37b是衬底22的最后经过下游歧管部分34的部分。电弧30通常被供以惰性气体例如氩气，该惰性气体被加热至局部离子化点，并作为(从各电弧)朝向要涂覆的衬底的射流而进入真空腔室中。涂层试剂通过分布在各电弧附近的歧管部分32和34上的喷射孔而以蒸气形式以受控速率引入电弧和衬底之间。控制器40(图4)控制上游和下游歧管部分32、34的工作，以便使得12个歧管部分能够根据衬底22的前边缘和后边缘的型面而彼此独立地工作。

控制器40根据衬底边缘相对于特定歧管部分的位置来调节流向相应歧管部分32、34的试剂流。具体地说，控制器40控制与各歧管部分相关联的三通阀42的工作。阀42将蒸气化的试剂从由多个歧管部分共用的储罐44通过导管45和47而引向相应歧管部分45，或者使试剂转向离开相关歧管部分，从而快速调节流向歧管部分32、34的试剂流和相关射流，同时使得试剂从储罐44持续不间断地流出。转向流能够通过导管49而被引入也由多个歧管部分共用的较冷的冷凝容器46中，该冷凝容器46使得试剂蒸气进行冷凝，然后，试剂再通过可选的导管51而重新循环至主液体试剂储罐44中。总而言之，阀42通过将来自储罐44的连续试剂流引向歧管部分或引向冷凝容器46以重新循环，从而调节通向相应歧管部分32或34的试剂流。使阀紧靠真空腔室的壁(由虚线表示)将尽量减小在刚刚使蒸气流转向冷凝容器46之后残留在阀42和歧管部分之间的蒸气化试剂的体积。在阀42转换成使流偏转离开歧管之后，残留蒸气能够继续流入歧管32或34中，这可能并不合适，因为残留蒸气流将限制流体流调节装置响应的有效速度。尽管储罐44和冷凝容器46在上面所述中由多个歧管部分共用，但是储罐44和冷凝容器46也可以与单个歧管部分相关联。

因此，当衬底前边缘或后边缘横过相应的电弧30组的前部时，系统10根据特定规程通过调节通向上游和下游歧管的试剂流来尽量减小在衬底边缘处的过多涂层。试剂只在有衬底时才流向歧管，从而在边缘涂覆过程中减小了涂层前体(precursor)流量，并限制了在衬底一侧发出的涂层前体到达相对侧的可能性。各转换事件的最佳时间选择以局部边缘相对于各歧管的位置来表示，可根据经验来确定。然后，所需的时间选择能够很容易实现，因为它只是用于以足够精度和分辨率来追踪衬底的位置的设备设计的问题。

因此，系统10尽量减小了在涂覆站12、14的真空腔室壁上和在填充物(当使用填充物时)上的外来涂层，因为当在连续的衬底之间有间隙时，涂层试剂转向冷凝容器46，从而降低了腔室壁清洁和填充物(当使用时)清洁的频率，并最大程度地利用试剂。如前所述，系统10提高了等离子体涂层厚度的均匀性，从而使得等离子体涂覆处理相对于涂层厚度的规格上限和下限更稳定。

如图示实施例中所示，各涂覆站包括六个上游歧管部分和六个下游歧管部分。不过，根据用途，各站可以包括更多或更少的歧管部分。歧管进行分段，以便适应各种衬底边缘轮廓。通过使电弧组定向成垂直于衬底运动方向，一定轮廓的衬底边缘的不同部分大致在不同时间经过电弧组。使歧管分段用于根据合适规程来进行局部流动转换。

应当注意，衬底边缘的优先加热、衬底厚度的变化和衬底的复杂形状将促使衬底的温度不均匀。不过，用于涂覆处理的衬底温度有优选范围，因为温度太低将损害浸水性能，而温度太高将有衬底变形和热损坏的危险。因此，理想的是使得整个衬底的温度最大程度地实现均匀，以便使得涂覆处理更稳定。因此，系统10用于通过提高衬底在涂覆处理过程中的温度均匀性来提高整个衬底的等离子体涂层性能的一致性。

参考图1以及图5A和5B，各精细加热器16和精细补充加热器18包括可编程的二维热源50阵列，这些热源布置在加热器的各相对壁上。热源50受到控制器140的控制，并可相对于衬底在加热器中的滞留时间而言以快速响应时间进行编程，且产生相对于衬底的特征尺寸的较小热点尺寸(即，在高达几英寸的加工距离处在衬底上的加热面积)。热源的快速响应时间能够对衬底进行受控加热，以便产生用于涂覆处理的合适衬底温度分布，且使得热量浪费最小。当布置成阵列时，热源50能够使相邻热区域投射在经过或静止的衬底上。

可选的精细补充加热器18将补偿衬底在涂覆站12和14之间的冷却，并为涂覆站14提供受控的衬底温度分布，该精细补充加热器18的作用与精细加热器16相对于第一涂覆站12的作用类似。

热源50提供了用于运动或静止衬底的空间分解加热，这可以补偿衬底边缘的优先加热以及衬底的特定特征和复杂形状，而这些将促使衬底温度不均匀。特别参考图5B，当衬底22的各区域单元通过热源50来加热时，该热源的瞬时强度将根据该区域单元的所需局部温度而以编程方式进行调节。因此，热源只在有衬底时打开，如启动的热源60所示。

应当注意，因为在涂覆处理过程中通过等离子弧30进行的衬底加热也可能并不均匀，因此，可以通过对加热器16和/或18后面的衬底温度分布编程为互补的不均匀而对它进行补偿。例如，在衬底的、由电弧30优先加热的区域中(例如具有离电弧组较小加工距离的凸形表面)，可能希望在暴露于精细加热器16中和暴露于精细补充加热器18中时使得该区域较冷。

可编程热源50阵列的快速响应时间便于对各衬底的温度分布进行控制，以便能够根据连续的衬底的特定特征来对它们进行不同处理。快速响应时间的另一优点是更高效的使用加热器功率以及对真空腔室和填充物(当使用时)的外部加热更少，因为各热源50只在有衬底存在以便吸收投射热量时才启动。通过将更多加热负荷从粗加热器20转移至加热器16和18中的可编程热源上，将明显增大该优点。加热器16和18促使衬底在等离子体涂覆过程中温度均匀，这又促使涂覆处理更稳定。而且，要涂覆的衬底各侧能够在涂覆处理之前暴露于相应可编程热源阵列中；也就是，在衬底一侧的热源50阵列的工作可以与在各加热器16和18中的相对的热源阵列不同。

因为热源50阵列的工作(强度以及开关时间周期)为完全可控的，因此系统10能够适应不同衬底，例如具有不同形状、尺寸、厚度的衬底以及由具有不同热响应的不同材料制成的衬底。热源的该特征与普通热源不同，因为衬底加热处理能够快速受到调节，以便减少功率浪费以及对真空腔室和填充物(当使用时)的外部加热，还能够适于特定衬底以便促使在涂覆过程中处于较窄的衬底温度范围。

可以选择设置粗加热器20。对于粗加热器20，并不需要快速响应时间和较小热点尺寸。因此，如图6A和6B所示，粗加热器例如包括一组纵向热源61和相关反射器63，它们使得衬底温度升高至合适温度的中途，而不是以特定温度分布为目的。粗加热器20的目的是减小精细加热器16的可编程热源50阵列的负荷，且在某些情况下减小精细加热器16的可编程热源50阵列沿衬底运动方向的长度。因此，粗加热器20位于精细加热器16的上游，这样，衬底在前进经过精细加热器之前首先经过粗加热器。

在衬底暴露于可编程精细加热器16之后以及可选择地在涂覆站12、精细补充加热器18和第二涂覆站14之后，系统10还可以用于例如通过使用一系列红外线温度传感器62(图1)来就地测量局部衬底温度。这些温度测量帮助在等离子体涂覆处理之前(以及可选择地在其之后)确定衬底温度分布特征。该温度分布能够用于调节可编程热源50阵列的程序，以便在实际生产之前建立适于特定衬底的程序。替代地，这种温度分布可以在生产过程中进行监测，以便能够实时调节程序，从而保持合适温度分布。

系统10还能够识别要加热衬底的类型和形状，然后从信息库或数据库中调出用于热源50阵列的合适程序，当要在共用的生产流程中涂覆不同的衬底时，该特征可能很吸引人。

在某些实施方式中，各热源50的能量输出为大约200W至400W。热源50可以隔开(中心至中心)大约3英寸至6英寸。提供所需能量和热点尺寸的任意合适灯都可以使用。例如，热源50可以是石英灯或卤素灯。

在某些实施方式中，衬底在静止时在加热器16、18中进行加热。特别是，传送器系统使得衬底进入加热器16、18中，然后，当选定热源50在存在衬底的情况下打开时，衬底保持静止。该实施方式能够简化控制系统，缩短热源阵列沿衬底运动方向的长度，并因此缩短系统10的总占地面积。

上述和其它实施方式在下面的权利要求的范围内。

Claims (40)

1.一种用于在衬底前进通过等离子弧涂覆系统时加热衬底的装置，包括：

多个热源的二维阵列，这些热源向处在热源阵列中的衬底供给热量；以及

控制器，该控制器控制各热源的工作，以便根据衬底的预定温度分布来加热衬底表面的局部区域。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：多个热源的第二二维阵列，当衬底处在热源阵列中时，来自两个热源阵列的能量导向衬底的相对侧。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括：真空腔室，所述两个阵列位于腔室的相对侧。

4.根据权利要求1所述的装置，其中：由各热源发出的能量根据在控制器中执行的程序而随时间变化。

5.根据权利要求1所述的装置，其中：当衬底处于吸收能量的位置时，各热源发出能量。

6.根据权利要求1所述的装置，其中：在衬底进入涂覆站之前对该衬底进行加热。

7.一种用于在衬底前进通过等离子弧涂覆系统时加热衬底的系统，包括：

精细加热器，该精细加热器具有多个热源的第一二维阵列和多个热源的第二二维阵列，当衬底处在热源阵列中时，来自两个热源阵列的能量导向衬底的相对侧；以及

控制器，该控制器控制各热源的工作，以便根据衬底的预定温度分布来加热衬底相应表面的局部区域。

8.根据权利要求7所述的系统，其中：由各热源发出的能量根据在控制器中执行的程序而随时间变化。

9.根据权利要求7所述的系统，其中：精细加热器在衬底进入涂覆站之前对该衬底进行加热。

10.根据权利要求9所述的系统，还包括：粗加热器，该粗加热器在衬底进入精细加热器之前加热该衬底。

11.根据权利要求9所述的系统，还包括：多个温度传感器，该温度传感器确定衬底的温度分布特征。

12.根据权利要求11所述的系统，其中：控制器接收衬底的温度分布，并改变热源的能量输出，以便控制衬底的温度分布。

13.根据权利要求9所述的系统，还包括：第二精细加热器，该第二精细加热器位于第一涂覆站和第二涂覆站之间，该第二精细加热器包括多个热源的第三二维阵列和多个热源的第四二维阵列，来自第三和第四阵列的热源的能量在控制器的引导下导向衬底的相对侧。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括：多个温度传感器，这些温度传感器确定衬底的温度分布特征。

15.一种用于在衬底前进通过等离子弧涂覆系统时加热衬底的方法，包括：

当衬底处于热源阵列中时通过多个热源的二维阵列来加热衬底表面；以及

控制各热源的工作，以便根据衬底的预定温度分布来加热衬底表面的局部区域。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：通过多个热源的第二二维阵列来加热衬底的相对侧。

17.根据权利要求15所述的方法，其中：控制步骤包括根据在控制器中执行的程序来随时间改变从各热源发射的能量。

18.根据权利要求15所述的方法，其中：在衬底进入涂覆站之前进行加热。

19.一种用于在衬底前进通过等离子弧涂覆系统时加热衬底的方法，包括：

通过具有多个热源的第一二维阵列和多个热源的第二二维阵列的精细加热器来加热衬底，当衬底处在热源阵列中时，来自两个阵列的热源的能量导向衬底的相对侧；以及

控制各热源的工作，以便根据衬底的预定温度分布来加热衬底相应表面的局部区域。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：根据在控制器中执行的程序而随时间改变由各热源发出的能量。

21.根据权利要求19所述的方法，其中：在衬底进入涂覆站之前进行加热。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：在衬底进入精细加热器之前通过粗加热器来加热该衬底。

23.根据权利要求21所述的方法，还包括：确定衬底的温度分布。

24.根据权利要求23所述的方法，其中：控制器接收衬底的温度分布，并改变热源的能量输出，以便控制衬底的温度分布。

25.根据权利要求21所述的方法，还包括：通过位于第一涂覆站和第二涂覆站之间的第二精细加热器来加热衬底，该第二精细加热器包括多个热源的第三二维阵列和多个热源的第四二维阵列，来自第三和第四阵列的热源的能量在控制器的引导下导向衬底的相对侧。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括：确定衬底的温度分布。

27.一种用于涂覆衬底的装置，包括：

一组等离子弧；

多个第一试剂歧管，这些第一试剂歧管位于该组等离子弧的上游；多个第二试剂歧管，这些第二试剂歧管位于该组等离子弧的下游，各歧管有至少一个孔，试剂通过该孔而喷射至由相应等离子弧发出的等离子体射流中；

控制器，该控制器根据衬底的轮廓以及根据衬底相对于等离子弧和歧管的位置而调节通向各歧管的试剂流。

28.根据权利要求27所述的装置，还包括：第二组等离子弧；多个第三试剂歧管，这些第三试剂歧管位于第二组等离子弧的上游；以及多个第四试剂歧管，这些第四试剂歧管位于第二组等离子弧的下游；多个所述第三和第四试剂歧管中每一个都有至少一个孔，试剂在控制器的引导下通过该孔而喷射至由相应等离子弧朝着衬底的相对表面发出的等离子体射流中。

29.根据权利要求27所述的装置，其中：衬底与包围该衬底边缘主要部分的填充物一起前进。

30.根据权利要求27所述的装置，还包括：真空腔室，歧管位于真空腔室中。

31.根据权利要求27所述的装置，还包括：与各歧管相关联的阀，控制器通过控制相应阀的工作来调节流向各歧管的试剂流。

32.根据权利要求27所述的装置，还包括：至少一个储罐，该储罐向歧管供给试剂。

33.根据权利要求27所述的装置，还包括：至少一个冷凝容器，该冷凝容器接收已转向而离开歧管的试剂。

34.根据权利要求33所述的装置，其中：冷凝容器使试剂冷凝。

35.一种用试剂涂覆衬底的方法，包括：

从位于一组等离子弧的上游的多个第一试剂歧管中喷射试剂；

从位于该组等离子弧的下游的多个第二试剂歧管中喷射试剂；

所述多个第一和第二试剂歧管中的各歧管有至少一个孔，试剂通过该孔而喷射至从相应等离子弧发出的等离子体射流中；以及

由控制器根据衬底的轮廓以及根据衬底相对于等离子弧和歧管的位置而调节通向各歧管的试剂流。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括：从位于第二组等离子弧上游的多个第三试剂歧管中喷射试剂；以及从位于第二组等离子弧下游的多个第四试剂歧管中喷射试剂；所述多个第三和第四试剂歧管中的各歧管有至少一个孔，试剂在控制器的引导下通过该孔而喷射至由相应等离子弧朝着衬底的相对表面发出的等离子体射流中。

37.根据权利要求35所述的方法，其中：调节步骤包括控制与各歧管相关联的阀的操作。

38.根据权利要求35所述的方法，还包括：从至少一个储罐向歧管供给试剂。

39.根据权利要求35所述的方法，其中：冷凝容器接收已转向而离开歧管的试剂。

40.根据权利要求39所述的方法，其中：冷凝容器使试剂冷凝。

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