CN101248211B - 用于在容器内部进行等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)内阻挡层的装置,所述装置包括被电磁阀隔离的气路 - Google Patents

用于在容器内部进行等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)内阻挡层的装置,所述装置包括被电磁阀隔离的气路 Download PDF

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Abstract

一种通过等离子体增强型化学气相沉积，用于在容器(2)的内壁上沉积有阻挡作用的材料的薄层的装置(1)，所述装置(1)包括：处理单元(4)，其容纳容器(2)和装有电磁波生成器(11)；前驱气体入口(17)；注入器(13)，用于将所述前驱气体注入到容器(2)中，所述注入器(13)具有向外打开到容器(2)中的底端(14)和对应的顶端(15)；前驱气体供料管(20)，其使前驱气体入口(17)进入到与注入器(13)的顶端(15)相连的流体流动中；和电磁阀(25)，其插入到前驱气体出口(17)和注入器(13)之间的供料管(20)中，其紧挨着注入器(13)顶端(15)的上游。

Description

用于在容器内部进行等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)内阻挡层的装置，所述装置包括被电磁阀隔离的气路
技术领域
本发明涉及容器制造，更具体而言，涉及制造由聚合物制成(例如，由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成)的容器，每个容器的内壁被一层有阻挡作用的材料所涂覆。
背景技术
这种层，例如，硬型(类金刚石碳(DLC))或者软型(类高分子碳(PLC))的氢化非晶碳层通常由等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)所形成。申请人在欧洲专利NO EP 1 068 032中详细说明了该技术。
例如，当实施软碳(PLC)时，优选使用的前驱气体是乙炔(C2H2)。该气体被注入到容器中，在容器内部形成部分真空(大约0.1毫巴(mbar))，然后，利用超高频(UHF，(2.45千兆赫(GHz)))低功耗电磁激发使等离子体被活化，即使得乙炔进入到低温等离子体状态。在生成的种类中会发现氢化碳(带有CH，CH2和CH3键)，其被沉积到由容器内壁所形成的聚合物衬底上的薄层(厚度大约为1600埃)上。
这一方法通常在一装置上实施，该装置包括：
·处理单元，其容纳容器和装备有用于从前驱气体中活化等离子体的电磁波生成器；
·前驱气体入口；
·注入器，用于将所述前驱气体注入到容器中，所述注入器具有向外打开到容器中的底端和对应的(opposite)顶端；和
·前驱气体供料管，其使前驱气体入口进入到与注入器的顶端连接的流体流动中。
根据图1所示的方法，其显示了容器内压力随时间变化的曲线图：
·将诸如预先通过吹塑或通过拉伸吹塑所形成的容器固定到处理单元的移动顶部，然后关闭该单元，所述顶部以密封的方式安置到包括容纳容器的腔体的底部；
·通过真空泵，在几秒的时间t0长度内(大约1秒(s)至2s)在容器内部形成部分真空；
·然后在大约1s的时间t1内用前驱气体扫过容器内部，这一扫过的作用是用前驱气体充满容器同时也赶出仍旧存在的空气(在图1中，“O”表示“打开”和“C”表示“关闭”)；
·然后用微波轰击活化等离子体，取决于将要获得的内阻挡层的厚度，其轰击时间t2在1s～2s之间变化，或者甚至在1s～3s之间更佳，(在被设计成用于容纳诸如啤酒的碳酸饮料的容器中，时间t2在2s～3s的范围内；对于诸如茶的不含气体的饮料，所述时间t2大约是1s～1.5s)；
·然后将来自等离子体的残留气体除掉，其时间t3是大约0.1s；和
·最后，从处理单元中取下容器。
包括上述所有步骤的容器处理花费几秒(这一时间的长度被假设为时间t0～t3的总和加上用于装上和卸下容器所花费的时间)，和尤其是在5s～7s的范围内。
一直需要提高作业率。令人遗憾地，如今，对于时间t0～t3或者装载和拆卸时间很难实现任何减少。
然而，本发明人确实有一解决方案以至少减少时间t1。
需要注意的是，在此阶段，被注入到容器中的气体的量通常由压力调节器(也作为流量计)所控制，该压力调节器被放置到前驱气体入口和供料管之间。
发明内容
本发明提供了一种上述提及的类型的装置，其通过等离子体增强型化学气相沉积用于在容器内壁上沉积有阻挡作用的材料的薄层，所述装置还包括：一插入到前驱气体出口(17)和注入器(13)之间的前驱气体供料管中的电磁阀，和压力调节流量计，该电磁阀紧挨着注入器顶端的上游，所述电磁阀具有一个使得前驱气体通过供料管到注入器的打开构型，和一个阻止前驱气体通过的闭合构型；该压力调节流量计插入到供料管和前驱气体出口之间，所述压力调节流量计被设置成与电磁阀同步操作以便当电磁阀处于其打开构型时，所述阀使得前驱气体通过调节流量计从供料管通过而到达注入器，和当所述电磁阀处于其闭合构型时，所述阀阻止前驱气体流过。
本发明还提供了一种通过等离子体增强型化学气相沉积在容器内壁上沉积有阻挡作用的材料的薄层的方法，所述方法实施如上所述的装置，和所述方法包括下述步骤：
·将预先形成的容器插入到处理单元中，电磁阀是处于其闭合的构型；
·通过使用抽吸抽真空将容器置于部分真空中；
·当持续使用抽吸时，同时打开调节流量计和电磁阀，以便除去存在于容器中的足量空气和以便使其中的前驱气体处于压力下；使用前驱气体扫过容器；
·用电磁微波撞击前驱气体以便活化等离子体；
·在形成了阻挡层以后，同时关闭调节流量计和电磁阀以便停止将前驱气体注入容器中；
·停止撞击；和
·将来自等离子体的残留气体吸出。
本发明人在已知类型的装置和方法中观察到下述现象。在除去了来自等离子体的残留气体后，当将容器从处理单元上分离时，供料管与环境空气连通。然后其加压的前驱气体被耗尽和被处于大气压的空气充满。除了存在于所述容器中的空气，鉴于供料管的长度(大约1米(m)～2m)，该供料管还储存了一体积的空气，其对于时间t0以及对沉积质量具有副作用，当清空容器时，该空气必须被泵出。另外，当前驱气体被注入到容器中时，所述前驱气体在其到达容器并用于扫过所述容器前必须沿着供料管行进，这对于时间t1具有副作用。
根据本发明，利用紧接着注入器上游的电磁阀的存在，因注入前驱气体而需要被排出的空气的量显著减少。当容器被取下时，所述电磁阀处在关闭位置，该电磁阀通过隔离(isolating)供料管限制了流回到注入器中的空气的量，该供料管仍是由加压的前驱气体充满。因此，可以将时间t1减少到十分之几秒(在实践中是0.2s～0.3s)，另外使时间t0减少一些。
根据一个实施方式，注入器通过其顶端被安装到移动支撑物上，所述电磁阀被固定到该支撑物上。
根据其它实施方式，所述移动支撑物被安装到处理单元的顶部上，以在打开位置和闭合位置之间平移移动，在打开位置，所述顶部被从包括适于容纳该容器的外壳的底部上分开，在闭合位置，所述顶部以密封的方式被安置到所述底部上。
附图说明
参考附图，从下述的说明中可以看出本发明的其它目的和优点，其中：
图1显示了在常规PECVD装置中压力随时间变化的曲线图；
图2是在本发明的装置中与图1的曲线图类似的曲线图；
图3是一个PECVD装置整体结构的局部透视图；
图4显示了本发明装置的截面正视图，在“打开”的第一位置，其中容器被从处理单元的顶部悬挂，该顶部与所述处理单元的底部被隔离开；以及
图5是与图4视图类似的视图，显示了该装置处于“关闭”的第二位置，其中容器被容纳于一处理单元底部中形成的空腔中。
具体实施方式
图3～图5显示了一装置1，其通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)，用于在诸如瓶子的容器2的内壁上，沉积各自有阻挡作用的材料的薄层，其中之一如在图4和图5中所示。
这种装置1包括一环形的传送装置(carrousel)3，在其上固定了多个处理单元4，在每一个处理单元4的内部，在各自的容器2上进行PECVD。
如图4和5所示，每个处理单元4被设计成容纳一个单独的容器2，其包括安装成垂直平移移动的顶部5和具有一个将容器2的颈部紧固于其上的支撑块6，以及一个具有金属空腔8的固定的底部7，该金属空腔8包括一对UHF电磁微波透明的材料所制成的圆柱型外壳9，例如由石英所制成的。底部7被紧固到环形的传送装置3上，该环形的传送装置自身被安装成绕着中心轴转动。
顶部5被固定到支架10上，该支架10被安装成在环形的传送装置3上的打开位置和关闭位置之间垂直平移移动，在如图4所示的打开位置，其顶部5被从底部7分开以便使得容器2被固定到支撑块6上，在如图5所示的关闭位置，其顶部5以密封的方式安置到底部7上，容器2被容纳于外壳9中用于被处理的目的。
处理单元4也装配了一个电磁波生成器11，其通过波导12与空腔8相连，用于活化来自诸如乙炔的前驱气体的等离子体的目的，该等离子体的分解造成具有阻挡作用的碳的薄层被沉积到容器2的壁上。
每个处理单元还具有一个管状注入器13，其沿着垂直轴延伸，用于将前驱气体注入到容器2中的目的，所述注入器13具有向外打开到容器2的底端14，和对应的顶端15。该注入器13通过其顶端15被安装到支撑物16上，该支撑物16安装成以相对于顶部5在高位(图4)和低位(图5)之间垂直平移运动，其中注入器13的底端14在高位被缩回到支撑块6中，而在低位时注入器13从支撑块6上突出而部分延伸到容器2中，越过容器的大部分的高度。
如图3所示，装置1也具有一个前驱气体入口17，其由环形岐管通过连接管18连接到分配器19上所形成，该分配器19被安装成在环形的传送装置3的轴上转动，分配器19自身与前驱气体储存器(未示出)相连。
每个处理单元具有一个前驱气体供料管20，其使前驱气体入口17进入到与注入器13的顶端15相连的流体流动中。所述供料管20包括一个上游刚性部分21和一个下游刚性部分23，该上游刚性部分21从前驱气体入口17垂直突出并带有一被插入的调节流量计22，该下游刚性部分23在注入器13上方垂直延伸，和通过一个弹性部分24与上游刚性部分21相连，所述弹性部分例如由一个未在图中示出的电缆承载链(cable-carrying chain)所支撑。
如图4和5所示，供料管20被连接到注入器13的顶端15上，并带有一被插入到其上的电磁阀，这将在下面更详细的说明。
供料管20具有弹簧26，用于保护弹性部分24，以便保证处理单元4的顶部5被追踪。
电磁阀25可以具有两种构型，即：
·打开的构型，其中其使得前驱气体从供料管20经过而到达注入器13；和
·闭合的构型，其中其阻止前驱气体通过，和阻止空气流回到管中。
在调节流量计22和电磁阀25之间的供料管20的长度介于1m～2m的范围内。电磁阀25被固定到注入器13的支撑物16上，并且因此被限制成相对于处理单元4的顶部5随其平移移动。
尤其是参考附图2，操作该装置，实现了下面描述的方法。
当处理单元4的顶部5处于打开位置，而电磁阀25和调节流量计22关闭时，容器2的颈部被固定到支撑块6上，当所述容器是由塑料材料制成时，其预先通过吹塑(或者拉伸吹塑)而形成。
容器2和注入器13然后被填充空气，同时，电磁阀被25关闭，供料管20在压力下被前驱气体所填充(在一介于1巴～1.5巴范围的相对压力)。
然后，处理单元4的顶部5被向下移动到关闭位置，然后容器2被容纳于外壳9中。
然后通过真空泵(未示出)使容器2处于部分真空(在大约是0.1毫巴的压力)下。这一步骤持续的时间(参考图2中的t0)是几秒(大约1s～2s)。
然后用前驱气体扫过容器2。为了进行该步骤，当持续使用抽吸时调节流量计22和电磁阀25被同时打开，以便除去存在于容器2中的足量空气和以便使其中的前驱气体处于压力下。这一步骤持续的时间(参考图2中的t’1)是十分之几秒，尤其是0.2s～0.3s。
在这一步骤的最后，用2.45GHz以及低功率(几百瓦)的UHF微波轰击前驱气体以便产生低温等离子体，目的在于在容器2的壁上获得包括PLC类的氢化非晶碳的内阻挡层。
供给前驱气体持续的时间(参考图2中的t2)是1s～3s，这取决于将要获得的阻挡层的厚度。
然后调节流量计22和电磁阀25同时关闭以便停止将前驱气体注入到容器2中。微波轰击被持续大约0.1s的时间t3，在此期间，从等离子体中出来的残留气体被吸出。
处理单元4然后被打开，容器2被取下，目的在于其被立即填充和关闭，或者其在该填充和关闭操作之前被储存。
如上所说明，在优选的实施中，调节流量计22(如电磁阀)具有关闭功能。该功能因为其由电磁阀25所实现而可以被省略。然而，通过使用调节流量计22的关闭功能，空气从整个管的下游被从调节流量计中排除，和在该隔离的管中，前驱气体保持恒定的残留压力，并且被防止任何污染地保藏。
更确切的说，使电磁阀的关闭位置和调剂流量计的关闭位置同时发生使得可以保持管20中的恒定残留压力，该压力在电磁阀25和调节流量计22打开时使得前驱气体快速流动。电磁阀的关闭位置也防止空气进入到管20中，这种空气进入可以有害于阻挡材料的适宜沉积。
另外，考虑到供料管20由于弹性部分的存在而回弹，优选的实施使得可以不仅将所述供料管与注入器13(如上所说明，为了限制将要被前驱气体所赶出的残留空气的量)隔离，还与前驱气体入口17隔离，以便避免供料管20在气体压力下变形。

Claims (5)

1.一种通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)，用于在容器(2)的内壁上沉积有阻挡作用的材料的薄层的装置(1)，所述装置(1)包括：
·处理单元(4)，其容纳该容器(2)并装备有用于从前驱气体中活化等离子体的电磁波生成器(11)；
·前驱气体入口(17)；
·注入器(13)，用于将所述前驱气体注入到容器(2)中，所述注入器(13)具有向外打开到容器(2)中的底端(14)和对应的顶端(15)；和
·前驱气体供料管(20)，其使前驱气体出口(17)进入到与注入器(13)的顶端(15)相连的流体流动中；
所述装置(1)的特征在于，其进一步包括：
·电磁阀(25)，其插入到前驱气体出口(17)和注入器(13)之间的供料管(20)中，该电磁阀紧挨着注入器(13)顶端(15)的上游，所述电磁阀(25)具有一个使得前驱气体通过供料管(20)到容器(13)的打开构型，和一个阻止前驱气体通过的闭合构型；和
压力调节流量计(22)，其插入到供料管(20)和前驱气体出口(17)之间，所述压力调节流量计(22)被设置成与电磁阀(25)同步操作以便当电磁阀(25)处于其打开构型时，所述阀使得前驱气体通过调节流量计(22)从供料管(20)通过而到达注入器(13)，和当所述电磁阀处于其闭合构型时，所述阀阻止前驱气体流过。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述注入器(13)通过其顶端(15)被安装到移动支撑物(16)上，所述电磁阀(25)被固定到该支撑物上。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述移动支撑物(16)被安装到处理单元(4)的顶部(5)上，以在打开位置和闭合位置之间平移移动，在打开位置，所述顶部(5)被从包括适于容纳该容器(2)的外壳(9)的底部(7)上分开，在闭合位置，所述顶部(5)以密封的方式被安置到所述底部(7)上。
4.一种通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)在容器内壁上沉积有阻挡作用的材料的薄层的方法，所述方法实施如权利要求1所述的装置(1)，和所述方法包括下述步骤：
·将预先形成的容器(2)插入到处理单元(4)中，电磁阀(25)处于其闭合构型；
·通过使用抽吸抽真空将容器(2)置于部分真空中；
·当持续使用抽吸时，同时打开调节流量计(22)和电磁阀(25)，以便除去存在于容器(2)中的足量空气和以便使其中的前驱气体处于压力下；
·使用前驱气体扫过容器(2)；
·用电磁微波撞击前驱气体以便活化等离子体；
·在形成了阻挡层以后，同时关闭调节流量计(22)和电磁阀(25)以便停止将前驱气体注入容器(2)中；
·停止撞击；和
·将来自等离子体的残留气体吸出。
5.一种根据权利要求4实施等离子体沉积的方法，其特征在于，在关闭了调节流量计(22)和电磁阀(25)以后，继续用微波轰击以便将来自等离子体的残留气体吸出。
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