CN101601333A - 用于等离子电弧涂敷的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用来涂敷运动基片的侧表面的系统。系统包括等离子源阵列、位于阵列上游的第一多个孔口及位于阵列下游的第二多个孔口。涂敷试剂从每个孔口喷射到从与该孔口相关联的等离子源发出的等离子射流中。控制器根据基片的轮廓和根据基片相对于阵列的位置，调制到孔口的涂敷试剂流量和冲洗气体流量。辅助等离子阵列和孔口组可以用来涂敷基片的相对侧表面。

Description

用于等离子电弧涂敷的方法和设备

技术领域

[0001]本发明总体涉及用来涂敷基片的系统和方法。更具体地说，本发明涉及等离子涂敷系统和方法，其中试剂的引入被控制，以增强在基片上形成的涂层和节省在形成涂层时使用的试剂量。

背景技术

[0002]总体而言，本发明适用的等离子涂敷系统包括顺序连接的各个站或区，并且穿过这些站或区，基片按连续系列运动。这些站可以包括加载锁气室、加热站、一个或多个涂敷站及出口锁气室。在涂敷站中是：一个或多个等离子源，如扩张热等离子(ETP)源；和关联试剂歧管，用来注入试剂。在涂敷过程期间，随着涂敷试剂被喷射到从等离子源发出的等离子射流中，基片被运动通过等离子源。当基片运动通过所生成的等离子流时，涂层沉积在基片的表面上。

[0003]典型地，涂敷站在涂敷过程期间连续地供给试剂。这一般会导致过度喷涂、过多涂层累积及试剂的过量使用和浪费。

[0004]而且，在一定系统中，等离子源布置在涂敷站的相对两侧上，以能够实现基片两面的涂敷。在这样一种涂敷站中，相对等离子流的平衡，从而使过度喷涂最小或防止过度喷涂，在生产运行期间难以实现并且一般不能一致地保持。作为结果，相对等离子流当流束不完全由基片截获时，可能混合。这可能进一步导致特定初级粒子(precursor)聚集在基片的不希望侧上，例如在没有直接相对等离子源的基片侧上，该等离子源产生携带该特定初级粒子的等离子流。

发明内容

[0005]总体而言，本发明涉及一种用来涂敷基片的单行的(in-line)、连续的等离子涂敷系统。在这样一种系统中，一系列基片按顺序，换句话说，单行顺序，连续地通过涂敷站。等离子涂敷系统包括等离子源阵列(等离子阵列)、位于等离子阵列上游的多个歧管、及位于等离子阵列下游的多个歧管。一种或多种涂敷试剂从在歧管中的孔口喷射，并且喷射到从等离子阵列的等离子源发出的等离子射流中。控制器根据基片的形状和/或根据基片相对于等离子源的位置，调制涂敷试剂的流量和通过每个歧管的冲洗气体的流量。第二构造的歧管和等离子源也可以被采用和控制，以将涂层沉积在基片的第二侧或相对表面上。

[0006]对于本领域的技术人员而言，另外的特征和优点将通过如下详细描述、权利要求书和附图而更为显明。

附图说明

[0007]图1是按照本发明原理的用来涂敷基片的系统的示意俯视图；

[0008]图2A是穿过图1的系统的涂敷站的端视图的示意描绘；

[0009]图2B是在图2A中看到的并且大致沿线2B-2B得到的涂敷站的示意侧视图：

[0010]图3示出具有关联空间填充物的基片，当基片穿过图1的系统行进时可以选择性地采用这些空间填充物；

[0011]图4示出用于在图2A和2B中看到的涂敷站的涂敷试剂歧管供给组件；及

[0012]图5A和5B示出用于在图4中看到的涂敷试剂歧管供给组件的圆圈5内的构造的可选择阀构造。

具体实施方式

[0013]现在参照附图，按照本发明原理的基片涂敷系统10示意表示在图1中。基片涂敷系统10包括各个站或区，如加载锁气室12、基片加热区14、一个或多个基片涂敷区16、及出口锁气室18，它们都以串联和气密方式连接。像这样，各个站或区可以由多个真空泵(未表示)抽真空，以保持对于涂敷过程有益的适当真空压力。

[0014]当基片20连续地运动通过系统时，基片涂敷系统10优选地用来涂敷多个基片20(两个基片被表示)。

[0015]如本领域的技术人员将认识到的那样，基片本身可以由各种各样的材料形成。在一个示范实施例中，基片20由热塑性材料制成。这样的材料包括但不限于聚乙烯醇、聚乙烯醇缩乙醛、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺及聚氯乙烯。用于基片20的其它适当材料包括聚碳酸酯树脂、聚酯碳酸酯、丙烯酸聚合物、聚酯、聚氨基甲酸乙酯、等等。可以制成基片20的材料的另外例子包括陶瓷、玻璃、金属或半导体。

[0016]基片20依据它们的构造材料可以由各种工艺形成。这样的工艺非限制性地包括注射模压、冷成形、真空成形、挤压、吹塑成形、压铸、压缩模塑、及热成形。另外，基片20在本质上可以是弯曲的、平的、刚性的或柔性的。

[0017]在利用系统10时，将基片20放置在基片载体24上，该基片载体24可以是导轨、吊架或其它装置。这样的装置在工业中是已知的，并因此在这里不进一步地描述。基片载体24进入加载锁气室12，并且在加载锁气室12中或到其之前，由输送机接合，由箭头25指示，该输送机将载体24和基片20运送通过涂敷系统10。显然，可以采用适于将载体24和基片20运送通过涂敷系统10的任何机构。

[0018]一旦被转移到基片加热区14中，基片20就被加热到适于基片20的涂敷的温度。为此，基片加热区14包括加热单元26，图中示出了两个加热单元。加热单元26布置在基片加热区14内或其外侧，在其侧壁处或沿其侧壁，或者在由系统10的整体设计所确定的位置。各种类型的加热单元26可以被采用，并且包括但不限于，红外加热器、微波加热器、电阻加热器、无反应等离子流等。

[0019]在行进通过基片加热区14之后，基片载体24进入基片涂敷区16，在该处将涂层沉积在基片20上。一旦基片20已经被涂敷，它们然后就被转移到出口锁气室18，在该处它们离开涂敷系统10。

[0020]尽管关于本发明可以采用各种涂敷方法和过程，但如示出的那样，基片涂敷区16包括一个或多个扩张热等离子(ETP)源阵列28，它们可以彼此相对地成对布置在涂敷区16中。ETP源阵列28被安装在它们自己的端口30上，或者安装到位于基片涂敷区16的侧壁上的共用歧管上。

[0021]ETP源阵列28的每一个优选地进给有隋性气体，该隋性气体被加热，被部分电离，并且作为从阵列28发出的等离子射流，它在图1中示出为组合或公共等离子流32，从相对的阵列28流出到基片涂敷区16中。涂敷系统10可以利用的惰性气体的例子包括但不限于氩、氦、氖等。

[0022]涂敷试剂和氧化气体分别从试剂和气体注入歧管34、36注入。以蒸汽形式在受控速率下注入的氧化气体和涂敷试剂扩散到等离子射流中，该等离子射流扩张进入基片涂敷区16中，并且被导向穿过其运送的基片20。氧化气体的例子包括但不限于氧和一氧化二氮、或其任何组合。涂敷试剂的例子包括但不限于有机硅，如十甲基环戊硅氧烷(D5)、乙烯基三甲基硅烷(VTMS)、二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)、八甲基环丁硅氧烷(D4)、四甲基乙硅氧烷(TMDSO)、四甲基四乙烯基环丁硅氧烷(V-D4)、六甲基乙硅氧烷(HMDSO)等。

[0023]现在参照图2A和图2B，系统10的各种构造涉及，当基片20行进通过涂敷区16时，将一种活化试剂，或者在某些实施中，将几种活化试剂，射到基片20的一侧或两侧上。可呈现车辆的窗口、顶部面板或其它元件的形式的基片20优选地由聚碳酸酯制成，并且加热单元26保证基片20在进入涂敷区16之前在适当温度下。如果需要，在涂敷区16中可以使用辅助加热器，补偿在进入涂敷区16之前的过渡期间的任何热量损失。

[0024]当在相接续的各基片(successive substrates)之间有间隙时，根据本发明的系统10使外来涂敷材料在涂敷区16的真空腔室壁上最少，当相接续的各基片20的相邻尾部和前部边缘因为它们的不同轮廓，或因为基片输送机系统保证基片的独立运动或铰接以容纳复杂形状或容纳静止加热步骤与扫描涂敷步骤的组合，不彼此嵌套时，会出现上述间隙。

[0025]涂敷区16是在涂敷区16的每一侧上具有多个等离子源38(所示出的六个作为非限制性例子)的真空腔室。歧管段34、36可以进一步描绘成上游或下游歧管段；术语上游和下游是指歧管段相对于等离子源38和基片20的运动方向(由在图2B中看到的箭头40指代)的位置。每个歧管段34、36与一个或多个等离子源38相关联。像这样，在图2B中示出的涂敷区16的每一侧设有三个上游涂敷试剂和氧化气体歧管段34、36和三个下游涂敷试剂和氧化气体歧管段34、36。涂敷区16的各个歧管段34在那里彼此独立地注入涂敷试剂。类似地，一个简单控制机构可用来个别地或按两个或更多个歧管段36的各种组合接通和断开氧化气体歧管段36。

[0026]如图2B中所示，行进着的基片20的前部边缘42首先通过上游歧管段34、36，然后通过ETP等离子阵列28和其各个等离子源38，最后通过下游歧管段34、36。相应地，尾部边缘44是基片20通过下游歧管段34、36的最后部分。

[0027]在本发明的一定实施方式中，如在图3中看到的那样，填充物46也由一组接片48连结到载体和/或输送机25上。填充物46对于基片20紧邻地隔开，从而它是基片20的边缘的虚拟延伸。填充物46是一次性或可再用部分，由例如聚碳酸酯或铝制成，它围绕基片20形成紧邻边界。在这样一种构造中，填充物46起到外来热量和涂敷材料的收集器的作用。因而填充物促进在基片20上的温度和涂层厚度的均匀化。在一个具体实施例中，在涂敷区16的进口处在基片20上的温度是约65℃±10℃，涂层厚度在涂敷区16之后是在约2μm至3μm之间，并且输送机25以约2.5cm/s的速度使得基片20运动通过系统10。如以前提到的那样，涂敷试剂穿过歧管的连续流动导致在基片之间材料的浪费。而且，该连续流动对于系统10而言产生额外的清理和维护负担。

[0028]系统10的多种实施例能够降低在基片边缘处等离子涂层比较厚的趋势，当在相接续的各基片20之间(或在基片20与填充物46之间)存在大的间隙时，在该处往往形成相对于基片20的中心而言较大的涂层厚度。由于存在用于涂层厚度的优选范围，所以希望的是，使跨过基片的厚度变化率最小，从而使涂敷过程更可靠。太薄的涂层可能损害耐腐蚀性。在边缘处的比较厚涂层是对于在基片20的边缘处的较不可靠水浸性能的可能影响因素。

[0029]参照图4，系统10还包括控制器50，该控制器50指导上游和下游歧管段34，从而歧管段34可彼此独立地并且按照在它前面通过那里的基片20的前部和尾部边缘42、44的轮廓操作。

[0030]控制器50根据基片前部和尾部边缘42、44相对于歧管段34具体一个的位置，调制到各个歧管段34的涂敷试剂的流量。具体地说，控制器50操作3通阀52，该3通阀52的一路与每个歧管段34相关联。阀52将涂敷试剂从计量涂敷试剂源54经导管56、58引导到相应涂敷试剂歧管段34。计量涂敷试剂源54-它由多个歧管段34共用，供给蒸汽形式的涂敷试剂，并且，利用加压涂敷试剂源68和蒸汽质量流量控制器70来实现所述供给。可选择地，阀52将涂敷试剂从相关联的涂敷试剂歧管段34转走。阀52的这种控制保证对于到达歧管段34和它们的关联喷射孔口60的涂敷试剂流量的调制，而来自计量涂敷试剂源54的涂敷试剂的流动一直不中断地继续。转走的涂敷试剂流量可以经导管62引导到比较冷的凝结器64中，该凝结器64也可由多个阀52和涂敷试剂歧管段34共用。凝结器64对蒸汽形式的涂敷试剂加以凝结，并且这种被液化的涂敷试剂可经选择性导管66选择性地再循环回计量涂敷试剂源54。简言之，阀52通过将涂敷试剂的连续流量从计量涂敷试剂源54引导到歧管段34或用于再循环的凝结器64，而对到达相应各个涂敷试剂歧管段34的涂敷试剂流量加以调制。

[0031]在阀52已经切换成将涂敷试剂流量从歧管段34转走并且转到凝结器64中之后，将认识到，在导管58中的残余蒸汽可继续流入歧管段34中。然而这是不希望的，因为涂敷试剂蒸汽的残余流量限制了对于涂敷试剂流量的调制的系统响应的有效速度。换句话说，阀52不会立即中止涂敷试剂进入歧管段34。关于进入涂敷区16的涂敷试剂流量的调制的另一个相关问题是，供给到涂敷区16的涂敷试剂的突然缺乏会引起在涂敷区16的真空腔室中的气体负载的调制，并由此在涂敷过程期间会引起在涂敷区16中的不希望压力调制。

[0032]为了化解以上预期的两个问题，本发明的系统10包括与每个涂敷试剂歧管段34相关联的第二3通阀72。阀72指导和控制如氩气、氧气或两者的冲洗气体从计量冲洗气体源74经导管76输送的速率，该导管76连接到上文述及的阀52的下游的导管58上。与计量涂敷试剂源54类似，计量源74包括加压冲洗气体源78和冲洗气体质量流量控制器80。在控制器50的指导下，阀72的开口与阀52的操作被相关联地控制，从而来自计量冲洗气体源74的冲洗气体流量代替来自计量涂敷试剂源54的涂敷试剂流量。优选地，来自计量冲洗气体源74的冲洗气体流量近似等于它代替的来自计量涂敷试剂源54的涂敷试剂流量。由于控制器50在它命令阀52将涂敷试剂转移到凝结器64时命令阀72打开，所以使在涂敷区16内的不希望压力波动问题最小。另外，提供这样一种冲洗气体流也从引导到歧管段34的导管58中清除残余涂敷试剂，由此使系统的响应时间最小。优选地，冲洗气体是以上提到的种类的，因为它在没有涂敷试剂的情况下在涂敷区16中不产生涂敷。

[0033]在图5A和5B中表示的可选择实施例中，以前实施例的三通阀52和截止阀72用单个四通阀82代替。以这种方式，只有一个阀与任何涂敷试剂歧管段34相关联。如图5A中所示，控制器50可将四通阀82定位成，将涂敷试剂引导到涂敷试剂歧管段34和将冲洗气体引导到凝结器64。为了将冲洗气体引导到涂敷试剂歧管段34，控制器50指令四通阀82转动例如四分之一圈(见图5B)。冲洗气体然后被引导到涂敷试剂歧管段34，同时涂敷试剂被引导到凝结器64。

[0034]如以前描述的那样，来自计量冲洗气体源74的冲洗气体流量近似等于来自计量涂敷试剂源54的涂敷试剂流量。在控制器50的指导下，四通阀82引导来自计量冲洗气体源74的冲洗气体流和来自计量涂敷试剂源54的涂敷试剂流。在以上描述的实施例的任一个中，在任何瞬时，冲洗气体或气化试剂正在以近似相同的速率流到涂敷试剂歧管段。因此，在涂敷站中的压力大体恒定，即使涂敷试剂的流量被调制。而且，用来停止在涂敷试剂歧管段处涂敷试剂流动的响应时间被缩短，因为在涂敷试剂流量已经转到凝结器64之后，冲洗气体迅速代替在导管58中和在涂敷试剂歧管段34中的残余蒸汽。注意，如果试剂在室温下是液体，则上述导管或阀可以被加热。

[0035]尽管计量涂敷试剂源54、凝结器64、及计量冲洗气体源74以上被描述成由多个涂敷试剂歧管段34共用，但计量涂敷试剂源54、凝结器64、及计量冲洗气体源74可以个别地与单个歧管段34相关联。

[0036]因而，当前部或尾部基片边缘42、44在等离子源38的相应阵列的前面穿过时，系统10通过根据具体协议调制到达上游和下游歧管的试剂流量，减小在基片边缘处的过分涂敷或使它最小化。只有当有基片20存在时，涂敷试剂才提供给歧管段34，由此减小在边缘涂敷期间涂敷初级粒子的通量，并且限制源于在涂敷区16的一侧上的涂敷初级粒子沉积到基片相对侧上的机会。按照相对于各个歧管的局部边缘位置表达的各个切换事件的最佳计时(timing)可依据经验而确定，这里无需讨论。所需的计时因而可以容易地实现，因为它只是保证以足够精度和分辨率跟踪基片20的位置的设备设计问题。

[0037]相应地，系统10也使在涂敷区16的壁上以及在选择性填充物46上(如果它们被采用)的外来涂敷形成最小化，因为当在相接续的各基片20之间存在大的间隙时，涂敷试剂被转到凝结器64。这具有如下效果：使腔室壁的清理(如果采用填充物46时，还有填充物46的清理)的频率最小，并且使试剂利用率最大。如以前提供的那样，系统10改进等离子涂敷厚度的均匀性，就用于涂敷厚度的上下规定极限而论使等离子涂敷过程更可靠。

[0038]如在说明实施例中表示的那样，歧管被分段，以适应基片边缘的各种轮廓。关于对基片运动方向定向成横向的源阵列28，定轮廓基片边缘的不同部分一般在不同时刻通过等离子源38。分段涂敷试剂歧管34根据期望协议，保证在各歧管34中的独立局部流量切换。在其它实施例中，代之以使用具有多个孔口60的歧管段34，可以根据本发明的原理控制各个孔口。

Claims (25)

1.一种用来涂敷基片的涂敷系统，该基片具有相对的第一侧表面和第二侧表面，并且沿穿过所述系统的路径运动，所述系统包括：

至少一个等离子源，构造成当所述基片沿所述路径运动时，向所述基片的所述第一侧表面发出等离子射流；

多个孔口，联接到相关的歧管段上，该相关的歧管段总体布置成与所述等离子源相邻；

涂敷试剂源，联接到所述孔口的每一个上，并且构造成向所述孔口供给涂敷试剂；

冲洗气体源，联接到所述孔口的每一个上，并且构造成向所述孔口供给冲洗气体；及

控制器，构造成根据所述基片相对于所述等离子源的位置，独立地控制涂敷试剂和冲洗气体对于所述孔口的供给。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器构造成，根据所述基片的前部边缘和尾部边缘相对于所述等离子源的位置，独立地控制涂敷试剂和冲洗气体对于所述孔口的供给。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个孔口包括相对于所述路径分别位于所述等离子源上游和下游的上游孔口和下游孔口，所述基片沿所述路径运动。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个孔口包括至少两组孔口，每组孔口联接到一个相关的歧管段上。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：涂敷试剂阀，按行定位在所述涂敷试剂源与所述歧管段之间，所述涂敷试剂阀联接到所述控制器上；冲洗气体阀，按行定位在所述冲洗气体源与所述歧管段之间，所述冲洗气体阀也联接到所述控制器上。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器构造成，通过控制所述涂敷试剂阀的操作以及所述冲洗气体阀的操作，调制来自所述涂敷试剂源的涂敷试剂流量和来自所述冲洗气体源的冲洗气体流量。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述涂敷试剂阀是三通阀。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述冲洗气体阀是截止阀。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括按行位于所述涂敷试剂源、所述冲洗气体源与所述歧管段之间的四通阀，所述四通阀联接到所述控制器上，并且所述控制器构造成，通过独立地控制所述四通阀的操作，独立地调制到达所述歧管段的涂敷试剂和冲洗气体的流量。

10.根据权利要求10所述的系统，其中，所述四通阀也联接到凝结器上。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述涂敷试剂源包括涂敷试剂的加压源和涂敷试剂计量装置，并且其中所述冲洗气体源包括冲洗气体的加压源和冲洗气体计量装置。

12.根据权利要求1所述的系统，还包括填充物，该填充物成形为当所述基片运动通过所述系统时围绕所述基片的大部分。

13.根据权利要求1所述的系统，还包括：

至少一个第二等离子源，构造成当所述基片沿所述路径运动时，向所述基片的所述第二侧表面发出第二等离子射流；

多个第二孔口，总体布置成与所述第二等离子源相邻；

所述涂敷试剂源联接到所述第二孔口的每一个上，并且构造成向所述第二孔口供给所述涂敷试剂；

所述冲洗气体源联接到所述第二孔口的每一个上，并且构造成向所述第二孔口供给所述冲洗气体；及

所述控制器构造成根据所述基片相对于所述第二等离子源的位置，独立地控制所述涂敷试剂和所述冲洗气体对于所述第二孔口的供给。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个第二孔口包括相对于所述路径分别位于所述第二等离子源上游和下游的第二上游孔口和第二下游孔口，所述基片沿所述路径运动。

15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个第二孔口包括至少两个第二组第二孔口，每个第二组联接到一个相关的歧管段上，所述控制器构造成根据所述基片相对于所述第二等离子源的位置，独立地控制所述涂敷试剂和所述冲洗气体对于所述歧管段的供给。

16.一种涂敷基片的方法，该基片沿穿过涂敷系统的路径运动，所述方法包括下列步骤：

从沿所述基片的所述路径布置的等离子源，向所述基片的第一侧表面发出等离子射流；

从与所述等离子源相邻的第一位置将涂敷试剂喷射到所述等离子射流中；

从与所述等离子源相邻的第二位置将涂敷试剂喷射到所述等离子射流中；

用来自所述第一位置的冲洗气体的喷射代替来自所述第一位置的所述涂敷试剂的喷射；及

用来自所述第二位置的冲洗气体的喷射代替来自所述第二位置的所述涂敷试剂的喷射。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述各代替步骤响应所述基片沿所述路径相对于所述等离子源的位置而被启动。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述各代替步骤将涂敷试剂从所述第一位置和第二位置再导向到凝结器。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，代替来自所述第一位置和第二位置的所述涂敷试剂的喷射的所述各步骤用冲洗气体代替所述涂敷试剂，所述冲洗气体的流量大体与在被代替之前的相应涂敷试剂的流量相同。

20.根据权利要求16所述的方法，还包括当涂敷试剂正被喷射到所述等离子射流中时将冲洗气体导向到凝结器的步骤。

21.根据权利要求16所述的方法，还包括当所述基片正被涂敷时大体紧邻围绕所述基片的侧边缘提供空间填充元件的步骤。

22.根据权利要求16所述的方法，还包括下列步骤：用涂敷试剂的喷射代替来自所述第一位置的冲洗气体的喷射、和用涂敷试剂的喷射代替来自所述第二位置的冲洗气体的喷射。

23.根据权利要求16所述的方法，还包括下列步骤：

从沿所述基片的所述路径布置的第二等离子源，向所述基片的第二侧表面发出第二等离子射流；

从与所述第二等离子源相邻的第三位置将涂敷试剂喷射到所述第二等离子射流中；

从与所述第二等离子源相邻的第四位置将涂敷试剂喷射到所述第二等离子射流中；

用冲洗气体代替来自所述第三位置的涂敷试剂的喷射；及

用冲洗气体代替来自所述第四位置的涂敷试剂的喷射。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括下列步骤：用涂敷试剂的喷射代替来自所述第三位置的冲洗气体的喷射、和用涂敷试剂的喷射代替来自所述第四位置的冲洗气体的喷射。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第一位置和所述第三位置相对于所述基片的所述路径在第一等离子源和第二等离子源的上游，并且所述第二位置和所述第四位置相对于所述基片的所述路径在第一等离子源和第二等离子源的下游。

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