CN101743071A

CN101743071A - 等离子体沉积设备

Info

Publication number: CN101743071A
Application number: CN200880024918A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·理查德·库尔森; 查尔斯·埃德蒙·金
Original assignee: P2i Ltd
Current assignee: P2i Ltd
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2010-06-16
Also published as: EP2390012A2; EP2167245A2; TW200924859A; MX2010000646A; GB201000729D0; GB0713821D0; BRPI0812694A2; JP2010533793A; KR20100043070A; CA2693825A1; US20100183879A1; AU2008277410A1; WO2009010753A2; GB2463427A; WO2009010753A3

Abstract

一种通过等离子体沉积来使物品(14)的表面涂覆有薄膜聚合物层的设备(10)，该设备包括：多个处理室(12a，12b，12c，...12n)，一个或多个物品能被放进该多个处理室中的每一个处理室内；用于对所述处理室提供活性物质以便在所述室中形成等离子体的装置(18，19，20，21，22)；多个感应装置(24)，其与相应的处理室相关联，每一个感应装置可操作以在关联的处理室内感生电场，以便在所述活性物质被提供到该处理室时形成等离子体，使得所述物品表面能通过等离子体沉积而被涂覆有薄膜聚合物层；用于在感应装置中提供随时间变化的电流的装置(26)；以及压力控制装置(28)，其用于选择性地控制所述处理室中的压力，使得所述室中的任何一个或多个室中的压力能独立于所述室中其它室中的压力而被控制。

Description

等离子体沉积设备

发明背景

本发明涉及通过等离子体沉积来使物品的表面纳米涂覆有薄膜聚合物层的设备。

现有技术

到此为止，已知等离子体室具体地用于处理半导体晶圆。一般地，此处理系统的等离子体室是由金属比如不锈钢或铝制成的。内部电容板一般被应用于产生放电，以便使输送进入系统的电力最大化，同时使损失最小化以及使在任何一次可以被加载的产品的量最大化。一种此布置被公开于公布的国际专利申请WO-A-2005/089961中。

美国专利US 5,647,913描述了使用电容板装置清理粘附到等离子体反应器的内壁的材料的一种方法。另一描述美国专利申请2007/0034156使用离子引导装置(ion guide apparatus)，该离子引导装置被沉积室围绕，并且包括穿过沉积真空室的孔以便从源引入离子化分子。

也已经使用了处于低压的感应耦合等离子体，以便实现某些程度的表面改性，一般地通过蚀刻、活化或沉积；比如美国专利US 5,683,548中描述的。文献中描述的其它工艺包括纳米粉末的形成(美国专利申请2005/0258766)、处于高温的无定形碳膜(US 6,423,384)以及如日本专利申请JP 10028836中公开的某些碳氟化合物的分解处理。

其它例子描述了能够执行含碳化合物的部分氧化改良以产生用于能量生产的燃料的系统，如公布的国际专利申请WO-A-2004/112447中公开的，以及WO-A-2005/007565中的使用高温感应耦合等离子体的碳纳米材料的连续生产。在工件被物理地或化学地改性的工艺中，则高度可能的是，该工件平面的组合，以确保在要求的时间范围中发生均质处理。

上文描述的系统没有解决等离子体改性的物品比如织物或衣服、鞋类、医疗装置、电子设备或汽车或航空航天零件在三个维度中的快速通过量(rapid through-put)。另外，它们没有描述超薄、连接到物品表面的粘附良好的聚合物层的连接。

使用感应线圈的半导体处理所要求的等离子体反应适合于产生高水平的气体冲击和碎裂，并且以不适合于裁剪带有特定化学官能团(chemical group functionalities)的复杂3D产品的参数进行操作，这些化学官能团可以通过有机分子以受控的方式的连接而提供。

随着等离子体系统被放大到较大的体积以适应更多产品，水蒸气和/或脱气的溶剂的总量延缓到达想要的操作压力和条件的时间，导致每件设备的较长的通过量时间以及较低速度的年度生产体积。另外，总的处理时间可能依据物品到产生给出想要的技术效果所要求的活性物质的源的接近度而显著地增加。

发明概述

依据本发明，提供了一种通过等离子体沉积来使物品的表面涂覆有薄膜聚合物层的设备，该设备包括：

至少一个处理室，一个或多个物品能被放进该至少一个处理室内；

用于提供物质的装置，其用于对所述至少一个处理室提供物质，所述物质能够被形成等离子体；

等离子体形成装置(plasma forming means)，其与处理室相关联，以便建立适合于在所述室中形成等离子体的电场，该等离子体形成装置可操作以在关联的处理室内建立电场，以便在所述物质被提供到该处理室时形成等离子体，使得所述物品的表面能通过等离子体沉积而被涂覆有薄膜聚合物层；

用于提供随时间改变的电流的装置，其用于对等离子体形成装置提供随时间改变的电流；以及

压力改变装置(pressure varying means)，其用于选择性地控制所述处理室中的压力，使得所述室中的任何一个或多个室中的压力能独立于所述室中的另一室中的压力而被控制。

理想地，等离子体形成装置包括可操作以在处理室内感生电场的感应装置。

可选择地，或者除感应装置以外，等离子体形成装置包括电容装置，该电容装置布置成在关联的处理室内形成电场以便形成等离子体。

优选地，涂层为薄层，其厚度为大约几个或几十个纳米，一般地多至100-200纳米厚。此涂层在下文被称为纳米涂层。

本发明的其它优选的和/或可选的特征在所附权利要求中被界定。

现在将仅通过例子、参照附图来描述本发明，其中：

附图简述

图1为通过等离子体沉积来使物品的表面纳米涂覆有薄膜聚合物层的设备的示意图；

图2为图1的设备的处理室的示意图；

图3为通过等离子体沉积来使物品的表面纳米涂覆有薄膜聚合物层的另一种设备的示意图；以及

图4为通过等离子体沉积来使物品的表面涂覆有纳米薄膜聚合物层的又一种设备的示意图。

示出实施方式详述

参照图1和图2，展示了通过等离子体沉积来使物品的表面涂覆有薄膜聚合物层的设备10。设备10包括多个处理室12(12a，12b，12c...12n)，一个或多个物品14可以被放进多个处理室12中的每一个内。

没有限制地，这些物品可以为织物或衣服、鞋类、医疗装置、电子设备、电池、过滤器以及过滤设备(比如空气过滤器)、微或纳米装置或汽车或航空航天零件。

纳米薄膜聚合物层可以产生任何想要的或有优势的技术效果，比如使得物品为疏水的或疏油的。

如图2中更详细地示出的，物品14被放置在室12中的夹具16上，使得物品可以被定位在室内，使得在物品上可以发生有效沉积或者使得在处理过程中物品可以被移动进入多个定向以有效地纳米涂覆其所有的表面。用于每个室的盖子在图中用虚线示出。

设备10包括用于对所述处理室提供活性物质以便在所述室中形成等离子体的装置。活性物质一般地为单体，该单体被储存在单体管18中，当单体分解并形成等离子体时，该单体在物品表面上经历聚合。单体为气态的，并且在管18中在压力下被储存，使得在操作阀20时，单体沿着导管22经过并进入处理室12。阀21可操作以便选择性地对处理室12中的任何一个或多个处理室提供气体。载气被储存在管19中，以便将单体输送到处理室。

多个感应装置24与相应的处理室12关联，每一个感应装置可操作以便在关联的处理室内感应电场，以便在活性物质被提供到处理室时形成等离子体，使得物品表面可以通过等离子体沉积而被涂覆有薄膜聚合物层。

控制装置26控制感应装置的操作。控制装置26包括用于在感应装置24中提供随时间改变的电流的装置。优选地，控制装置26还包括L-C或合适的匹配单元以及功率表，功率表用于耦合连接到电源的13.56MHzRF发生器的输出。此布置确保通向处理室内部分地离子化的气体的传输功率的驻波比(SWR)可以被最小化。对于脉冲等离子体沉积，可以使用脉冲信号发生器。

在图1中示出的布置中，每一个感应装置24都包括导电材料线圈，比如导线形式或管形式的铜。如图中箭头示出的，铜的端部被连接到控制装置26。在有优势的布置中，感应装置可以各自具有通向控制装置26的无线连接。

处理室的壁可以由电介质材料制成。石英或硼硅玻璃是适合的并且是不昂贵的电介质材料。线圈可以在处理室12的外部通过将铜导体围绕室缠绕而形成。在一种变化形式中，线圈可以被埋置在处理室的壁中或设置在室的内部，但是后者的构造不是当前优选的，因为其妨碍清洁。处理室可以由金属材料制成，在该情况中，感应线圈构造大致上处于室的内部，并且被构造成使得在使用中其在室的主要体积内提供磁场。此感应线圈可以是单个的比如为螺线管、成对的比如亥姆霍兹构造(Helmholtzconfiguration)，或具有奇数个或偶数个较高的倍数。线圈的截面可以为圆形的或矩形的，该截面为适合于室形状的垂直面或水平面。

设备10还包括压力控制装置28，压力控制装置28用于选择性地控制处理室12中的压力，以使室中的任何一个或多个室中的压力可以独立于室中任何其它室中的压力而被控制。因此，该设备可以被控制，使得例如室12a中的压力处于大气压，而室12b中的压力处于处理压力，并且室12c中的压力从大气压降低到处理压力。压力控制装置28还可以控制室内的压力，使得可以在不同室内实施要求不同压力的处理步骤。

一般地，等离子体沉积所要求的压力在1×10^-5托到1托(接近1×10^-8巴到1×10^-3巴)的范围中，然而，可能需要超出此典型范围外的压力。

压力控制装置28优选地包括真空泵吸装置30，该真空泵吸装置30可以选择性地被放置成与所述处理室流体相通，使得室12可以彼此独立地被抽空。虽然可以选用单泵吸单元以实现典型的处理压力，但是优选地，真空泵吸装置30包括用于将压力从大气压降低到第一或中间压力的高压泵吸或背衬单元32以及用于将压力从第一压力降低到处理压力的低压泵吸单元34。

高压泵吸单元32可以合适地为罗茨泵。低压泵吸单元34可以合适地为涡轮分子泵。此低压泵吸单元的出口一般不能够排放到大气，并且因此出口被连接到高压泵吸单元的入口。因此，通常低压泵吸单元34不被致动，直到低压泵吸单元中的压力已经通过高压泵吸单元32被降低到中间压力。

压力控制装置28可以包括与真空泵吸装置30和处理室12串联连接的预抽空室或压力罐36。因此，预抽空室可以通过真空泵吸装置保持在低于大气压的压力，并且优选地低于处理压力的压力，使得在预抽空室和处理室中的任何一个或多个处理室之间流体相通时，该处理室或这些处理室内的压力被降低。

更详细地，预抽空室36的内部体积优选地大于所述处理室12中任一个处理室的内部体积。当预抽空室已经被抽空到低压并且流体流动路径在处理室12和预抽空室之间被打开时，压力梯度引起处理室内抽空。因为预抽空室的体积相对较大，所以处理室内压力降低的速度相对地大于预抽空室内压力增加的速度。以此种方式，当装载有物品时，处理室内的压力可以快速地从大气压降低到处理压力，因此减少了处理物品所花费的时间。

有优势地，多个预抽空室36可以与真空泵吸装置30和处理室12串联连接。预抽空室36可以选择性地被放置成与所述处理室中的一个或多个处理室流体相通，使得所述预抽空室中的任何一个可以降低所述处理室中的任何一个处理室的压力。以此种方式，一个预抽空室36可以被用于在另一个预抽空室被真空泵吸装置30抽空时抽空处理室12。除了其它以外，可以选择的预抽空室的数量是处理压力、处理室的数量以及处理物品占去的时间的函数。

在压力控制装置28的图中未示出的一种可选择的布置中，高压泵吸单元可操作以便降低预抽空室内的压力，并且多个低压泵吸单元被连接在相应的处理室12和预抽空室之间，以便选择性地增加处理室中的一个或多个处理室与预抽空室之间的压力差。此布置可以优选地使得不要求使图中示出的预抽空室保持处于非常低的处理压力，而相反预抽空室被抽空到更容易或更有效地被保持的中间压力。

图3示出了通过等离子体沉积来使物品表面涂覆有薄膜聚合物层的可选择的设备40。为了容易理解，没有在图3中示出上面参照图1和图2描述的全部结构，比如感应装置和活性物质输送系统。

在图3中，多个处理室12容纳在中间室42中，中间室42适合于通过真空泵吸装置44保持在小于大气压的压力，并且优选地为低于处理压力的压力。该设备还包括一个或多个载荷锁定室(load lock chamber)(示出了两个载荷锁定室46、48)，这些载荷锁定室适合于在大气压力和中间室的压力之间循环，以允许物品50从设备的外面传递到中间室而不增加中间室中的压力。此设备是有优势的，因为其消除了在放置物品之后降低处理室内的压力的要求。因此，降低压力占用的时间以及另外的能量消耗可以被避免，从而增加物品的通过量。

机器人装置52是必需的且可在小于大气压的压力下操作，以便将物品50从载荷锁定室46传递到处理室12，并在处理之后将物品传递到另一载荷锁定室48。机器人装置52被用虚线表示以指示所需运动的范围。图3中示出了三个机器人。第一机器人51将物品从大气传递到中间室42并且容纳在第一载荷锁定室46中。第二机器人53将物品传递到处理室12以及从处理室12传递物品并且可在中间室内移动。第三机器人54将处理的物品从中间室传递到大气，并且容纳在第二载荷锁定室48中。

图4中示出了通过等离子体沉积来使物品表面涂覆有薄膜聚合物层的设备60的另一种布置。为了容易理解，没有在图4中示出上面参照图1和图2或图3描述的全部结构，比如感应装置和活性物质输送系统。

多个处理室62被支撑以便在加载或卸载位置以及处理位置之间运动。该处理室62被支撑以便在底座(在图4的平面图中未示出)上围绕轴X转动运动。运动是被电动机(也未示出)控制的。

在加载或卸载位置，处理室62适合于被保持在高于处理压力的压力(其可以为大气压)，而在处理位置时适合于被保持在处理压力。加载/卸载位置在图4中被用实箭头表示，而处理位置被用虚线箭头表示。气体进入室和从室离开优选地由合适的阀63控制。这些阀可以为单向阀。压力控制装置64包括真空室66以及真空泵吸单元68，以便将真空室66抽空至处理压力。

处理室62在加载或卸载位置和处理位置之间的运动自动地开始使处理室内的压力减小到所述处理压力。每一个处理室可以与允许气体离开室的单向阀63配合，使得当处理室转动到真空室66时，引起气体流动穿过其单向阀而进入真空室。当处理已经完成并且处理室被转动离开真空室66时，该室可以被排放到大气并且重新加载一物品。

现在将具体地参照图1和图2描述附图中示出的设备的使用，但是此用途也与图3和图4中示出的设备相关。

在图1和图2中，物品14被加载到处理室12中的夹具16上，该处理室12通过压力控制装置28被抽空到处理压力。因为压力控制装置包括预抽空压力，所以处理室内的压力可以相对快速地被降低。如果需要，预处理气体和蒸气可以被引入室。通过阀20和21的使用引起单体流动进入相关的处理室，并且在单体气体中感应有电流，引起等离子体的形成。等离子体处理步骤被延续达1秒到10分钟之间(取决于被处理的物品)。在处理过程中物品的运动可以被夹具16的运动控制。在完成沉积/处理步骤时，所有气体和蒸气在排放至大气压力之前从被抽空至低压的室隔离开。处理的物品被移除并且新物品被加载进入处理室12内。

本设备的优势在于处理物品所要求的任何步骤可以独立于处理室中的任何一个处理室实施。比如，加载、抽空、等离子体沉积、清洁、修理以及维护步骤中的任何一个步骤可以在任何一个处理室中实施或者被实施到任何一个处理室，而同时这些步骤中的任何一个步骤正在另一个处理室中被实施。此种布置显著地增加设备的潜在通过量，并且通过允许预防性维护来限制停机时间。

具体地参照处理室的抽空，处理室被抽空，这引起预抽空室中压力的增加。当该处理室中的处理正在被实施时，真空泵吸装置可以被操作以降低预抽空室内的压力，使得当要求抽空另外的处理室时，预抽空室处于要求的压力。此种布置减少处理物品占用的时间。

可以被涂覆有防水/斥水涂层的另外的物件包括：运动器械、高价值时尚物件比如时尚饰品、电器产品、个人电子装置比如蓝牙(BLUETOOTH)(商标)装置、移动电话、寻呼机、个人数字助理(PDA)、MP3装置、电缆、压缩光盘(CD)、膝上电脑以及键盘。

应理解，本发明可以独立于将要被涂覆的物件的想要的特性和性质以及为了实现想要的技术效果而与一系列不同的活性物质一起使用。

因此，例如，可以引入防腐物质以便在这样的物件中或者这样的物件上提供防腐涂层，比如：绷带、敷料以及紧急医疗设备；家具专用物件、浴室家具、急救包(first aid kits)、衣服物件；以及医疗、外科以及牙科设备。

可选择地，可以引入阻燃物质以便对这样的物件提供抗火性质，比如：衣服物品、皮革、织物材料以及覆盖物、纸品、电器产品、个人电子设备比如蓝牙(BLUETOOTH)(商标)装置、移动电话、寻呼机、个人数字助理(PDA)、MP3装置、电缆、压缩光盘(CD)、钞票以及信用卡。

在另一个实施方式中，将被引入的物质为蛋白质结合剂，该蛋白质结合剂适合于被引入骨以及牙移植物中，以便促进骨生长以及骨材料的结合，从而促进折断的骨或牙的重新生长/修复。

在另一个实施方式中，将被引入的物质可以为导电材料，该导电材料适合于被引入将被涂覆的物件的具体表面/区域。

应理解，本发明适合于涂覆针织的、缝制的、编织的或连接的织物或材料，比如，例如：皮革和带有或不带有结合的鞋底的鞋面。

使用两种或多种不同的物质多次涂覆物品以便提供两种或多种不同的效果，比如例如赋予物品防水和防火性质也在本发明的范围内。

虽然已经通过不同的例子和实施方式连同改进和变化形式描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，在阅读和理解本发明之后，另外的实施方式和修改将是明显的。所有这些实施方式和修改被预期落入由所附权利要求所界定的本发明的范围内。

Claims

1.一种用于涂覆的设备，其用于通过等离子体沉积来使物品的表面涂覆有薄膜聚合物层，所述设备包括：

至少一个处理室，一个或多个物品能放入所述至少一个处理室内；

等离子体形成装置，其与所述处理室相关联，所述等离子体形成装置可操作以在所述物质被提供到关联的处理室时在所述关联的处理室内建立电场以便形成等离子体，使得所述物品的表面能通过等离子体沉积而被涂覆有薄膜聚合物层；

用于提供随时间改变的电流的装置，其用于对所述等离子体形成装置提供随时间改变的电流；以及

压力改变装置，其用于选择性地控制所述处理室内的压力，以使所述室中的任何一个或多个室中的压力能独立于所述室中的另一个室中的压力被控制。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述等离子体形成装置包括感应装置，所述感应装置可操作以便在所述处理室内感生电场。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述等离子体形成装置包括电容装置，所述电容装置布置成在关联的处理室内形成电场以便形成等离子体。

4.如权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其中，所述涂覆是纳米涂覆物品的表面。

4.如权利要求2所述的设备，其中，所述感应装置包括导电材料线圈。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述线圈被埋置在相应的所述处理室的壁中。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述线圈在相应的处理室的外部。

7.如前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述处理室由电介质材料形成。

8.如前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述处理室由传导材料制成。

9.如前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述压力改变装置包括真空泵吸装置，所述真空泵吸装置能选择性地被放置成与所述处理室流体相通。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述真空泵吸装置包括高压泵吸单元以及低压泵吸单元，所述高压泵吸单元用于将压力从大气压降低到第一压力，所述低压泵吸单元用于将压力从所述第一压力降低到处理压力。

11.如权利要求9或10所述的设备，其中，所述压力控制装置包括预抽空室，所述预抽空室与所述真空泵吸装置和所述处理室串联连接，以使所述预抽空室能通过所述真空泵吸装置而保持在小于大气压的压力下，使得在所述预抽空室和所述处理室中的任何一个或多个处理室之间流体相通时，所述一个或多个处理室中的压力被降低。

12.如从属于权利要求10时的权利要求11所述的设备，其中，所述高压泵吸单元可操作以便降低所述预抽空室内的压力，并且多个所述低压泵被连接在相应的处理室和所述预抽空室之间，以便选择性地增加所述处理室中的一个或多个处理室和所述预抽空室之间的压力差。

13.如权利要求11或12所述的设备，所述预抽空室的内部体积大于所述处理室中的任何处理室的内部体积。

14.如权利要求11到13中任一权利要求所述的设备，其中，多个预抽空室与所述真空泵吸装置和所述处理室串联连接。

15.如权利要求11到14中任一权利要求所述的设备，其中，所述预抽空室能选择性地被放置成与所述处理室中的一个或多个处理室流体相通，使得所述预抽空室中的任何一个预抽空室能降低所述处理室中的任何一个处理室中的压力。

16.如前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述多个处理室容纳在中间室内，所述中间室适合于通过所述压力控制装置而被保持在小于大气压的压力下，所述设备还包括一个或多个载荷锁定室，所述载荷锁定室适合于在大气压力和所述中间室的压力之间循环，以允许物品从所述设备的外面传递到所述中间室而不增加所述中间室中的压力。

17.如权利要求16所述的设备，其包括机器人装置，所述机器人装置可在小于大气压的压力下操作，以便将物品从所述一个或多个载荷锁定室传递到所述处理室，并在处理之后将物品传递到所述一个或多个载荷锁定室。

18.如前述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，所述多个处理室被支撑，以便在加载或卸载位置和处理位置之间运动。

19.如权利要求18所述的设备，其中，在加载或卸载位置中，所述处理室适合于被保持在高于处理压力的压力下，而在处理位置中，所述处理室适合于被保持在处理压力下。

20.如权利要求19所述的设备，其中，所述处理室在加载或卸载位置和处理位置之间的运动自动地开始使所述处理室内的压力减小到所述处理压力。

21.如权利要求18到20中任一权利要求所述的设备，其中，所述处理室被支撑，以便在底座上围绕轴转动运动。

22.如任一前述权利要求所述的设备，其中，设置有用于产生分子重新排列的装置，从而使正被涂覆的物品产生新的表面性质。

23.一种用于涂覆的方法，其用于通过等离子体沉积来使物品的表面涂覆有薄膜聚合物层，所述方法包括使用依据权利要求1到22中任一权利要求所述的设备。

24.一种物件，其依据权利要求23所述的方法涂覆。