CN102373443A - 等离子体处理装置和沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体处理装置，包括：保持器，该保持器将要进行处理的物体保持在真空腔室中，同时与该物体电连接；第一卷取部分，该第一卷取部分设置成卷取导电板，并在等离子体处理时设置为与物体不同的电势；以及第二卷取部分，该第二卷取部分设置成卷取由第一卷取部分供给并经过对着由保持器保持的物体的处理表面的位置的导电板。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理装置、一种沉积方法、一种制造具有DLC(金刚石状碳)薄膜的金属板的方法、一种制造分离器的方法以及一种制造物品的方法，更特别是，本发明涉及一种等离子体处理装置，适用于将绝缘薄膜沉积在电极上的等离子体处理，还涉及一种沉积方法、一种通过使用这样的等离子体处理装置来制造具有DLC薄膜的金属板的方法、一种制造分离器的方法以及一种制造物品的方法。
背景技术
硬碳薄膜或DLC薄膜由于它的特性(高硬度、高耐磨性、高润滑能力和高耐化学品性)而预计将被用于多种机械和电子部件或功能装置的保护涂层。作为形成该DLC薄膜的一种方法，已知等离子体CVD(化学汽相沉积)，该等离子体CVD通过进行烃气体的等离子体分解和使得离子沉积在基体上而形成薄膜。
在这些方法之外，用于向目标部件施加DC(直流)或脉冲DC电的等离子体CVD方法是使用目标部件作为阴极以及使用环绕目标部件的真空容器或屏蔽件作为阳极的处理方法(见“SOKEIZAI”，由SOKEIZAI Center发表，Vol.48(2007)，12月，15至20页)。该技术能够通过使得由在目标部件和屏蔽件之间的等离子体放电而产生的烃气体离子与目标部件的表面碰撞，从而在目标部件的表面上形成DLC薄膜。与使用RF(射频)放电的沉积相比，通过DC或脉冲DC放电而进行的DLC沉积广泛使用，因为DLC沉积使用便宜的装置结构，并能够很容易地处理具有较大面积和复杂形状的目标部件。
不过，根据使用DC或脉冲DC放电的普通DLC沉积技术，由于烃气体的分解，碳薄膜也沉积在阳极上，该阳极是环绕目标部件的真空腔室或屏蔽件。沉积在阳极上的碳薄膜具有在薄膜中的较大氢含量和较高绝缘特性。使绝缘薄膜沉积在阳极上将逐渐改变在阳极附近产生的阳极辉光状态。这可能导致不能获得可重复的放电和沉积。此外，因为在阳极上的薄膜沉积并不均匀，因此阳极辉光可能集中在由于较小薄膜沉积而保持导电性的部分上。这可能引起频繁的不正常放电。
通常，为了稳定放电和沉积，作为阳极(绝缘薄膜沉积在该阳极上)的屏蔽件由新的屏蔽件定期更换。不过，这样的方法需要向大气打开真空腔室以便进行更换操作，因此可能延长维护时间。
还可以有通过引入蚀刻气体(例如氧气)和在要蚀刻碳薄膜时引起放电而除去在真空腔室中的沉积薄膜的方法。不过，用于在阳极上的沉积薄膜的蚀刻速率较低，因为缺乏离子辅助效果，因此，完全蚀刻沉积薄膜所花费的时间比沉积所需的时间更长。
此外，日本专利公开No.2007-191754公开了一种用于维持长时间放电的稳定性的技术，即通过使用紧凑阳极、由在阳极上的极度集中电流来加热阳极、以及将沉积的碳薄膜改变成导电薄膜。不过，电流在阳极上的集中引起不均匀的总体放电。这很难保证在特别大基体上的均匀沉积。
发明内容
本发明通过即使在等离子体处理装置的长时间连续操作中也稳定等离子体放电状态而有利地在沉积处理中获得很高的可重复性。
本发明的第一方面提供了一种等离子体处理装置，它包括保持器，该保持器将要进行处理的物体保持在真空腔室中，同时与该物体电连接，该装置包括：第一卷取部分，该第一卷取部分设置成卷取导电板，并在等离子体处理时设置为与物体的电势不同的电势；以及第二卷取部分，该第二卷取部分设置成卷取由第一卷取部分供给并经过对着由保持器保持的物体的处理表面的位置的导电板。
本发明的第二方面提供了一种通过使用上述等离子体处理装置而在金属板的表面上形成碳薄膜涂层的沉积方法，该方法包括以下步骤：使得第二卷取部分卷取导电板的表面的一部分，绝缘薄膜沉积在该部分上，并使得导电板的、上面没有沉积绝缘薄膜的表面部分定位成对着由保持器保持的物体的处理表面。
本发明的第三方面提供了一种制造具有DLC(金刚石状碳)薄膜的金属板的方法，它包括通过使用上述等离子体处理装置而在金属板的表面上形成碳薄膜涂层的处理，该方法包括以下步骤：使得第二卷取部分卷取导电板的表面的一部分，绝缘薄膜沉积在该部分上，并使得导电板的、上面没有沉积绝缘薄膜的表面部分定位成对着由保持器保持的物体的处理表面。
本发明的第四方面提供了一种制造分离器的方法，它包括通过使用上述等离子体处理装置而在预定金属板的表面上形成碳薄膜涂层的处理，该方法包括以下步骤：使得第二卷取部分卷取导电板的表面的一部分，绝缘薄膜沉积在该部分上，并使得导电板的、上面没有沉积绝缘薄膜的表面部分定位成对着由保持器保持的物体的处理表面。
本发明的第五方面提供了一种等离子体处理装置，用于在真空容器中在要处理的物体上进行等离子体处理，该装置包括支承机构，该支承机构设置成支承导电板，以便使得导电板的一部分对着物体，导电板在第一辊和第二辊之间延伸，使得第二辊从第一辊上卷取导电板，其中，当电压施加在导电板和物体之间时，对于物体进行等离子体处理。
本发明的第六方面提供了一种制造物品的方法，该方法包括以下步骤：在导电板的第一部分对着物体的状态下当在导电板和要处理的物体之间施加电压时对于物体进行等离子体处理，导电板在第一辊和第二辊之间延伸，使得第二辊从第一辊上卷取导电板；以及使得第二辊卷取导电板，以便使得第一部分运动。
本发明的一个方面的优点是，通过卷取涂覆有绝缘薄膜的导电板(金属板)以便供给新的金属表面，将长时间施加稳定的沉积，从而防止由于绝缘薄膜沉积在电极上而引起的放电变化或异常放电。
此外，根据本发明的一个方面，因为不需要从屏蔽件上清洁沉积的薄膜，因此能够大大提高装置的使用效率和生产率。这导致降低生产成本。
通过下面参考附图对示例实施例的说明，将清楚本发明的其它特征。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的沉积装置的侧视图；
图2是根据本发明第一实施例的沉积装置的剖视图；
图3是根据本发明第二实施例的沉积装置的剖视图；
图4是根据本发明第三实施例的沉积装置的剖视图；以及
图5是表示在实例中在阴极和阳极上的沉积速率和蚀刻速率之间的对比表的曲线图。
具体实施方式
图1是根据本发明第一实施例的真空处理装置的示意图。图1中的真空处理装置(等离子体处理装置)是一列式真空处理装置，它包括相互连接的多个真空腔室(真空容器)1a、1b和1c，并在该多个真空腔室1a、1b和1c中顺序处理要处理的物体。各真空腔室1a、1b和1c通过抽真空系统(未示出)而抽真空。闸阀4用于各真空腔室，以便能够独立地进行特定真空处理。真空腔室1a、1b和1c各自包括输送装置，用于顺序输送要处理的物体11(目标部件或金属板)。输送装置沿设置于该多个真空腔室1a、1b和1c中以便穿过它们延伸的输送路线来输送保持器12，要处理的物体布置在该保持器12上。
本发明的真空处理装置或等离子体处理装置可以通过连接多个真空腔室而形成，各真空腔室能够执行任意真空处理。图1中示例表示的真空处理装置或等离子体处理装置包括用于加热的真空腔室1a、用于通过等离子体CVD而进行等离子体处理(沉积处理)的真空腔室1b以及作为冷却单元的真空腔室1c。真空腔室1a(加热单元)将要处理的物体加热至预定温度。真空腔室1b(放电单元)通过等离子体CVD来进行沉积处理。真空腔室1c(冷却单元)使得基体冷却至预定温度。在下面的说明中，当不需要区分时，各真空腔室1a、1b和1c将称为真空腔室1。
当物体11在各真空腔室1中的处理完成后，闸阀4打开，以便将物体11(该物体作为置于保持器12上的目标部件)输送至下一个真空腔室1。在完成输送后，闸阀4关闭，且各真空腔室1对于下一个物体11重复类似处理。尽管图1表示了三个真空腔室，但是连接的真空腔室的数目是任意的。
图2是图1中所示的真空处理装置中的真空腔室1的、横过输送通路的剖视图。图2中的真空处理装置设置成在物体11的两个表面上同时形成薄膜。不过显然，该装置能够用于在一个表面上形成薄膜的处理。沉积气体引入真空腔室(真空容器)1中，且通过控制排出口2的气体流动速率和气传导率而使得真空腔室1中的压力设置成预定压力。在真空腔室1中的压力达到预定压力之后，DC或脉冲DC电30施加给作为阴极的保持器12和物体11。该处理在物体11和作为阳极的接地金属板20(导电板)之间产生等离子体31。等离子体使得沉积气体分解，且通过阴极的电势而加速的离子在物体11的表面上形成薄膜。应当知道，因为保持器12设置成在保持物体11的同时与该物体11电连接，因此可以通过保持器12而向物体11施DC或脉冲DC电30。
金属板20环绕辊21来缠绕。辊22卷取由辊21供给并经过对着物体11的处理表面的位置的金属板20。首先，整个未使用的金属板环绕辊21缠绕(第一卷取位置)。随着物体11的连续沉积处理的进展，绝缘薄膜沉积在金属板20的表面上，从而导致电阻增加。例如，进行下面的操作，以便防止在金属板20的表面上的电阻增加影响放电的稳定性。当完成在预定数目的物体11上的沉积之后，辊22(第二卷取部分)旋转，以便卷取一部分金属板20(绝缘薄膜沉积在该部分金属板20上)，从而由辊21供给金属板20，并使得未使用的部分(也就是新的金属表面)对着放电空间。这能够再次降低作为阳极的金属板20的表面电阻，并因此能够保证放电的稳定性。
辊21和22可以设置成包括制冷剂流动通路，冷却水(制冷剂)流过该制冷剂流动通路。冷却辊21和22能够抑制金属板20的温度升高。更具体地说，制冷剂流过的流动通路优选是形成于辊21和辊22中的至少一个的芯部分中。
尽管对金属板20的材料和厚度并不限制，但是考虑到成本和储存特性，使用的薄铝板的厚度优选是薄至0.1mm或更小，例如0.01mm至0.05mm。引导辊23(调节部分)布置在辊21和22以及物体11之间。定位引导辊23能够调节在金属板20和物体11之间的距离，也就是在放电阳极和放电阴极之间的距离。这能够使距离保持恒定，而不管金属板20怎样环绕辊21和22缠绕。引导辊23还用于调节金属板20的拉伸力。更具体地说，引导辊23可以通过弹性部件(例如弹簧)而可滑动地安装成以恒定负载按压金属板20。显然，可以通过保持向一个或两个辊21和22施加拉伸力来调节金属板20的拉伸力。引导辊23构成用于支承导电板20的支承机构，该导电板20在辊21和22之间拉伸或延伸，以便由该辊21和22卷取，从而形成在辊21和22之间的、对着物体11的部分。
环绕放电空间以便保护薄膜附件的屏蔽件13能够安装在真空腔室1的壁上。屏蔽件13提供有开口，以便使得金属板20的两个表面中的一个对着物体11的第一和第二处理表面。因为屏蔽件13以浮动电势设置，因此，即使沉积在屏蔽件13上的薄膜由于连续处理而增加，也不会影响放电。通常，屏蔽件13能够由多个部件构成。
当薄膜继续沉积在作为阳极的金属板20上时，辊21和22合适旋转，以便使得一个辊22卷取金属板20的一部分(薄膜沉积在该部分上)，同时使得另一辊21供给金属板20，从而使得新的金属板20部分对着作为阴极的物体11。更具体地说，在该实施例中，因为使用金属板20的两个表面中的一个，因此优选是当卷取金属板20的一部分(薄膜沉积在该部分上)时，卷取金属板20的、在辊21和22之间拉伸的部分。
当环绕辊21缠绕的金属板20用完时，辊21和22能够同时替换。更具体地说，可以用新的辊替换已经卷取了金属板20(薄膜沉积在该金属板20上)的辊22，并可以用上面缠绕了新金属板的辊21来替换金属板20已经用完的辊21。
图3是根据本发明第二实施例的真空处理装置的剖视图。与图2中的第一实施例的主要区别是金属板20的两个表面中的一个对着作为阴极的物体11的两个表面(上表面和底表面)中的一个，而金属板20的两个表面中的另一个对着物体11的两个表面(上表面和底表面)中的另一个。更具体地说，第二实施例与第一实施例的结构区别在于辊21(未使用的金属板20环绕该辊21缠绕)的位置改变，并增加了引导辊24。
在第二实施例中，因为使用金属板的两个表面(上表面和底表面)，因此，卷取金属板的一部分(薄膜沉积在该部分上)和以新的金属板部分替换该部分的方法与上述第一实施例中的方法不同。也就是，金属板20可以运动，以便以上面没有形成薄膜或者形成的薄膜量小于允许值的部分来替换金属板的、在上部和底部辊23对之间延伸的区域中的部分(薄膜形成于该部分上的量超过允许值，因为暴露于等离子体中)，并使它对着物体11。例如，通过由辊21供给金属板且供给长度等于在一对引导辊23(该对引导辊23沿竖直方向布置以便支承金属板20)之间的距离，可以以新的部分来替换金属板20的、暴露于等离子体中的一部分，以便对着物体的表面(第一或第二处理表面)。这与第一实施例相比减少了使用的金属板20的量。例如，使用的金属板的量等于或小于在第一实施例中的量的一半。这能够期待增加连续工作时间和减少使用的金属板的量。
图4是根据本发明第三实施例的真空处理装置的剖视图。与图2中的第一实施例的主要区别在于：第三实施例包括两组辊21和22，这两组辊21和22分别布置在作为阴极的物体11的两侧。如图4中所示，辊组(在物体11的一侧拉伸的金属板20环绕该辊组缠绕)包括辊21a和22a，且卷取在物体11的另一侧拉伸的金属板20的辊组包括辊21b和22b。
辊22a和22b连接，以便由一个马达的驱动轴来同步驱动。在图4的结构中，辊22a和22b布置在上侧，辊21a和21b布置在下侧。不过，这些辊的位置可以竖直反转。该实施例能够简化装置的结构，因为金属板进行拉伸的距离较短。此外，提供两组辊21和22能够增加同时布置在真空腔室中的金属板量，并延长能够进行连续操作的时间。
在上述各实施例中，构成一列式真空处理装置的处理腔室中的一个提供有辊21和22以及引导辊23，根据本发明的金属板在它们之间伸展。不过，本发明并不局限于一列式的真空处理装置。显然，例如本发明能够用于等离子体CVD处理腔室，该等离子体CVD处理腔室设置成用于批处理。
实例
多个200mm2、0.1mm厚的不锈钢板(钢板)分别作为物体11而沿竖直方向保持在铝基体保持器上，并通过多个真空腔室1来进行处理。在作为多个腔室中的一个的CVD处理腔室中，脉冲DC电施加给物体，以便通过等离子体CVD利用烃气体(例如乙烯气体)而使它涂覆有碳薄膜。0.05mm厚的铝板20作为阳极(地电势)而伸展，以便对着物体11的两个表面。作为用于增加等离子体密度的装置(通过限制放电)，由多个永磁体构成的磁体组(磁体)能够布置在作为阳极的铝板20的后面(在与物体相反的一侧)。在作为阳极的铝板和作为阴极的物体11之间的距离保持恒定(60mm)。显然，可以使用电磁铁作为要布置在金属板20后面的磁体组。
作为沉积条件，要引入的乙烯气体的流速调节为100sccm，腔室的内部压力调节为4Pa。400V、150kHz的脉冲DC电施加在物体和保持器上，用于进行30秒的放电，以便形成碳薄膜。使用级差计(stepdifference meter)的薄膜厚度测量显示，在作为阴极的不锈钢板上和作为阳极的铝板中心部分上的沉积速率分别为1.2nm/sec和1.4nm/sec。由于离子轰击和形成的温度升高，在阴极上的沉积速率稍微低于阳极上的沉积速率。
此外，通过在500sccm的氧气和7Pa的压力下向阴极施加300V、150kHz的脉冲DC电而进行15秒放电。然后估计在阴极和阳极上沉积的碳薄膜的蚀刻速率。使用级差计的测量显示，在作为阴极的不锈钢板上和作为阳极的铝板中心部分上的蚀刻速率分别为4.0nm/sec和0.4nm/sec。由于离子轰击的辅助效果，在阴极上的蚀刻速率比阳极上的高大约10倍。
图5表示了上述测量结果。结果显示，在阳极上的碳沉积速率比通过氧气放电而获得的蚀刻速率高三倍或更多。当通过利用模型基体作为阴极的氧气放电蚀刻来清洁阳极时，需要比沉积时间长三倍的处理时间，且在不进行清洁的情况下，装置的生产率将在连续沉积处理中降低至1/4或更小。可以设想通过增加向阴极施加的电功率来增加蚀刻速率。不过，较大电功率已经施加给阴极，因此，在更高电压和较大电流的情况下进行放电可能引起异常放电或损坏保持器。使用环绕辊缠绕的金属板作为阳极能够在不进行清洁的情况下进行连续沉积处理，并能够保持较高生产率。
上述实施例和实例示例说明了DLC薄膜形成于物体11表面上时的情况。不过显然，本发明可以用于通过利用TiN、TiCn、TiAlN、TiAlCN、TiAlON、TiAlSiCNO等而在阴极上形成绝缘薄膜的等离子体处理(沉积处理)。上述实施例示例说明了使用物体作为阴极和使用金属板20作为阳极的等离子体CVD沉积处理。不过显然，本发明也可以用于使用物体作为阳极和使用金属板20作为阴极的等离子体蚀刻装置。
本申请的上述实施例和实例包括通过使用根据本发明的等离子体处理装置和沉积方法来制造用于聚合物电解质燃料电池(PEFC)的分离器。本发明的等离子体处理装置和沉积方法可以用于在具有预定形状的不锈钢板的表面上形成碳薄膜涂层的方法。更具体地说，200mm2、0.1mm厚的不锈钢板由铝基体保持器来竖直保持，并输送给多个真空腔室。在作为多个腔室中的一个的CVD处理腔室中，脉冲DC电施加给物体，以便通过使用乙烯气体的等离子体CVD而使它涂覆有碳薄膜。
尽管已经参考示例实施例介绍了本发明，但是应当知道，本发明并不局限于所述示例实施例。下面的权利要求的范围将根据最广义的解释，以便包含所有这些变化以及等效结构和功能。
Claims (12)
1.一种等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括保持器，该保持器将要进行处理的物体保持在真空腔室中，同时与该物体电连接，所述等离子体处理装置包括：
第一卷取部分，该第一卷取部分设置成卷取导电板，并在等离子体处理时设置为与物体的电势不同的电势；以及
第二卷取部分，该第二卷取部分设置成卷取由第一卷取部分供给并经过对着由保持器保持的物体的处理表面的位置的导电板。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：调节部分，该调节部分布置成与导电板的、位于第一卷取部分和第二卷取部分之间的部分接触，并设置成调节在所述部分和所述物体之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中：导电板的、位于第一卷取部分和第二卷取部分之间的部分布置在由保持器保持的物体的前表面和后表面的两侧。
4.根据权利要求3所述的装置，其中：导电板的、位于第一卷取部分和第二卷取部分之间的部分定位成使得导电板的两个表面中的一个对着由保持器保持的物体的两个表面。
5.根据权利要求3所述的装置，其中：导电板的、位于第一卷取部分和第二卷取部分之间的部分定位成使得导电板的两个表面中的一个对着由保持器保持的物体的两个表面中的一个，并使得导电板的两个表面中的另一个对着由保持器保持的物体的两个表面中的另一个。
6.根据权利要求1所述的装置，其中：制冷剂流动通路提供为用于第一卷取部分和第二卷取部分中的至少一个，制冷剂流过该制冷剂流动通路。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：磁体，该磁体布置成使得导电板的、对着由保持器保持的物体的部分夹在该磁体和该物体之间。
8.一种通过使用根据权利要求1所述的等离子体处理装置而在金属板的表面上形成碳薄膜涂层的沉积方法，该方法包括以下步骤：使得第二卷取部分卷取导电板的表面的一部分，绝缘薄膜沉积在该部分上，并使得导电板的、上面没有沉积绝缘薄膜的表面部分定位成对着由保持器保持的物体的处理表面。
9.一种制造具有金刚石状碳薄膜的金属板的方法，该方法包括通过使用根据权利要求1所述的等离子体处理装置而在金属板的表面上形成碳薄膜涂层的处理，该方法包括以下步骤：使得第二卷取部分卷取导电板的表面的一部分，绝缘薄膜沉积在该部分上，并使得导电板的、上面没有沉积绝缘薄膜的表面的部分定位成对着由保持器保持的物体的处理表面。
10.一种制造分离器的方法，该方法包括通过使用根据权利要求1所述的等离子体处理装置而在预定金属板的表面上形成碳薄膜涂层的处理，该方法包括以下步骤：使得第二卷取部分卷取导电板的表面的一部分，绝缘薄膜沉积在该部分上，并使得导电板的、上面没有沉积绝缘薄膜的表面的部分定位成对着由保持器保持的物体的处理表面。
11.一种等离子体处理装置，用于在真空容器中在要处理的物体上进行等离子体处理，该装置包括支承机构，该支承机构设置成支承导电板，以便使得导电板的一部分对着物体，导电板在第一辊和第二辊之间延伸，使得第二辊从第一辊上卷取导电板，
其中，当电压施加在导电板和物体之间时，对于物体进行等离子体处理。
12.一种制造物品的方法，该方法包括以下步骤：
在导电板的第一部分对着物体的状态下当在导电板和要处理的物体之间施加电压时对于物体进行等离子体处理，导电板在第一辊和第二辊之间延伸，使得第二辊从第一辊上卷取导电板；以及
使得第二辊卷取导电板，以便使得第一部分运动。
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