CN103237919B - 模块化涂料器分离 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在真空下将多层涂料叠层沉积在平的玻璃基板上的过程，并且涉及用于将薄层沉积在平的玻璃基板上的模块化涂料器。布置在模块化涂料器的两个沉积区域之间的气体分离区域包括在用于玻璃基板的传送路径附近的至少一个气体注射器，该玻璃基板通过孔从一个沉积区域经由分离区域朝着另一个沉积区域行进。本发明使得能够提高两个沉积区域之间的分离系数。

Description

模块化涂料器分离
技术领域
本发明涉及用于在真空下以不间断的方式将多层涂料叠层（multi-layers coating stack）沉积在平玻璃基板上的方法、以及用于在真空下以不间断的方式将多层涂料叠层物沉积在大玻璃基板（其例如具有2、3或者4米的宽度，例如为3.21米）上的涂料器设备。在涂料器设备中，玻璃基板或玻璃片材彼此相距数厘米地一个接一个；因此，在它们之间存有间隔。这种设备是阴极溅射设备或者PVD（物理气相沉积）涂料器，并且可以是磁性增强溅射设备，也被称为磁控管。例如，这种设备还可以是PECVD（等离子增强型化学气相沉积）涂料器。
背景技术
多层涂料可以包括一个或者更多个并尤其是三个甚至四个由介电层包围的红外线反射银层，诸如金属氧化物或金属氮化物层。涂覆有这种多层涂料的玻璃基板可以用于构造太阳能控制玻璃嵌板或低辐射率玻璃嵌板。带涂料的玻璃基板可以与另一玻璃基板组装以形成绝缘玻璃组件（IGU），或者与另一玻璃基板层合以形成车辆透明件（例如，挡风玻璃）。
“在真空下”一词意指沉积区域内的压力减小到显著低于标准大气压的值，例如减小到0.1mTorr和99mTorr（10-3Torr）之间并且例如优选在0.5和15mTorr之间的压力。
涂料的相类似的层（例如金属层）中的每一层或每一组与溅射区域（即，沉积区域）相对应，该溅射区域包括与待沉积层相对应的阴极（目标）的一个或更多个位置（一个位置就是一个电源舱（sourcebay）），并且在该溅射区域中，仅包含氩气的特定气氛或者包含氩气还有氧气或者氮气或另一特定气体的特定气氛维持在减小的压力下。模块化涂料器的一个模块通常可以包括三个（有时是四个）沉积区域，这些沉积区域与三个泵吸区域关联，以便在沉积区域中维持需要的低压力水平。由于新涂料叠层的复杂性高以及层数不断增加，尤其是对于具有至少三个红外线反射层（银层）的涂料，需要的沉积区域数量增加，目前设备也变得太小。
还要求涂料器具有高灵活性，以便在相同生产线上可以产生出数种涂料，例如可热处理式涂料和不可热处理式涂料。这使得所需位置数量增加。还要求缩短产生涂料所必须的时间周期。
在真空下操作的涂料器（诸如磁控管）上，需要在沉积区域（或容室）（也称为“涂覆区域”）之间有气体隔离系统以将不同的处理过程分隔开来。例如，在平玻璃上产生单层、双层或三层低辐射率银涂料的处理过程中，需要注射纯氩气的金属银沉积与需要注射氧气（O2）或氮气（N2）流的电介质溅射彼此相邻。在没有气体隔离区域的情况下，金属溅射容室中的O2或N2的分压力太高而无法获得Ag层的良好金属性能。这是为什么要用常被称为气体分离区域的部分（其优选具有泵吸装置，因此在本案中也称为泵吸部分）将这两个沉积区域分开的原因。对沉积区域之间的隔离的设计取决于涂料器的类型。用于玻璃工业的大面积涂料器的两个主要供应商是AMAT（前身是BOC）和Von Ardenne。
AMAT类型的模块化涂料器通过多个泵吸通道实现隔离。所述通道是接合到沉积容室周边的电导限制孔（conductance-limitingaperture）。在每一个气体分离区域中设有三个通道。所述孔可以调节，以便适应厚度不同的玻璃（基板）。在孔与孔之间形成有泵吸间隙。每一个间隙由专用的16英寸扩散泵（DP）泵吸。对于标准设计，总共有6个DP与隔离部分连接。在本案中，在通道两旁各添置带有2个DP的通道部分来实现对特别敏感涂料的额外隔离阶段。标准隔离部分的总长度是大约2000mm。
对于Von Ardenne类型涂料器，气体分离区域被称为“泵部分”，与执行处理的“溅射部分”对置。泵部分的宽度与处理容室相等，并等于780mm。它配备有两个隔离通道。一个通道是放置在通行线之上大约25mm处的全金属板；在涂料器的顶侧壁上，存在有穿过相邻处理容室的开口。第二个通道是在中心处有沿涂料器宽度（与玻璃传送方向垂直）的狭缝的金属板，通过此狭缝实现在那个部分中的气体泵吸。泵部分两个节段中的每一个节段通过一个至三个涡轮分子泵（TMP）泵吸。这些泵沿两条平行线固定在盖子上。
位在两个溅射容室之间的隔离部分的性能被称为隔离系数或气体分离系数（SF）。通过将溅射容室抽真空到低于10-5mbar的压力水平来测量该系数。氩气被供给到沉积区域（区域1）中达5xl0-3mbar的压力水平（填充压力）。在气体分离区域的另一侧上的沉积区域（区域2）处测量压力（测试压力）。然后，重复该测试，此时Ar气体被供给到区域2中，而在区域1中测量压力。平均气体分离系数（SF）应如此计算：0.5((填充压力区域1/测试压力区域2)+(填充压力区域2/测试压力区域1))。为了进行此计算，通道中不存有玻璃。实际上，由于在沉积处理期间基板之间存有间隔，因此有规律地出现没有玻璃基板的时刻，因此必须在没有玻璃基板的情况下分离才是有效的，并且必须在没有玻璃基板的情况下评估分离系数。
在现存工业生产线上，已对分离系数进行了测量。对于AMAT模块化涂料器设计，隔离区域的值在25与50之间。对于单个VonArdenne类型泵部分而言，根据泵数量和通道板高度，隔离区域的值在30与200之间。当有2个并排的泵部分时，该系数增大到400。
总之，可以注意到，分离区域都基于相同的原理；它是在两个沉积区域之间的长区域（在780mm与2000mm之间），其中，通过将通行线调整至通道（金属板）距离而使得电导性降低。在存在孔（旁边安装有泵）的情况下，该区域多少是敞开的。这可以被定义为相当静态的设计。
现有技术涂料器被设计成在沉积区域或溅射容室之间具有静态气体隔离。这种构造根据规格所给出的最小气体分离系数为30，但在最佳的情况下在涂料器上测得的实际值大约为400。
发明内容
本发明的目标在于提高涂料器中的两个沉积区域之间的气体分离。
本发明涉及用于将多层涂料叠层沉积在平玻璃基板上的方法，所述方法包括：在真空下在具有第一气氛类型的第一沉积区域中沉积至少第一层，并在具有第二气氛类型的第二沉积区域中沉积至少第二层，所述第二气氛类型通过分离区域与所述第一气氛类型分离，其中所述平玻璃基板沿传送路径通过所述分离区域从所述第一沉积区域移动到所述第二沉积区域，其特征在于，气体在所述传送路径的附近被注射到所述分离区域中，以便增大两个气氛类型之间的分离系数。
措辞“在……的附近”意指从大约1mm到大约500mm的距离。气体注射以可调节气体流的形式被引入，该气体流可以根据当前的沉积处理过程和设置来容易地调节。对被注射气体流的流量调节实现了分离系数的动态适应。
优选地，借助泵吸操作来吸取分离区域内的气氛的气体。这增大了分离系数。
本发明也涉及用于在真空下将薄层沉积在平基板上的模块化涂料器，所述模块化涂料器具有至少两个沉积区域，在所述至少两个沉积区域之间存在有气体分离区域，并且所述模块化涂料器具有用于玻璃基板的传送路径，所述玻璃基板从一个沉积区域经由分离区域朝着另一个沉积区域通行经过孔，其特征在于，所述气体分离区域包括在所述传送路径附近的至少一个气体注射器。
优选地，气体分离区域还包括泵吸装置，所述泵吸装置用来将所述气体抽离所述气体分离区域。这是用于增大分离系数的方便装置。
优选地，覆盖装置布置在传送路径上方，从而当在气体分离区域内的传送路径上有玻璃基板被传送时，覆盖装置与该传送路径一起限定出通道，并且所述至少一个气体注射器布置在所述通道内。这有助于获得气体注射的高效率。
在涂料器例如是磁控管的阴极溅射设备的实施例中，沉积区域是具有一个或更多个阴极舱（cathode bay）的溅射区域。
优选地，注射器布置在传送路径和顶壁之间与传送路径相距5mm和50mm之间的距离处，以便与在传送路径上移动的基板限定出所述通道的一部分。优选地，气体注射器布置成与传送路径相距的距离为10mm和100mm之间，有利地在15mm到50mm之间，并且例如为大约20mm。气体在传送路径上方被注射，但除了在传送路径上方被注射外，它也可以在传送路径下方被注射。
本发明提供了通过在将两个沉积区域分离开的低电导性通道中注射可调节的气体流而修改气体分离效果的动态方式。优选地，通过将泵理想地连接在通道之上来泵吸被注射用于提高该分离效果的气体；这限制沉积区域中的压力增加。
相当令人惊讶的是，在气体分离区域中注射气体提高了分离系数。相反地，人们会认为那将干扰沉积区域中的沉积处理过程。
令人惊讶地，我们已经发现，本发明能够实现更高的分离系数，高达2倍到20倍之间。这种提高还可以降低的成本组合起来，降低的成本主要归因于两个因素：气体分离区域的长度减小和涡轮分子泵的数量减小。
本发明的另一优点是，这种气体注射使得分离系数可以容易地调节，并且可达到的性能高到能让尺寸显著地减小。
这种分离系数的增大提供了调整沉积区域之间的分离效率的灵活方式，并且被称为动态分离通道。
本发明的其它优点是：
－分离系数显著高于现有技术设计中的分离系数；
－分离系数可以通过修改被注射气体的量来调节；
－分离系数的范围可以从1变化到10000；
－实现与现有技术设计等同的分离效果所需的间隔变短；
－沉积容室中的压力可以通过泵吸能力控制，并且可以维持在用于溅射处理的可接受的数值内（0.1mTorr到99mTorr，优选地0.5mTorr到15mTorr）；
－对于需要非常高的分离系数的特定应用场合，可以安装彼此靠近的两个或更多个动态分离通道；
－由根据本发明的气体分离区域分离开的两个沉积区域可以在不同的压力水平下操作。
传送路径可以是空气垫上的传送。优选地，传送路径实际上是滚柱式传送器。用滚柱式传送器来传送一连串的玻璃基板阻止了使用窄的孔来进入和离开分离区域。此外，在各种系列的生产过程之间，玻璃基板会具有不同的厚度：这在为孔定尺寸时必须加以考虑。
附图说明
仅出于说明目的而给出以下附图，但它们不会限制本发明的范围：
图1涉及本发明的第一实施例，该图示出了两个沉积区域，在这两个沉积区域之间有分离区域；
图2涉及本发明的第二实施例，该图示出了两个沉积区域，在该两个沉积区域之间有分离区域。
具体实施方式
图1和图2示意性地示出的模块包括形成第一和第二沉积区域（A）的两个容室，分离区域或容室（B）位于第一和第二沉积区域之间。沉积区域的可选的泵吸装置没有被示出。分离区域包括在传送路径上方的两个隔间（D）。每一个隔间（D）在顶部包括至少一个泵吸装置（C），该泵吸装置可以被激活或不被激活，以便维持隔间内的低压力水平并调节分离系数。
在分离容室内，通过滚柱式传送器（F）使传送路径（H）具体化。在第一沉积区域（A）与分离区域（B）之间存在孔（G），用于让玻璃基板通行。类似地，在分离区域（B）与第二沉积区域（A）之间存在孔口（G）。
每一个泵吸隔间（D）在下方由板形式的覆盖装置关闭，该覆盖装置布置在传送路径上方大约10mm到50mm处，从而在两个沉积区域之间在传送路径上方与基板（当它存在时）一起形成通道路径。每一个板中有狭缝（K），该狭缝允许泵吸装置从通道路径抽取气体。
在通道路径的入口和出口附近布置有气体注射器（E），该气体注射器被固定在覆盖通道路径的板上。每一个气体注射器是钻有洞的管道，由此，气体朝着传送路径的方向在其上方大约20mm处注射。
在图2中，在每一个沉积区域（A）和泵吸隔间（D）之间还存在侧孔（J）以允许通过泵吸隔间从沉积区域抽取气体。
通过调节和/或组合不同参数，可以进一步增大气体隔离系数或气体分离系数（SF）。在那些参数中，可以找出气体分离区域的多个尺寸——诸如在通行线（H）上方的孔径（参见图1中的附图标记G）、隔离通道（B）的长度、涂料器的宽度和所存在的泵（C）的数量。修改尺寸和增加泵吸能力是进行分离的常用方式，其被称为静态分离。将分离容室（区域）的长度缩短三分之一可以将气体分离系数减小大约50%。将泵吸能力一分为二可以在所有其它参数不变的情况下将分离系数减小10%。
为了验证本发明与现有技术相比的效果，我们已经进行以下测试。
为了展示在分离区域中在没有额外泵吸的情况下的单注射效果，我们将中性气体如氩气注射添加到分离容室中。实验显示，2000sccm（标准立方厘米/分钟，即，气体流量测量）的注射量可以使分离系数增大约2.5倍。10000sccm的注射量可以使分离系数增大约20倍。这显示通过本发明可实现的分离系数的极高灵活性。
通过给分离区域增加泵吸能力可以改进以上结果。如果我们考虑与已有设计类似的泵吸能力，分离区域中的气流注射加上泵吸能力的改进使得分离系数增大3.75倍至30倍。
对分离区域中的泵吸部分的设计修改包括将泵吸容室的顶侧上的侧孔（图2中的J）关闭，这可以将分离系数的值提高40%。
本发明提供以下可能性：通过更短的通道长度来实现相当于标准分离系数值的分离系数值，或者通过标准的分离区域长度来实现更好的分离系数值。本发明允许在不对涂料器进行通风的情况下调节分离系数，这在已有设计上是不可能的。
有利地，涂料器内的压力水平受涡轮分子泵控制，从而确保与处理过程相容的压力水平。通过变化被注射气体的量来调节希望的分离系数值。
借助注射器将气体注射到分离区域中，该气体可以来自分离区域自身或者来自相邻的沉积区域。
最合适的气体注射系统由沿着容室宽度（垂直于传递方向）固定的钻有洞的管道制成。优选地，靠近两个沉积区域中的每一个沉积区域有气体注射器。离开那些洞的气体流可以朝着传送路径与传送路径垂直地被引导，或者可以朝着相应沉积区域的孔被引导。
在一个实施例中，注射器是直径为大约20mm的金属管，该金属管沿其长度分布有洞，该管以与传送路径相隔20mm的距离跨越传送路径的宽度布置。
任何其它在分离区域中注射气体的方式都适合于本申请，而无论注射装置的尺寸或几何形状如何。由调节器（如质量流量计或者可以控制气体流的任何其它装置）来控制被注射的流。适用的流量范围在0sccm（标准立方厘米）与10000sccm之间，其通过控制流量或压力来获得。管道中的洞的取向或气体的喷射角度可以根据几何约束条件而变化。如果使用两个或更多个注射器，则流可以在不同的注射器管道之间均匀地或不均匀地分布。例如，如果如图1所示地使用两个管道，并且总流量是2000sccm，则一个管道中的流量可以是1000，并且第二个管道中的流量是1000，但也可以是500sccm和1500sccm，或任何其它分布。
注射气体以分离两个沉积区域的原理对于任何类型的气体是有效的，但专业人员知道气体的选择将取决于待分离的沉积处理气氛。
用来与根据本发明的气体注射进行组合的最合适的泵吸装置基于四个标称泵吸能力为2300l/s的涡轮分子泵，其固定在分离容室的盖子上。理想地，让本发明发挥最佳优势的处理压力范围优选地为0.1mTorr与15mTorr之间。泵的数量可以在0个与由该容室周围的可用空间限定的最大数量之间变化。TMP（涡轮分子泵）的泵吸能力必须被设计成与压力范围匹配。在泵吸时进行以进一步提高两个沉积区域之间的分离系数的根据本发明的在分离区域中的气体注射不限于磁控溅射处理压力。在达到大约100mTorr的较高压力下执行的处理过程可以通过配备有粗真空泵（诸如机械泵或罗茨泵）的动态通道而彼此隔离。在这种情况下，被注射气体的流量远远高于之前描述的流量。
其它类型的泵是合适的，诸如扩散泵、机械泵或将允许达到工作压力的任何类型的泵。
最合适的几何形状基于分成两个隔间（D）的分离区域（B）。每一个隔间由放置在分离区域的盖子上的两个泵（C）泵吸。隔间的底部是具有狭缝（K）的板，其用于在传送路径上方进行泵吸。狭缝（K）的尺寸可以在0（无泵吸）和隔间总长度（完全打开）之间变化。狭缝开口不必如图1和图2上那样位于通道的中心。气体（E）的注射设置于分离容室中，在传送器（F）上方并在沉积容室与泵吸狭缝（K）之间。通道的长度可以在100mm和2000mm之间变化。动态通道的孔径（G）取决于基板厚度，并且可以在传送路径（H）上方1mm和100mm之间变化。第一沉积区域（A）与第二沉积区域（A）之间的孔径（G）可以不同。理想地，隔间（D）没有通向沉积区域（A）的直接开口（图2的J），但通过在通道中注射气体并且使用本构造（图2的J处，在泵部分的侧面上的开口）来泵吸该气体，可以改善现存涂料器上的泵部分设计的性能。理想地，动态通道的宽度对应于涂料器的宽度。该宽度取决于基板的应用场合和尺寸。专业人员知道，如果该狭缝沿宽度方向完全打开，则达到均匀的泵吸。然而，减小狭缝（K）的宽度将仅仅改变泵吸能力。
示例1
这个示例示出气体注射流对分离系数的影响。
根据上面的描述，从基于静态泵吸隔离系统的现有技术标准设计开始，我们测量气体分离系数（SF）。将这些值与根据本发明对该设计进行修改之后获得的值相比。
参考设计包括1000mm长的、在两个沉积区域之间无泵吸的分离通道。在与分离通道相邻的每一个沉积容室中注射流量为1000sccm的Ar气体。仅在一个沉积容室中注射流量为40sccm的O2，并在另一沉积容室中测量O2的分压力。根据本发明，在分离区域中在通道内以两个不同的流量值注射Ar气体（见图1）。下面的表1总结出对增加在分离通道中注射的Ar的流量而测得的结果。相对于没有注射气体（0sccm的Ar气体）的参考设计来计算SF。
表1
通道中的注射流量（sccm） 相关分离系数
0 1
2000 3
10000 40
对比示例1
对比示例1示出了仅仅通道的泵吸（没有气体注射）对SF的影响。
在这里，参考设计包括300mm长的、无泵吸的分离通道，其与9000l/s和18000l/s的总泵吸能力相对比。在与通道相邻的每一个沉积容室中注射流量为1000sccm的Ar气体。在一个沉积容室中注射流量为40sccm的O2，并在另一个沉积容室中测量O2的分压力。下面的表2总结出对增加动态通道中的泵吸能力而测得的结果。相对于参考设计（没有泵吸）来计算SF。
表2
泵吸能力（l/s） 相对分离系数
0 1
9000 1.6
18000 1.8
示例2
示例2示出Von Ardenne类型设计的现有技术标准涂料器与根据本发明的动态分离通道设计的对比。
上文描述了Von Ardenne类型现有技术涂料器设计。分离通道的长度是780mm。存在四个泵，每一个泵具有2300l/s的容量。下面的表3给出两种情况下的实验性绝对分离系数。
表3
本发明可以被实施在所有已有磁控管涂料器上。本发明也可以用于需要被高效地分离的任何处理过程（PECVD），而无论该处理过程的压力如何（从大约0.1mTorr到100mTorr）。主要优点是，本发明允许小的空间上获得好的分离系数。因此，它是一种紧凑型系统，该系统可以用于紧凑型涂料器设计以限制投资成本，还可以用于组合不同的处理过程，例如，在一个沉积容室中是磁控涂覆而在紧邻它的另一个沉积容室中是PECVD（等离子增强型化学气相沉积）。

Claims (10)

1.一种用于将多层涂料叠层以不间断的方式沉积在平的玻璃基板上的方法，所述方法包括：在真空下以0.5mTorr与15mTorr之间的压力通过溅射在具有第一气氛类型的第一沉积区域中沉积至少第一层并在具有第二气氛类型的第二沉积区域中沉积至少第二层，所述第二气氛类型通过分离区域与所述第一气氛类型分离，其中将所述平的玻璃基板沿着传送路径从所述第一沉积区域通过所述分离区域移动到所述第二沉积区域，其中所述传送路径是滚柱式传送器，其特征在于，在所述传送路径附近在所述平的玻璃基板上方限定出的通道路径内将气体注射到所述分离区域中，以便增大所述第一气氛类型和所述第二气氛类型之间的分离系数，其中，借助泵吸操作来抽取所述分离区域内的气氛的气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过钻有洞的管道来注射气体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，靠近所述第一沉积区域和所述第二沉积区域中的每一个沉积区域来注射气体。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述传送路径垂直地朝着所述传送路径来注射气体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，朝着位于第一沉积区域与分离区域之间的孔以及位于分离区域与第二沉积区域之间的孔来注射气体。
6.根据前述权利要求1-5中的任一项所述的方法，其特征在于，在距所述传送路径10mm和100mm之间的距离处注射气体。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在距所述传送路径15mm到50mm之间的距离处注射气体。
8.一种用于在真空下将薄层以不间断的方式沉积在平的玻璃基板上的模块化涂料器，该模块化涂料器具有至少两个沉积区域以及位于所述至少两个沉积区域之间的气体分离区域，所述模块化涂料器还具有用于所述平的玻璃基板的传送路径，所述平的玻璃基板从一个所述沉积区域经由所述气体分离区域朝另一个所述沉积区域地通行经过孔，其特征在于，所述气体分离区域包括在所述传送路径附近的至少一个气体注射器，其中，借助泵吸操作来抽取所述分离区域内的气氛的气体，在所述传送路径上方布置有覆盖装置，从而当位于所述气体分离区域内的所述传送路径上有平的玻璃基板被传送时，所述覆盖装置与所述传送路径一起限定出通道路径，并且所述至少一个气体注射器布置在所述通道路径内。
9.根据权利要求8所述的模块化涂料器，其特征在于，所述至少一个气体注射器包括沿着所述气体分离区域的宽度与所述传送路径的方向垂直地定位的、钻有洞的管道。
10.根据权利要求8或9所述的模块化涂料器，其特征在于，所述至少一个气体注射器布置在与所述至少两个沉积区域中的每一个沉积区域相距10mm和100mm之间的距离处。
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