CN103249240A - 用于容器内部涂覆的空心阴极气体喷枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于容器内部涂覆的空心阴极气体喷枪，借助等离子体处理的用于涂覆如塑料瓶的容器的装置（100），其包括：至少一高频源（106）、位于待处理的容器（102）外侧的至少一外电极（103）、以及至少一个至少部分导电的气体喷枪（101），气体喷枪用于将加工气体供给至容器，装置被配置为将高频源的高频施加至至少一外电极或至少一气体喷枪，其特征是，至少一气体喷枪配置为至少部分或整体作为具有至少一内部空心空间的空心阴极，其中空心阴极的至少一空心空间流体连接至待处理的容器的内部并且流体连接至气体喷枪的例如通过横向孔或凹部（113）和/或轴向孔或凹部（114）供给加工气体的部分，并且能在空心阴极的内部在至少一空心空间中生成等离子体。

Description

用于容器内部涂覆的空心阴极气体喷枪

技术领域

本发明涉及一种用于涂覆容器的装置，特别是涉及一种用于容器内部涂覆的空心阴极气体喷枪。

背景技术

为了减少例如关于非期望的物质的容器壁/空心体壁的渗透，如在例如EP0881197A2中所描述的，例如借助等离子体增强型化学气相沉积（plasma-enhanced chemical vapor deposition）（PECVD）为这些容器壁/空心体壁设置屏蔽层是有利的。

对于借助等离子体处理的容器的涂覆，例如，塑料瓶的内部等离子体涂覆，尤其可以使用所谓的高频等离子体。

关于这一点，例如，通过将容器内部排空至处于1-10帕的压强范围内并且将其暴露在高频区域，在容器中生成等离子体。借助气体喷枪，将例如由硅单体和氧组成的气体混合物引入容器的内部是可能的。这种气体流允许容器内部的压强增加了大约10帕，从而使其能够在10至30帕或更大的范围内。

扁平电极可以位于容器的外部，其能够被供给例如13.56MHZ的高频。如例如在WO2009026869中所描述的，气体喷枪同时也可为电极，通常是由金属制成并且通过连接至机器壳体接地。

高频耦合至气体喷枪，并且等离子体能够在容器内部被点燃。加工气体（process gas）可通过在气体喷枪中的多个合适地布置的孔被均匀地分布在容器中，从而获得容器内部的均匀的涂覆。

然而，这种高频耦合不适合对大于2nm/s的高沉积率的大表面的涂覆（例如瓶子的内部），因为这需要高气体流并且因此需要高频形式的高电功率。此外，用高频激发的等离子体通常具有比例如用微波激发的等离子体低的等离子密度。这些也可以对涂覆方法的持续时间和效率具有负面影响。

发明内容

因此，本发明的目的是借助等离子体处理改进一种用于涂覆容器的装置，例如塑料瓶的等离子体增强型涂覆，其特别是关于功率和效率。

根据本发明，这一目的是通过依据权利要求1的装置和依据权利要求8的方法来实现的。有利的实施方式和其他改进被描述在从属权利要求中。

借助等离子体处理用于涂覆容器（例如，塑料瓶）的装置可以包括至少一个高频源、至少一个位于待处理的容器外部的外电极、以及至少一个至少部分地导电的气体喷枪，其用于将加工气体供给至容器。由高频源生成的高频可可选地被施加至至少一个外电极或至少一个气体喷枪，所述气体喷枪的特征在于，其可以被配置为至少部分地或整体地作为具有至少一个内部空心空间的空心阴极，其中所述空心阴极的至少一个空心空间可被流体连接至待处理的容器的内部并且流体连接至气体喷枪的例如通过横向的和/或轴向的孔或凹部来供给加工气体的部分，并且特征在于能够在空心阴极的内部在所述至少一个空心空间中生成等离子体。

一旦点燃等离子体，等离子边界束（boundary sheath）可以在气体喷枪周围形成，其能够通过从容器的内部至空心阴极的至少一个空心空间（例如，通过在气体喷枪中的孔或凹部）的所述流体连接，有利地穿入空心阴极/空心阴极的空心空间。在空心阴极的内部，相反的壁的等离子边界束可以重合，这可导致电子的往复运动。因此，这些电子能够接收大量能量并且有利的是，可形成非常密集的等离子体，其使容器能够被更加快速且更加有效地涂覆。在空心阴极的内部中的等离子体密度可以比在空心阴极外部处于纯电容耦合等离子体中的等离子体密度超出1至2个数量级，这支持气体混合物的转换。

根据在此描述的本发明的布置允许加工气体转换效率的明显改进，也就是说，例如六甲基二硅氧烷（HMDSO）的分解，引起了在所产生的涂覆中CH₃的含量明显减少。CH₃被包含在HMDSO分子中并且一旦其解离，CH₃与硅分离。如果HMDSO被解离或被分解不完全，这个甲基团被合并入层中，这可以导致具有显著减弱的屏蔽效应的更柔软的涂覆。

与在没有空心阴极等离子体产生的高频领域中用于容器的涂覆的等离子体增强型装置比较，根据本发明的装置可实现的更高的等离子密度，因此可以这样有利地改善HMDSO的解离度，并且因此还改善了其涂覆的质量和屏蔽效应。

气体喷枪的未配置为空心阴极的部分可以包括孔或凹部，这些孔或凹部优选布置在侧面上和/或轴向上，例如，这些孔或凹部具有大于0.5mm，优选为1-2mm的平均孔直径或凹部直径，通过这些孔或凹部，加工气体（例如，氧单体混合物）可以被供给至容器的内部和/或空心阴极的至少一个空心空间。

有利地，气体喷枪可以沿着例如50-500mm优选为200-300mm的气体喷枪的整个长度包括内部空心空间，例如，所述内部空心空间具有2-20mm，优选为6mm的平均内部直径，并且内部空心空间可以设置有孔或凹部，这些孔或凹部优选布置在侧面上和/或轴向上，例如，这些孔或凹部具有大于0.5mm，优选为1-2mm的平均孔直径或凹部直径。其具有这样的优势，即，等离子体能够沿着气体喷枪的整个长度在气体喷枪的内部（内部空心空间）被生成，并且等离子体通过沿着气体喷枪的整个长度的所述孔和凹部流出，从而能够更有效地涂覆所述容器。

另外，气体喷枪可以被安装为可旋转的，从而使得一旦在气体喷枪的内部中已经生成等离子体，所述等离子体能够在容器中被更均匀、更快地分布，以便获得更均匀的涂覆。

空心阴极和内部空心空间的尺寸分别导致了根据帕邢曲线的等离子体点燃条件的第一近似值，帕邢曲线定义了击穿电压V是压强P和电极距离d的乘积的函数：V=f（p*d）。理想的点燃条件设置在p*d=1–10hPa*cm范围内。

从这里，通过实例推出在100帕的压强下，空心阴极或内部空心空间的理想的内部直径是在1cm≦d≦10cm范围内。然而，正如前面已经描述的，如果采用高频的等离子体增强型涂覆方法，容器中的压强通常是在大约10至30帕。从这里，推出所述空心阴极应该具有若干厘米的内部直径。然而，将这样尺寸的空心阴极引入容器中可能是不符合实际的或甚至在技术上是不可能的。为了实现更小的空心阴极内部直径（例如，d≦1cm），在空心阴极区域中例如通过气体流进入空心阴极使得压强不得不相应地增加。根据本发明，这通过将空心阴极或内部空心空间流体地连接到气体喷枪的供给加工气体的部分来实现，从而使得流入的加工气体能够增加空心阴极/内部空心空间的区域中的压强，例如使压强增加至大于等于100或200帕。

对于可能的含有氧化硅的容器的涂覆，例如HMDSO与氧的混合物可以用作加工气体。然而，原则上，氧与其他含硅单体的混合物也是适合的。此外，通过在等离子体中分解含碳气体（如乙炔、甲烷等等）使含碳层（所谓的类似钻石碳“DLC”层）沉淀是可能的。

取决于流量，分解的加工气体能够从空心阴极中流出并且被分布在所述容器中，而对应产生的颗粒可以沉淀在容器壁上。

此外，可以想到的是，以如氩或例如氩与氧的混合气的中性非涂覆用的惰性气体来代替加工气体并将其引入空心阴极或内部空心空间。这具有的优势在于，能够使所述空心阴极的内部的非期望的涂覆最小化。在这种情况下，在空心阴极的外部区域中燃烧的加工气体等离子体能够通过从中性非涂覆用的惰性气体生成的空心阴极的等离子体“供应（feed）”。为了这个目的，气体喷枪能够适于允许所述加工气体和中性非涂覆用的惰性气体的物理上分离的供给，其中所述加工气体可以直接地供给至所述容器并且所述中性非涂覆用的惰性气体可以直接地供给至所述空心阴极或所述内部空心空间。

如在上面所提到的，空心阴极等离子体可以是非常密集的并且具有高等离子体密度，其可以比纯电容耦合等离子体高，例如高至10至100倍。之后流出空心阴极进入瓶子的等离子体具有一大部分带电的粒子和基团。如果这种易起反应的等离子体在空心阴极的外部分别与加工气体等离子体或加工气体混合，则后者能够被更有效地分解，并且能够更有效地在容器壁上形成层。

附图说明

附图通过实例示出：

图1为容器涂覆装置；

图2a为气体喷枪；

图2b为气体喷枪；

图3为气体喷枪；

图4为气体喷枪；

图5为气体喷枪。

所用的附图标记标出如下：

100             用于容器的等离子体增强型涂覆的装置

101、201、301

401、501、601   气体喷枪

102、502、602   容器

103、205、305       外电极

104                 基础压力室

105                 线路

112                 基础压力室壳体

108                 加工压力室

109                 加工压力室壳体

106、206、306       高频源

107                 气体源（用于加工气体和/或中性非涂覆用的惰性气体）

110                 夹瓶器

111                 阀门

113、413、513

613                 侧面的孔/凹部/开口

121                 流出气体喷枪或空心阴极的等离子体，例如等离子焰炬

114、414            轴向的孔/凹部/开口

202、302、402       空心阴极/空心阴极的内部空心空间

207、307            空心阴极的长度

208、308            空心阴极的宽度/内部直径

203、303、403、

603                 气体喷枪的未形成为空心阴极的部分

204、304、404、     气体（例如，加工气体、中性非涂覆用的惰性气体、

504                 或加工气体与中性非涂覆用的惰性气体的组合）

115、209、309、

409、509            空心阴极等离子体

210、310、410、

510、120            空心阴极出口

515                 多个孔/凹部之间的距离

116、516            加工气体等离子体

605                 加工气体（例如，HMDSO与氧的混合物、氧与其他含硅单体的混合物、或者含碳气体（如乙炔、甲烷等等）），用于多个含碳层（所谓类似钻石碳“DLC”层）的沉淀606                        中性非涂覆用的惰性气体

621              内部气体喷枪

622              外部气体喷枪

611              空心阴极/内部气体喷枪的空心阴极的内部空心空间

610              内部气体喷枪的空心阴极出口

620              内部气体喷枪的轴向的出口

具体实施方式

图1通过实例示出用于容器102的等离子体增强型涂覆的装置100。装置100可以包括两个不同的压强区域，例如，基础压力室104，其能够被排空至例如为100至4000帕的压强，以及加工压力室108，其具有例如为1至30帕的压强。高频源107可以通过线路105将高频引入气体喷枪101。线路105可以额外地用于将气体从气体源107供给至气体喷枪101。

基础压力室104可以包括例如U型的外电极103，其可以至少部分地包住待处理的容器102而不接触容器102，因为容器102可以例如由夹瓶器105悬挂。外电极103可以例如被电连接至基础压力室壳体112的一部分并可以因此例如被接地。尽管未示出，还可能的是，可选地，外电极103可以从高频源106辐射高频，而气体喷枪101可以例如通过电连接至装置壳体部分或压力室部分接地。

容器102的通过夹瓶器110的悬挂可以被配置为允许容器102关于例如在重力方向上的纵轴旋转。优选在涂覆处理的过程中，气体喷枪101例如关于在重力方向上的纵轴旋转也是可能的。

气体喷枪101例如被设计为沿着其整个长度的空心阴极，并且可以包括分别在横向和/或在轴向的孔或凹部，例如，横向孔113和/或轴向孔114，所述孔具有大于0.5mm的孔直径，优选为1-2mm。此外，在气体喷枪101端部的空心阴极出口120可以仅仅是单一的简单开口，或者包括网状结构。加工气体可以通过孔113、114被引入容器102。此外，所产生的空心阴极等离子体115可以经由孔/凹部113、114从气体喷枪101的内部或者空心阴极的内部扩散进入容器102的内部，并且支持或强化在容器102的内部中可能已经出现的加工气体等离子体116，或者点燃加工气体，以便更有效地转换所述加工气体并且将涂层沉淀在容器102的内壁上。

图1的装置可以圆盘传送带的形式实现，在圆盘传送带上容器102能够在圆弧段形的路径上被导向，同时经过等离子体处理区域。

图2a通过实例示出了带有空心阴极202的气体喷枪201的基本结构，在空心阴极202中，来自高频源206的高频能够通过外电极205被辐射并且耦合至导电的并且接地的气体喷枪201。气体喷枪201的端部可以被形成为空心阴极202。空心阴极202的内部空心空间的长度207和宽度或内部直径208可以分别有利地适合于空心阴极202的内部中的压强，允许更容易地点燃空心阴极等离子体209并且保持。例如，根据前面提到的帕邢曲线关系，对于100帕的压强，空心阴极的内部空心空间可以具有在1cm≦d≦10cm之间的内部直径208，或者对于大于100帕的压强，相应地具有小于1cm的内部直径208，以便使必要的击穿电压最小化。

通过气体喷枪201的未形成为空心阴极的部分203，气体，例如加工气体能够被供给至空心阴极的内部空心空间。空心阴极等离子体209能够例如经由空心阴极出口210流出。

除了外电极305可以接地并且来自高频源306的高频可以被气体喷枪301辐射的事实之外，在图2b中示出的带有空心阴极302的气体喷枪301的示例性的基本结构与在图2a中示出的结构相同。

图3通过实例示出了气体喷枪401，其端部可以是空心阴极402。气体喷枪的未形成为空心阴极的部分403可以包括横向的孔或凹部413和/或轴向的孔或凹部414，经由孔或凹部，气体404（例如加工气体）能够被供给至容器的内部以及至空心阴极402的内部。平均孔直径或凹部直径可大于0.5mm，优选为1-2mm。

然而，还可以想得到的是，也可以使用小于0.5mm的平均的孔或凹部直径，从而最小化或甚至抑制空心阴极等离子体409在气体喷枪401的未形成为空心阴极的部分403内部的形成或扩散，并且能够限制空心阴极等离子体409排出至空心阴极出口401。

图4通过实例示出了气体喷枪501，其被设计为沿着其整个长度的空心阴极。气体喷枪501可以包括孔/凹部，优选为横向的孔513。平均孔直径或凹部直径可以优选地大于0.5mm，优选为1-2mm。孔之间的距离可以是规则的或不规则的。优选地，它们可以是例如规则的20mm。如所示出的那样，气体喷枪501的端部或空心阴极出口510分别可以是完全打开的，或者具有轴向的孔/凹部（未示出），例如，具有大于0.5mm，优选为1-2mm的平均孔直径或凹部直径。

气体504（例如加工气体）能够沿着气体喷枪501的整个长度被供给至气体喷枪或空心阴极的内部，并且可以经由上述的孔/凹部被分布至容器502的内部。

此外，所产生的空心阴极等离子体509能够沿着气体喷枪501的整个长度扩散进入容器502的内部，并且因此能够与已经出现的加工气体等离子体516混合，或者点燃加工气体等离子体516，从而能够更有效地涂覆容器502。

图5通过举例示出了气体喷枪601，借助气体喷枪，加工气体605能够被引入容器602的内部，并且同时中性非涂覆用的惰性气体606（如氩或氧与氩的混合气体）能够被引入至空心阴极的内部/空心阴极611的内部空心空间，物理地与加工气体605分离，例如，为了有利地增加空心阴极的内部的压强，从而降低必要的击穿电压并且最小化空心阴极的内部和气体喷枪601的内部中的非期望的涂覆。为了这个目的，气体喷枪601例如可以由一个放置另一个内侧的两个部件形成。通过内部气体喷枪621，例如，所述中性非涂覆用的惰性气体606可以被引入至空心阴极中/被引入至内部气体喷枪621的空心阴极的内部空心空间中。所产生的空心阴极等离子体可以经由内部气体喷枪621的空心阴极出口610流入容器的内部。

同时，可以通过允许加工气体605（例如，HMDSO与氧的混合物或氧与其他含硅单体的混合物）流出横向的孔/凹部613（例如，其平均孔直径或凹部直径小于0.5mm，优选为0.1-0.2mm）从而能够在气体喷枪的加工气体传送部分中抑制等离子体点燃，和/或通过允许加工气体605流出内部气体喷枪的至少一个轴向的孔或轴向的出口620进入容器的内部，由外部气体喷枪622将加工气体605供给至容器602的内部。

在这种情况下，外部气体喷枪622可以部分地或整体地适合内部气体喷枪621的轮廓。例如，内部气体喷枪621与外部气体喷枪622之间的距离可以是恒定的，例如10%、20%或50%的公差中。

随附上附图，共5页，示出了6幅图。

Claims (8)

1.借助等离子体处理的用于涂覆例如塑料瓶的容器的装置（100），所述装置包括：

至少一个高频源（106），位于待处理的容器（102）的外侧的至少一个外电极（103），以及至少一个至少部分导电的气体喷枪（101），所述气体喷枪用于将加工气体供给至容器（102），所述装置被配置为将所述高频源（106）的高频施加至所述至少一个外电极（103）或所述至少一个气体喷枪（101），其特征在于，所述至少一个气体喷枪（101）被配置为至少部分或整体作为具有至少一个内部空心空间的空心阴极，其中所述空心阴极的至少一个空心空间流体连接至所述待处理的容器（102）的内部并且流体连接至所述气体喷枪（101）的例如通过横向的孔或凹部（113）和/或轴向的孔或凹部（114）供给所述加工气体的部分，并且其特征在于，能够在空心阴极的内部在所述至少一个空心空间中生成等离子体。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体喷枪（101）的未被配置为空心阴极的部分设置有孔或凹部，这些孔或凹部优选地布置在侧面和/或轴向上，例如具有小于0.5mm，优选为0.1-0.2mm的平均孔直径或凹部直径，经由这些孔或凹部，所述加工气体能够被供给至所述容器的内部和/或所述空心阴级的至少一个空心空间。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气体喷枪（101）沿着例如为50-500mm优选为200-300mm的所述气体喷枪的整个长度包括内部空心空间，例如，所述内部空心空间具有2-20mm，优选为6mm的平均内部直径，并且所述内部空心空间设置有孔或凹部，这些孔或凹部优选地布置在侧面（113）和/或轴向（114）上，例如具有大于0.5mm，优选为1-2mm的平均孔直径或凹部直径。

4.根据前面的权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述气体喷枪（101）被可旋转地装配。

5.根据前面的权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述气体喷枪适于允许加工气体和中性非涂覆用的惰性气体的物理上的分离供给，其中所述加工气体可以直接地供给至所述容器，而所述中性非涂覆用的惰性气体可以直接地供给至所述空心阴极或所述内部空心空间。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述气体喷枪（601）包括内部气体喷枪（621）和外部气体喷枪（622），借助内部气体喷枪能够使中性非涂覆用的惰性气体（606）供给至所述内部气体喷枪（621）的空心阴极（610）的内部空心空间，借助外部气体喷枪，通过允许所述加工气体（605）流出例如具有小于0.5mm优选为0.1-0.2mm的平均孔直径或凹部直径的横向的孔/凹部（613），和/或流出所述内部气体喷枪（621）的至少一个轴向的孔或轴向的出口（620）而进入所述容器的内部，所述加工气体（605）能够被供给至所述容器（602）的内部。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述外部气体喷枪（622）部分地或整体地适合所述内部气体喷枪（621）的轮廓。

8.用于容器（102）的等离子体增强型涂覆的方法，所述方法包括：加工气体的转换是部分地或几乎全部地由在气体喷枪（101）中生成的空心阴极等离子体来支持的。

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