CN110612363B - 用于涂覆表面的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种用于涂覆一个或多个工件的化学气相沉积系统。所述沉积系统包括多个处理腔室，所述多个处理腔室可以独立地操作以增加所述沉积系统的产量。每个腔室包括一模块化固定装置(fixture)，所述模块化固定装置配置用以将所述多个工件保持在一预定装置中，所述预定装置允许在所述腔室的一内部空间中保持一空心阴极效应。所述沉积系统显着地实现更快、更高质量的沉积以及更完整的保形覆盖(conformal coverage)。

Description

用于涂覆表面的系统及方法

交叉援引

本申请主张于2017年3月31日提交的美国临时专利申请案62/479,882的优先权，其说明书通过引用整体并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于涂覆多个表面的多个系统及方法，更具体地，涉及用于涂覆具有复杂几何形状的多个工件的多个表面的系统及方法，所述系统及方法包括使用多种空心阴极技术来同时涂覆内表面及外表面。

背景技术

在一真空腔室内涂覆一工件的多个外表面的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法是众所周知的。在Boardman等人共同拥有的的美国专利7,300,684中描述了使用PECVD技术对多个空心的工件的多个内表面进行涂覆，所述专利的说明书通过引用整体并入本文，其利用一高沉积速率PECVD技术。所述方法包括将所述管道本身用作一真空腔室，将所述气体供应耦接至一个开口，并将所述真空泵耦接至另一个开口，并且采用一个偏压系统(voltage biasing system)，所述偏压系统与附接到所述管道的所述负极端子及位于所述管道的所述端部的一个或多个返回阳极(return anode)连接。可以引入多种碳氢化合物前驱体，并使用所述偏压系统生成一高密度的空心阴极等离子体，并将碳氢化合物离子吸引到所述表面，形成一类金刚石碳(DLC)膜。

在许多情况下，必须涂覆一空心工件的所述内表面及外表面。以前，这需要使用不同的处理技术来分别涂覆每个表面。Jung等人的美国专利6,129,856描述了一种涂覆一内表面的一方法，由于整个部分都包含在一真空腔室内，因此可能导致所述管子的所述外表面的某些意外涂覆。与其他方法相比，Jung等人的方法具有优势，当所述气流被引导通过所述空心主体的内部时，所述外部涂层的所述厚度可能不均匀，并且可能小于所述内部涂层的所述厚度，使得大部分的所述气体将在所述管内消耗。同样地，所述高离子密度的空心阴极等离子体(high ion density hollow cathode plasma)在离开靠近所述内部涂层的所述空心阴极源之后迅速衰减。

一种达到均匀涂覆的可能方法是使用空心阴极效应，如Boardman等人共同拥有的美国专利8,343,593，所述专利的说明书通过引用整体并入本文。如参考文献中所述，当至少两个阴极表面彼此相对设置并与隔开的多个阳极电协作时，就会发生所述空心阴极效应，从而实现电子的一「振荡运动」以增加一等离子体内的电离速率。其中，所述内部腔室的壁与所述工件的所述外表面之间的一间隔是固定的，以便控制所述等离子体的强度以及等离子体聚焦。通过固定所述间隔，可以实现具有简单几何形状的多个工件的涂覆。然而，并非总是可能或希望保持所述固定的间隔。例如，对于具有一复杂的三维形状及几何形状的多个工件来说，可能难以保持固定的间隔。

此外，Boardman等人的美国专利8,343,593教示了一种沉积系统，所述沉积系统具有在一管道配置内的一管道(pipe)。虽然Boardman的所述腔室可以包含多个工件，但这些工件必须串联，以在所述外管道及所述内管道之间保持一临界间距，并且所述多个工件不能并联。因此，对于相对长的管道，必须适当地确定所述腔室的尺寸，这可能在经济上是不可行的。所述管道必须分成更短的长度，并且每次只能涂覆一个管道区段。

本发明公开了通过改变所述内腔室的壁与所述工件的所述外表面之间的间距来同时且均匀地涂覆可能具有复杂几何形状的多个工件(例如：螺钉、击锤、枪扳机组件、螺栓、螺栓架、滑块、杠杆、弹匣等)的多种系统及方法。这样，通过将所述多个工件安装在多个支架或多个固定装置上来改变所述间隔，其中所述多个支架是模块化的并且基于所述工件的所述复杂几何形状来进行设计。即使所述间隔改变，通过调节所述阴极功率或电压、脉冲波形、所述腔室内的压力及/或调节腔室负载，仍可保持所述腔室内的空心阴极状态。此外，本发明的所述沉积系统可包括多个具有复杂几何形状的工件，所述多个工件以并联(inparallel)及串联(in series)设置。此外，所述系统甚至可以涂覆具有一复杂几何形状的一单个工件。更进一步地，所述系统甚至允许将具有简单几何形状的多个工件(例如：圆柱管道)在设置成一并联配置的同时被涂覆。因此，本发明的所述沉积系统有利地减小了所述腔室的所需尺寸，并且可以导致更高的输出及更快的处理时间。

本文所描述的任何特征或特征的组合都包括在本发明的范围内，而任何这样的组合中所包括的特征都不会与从上下文，本说明书及本领域普通技术人员的知识相互矛盾。在下文的详细描述及权利要求中，本发明的其他优点及方面是显而易见的。

发明内容

本发明公开了一种用于涂覆一个或多个工件的化学气相沉积系统。因此，所述系统包括多个腔室，这些腔室可以独立地操作以增加所述系统的产量。在一些实施例中，所述多个腔室可以以串联配置、并联配置或以并联及串联配置的多种组合来进行操作，从而进一步简化所述沉积过程。例如，两个或更多个腔室可以以串联、并联或以串联搭配并联的配置来进行操作。

在某些方面，本发明公开了一种用于涂覆一个或多个工件的化学气相沉积系统。如本文将公开的内容，所述系统可以包括一可打开的空心腔室，所述空心腔室包括：(i)一第一端、(ii)一相对的第二端、(iii)在所述第一端与所述第二端之间的一内部空间以及(iv)一可移动门，用于进入所述腔室的所述内部空间。所述系统还附加地包括一模块化管状屏蔽件，所述模块化管状屏蔽件沿着所述腔室的一内表面排列，其中所述管状屏蔽件的尺寸设计成可装配在所述腔室的所述内部空间中，其中所述管状屏蔽件有效地防止所述涂层沉积在所述腔室的所述内表面上。所述系统还包括一个或多个阳极，位于所述腔室的所述第一端及所述第二端上；以及一直流电源，可操作地耦接至所述腔室，其中，所述直流电源配置用以施加一负脉冲，从而偏置所述一个或多个工件及作为多个阴极的所述腔室。所述一个或多个工件通过所述可移动门从所述腔室装载及卸载，并且所述多个工件以一预定的设置方式而定位在所述腔室的所述内部空间中，使得在所述腔室的所述内部空间中产生一空心阴极效应。

在一些实施例中，一反应气体在一控制的压力下被引入所述腔室的所述内部空间中，从而实现均匀涂覆所述一个或多个工件的一等离子体，其中所述可移动门及所述管状屏蔽件使得易于清洁及检查所述腔室的所述内部空间。在任何装置中，一个或多个外表面及每个工件的一内表面是涂覆的。所述直流电源还配置用以向所述多个阴极施加一反向脉冲以对生长的涂层放电。

在一些实施例中，所述腔室的一几何形状包括一圆形横截面，其中所述腔室的一纵轴垂直于所述圆形横截面而延伸。所述管状屏蔽件位于沿着所述纵轴的中央。所述管状屏蔽件包括用于排列在所述腔室的所述内表面的一部分的一第一板以及用于排列在所述内表面的其余部分的一第二板。在一些实施例中，所述管状屏蔽件包括装配在所述腔室的所述内部空间中的一箔片，以及其中通过所述门来移除所述箔片，并且在将所述涂层施加到所述一个或多个工件上之后回收或丢弃所述箔片。在涂覆之后，所述管状屏蔽件通过所述腔室的所述可移动门从所述腔室中移除，并且其中所述管状屏蔽件被重新加工且重新用于一后续的涂覆过程。

在一些实施例中，调节施加到多个阴极的所述负脉冲，以将所述空心阴极效应保持在所述腔室的所述内部空间中。所述系统还包括：一支架(rack)，用于以所述预定的设置方式来支撑所述多个工件并将所述多个工件保持在所述腔室内。所述预定的设置方式包括所述工件与所述管状屏蔽件之间的一间隔以及所述多个工件之间的一预定间隔。通过耦接至所述腔室的一根或多根气体管线来输送所述反应气体。

根据一些实施例中，提供一种用于涂覆一个或多个工件的化学气相沉积系统。所述系统可包括多个处理腔室，其中所述多个处理腔室中的每个腔室是空心的，并且包括：(i)一第一端、(ii)一相对的第二端、(iii)在所述第一端与所述第二端之间的一内部空间、(iv)一可移动门，用于进入所述腔室的所述内部空间(v)一屏蔽件，沿着所述腔室的一内部排列，以及(vi)一个或多个固定装置，耦接至所述第一端、所述第二端中的一个或两个。所述固定装置配置用以将所述一个或多个工件定位在所述内部空间中，其中所述多个固定装置是模块化的并且配置用以改变所述一个或多个工件中的各个工件之间的一间距。

在一些实施例中，所述系统可包括多个阳极，可操作地耦接至所述多个处理腔室中的每一个腔室，以及一直流电源可操作地耦接至所述多个处理腔室中的每一个腔室。在一些实施例中，当所述多个工件位于所述多个处理腔室中的至少一个腔室时，所述直流电源配置用以施加一大的负脉冲，从而偏置所述腔室及作为多个阴极的所述一个或多个工件。所述多个处理腔室中的每个腔室都可操作地耦接至一气体管线，其中在一控制压力下，所述气体管线配置用以向所述腔室的所述内部空间供应一反应气体，从而实现均匀涂覆所述一个或多个工件的一等离子体。选择所述多个工件相对于彼此及相对于所述腔室的所述间距以及施加到所述多个阳极及所述多个阴极的所述电压，从而保持所述内部空间中的一空心阴极效应。

在一些实施例中，所述多个处理腔室中的每个腔室是单独地且独立地操作以涂覆所述多个工件，其中当使用至少一个腔室来涂覆所述多个工件时，其余的腔室不被偏置，从而允许每个腔室的独立操作，其中所述多个处理腔室可以彼此并联或串联操作。在一些实施例中，至少两个所述腔室以并联进行操作，以及其他的腔室正在加载或接受维护。所述腔室配置用以在一系列的并联操作中进行操作。

在一些实施例中，每个腔室可操作地耦接至一真空泵，并且当在所述腔室中涂覆所述一个或多个工件时，操作所述真空泵以将所述腔室的所述内部空间保持在真空状态下。对于所述多个处理腔室中的每个腔室，通过所述可移动门来装载及卸载所述一个或多个工件。所述屏蔽件是装配在所述腔室的所述内部空间中的一箔片，并且其中通过所述门来移除所述箔片，并且在将所述涂层施加到所述一个或多个工件上之后，回收或丢弃所述箔片。

在一些实施例中，所述屏蔽件是模块化的并且是管状的，并且包括一第一板及一第二板，所述第一板及所述第二板重迭并互锁以在所述腔室内形成一屏蔽，其中在涂覆之后，通过所述可移动门将排列的所述管状屏蔽件从所述腔室移除，并且其中所述管状屏蔽件被重新加工且重新用于一后续的涂覆过程。在一些实施例中，所述屏蔽件是低成本及可抛弃的一箔片。如本文所用，所述术语「箔片」是指一薄金属片，也称为一薄垫片(shimstock)。可以基于材料的刚度及耐用性来选择用于制造所述箔片的一材料。例如，可以使用具有较高刚度及较低耐久性的材料来制造所述箔片，使得所述箔片能够保持其形状且其成本较低。在其他实施例中，所述箔片的材料可以被偏置为一阴极。

在一些实施例中，根据所述一个或多个工件的一几何形状来设计所述固定装置，并且其中所述设计还配置用以在所述多个工件的各个部件之间保持一阈值间隔(threshold spacing)。所述阈值间隔选自于所述多个工件的各个部件的一最小尺寸或一固定分离值，以较低者为准，其中所述阈值间隔配置用以在所述内部空间中保持所述空心阴极状态。

在一些实施例中，所述气体管线配置用以向所述多个处理腔室的每个腔室供应一清洁气体，其中所述清洁气体配置用以在每次沉积运行之前及之后清洁所述腔室的所述内部空间。所述气体管线还配置用以向所述多个处理腔室中的每个腔室供应一粘附气体，其中在涂覆所述一个或多个工件之前将所述粘附气体供应至所述腔室，并且其中所述粘附气体配置用以增强对所述多个腔室的涂覆。

根据一些实施例，提供一种用于将涂层施加到多个工件上的沉积系统。所述系统包括：一个或多个处理模块，每个处理模块包括一个腔室，其中所述腔室包括一个可移动的门。每个处理模块可配置用以单独操作，使得一个处理模块的所述腔室独立于另一个处理模块的所述腔室，其中当一个处理模块在处理及涂覆位于所述腔室中的一第一组工件时，所述另一个处理模块可用于装载或卸载一第二组工件或接受维护，从而增加所述沉积系统的产量。

在一些实施例中，所述系统包括一气体模块，所述气体模块包括一种或多种的一清洁气体(或气体混合物)、一黏附气体(或气体混合物)及一涂覆气体(或气体混合物)，所述气体模块通过一第一阀而可操作地耦接至每个所述处理模块，其中所述第一阀可配置用以仅将一种或多种所述清洁气体、所述粘附气体及所述涂覆气体转移到用于涂覆多个工件的所述腔室中。

在一些实施例中，所述系统可包括一压力模块，所述压力模块包括一真空泵。所述真空泵可通过一第二阀可操作地耦接至每个所述处理模块。在一些实施例中，所述第二阀配置成通过所述真空泵而仅对用于涂覆所述多个工件的所述腔室施加所述真空。在一些实施例中，所述第二阀包括一个或多个阀。例如，所述真空泵可以通过以串联方式连接的一粗加工的旁通阀及一隔离的压力控制阀来可操作地耦接到每个所述处理模块。在一些实施例中，一共同的前级真空管线(common foreline)可以耦接到所述处理模块的每个腔室。此外，每个腔室可包括所述粗加工的/旁通阀及所述隔离的/压力控制阀。所述隔离的/压力控制阀可以是代替单独的隔离阀及控制阀的一组合阀。在其他实施例中，所述多种阀可以包括具有双重作用的多个钟摆式隔离阀(pendulum isolation valves)。例如，所述钟摆式隔离阀在「关闭」位置时会形成一完全密封，并且还会移动一桨状部分(paddle)的位置以控制施加到所述腔室的压力。

在一些实施例中，所述系统可包括一电源模块，所述电源模块包括：(i)可操作地耦接至每个所述处理模块的多个阳极以及(ii)可操作地耦接至每个所述处理模块的一直流电源，其中所述电源模块配置用以仅对用于涂覆的所述腔室及作为阴极的涂覆的多个工件施加偏压，其中所述电源模块还调节施加到所述多个阳极及所述多个阴极的电压，从而在使用过程中在所述腔室的一内部空间中保持空心阴极状态。

在一些实施例中，所述系统还包括一控制器模块，所述控制器模块可操作地耦接至所述一个或多个处理模块、所述气体模块、所述压力模块及所述电源模块，其中所述控制器具有存储多个计算机可读指令的存储器，当被所述控制器执行时，所述多个指令使所述控制器利用一介面来加载及卸载多个配方(recipes)，所述多个配方根据所述多个工件的多种复杂几何形状来进行设计。

在一些实施例中，每个处理模块还包括一模块化固定装置，根据所述多个工件的所述多种复杂几何形状来设计所述模块化固定装置，并且所述模块化固定装置还配置用以维持所述多个工件之间的一阈值间隔，所述阈值间隔选自于所述多个工件的一最小尺寸或一固定分离值中的较小者，其中所述阈值间隔配置用以在所述内部空间中保持所述空心阴极状态。

在一些实施例中，每个处理模块还包括一模块化排列屏障件，其中所述屏障件装配在所述腔室的所述内部空间中，其中所述屏障件包括重迭且互锁的一第一板及一第二板，从而在所述腔室内建立一屏障。当所述涂覆过程完成时，将所述第一板及所述第二板拆卸、清洗并重新用于多个后续的沉积操作。在其他实施例中，所述模块化排列屏障件包括装配在所述腔室的所述内部空间中的一箔片，以及其中通过所述门来移除所述箔片，并且在将所述涂层施加到所述一个或多个工件之后，回收或丢弃所述箔片。

根据一些实施例，提供一种用于涂覆一个或多个工件的方法。所述方法包括：提供具有一内部空间及一内表面的一腔室、将一模块化屏蔽件沿着所述腔室的所述内表面排列并且将所述一个或多个工件定位在所述腔室内。在沿着一轴向方向上，所述模块化屏蔽件与每个工件的一相邻表面之间的一间隔是可变的，其中所述工件的所述相邻表面是一表面或靠近或面向所述模块化屏蔽件的一表面的一部分。相邻工件之间的一间距是以下中的较大者：(i)所述工件的一最小尺寸，或(ii)一预定的固定距离。在一些实施例中，所述方法可包括建立多个状态以保持所述内部空间中的一空心阴极效应，从而限定一空心阴极效应区。所述多个状态包括在所述空心阴极效应区的多个相对端处偏置多个阳极，并且包括偏置所述内表面及作为阴极的每个所述工件，其中建立所述多个状态还包括加压位于所述间隔内的等离子体。

在一些实施例中，所述偏置包括将所述内表面及每个所述工件保持在一共同的偏压下，以及所述最小尺寸是所述工件的一宽度、一深度或一长度。在一些实施例中，所述固定的距离约为1/2英吋至约2英寸。所述多个工件在所述腔室的所述内部空间中平行设置。在一些实施例中，所述多个工件设置成多行及多列。在一些实施例中，在任何装置中，所述方法可包括涂覆所述多个工件的内表面及外表面中的一个或多个表面。

本发明的独特及具创造性的一个技术特征是所述系统包括多个腔室，其中一些或所有腔室可以以串联及/或并联的配置操作，其中每个腔室都耦接到用于保持具有不同几何形状的所述多个工件的的多个定制支架。以这种方式，所述系统允许对所述多个工件进行一高速简化的处理(high-speed streamlined processing)。在不希望将本发明限制于任何理论或机制的情况下，相信本发明的技术特征有利地提供了增强所述系统的产量及最大化所述系统的不同组件的效用。另外，所述系统提供了能够轻易地从一个处理腔室(或一组处理腔室)转换到下一个处理腔室。在此处，仅通过更换所述固定装置即可使用相同的腔室来涂覆具有不同几何形状的工件。此外，所述系统允许实时处理一个腔室(或一组腔室)，而所述一位或多位操作员可以进入另一个腔室，以便交接并为下一个沉积程序做准备，从而减少停机时间并增加所述系统的产量。当前已知的先前参考文献或工作均未具有本发明的独特发明技术特征。

Boardman等人在美国专利8,343,593中公开了具有简单圆柱形几何形状的工件的多个涂覆表面，然而事实上Boardman没有教示复杂的几何形状，Boardman要求所述工件及腔室之间的同心度(concentricity)。此外，Boardman教示了在所述工件与腔室之间具有一固定的间隔对于在所述腔室内产生空心阴极状态来说是重要的。当前的想法与Boardman的教示相结合暗示了所述多个工件必须是同心的，以避免所述腔室内的等离子体不均匀。这引起一些怀疑，即具有复杂几何形状的多个工件或平行设置的多个工件，可能具有均匀的等离子体。出乎意料且令人惊讶地，本发明不仅能够在一非同心的装置中，在装载具有简单或复杂几何形状的多个工件的所述腔室中产生空心阴极效应，而且还能够在以一预定的设置方式，通过控制阴极功率或电压、脉冲波形、所述腔室内的压力及/或通过定位所述多个工件来调整腔室装载。

本发明的沉积系统有利地以提高的速度将高质量的硬质涂层施加到多个工件上。所获得的涂层更硬，并且具有更大的抗腐蚀及抗侵蚀的能力。所述涂层结合了干润滑及出色的硬度(例如：高达2000维氏硬度或更高)，并且还具有很高的耐磨性。使用一碳基配方(carbon-based formula)，例如：在Boardman等人的美国专利8343593中描述的那些来产生所述涂层，所述专利的说明书通过引用整体并入本文中。简而言之，所述碳基涂层提供了一天然的石墨润滑性及一极低的摩擦系数，使得所述涂层非常适合需要一清洁、干燥、永久润滑的多种应用，而无需使用会积聚灰尘并造成积垢(fouling)的油脂。更具体地，使用低表面能来实现所述涂层，这降低了任何积垢及沉积物的附着力，从而简化并使多个部件的清洁更容易。例如，在火器(firearm)的涂层应用中，所述涂层可有效地用于数十个不同的零件。这种独特的涂层可以显着减少结垢、擦伤、磨蚀(fretting)及许多其他与摩擦有关的问题，从而大幅提高性能并降低成本。此外，在武器装备中，使用所述碳基配方涂覆的所述组件具有较高的燃烧速率极较低的故障率。

在一些实施例中，本系统的所述沉积系统提供了涂层，所述涂层用于因零件的所述滑动而遭受滑动磨损的多种应用中，例如：因为往复运动的活塞及泵而造成磨损的应用中。所述涂层可以是碳基涂层，所述碳基涂层是采用具有不同的优化的工艺条件的涂层，并且具有极高的硬度及韧度，而且可以更薄，其厚度为约3微米至6微米，并且仍然是非常有效率的。在其他实施例中，对于多种研磨应用，所述多个工件上的涂层可以超过20微米，例如：超过35微米。所述涂层的多种应用可以在石油及天然气、汽车、航空以及其他广泛领域中找到。即使在潮湿及干燥的艰困操作环境(包括：石油及钻井泥浆)中，所述涂层也能非常有效地发挥作用。

在某些方面，使用所述沉积系统获得的所述涂层是独特的，因为所述涂层由多层组成，这形成了对抗腐蚀及对基板的其他侵蚀的一更加不透水的屏障。这种分层结构还可以通过调整各层的所述组成及厚度，使所述涂层的特性适应多种特定的应用。例如，一涂层可以或多或少地具有疏水性、坚韧性、坚硬性、耐磨性或易碎性；或者也可以通过多种方式改良所述涂层，以提高一特定应用的性能。

在沉积过程中，高能离子化气体可用于清洁所述多个零件，并在沉积所述硬质涂层之前产生一最佳的粘接。另外，本发明的所述涂覆程序消除了喷涂型涂层所具有的所述视线限制。由于所有沉积都发生在致密的等离子体内，因此所有零件表面(包括：内部、外部及复杂的三维形状(例如：螺纹、击锤、螺栓等))都具有很高的均匀性，从而无需进行后续处理。最终结果是所述系统可提供更快、更高质量的涂层及更完整的保形涂层。

本文所描述的任何特征或特征的组合都包括在本发明的范围内，而任何这样的组合中所包括的特征都不会与从上下文，本说明书及本领域普通技术人员的知识相互矛盾。在下文的详细描述及权利要求中，本发明的其他优点及方面是显而易见的。

图示说明

通过考量以下结合多个附图的详细描述，本发明的特征及优点将变得显而易见，在所述多个附图中：

图1示出根据本发明的一方面的一化学气相沉积系统的一可打开的空心腔室。

图2示出模块化的、分开的管状屏蔽件的一实施例的一前视图，所述管状屏蔽件排列在一腔室的所述内表面。

图3示出具有一第一板及一第二板的所述管状屏蔽件的一分解图，所述第一板及第二板重叠并互锁以在所述腔室内形成一屏蔽。

图4示出具有一可移动门的所述腔室，所述可移动门用于从所述腔室装载及卸载多个工件。

图5示出所述系统的多个阴极及多个阳极的一示意图，所述多个阴极及所述多个阳极使得能够在所述腔室的一内部空间中形成一空心阴极状态。

图6示出具有用于将多个工件定位在所述腔室内的一模块化固定装置

图7示出所述固定装置的一非限制性示例设计。

图8示出了沿着所述腔室的一纵轴对准的多个工件。

图9示出具有多个腔室的所述沉积系统的一非限制性示例，所述沉积系统用于涂覆位于所述多个腔室内的不同组的工件。

图10示出所述沉积系统的多根气体歧管(gas manifolds)，根据所述腔室的一操作状态，所述多根气体歧管将一反应气体、一粘附气体及清洁气体中的一种或多种气体输送到每个腔室。

图11示出所述沉积系统的一俯视图。

图12示出所述沉积系统的一个腔室，所述腔室具有所述可移动的半开门，用于装载及卸载多个工件。

图13示出与所述腔室的一第一端耦接的一气体腔室，所述气体腔室配置用以将气体输送到所述系统的所述多个腔室。

图14示出一真空头，所述真空头耦接至所述腔室的一相对的第二端。

图15示出所述沉积系统的一示意图，所述沉积系统具有与所述沉积系统的一个或多个处理模块耦接的一气体模块、一压力模块及一电源模块，并且还包括一控制器模块，所述控制器模块用于控制前述模块中的每一个模块以确保所述多个工件的复杂表面的均匀涂层。

具体实施方式

以下是与本文所指的一特定元件相对应的多个元件标号的一列表：

101 腔室

103 模块化腔室的屏蔽件

105 第一板

107 第二板

109 可移动腔室的门

111 可移动腔室的门

113 第一端

115 第二端

117 内部空间

119 工件

121 供气阳极腔室/喷头

123 真空侧阳极腔室/喷头

125 多个阳极

127 真空泵

128 压力传感器

129 气体

131 直流电源，在本文中使用时，包括脉冲或脉冲直流电源

133 模块化固定装置

135 多个处理腔室

137 第一室

139 第二室

141 外壳

143 气体歧管或管线

150 沉积系统

151 门

153 门

155 第一阀

157 第二阀

161 进气口

163 前级真空管线(泵)

1500 沉积系统

1502 处理模块

1504 气体模块

1506 压力模块

1508 电源模块

1510 控制器

现在参考图1至图15，本发明的特征在于一种化学气相沉积系统(150)，其用于涂覆位于所述系统内的一个或多个工件(119)。所述沉积系统(150)可以包括多个处理腔室(135)，使得在处理所述多个处理腔室中的一个腔室的同时，一操作员可以在剩余的腔室中卸载或重新装载多个工件，从而减少停机时间并增加所述系统的产量。所述多个处理室中的每个处理室(101)可以是具有一第一端(113)及一相对的第二端(115)的一可打开的空心腔室。在此，所述第一端(113)及所述第二端(115)在所述腔室(101)中围成一内部空间(117)，以及需要涂覆的一个或多个工件(119)位于所述腔室(101)的所述内部空间(117)中。一供气阳极腔室/喷头(121)可以连接至所述腔室(101)的所述第一端(113)。所述供气阳极腔室/喷头(121)可配置成将气体引导到所述腔室(101)中以涂覆所述多个工件(119)。另外，一真空侧阳极腔室/喷头(123)可以耦接至所述腔室(101)的所述第二端(115)，其中所述真空侧阳极腔室/喷头(123)配置成在操作所述腔室以涂覆所述多个工件的同时，向所述腔室(101)的内部空间施加一真空，如下文所述。所述供气阳极腔室/喷头(121)可以互换地称为气体喷头(121)，以及所述真空侧阳极腔室/喷头(123)可以互换地称为真空喷头(123)。

在一个实施例中，所述第一端可以是所述腔室的一顶侧以及所述第二端可以是所述腔室的一底侧，并且所述气体喷头(121)可以耦接至所述顶侧，以及所述真空喷头可以耦接至所述底侧。在另一实施例中，所述第一端可以是所述腔室的一底侧，以及所述第二端可以是所述腔室的一顶侧，并且所述气体喷头(121)可以耦接至所述底侧，以及所述真空喷头可以耦接至所述顶侧。

所述腔室(101)包括一可移动门(111)，用于进入所述腔室的所述内部空间(117)。在此，所述操作者可以打开所述门(111)以将多个工件装载到所述腔室中以进行涂覆。例如，一旦将所述多个工件装载到所述腔室(101)中，所述操作员就可以在开始进行所述涂覆程序之前关闭所述门(111)。另外，在所述涂覆程序完成之后，所述操作员可以打开所述门(11)并从所述腔室中卸载所述多个工件。在一些实施例中，所述气体腔室(121)及所述真空喷头(123)可各自包括多个单独的门(分别为151、153)，所述多个单独的门使得能够分别进入所述气体腔室(121)及所述真空喷头(123)的内部，以进行例如检查及故障排除。在一些实施例中，所述可移动门(111)可以被移动或移除。所述门可枢转地连接到所述腔室(101)。所述门(111)可以关闭以形成所述腔室(101)的一气密密封(hermetic seal)。

在当前的多种沉积系统中，所述腔室的多个壁或所述腔室的内表面被涂覆并且需要定期清洁，这可能导致所述沉积系统的一停机时间。为了避免沉积系统的停机时间，本发明包括排列在所述腔室的所述内表面上的一轻型模块化腔室屏障件(103)。所述屏障件(103)与所述腔室(101)的所述内表面以共享表面(face-sharing)的方式接触，并阻止所述膜涂层附着在所述腔室(101)的所述多个壁或内表面上。因此，所述屏障件(103)保护所述内表面并防止被涂覆。

在一些实施例中，所述屏障件(103)可以包括与一第二半部或板(107)重叠并互锁的一第一半部或板(105)。涂覆后，通过设置在所述外部腔室(101)前方的所述可移动门(111)来轻松地将所述屏蔽件(103)从所述腔室(101)移除，并将所述屏蔽件(103)分隔或拆卸成所述第一板(105)及所述第二板(107)，以便于清洁或检查。所述拆卸后的板可以离线清洗，而不会影响所述产量，以及新清洗的板可以安装在一起，然后在后续程序中使用。

在一些实施例中，所述屏蔽件(103)可以包括两个板，其中每个板的形状大致为半圆柱形。在其他实施例中，所述屏蔽件(103)可以包括四个板，其中每个板可以包括一大致半圆柱形的形状。所述屏蔽件(103)可以包括四个以上的板，并且可以包括其他的多种形状，例如：弧形、圆顶形等，而且并不偏离本发明的范围。所述多个屏蔽件(103)的所述多个板的尺寸可以设置成适合所述腔室的所述内部空间。更具体地说，所述多个板的多个外表面可以与所述腔室的所述多个内壁或多个表面以共享表面的方式接触(或碰触)，从而在所述多个腔室的壁上形成一保护性覆盖物。在其他实施例中，一箔片覆盖在所述腔室的所述内表面或多个腔室壁，所述箔片可以在一沉积运行之后被丢弃或回收。

在多个补充实施例中，所述外部腔室(101)的所述内表面可以包括一圆形横截面，其中所述外部腔室(101)的一纵轴可以垂直于所述圆形横截面而延伸。另外，所述屏蔽件(103)可以位于沿着所述纵轴的中央。在多个进一步的实施例中，相对于所述纵轴，所述外部腔室(101)的所述内表面的所述几何形状与所述屏蔽件(103)的所述外表面的所述几何形状互补。作为一非限制性示例，一些实施例的特征在于：所述屏障件(103)的所述外表面限定为与所述腔室(101)的所述内表面同轴的一圆柱形。

所述沉积系统(150)是一先进的沉积系统，其以快速且有效的方式将高质量的硬质涂层从内到外施加到导电基材上。所述系统(150)通过在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中保持一空心阴极状态来实现多个表面上的均匀涂覆，如图5所示。当至少两个阴极表面彼此相对设置并与隔开的多个阳极以电进行协作时，就会发生所述空心阴极状态，从而实现电子的一「振荡运动」以增加一等离子体内的电离率。

现在参考图5，所述沉积系统(150)的所述腔室(101)包括位于所述腔室(101)的所述第一及第二端(113、115)上的一个或多个阳极(125)。一气体供应器(129)经由一气体管线(143)连接到所述腔室，从而向所述腔室(101)提供一反应气体、一粘附气体及一清洁气体中的一种或多种气体流。所述气体管线(143)可以耦接至所述腔室(101)的所述第一端。供应到所述腔室(101)的所述气体的类型可以取决于所述腔室(101)的操作状态。例如，可将所述反应气体供应到所述腔室以涂覆所述工件的表面。作为另一个示例，在实际沉积涂层之前，可提供清洁气体以清洁所述腔室的内部及/或清洁所述工件表面。作为又一个示例，在涂覆所述多个工件之前，可以将所述粘附气体供应至所述腔室以增强所述涂层对所述多个表面的粘附。在一些实施例中，在所述涂覆过程中，在沉积所述硬质涂层之前，也可以使用高能离子化气体来清洁所述多个零件并产生一优化的粘接。供应到所述腔室的气体类型的一些非限制性示例包括：硅烷、氮气、氩气、氦气、氢气、甲烷、乙炔及其相似气体。

当在所述多个工件的表面上施加涂层时，所述反应气体通过一阀(157)而供应到所述腔室。所述反应气体用于在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中产生一等离子体。所述系统(150)包括可操作地耦接至所述腔室(101)的一脉冲直流电源(131)。所述直流电源(131)配置用以向所述多个工件(119)及所述腔室(101)施加一较大的负偏压。在一些实施例中，所述直流电源可以是一脉冲直流电源。因此，所述多个工件及所述腔室则用作多个阴极。在一些实施例中，所述负偏压被附加地施加到所述屏蔽件(103)。在此，所述屏蔽件是导电的并且因此是偏置的，以及是所述空心阴极系统的一部分。所述系统(150)还包括位于所述腔室(101)的所述相对端上的多个阳极(125)。在一些实施例中，如Boardman等人所公开的美国专利2007/0262059A1(其全部内容通过引用并入本文)，所述多个阳极(125)可以是吹扫气体的多个电极(gas purged electrodes)，并且定位在所述腔室(101)的所述第一端(113)及所述第二端(115)上。在一些实施例中，所述阳极可包括产生一磁约束场(magnetic confinement field)的一金属线圈。因此，所述直流电源(131)可以向所述多个工件(119)及所述腔室(101)施加一负偏压，从而在所述腔室(101)内产生一空心阴极状态。

在不希望将本发明限于一机械装置的情况下，通过所述直流电源(131)施加到所述多个工件(119)及所述腔室(101)的所述偏压在所述腔室(117)的内部空间(117)内产生等离子体(101)，导致高能电子在所述腔室的多个侧面(所述阴极)之间振荡(136)，并进一步导致所述气体的一高水平电离(132)，并导致所述内部空间中形成一非常密集的等离子体(117)。这种效应在传统上称为一空心阴极放电。所述等离子体的特征在于：具有一非常低的阻抗，从而允许在相对适中的功率水平下的一高效电流的流动。所述等离子体的低阻抗的特征还包括所述多个电极上的一低电压。

因此，在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中建立的所述空心阴极区域产生了在所述腔室(所述阴极)的所述多个侧面之间振荡的多个高能电场(图5中的136)，所述腔室的所述两端都作为阳极。所述空心阴极区域以一超高强度等离子体(例如：比一标准等离子体大200倍以上)浸没位于所述内部空间(117)中的所述多个工件，所述等离子体有效地保形地覆盖了所有工件的几何形状，包括内部及外部，以及进一步允许以一前所未有的高沉积速率来涂覆所述多个工件。相较于目前具有每小时几微米的沉积速率(例如：1微米至2微米/小时)的系统，本发明的所述沉积系统可以达到每分钟几微米以上的沉积速率(例如：0.25微米至1微米以上)。在一些实施例中，所述电源(131)可以另外配置用以向阴极施加一反向脉冲以对沉积在所述多个表面上的所述涂层放电。

为了涂覆具有多种复杂的3D形状及几何形状的多个工件，所述沉积系统(150)包括一固定装置或支架(133)，所述固定装置或支架配置成将所述多个工件安装在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中。在此，所述固定装置(133)是模块化的，并且根据所述多个工件的形状及几何形状来定制设计所述固定装置。具有复杂几何形状的多个工件的一些非限制性示例包括：手枪、猎枪及步枪的各个部分，例如：击锤，扳机组件，螺栓，螺栓架，滑块，杠杆，弹匣及其相似物。所述固定装置(133)的一非限制性示例在图7中示出。在此，所述固定装置(133)配置成以一预定的设置方式保持所述多个工件，所述预定的设置方式允许在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中保持所述空心阴极效应。因此，所述预定的设置方式包括在各个工件之间的一第一间隔d1，并且还包括在所述多个工件与所述屏蔽件(103)之间的一第二间隔d2。在此，所述第一间隔d1可以是一阈值间隔，所述阈值间隔选自所述多个工件的各个部件的一最小尺寸或一固定分离值中的较小者。在一些实施例中，所述最小尺寸可以是所述工件的一宽度、一高度或一长度。在一些实施例中，可以进一步调节所述第一间隔及所述第二间隔以增加所述腔室(101)的一堆积密度，从而在所述沉积腔室的一涂覆运行期间，将所述涂覆的多个工件最大化。作为一示例，所述固定间隔值可以大约为1/2英吋至大约3英吋。所述固定分离值的范围可以从大约1/2英吋到1英寸，或大约1英吋到1又1/2英吋，或大约1又1/2英吋到2英寸，或大约2英吋到大约3英吋。本发明不限于上述的分离距离。本领域的普通技术人员将能够确定所述多个工件的理想分离距离。

例如，所述固定装置(133)的一长度可以取决于所述工件的一长度。在一些实施例中，所述固定装置(133)的所述长度可以小于所述腔室(101)的一长度，如图6所示。在这样的实施例中，所述固定装置(133)可以耦接到所述腔室的一端，并且可以不耦接到所述相对端。在图7中，所述固定装置(133)耦接至所述第二端(115)而不耦接至所述第一端(113)。在其他实施例中，所述固定装置(133)可以耦接至所述第一端(113)而不耦接至所述第二端(115)。在一些实施例中，所述固定装置(133)可以堆叠在另一个固定装置的顶部上，从而覆盖所述腔室(101)的整个长度。在一些实施例中，所述固定装置(133)可在所述腔室(101)的整个长度上延伸，从而安装多个较长的工件(119)，如图8所示。在这样的实施例中，所述固定装置(133)可以同时耦接至所述腔室(101)的所述第一端(113)及所述第二端(115)，从而涵盖所述腔室的整个长度。

在一些实施例中，所述多个工件可以以一并联配置(parallel configuration)而设置在所述腔室的所述内部空间中。一并联配置是指所述多个工件设置成使得它们位于相同平面上，在所述相同平面上，所述平面与所述腔室相交以形成垂直于所述腔室的所述多个侧壁的一横截面。在一些实施例中，所述多个工件可以设置成多行及多列。

本发明的所述固定装置(133)具有一些优点。例如，当前可用的多种沉积系统通常要求所述操作员使用沉重且难控制的大型传送带来装载及卸载多个零件。然而，例如，本发明的所述固定装置(133)具有重量轻、易于操作及定制设计等优点，从而使所述操作员不仅可以容易地将所述多个工件架放到所述固定装置上或从所述固定装置上取下，而且还可以利用一更有效的方式从所述腔室中装载及卸载所述多个工件。

参考图5，一真空泵(127)可以耦接至所述腔室(101)的所述第二端(115)，并用于通过一阀(155)来调节所述腔室(101)内部的所述压力。在一些实施例中，附加的多个涡轮泵(turbo pumps)可以耦接至所述腔室(101)。在此，可以基于所述多个工件的各个零件之间的所述第一间隔d1及所述多个工件与所述腔室的所述内表面之间的所述第二间隔d2中的一个或多个间隔来调节所述腔室内的压力，使得在所述腔室中保持所述空心状态。例如，对于较大的间距，可以施加较低的压力；例如，对于较小的间距，可以向所述腔室施加更高的压力。可以调节所述压力设置，使得所述腔室内的所述压力建立一状态，在所述状态中，所述电子平均自由程(electron mean free path)与各个工件之间的所述间隔相关。在一些实施例中，多个压力传感器(128)可以位于每个附接头处，使得可以监测及控制所述管道中的所述压力。由于所述电子平均自由程随所述压力减小而增加，所以施加到所述腔室的所述压力可以随着所述间隔d1及/或d2增大而减小。作为一示例，对于大约1英吋的一间隔，可以向所述腔室施加100毫托至300毫托之间的压力。作为另一个示例，对于大约4英吋的间隔，可以施加55毫托至120毫托之间的压力。上述的数值仅是示例性的，在本发明中并不局限于此。以此方式，通过调节所述腔室内的所述压力，可以保持所述腔室内的所述空心阴极状态，从而利用本发明的沉积系统(150)来涂覆具有复杂几何形状及变化间隔的多个工件。应当理解，使用所述沉积系统(150)实现的所述所述涂覆程序消除了喷涂型涂层所具有的视线限制。由于所有沉积都发生在致密的等离子体中，因此所有零件的表面(包括：内部、外部及复杂的三维形状)都被高度均匀地涂覆，从而不需要进行后续处理。以此方式，所述沉积系统(150)实现明显更快、更高质量的沉积以及更完整的保形覆盖。

本发明的所述沉积系统(150)设计成用于快速、精简且高效的多种沉积应用。为了最大化产量，所述沉积系统(150)可以包括多个处理腔室(135)，其中每个腔室被独立地处理。所述多个腔室可以以并联或串联的配置来进行操作。在多个腔室的其他实施例中，所述多个腔室中的一些腔室可以以并联操作，而其他腔室则用于装载，使得在所述沉积系统中发生一系列的并联操作。

现在参考图9至图12，图9至图12示出具有多个腔室(135)的所述沉积系统(150)。在一非限制性示例中，所述多个腔室包括两个腔室，一第一或左腔室(137)及一第二或右腔室(139)。所述第一腔室及所述第二腔室中的每一个腔室可以是前述腔室(101)的多个非限制性示例。简而言之，所述第一腔室及所述第二腔室中的每一个腔室都包括所述可移动门(111)，并且可以经由所述可移动门(111)来装载及卸载所述多个工件。另外，可以使用多个模块化固定装置(133)来将所述多个工件安装到所述第一腔室及所述第二腔室中，基于所述多个工件的所述复杂形状及几何形状来设计如上所述的模块化固定装置。所述第一腔室及所述第二腔室可操作地耦接到所述气体腔室(121)及所述真空喷头(123)。

在一些实施例中，所述第一及所述第二腔室可以以并联、彼此独立的方式进行操作。例如，当所述第一腔室(137)正在处理及涂覆位于所述第一腔室(137)内的一第一组工件时，所述第二腔室(139)也可以涂覆位于所述第二腔室内的所述第二组工件(139)，从而简化所述系统。举例来说，当所述系统中有过多的泵送或动力可用时，可以并联操作一个或多个腔室以增加所述系统的产量。在一些实施例中，所述第一腔室及所述第二腔室可以以顺序的方式操作。例如，当所述第一腔室(137)正在处理及涂覆位于所述第一腔室(137)内的所述第一组工件时，所述第二腔室(139)可以打开以用于装载或卸载所述第二组工件或在所述第二腔室(139)中执行维护程序，从而使所述系统的产量最大化。

气体可经由图10所示的多根气体歧管被引导至所述第一腔室及所述第二腔室。在此，所述气体歧管或气体管线(143)将所述反应气体、粘附气体及清洁气体中的一种或多种气体输送到所述第一腔室(137)及所述第二腔室(139)中的每一个腔室。一个或多个阀(163)可以耦接至所述歧管(143)，以选择性地将所述气流引导到所述第一腔室及所述第二腔室中。在所述第一腔室用于涂覆所述第一组工件并且所述第二腔室用于卸载所述第二组工件的一示例情况下，可以操作所述一个或多个阀(163)以选择性地将所述反应气体仅输送到所述第一腔室而不是所述第二腔室。在此，气体可以经由图13所示的一进气口(161)输送到所述腔室中。

在一些实施例中，所述多个沉积腔室可以垂直定向并且直径为约40英寸乘10英寸。然而，可以基于一特定用户的定制腔室的配置的需求来设计及定向所述多个沉积腔室。

现在参考图15，图15示出用于将涂层施加到多个工件上的一沉积系统(1500)的一示意图。所述沉积系统(1500)可以是先前描述的所述沉积系统(150)的一非限制性示例。所述沉积系统(1500)可包括一个或多个处理模块(1、2，...n)，其中每个处理模块可包括一腔室(101)，其中所述腔室包括一可移动门(111)。在此，每个处理模块配置用以单独地操作，使得一个处理模块的所述腔室独立于另一处理模块的所述腔室，其中，当处理模块在处理及涂覆位于所述腔室(101)内的一第一组工件时，其他处理模块可用于装载或卸载一第二组工件或用于接受维护程序，从而提高所述沉积系统的产量。

在一些实施例中，沉积系统可以包括多个处理模块。例如，处理模块的数量可以在大约2至10的范围内。然而，本发明不限于一固定数量的处理模块，并且可以根据需求包括任何数量的处理模块。

每个处理模块还包括所述模块化固定装置(133)，并且根据所述多个工件的所述复杂几何形状来定制设计所述模块化固定化装置。所述多个模块化固定装置允许将不同几何形状的多个工件装载到所述腔室内。每个处理模块可以另外包括所述排列的模块化屏蔽件(103)，其中，所述屏蔽件装配在所述腔室的所述内部空间中，其中所述屏蔽件包括重叠并互锁以在所述腔室中形成一屏蔽的所述第一板(105)及所述第二板(107)。在此，例如，所述多个屏蔽件是快速更换的屏蔽件，使得所述腔室的清洁停机时间最小化。

所述沉积系统(1500)可以包括可操作地耦接至每个所述处理模块(1502)的一气体模块(1504)。在此，所述气体模块(1504)可以包括所述清洁气体、所述粘附气体及所述反应气体中的一种或多种气体。所述气体模块(1504)可以包括一第一阀(例如：图5的阀(157))，其中所述第一阀配置用以仅将所述清洁气体、所述粘附气体及所述涂覆气体中的一种或多种气体转移到所述腔室中以用于涂覆多个工件。作为一示例，如果将多个处理模块中的多个腔室用于涂覆多个工件，则可以调节所述第一阀，使得所述反应气体被供应到所有腔室以涂覆所述多个工件，而不是供应给其余不用于涂覆的腔室。作为另一例子，所述第一阀可以根据正在执行操作的腔室而适应地调整，从而提供正确的气体类型。例如，如果所述多个处理模块的一第一组腔室处于所述清洁阶段、一第二组腔室处于所述粘附阶段以及一第三组腔室处于所述涂覆阶段，则可以相应地调节所述阀以将清洁气体供应到所述第一组腔室、将粘附气体供应到所述第二组腔室以及将反应气体供应到所述第三组腔室。以此方式，根据正在执行的所述操作，所述气体模块可适应地调节供应到所述多个处理腔室的所述气体。结果，所述沉积系统(1500)中的所述处理流程不受影响，并且可以以一简化的方式同时涂覆不同组的工件。

所述沉积系统(1500)另外包括可操作地耦接到所述多个处理腔室的一压力模块(1506)。在此，所述压力模块包括一真空泵(例如：图5的所述真空泵(127))。在此，所述真空泵(127)可以经由所述第二阀而可操作地耦接至所述处理模块的每个腔室，并且所述第二阀可以配置为经由所述真空泵而仅向用于涂覆多个工件的腔室施加一真空。作为一示例，如果一些腔室用于涂覆多个工件，而其余的多个腔室处于维护状态，则所述第二阀可以选择性地仅对用于涂覆的所述腔室施加真空，而不是对其余的腔室施加真空。在一些实施例中，所述第二阀可以是包括一个或多个阀的一阀系统，例如：包括大约1个至4个阀的一阀系统。所述多个阀可以是一粗加工的旁通阀、一隔离的压力控制阀、一钟摆式隔离阀或其任意组合。例如，经由以串联连接的一粗加工的旁通阀及一隔离的压力控制阀，所述真空泵可操作地耦接至每个处理模块。在一些实施例中，一共同的前级真空管线可以耦接到所述处理模块的每个腔室。另外，每个腔室可包括一粗加工的/旁通阀及一隔离的/压力控制阀。所述隔离的/压力控制阀可以是代替单独的隔离及控制阀的一组合阀。在其他实施例中，所述多个阀可以包括具有双重作用的钟摆式隔离阀。在一些实施例中，可以基于定位在所述腔室内的多个部件的所述间隔来调节施加到所述多个腔室的所述压力，从而在所述多个腔室内保持所述空心阴极状态。作为一示例，所述压力模块可以施加一较高的压力到具有紧密间隔的多个工件的一腔室，并且进一步施加一较低的压力到具有宽间隔的多个工件的一腔室。以此方式，所述压力模块可以配置用以调节施加的压力以维持每个所述处理腔室中的空心阴极状态。

另外，所述沉积系统(1500)还包括一电源模块(1508)，所述电源模块(1508)包括可操作地耦接至一个或多个处理模块的多个阳极(例如：图5的多个阳极(125))。所述电源模块还包括可操作地耦接至所述多个处理模块的每个腔室的一直流电源(例如：图5的所述直流电源(131))。例如，所述电源模块(1508)可以配置成仅向用于涂覆的腔室及正在被涂覆为多个阴极的多个工件施加偏压。另外，所述电源模块可以调节施加到所述多个阳极及所述多个阴极的一电压，以在每个腔室的一内部空间(117)中维持空心阴极状态。在一些实施例中，根据所述腔室中的各个工件之间的所述间隔，所述电源模块(1508)可以调节所述施加的电压。作为一示例，可以使用不同的固定装置来将不同类型的工件安装在所述多个处理模块的不同腔室中。因此，所述多个工件的多个部件之间的所述间隔在不同的腔室中可以是不同的。在这样的情况下，根据在那个腔室中的所述多个工件的所述间隔，所述电源模块可适应地调节施加到每个腔室的所述直流电压。更具体地，所述电源模块可以向具有紧密间隔的多个工件的一腔室施加一较低的电压，并且还向具有宽间隔的多个工件的一腔室施加一较高的电压。以这种方式，所述电源模块可以配置用以调节所述电压，从而在每个所述处理腔室中维持空心阴极状态。

所述沉积系统(1500)还可包括一控制器模块(1510)，所述控制器模块(1510)配置为可操作地耦接至一个或多个处理模块(1502)、所述气体模块(1504)、所述压力模块(1506)及所述电源模块(1508)。所述控制器可以具有存储多个计算机可读指令的一存储器，当被所述控制器执行时，所述多个指令使所述控制器利用一用户介面来加载及卸载多个涂覆配方。根据要涂覆的多个工件的类型及/或所述多个工件的所述复杂几何形状来设计所述配方。所述控制器还用于确定所述多个处理模块中的哪个处理模块正在用于涂覆多个工件，并相应地调节通过所述第一阀的气体输送，调节所使用的处理模块的所述腔室的压力，并进一步调节提供给所述多个阴极及所述多个阳极的功率。更具体地，一旦所述控制器确定哪个处理模块被用于涂覆工件，则所述控制器可以首先执行安全检查，并且一旦满足所述安全条件，所述控制器就可以激活所述处理模块的所述一个或多个合适的腔室。激活所述一个或多个腔室可包括将所述电源电连接到所述选择的一个或多个腔室，并且另外包括确保其余的腔室是接地的(grounded)。所述控制器可以另外确保所述选择的腔室的所有适当的进入门均被锁定。此外，所述控制器可以识别将用于气体输送及用于将真空施加到所述选择的腔室的所有阀。

作为一示例，所述控制器可以使用所述一个或多个旁通阀将所述选择的腔室抽空，并且可以通过打开一个或多个第二阀来进一步抽空所述选择的一个或多个腔室。在此，所述第二阀可以包括钟摆式隔离阀。所述控制器可以通过关闭所述多个阀来检测在所述选择的一个或多个腔室内建立的所述真空，并且可以开始监视所述一个或多个选择的腔室内的所述压力。在一些实施例中，所述控制器可以确保未使用的其他腔室被排气(vented)，以使所述操作员能够并联地装载多个工件，从而增加整体系统的产量。在一些实施例中，所述控制器可以另外确保未使用的其他腔室接地。

所述控制器可以初始化所述选择的一个或多个腔室中的清洁及涂覆程序。因此，所述清洁及涂覆顺序可包括调节及控制气体流量、压力控制、电压/功率及脉冲条件、每个步骤的时间，从而用于：(i)清洁所述多个工件的表面、(ii)在所述多个工件上形成一个或多个粘附层、(iii)在所述多个工件上涂覆多个涂层，以及(iv)吹扫所述一个或多个腔室。以此方式，例如，可以根据加载的所述涂覆配方，将所述气体供应到所述一个或多个腔室。所述控制器可以调节气流、压力、电压/功率及脉冲条件以在所使用的处理模块的所述腔室中建立空心阴极状态，从而产生等离子体以均匀地涂覆所使用的所述处理模块的所述多个工件。以这种方式，所述系统可以以任何位于所述腔室内的装置来涂覆所述多个工件的内表面及外表面。一旦所述涂覆程序完成，所述控制器就可以将所述选择的一个或多个腔室电气接地、排气并解锁所述选择的腔室的多个适当检修门(access doors)以检修所述一个或多个腔室内的所述多个工件。

以这种方式，所述沉积系统可以用于同时操作具有不同类型的工件的多个处理腔室。因此，本发明的所述沉积系统允许简化生产周期并保持对所述涂覆程序及所述最终的产品的完全控制。

如本文所用，所述术语「约」是指所述参考数字的正负10％。

下列美国专利的公开内容通过引用整体并入本文中：美国专利7,300,684、美国专利8,343,593及美国专利公开案2007/0262059A1。

除了本文描述的那些内容之外，根据上文描述，本发明的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改也旨在落入所附权利要求的范围内。本申请中引用的每个参考文献都通过引用整体并入本文中。

尽管已经示出并描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员而言，显而易见的是可以对本发明做出不超出所附权利要求书范围的修改。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限制。在一些实施例中，在本专利申请中提出的附图是按比例绘制的，包括：角度、尺寸的比例等。在一些实施例中，附图仅是代表性的，并且权利要求不受所述多个附图的尺寸的限制。在一些实施例中，本文中使用所述短语「包括」所描述的本发明的描述包括可以被描述为「由...组成」的多个实施例，因此，满足使用所述短语「由...组成」来保护本发明的一个或多个实施例的书面描述要求。

所附权利要求书中所引用的附图标记仅是为了易于对所述专利申请进行审查，并且是示例性的，并且不旨在以任何方式将所述权利要求书的范围限制为具有相应附图标记的特定特征。

Claims (41)

1.一种用于涂覆多个工件(119)的化学气相沉积系统(150)，其特征在于，所述系统包括：

a、多个可打开的空心腔室(101)，其中每个所述腔室(101)包括：(i)一第一端(113)、(ii)一相对的第二端(115)、(iii)在所述第一端(113)与所述第二端(115)之间的一内部空间(117)以及(iv)一可移动门(111)，用于进入所述腔室(101)的所述内部空间(117)，以及(vi)一个或多个固定装置(133)，耦接至所述第一端(113)、所述第二端(115)中的一者或两者，所述固定装置(133)配置用以将所述多个工件(119)定位在所述内部空间(117)中，其中所述固定装置(133)是模块化的并且配置用以改变所述多个工件中的各个工件之间的一间距；

b、一模块化管状屏蔽件(103)，沿着每个所述腔室(101)的一内表面排列，其中所述管状屏蔽件(103)的尺寸设计成可装配在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中，其中所述管状屏蔽件(103)有效地防止一涂层沉积在所述腔室(101)的所述内表面上；

c、一个或多个阳极(125)，位于每个所述腔室(101)的所述第一端(113)及所述第二端(115)上；以及

d、一直流电源(131)，可操作地耦接至多个所述腔室(101)中的各者，其中所述直流电源(131)配置用以施加一负脉冲，从而偏置所述多个工件(119)及作为多个阴极的多个所述腔室(101)；其中所述多个工件(119)通过所述可移动门(111)从多个所述腔室(101)装载及卸载，其中所述多个工件(119)以一预定的设置方式而定位在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中，使得在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中产生一空心阴极效应，其中一反应气体(129)在一控制的压力下被引入所述腔室(101)的所述内部空间(117)中，从而实现均匀涂覆所述多个工件(119)的一等离子体，其中所述可移动门(111)及所述管状屏蔽件(103)使得易于清洁及检查所述腔室(101)的所述内部空间(117)。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：一个或多个外表面及每个所述工件(119)的一内表面是涂覆的。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述直流电源(131)是一脉冲直流电源，所述脉冲直流电源配置用以向所述多个阴极施加一反向脉冲以对生长的涂层放电。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述腔室(101)的一几何形状包括一圆形横截面，其中所述腔室(101)的一纵轴垂直于所述圆形横截面而延伸。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述管状屏蔽件(103)位于沿着所述纵轴的中央。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述管状屏蔽件(103)包括用于排列在所述腔室(101)的所述内表面的一部分的一第一板(105)以及用于排列在所述内表面的其余部分的一第二板(107)。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述管状屏蔽件(103)包括装配在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中的一箔片，以及其中通过所述门(111)来移除所述箔片，并且在将所述涂层施加到所述多个工件(119)上之后回收或丢弃所述箔片。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：在涂覆之后，所述管状屏蔽件(103)通过所述腔室(101)的所述可移动门(111)从所述腔室(101)中移除，并且其中所述管状屏蔽件(103)被重新加工且重新用于一后续的涂覆过程。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：调节施加到所述多个阴极的所述负脉冲，以将所述空心阴极效应保持在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述一个或多个固定装置(133)，用于以所述预定的设置方式来支撑所述多个工件(119)并将所述多个工件(119)保持在所述腔室(101)内。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述预定的设置方式包括所述工件(119)与所述管状屏蔽件(103)之间的一间隔以及所述多个工件(119)之间的一预定间隔。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于：通过耦接至所述腔室(101)的一根或多根气体管线(143)来输送所述反应气体(129)。

13.一种用于涂覆多个工件的化学气相沉积系统，其特征在于，所述系统包括：

a、多个处理腔室(135)，其中所述多个处理腔室(135)中的每个腔室(101)是空心的，并且包括：(i)一第一端(113)、(ii)一相对的第二端(115)、(iii)在所述第一端(113)与所述第二端(115)之间的一内部空间(117)、(iv)一可移动门(111)，用于进入所述腔室(101)的所述内部空间(117)、(v)一屏蔽件(103)，沿着所述腔室(101)的一内部排列，以及(vi)一个或多个固定装置(133)，耦接至所述第一端(113)、所述第二端(115)中的一个或两个，所述固定装置(133)配置用以将所述多个工件(119)定位在所述内部空间(117)中，其中所述多个固定装置(133)是模块化的并且配置用以改变所述多个工件中的各个工件之间的一间距；

b、多个阳极(125)，可操作地耦接至所述多个处理腔室(135)中的每一个腔室；

c、一脉冲直流电源(131)，可操作地耦接至所述多个处理腔室(135)中的每一个腔室，其中当所述多个工件(119)位于所述多个处理腔室(135)中的至少一个腔室时，所述直流电源(131)配置用以施加一大的负脉冲，从而偏置所述腔室及作为多个阴极的所述多个工件(119)；

其中所述多个处理腔室(135)中的每个腔室都可操作地耦接至一气体管线(143)，其中在一控制压力下，所述气体管线(143)配置用以向所述腔室(101)的所述内部空间(117)供应一反应气体(129)，从而实现均匀涂覆所述多个工件(119)的一等离子体，其中选择所述多个工件相对于彼此的所述间距以及施加到所述多个阳极及所述多个阴极的电压，从而保持所述内部空间(117)中的一空心阴极效应；以及

其中所述多个处理腔室中的每个腔室是单独地且独立地操作以涂覆所述多个工件，其中当使用至少一个腔室来涂覆所述多个工件时，其余的腔室不被偏置，从而允许每个腔室的独立操作，其中所述多个处理腔室可以彼此并联或串联操作。

14.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：每个腔室(101)可操作地耦接至一真空泵(127)，并且当在所述腔室(101)中涂覆所述多个工件(119)时，操作所述真空泵(127)以将所述腔室(101)的所述内部空间(117)保持在真空状态下，并且在任何装置中，所述多个工件的内表面及外表面中的一个或两个表面都被涂覆。

15.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：对于所述多个处理腔室中的每个腔室，通过所述可移动门(111)来装载及卸载所述多个工件。

16.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：所述屏蔽件(103)是装配在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中的一箔片，并且其中通过所述门(111)来移除所述箔片，并且在将一涂层施加到所述多个工件上之后，回收或丢弃所述箔片。

17.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：所述屏蔽件(103)是模块化的并且是管状的，并且包括一第一板(105)及一第二板(107)，所述第一板(105)及所述第二板(107)重迭并互锁以在所述腔室内形成一屏蔽，其中在涂覆之后，通过所述可移动门(111)将排列的所述管状屏蔽件从所述腔室移除，并且其中所述管状屏蔽件(103)被重新加工且重新用于一后续的涂覆过程。

18.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：所述固定装置(133)的一设计是根据所述多个工件(119)的一几何形状，并且其中所述设计还配置用以在所述多个工件的各个部件之间保持一阈值间隔。

19.如权利要求18所述的沉积系统，其特征在于：所述阈值间隔选自于所述多个工件的各个部件的一最小尺寸或一固定分离值，以较低者为准，其中所述阈值间隔配置用以在所述内部空间(117)中保持所述空心阴极状态。

20.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：所述气体管线(143)配置用以向所述多个处理腔室的每个腔室供应一清洁气体，其中所述清洁气体配置用以在每次沉积运行之前及之后清洁所述腔室的所述内部空间。

21.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：所述气体管线还配置用以向所述多个处理腔室中的每个腔室供应一粘附气体，其中在涂覆所述多个工件之前将所述粘附气体供应至所述腔室，并且其中所述粘附气体配置用以增强对所述多个工件的涂覆。

22.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：至少两个所述腔室以并联进行操作。

23.如权利要求22所述的沉积系统，其特征在于：其他的腔室正在加载或接受维护。

24.如权利要求13所述的沉积系统，其特征在于：所述腔室配置用以在一系列的并联操作中进行操作。

25.一种用于将涂层施加到多个工件(119)上的沉积系统(1500)，其特征在于，所述系统包括：

a、多个处理模块(1502)，每个处理模块包括一个腔室(101)，其中所述腔室包括一个可移动的门(111)，其中每个处理模块配置用以单独操作，使得一个处理模块的所述腔室独立于另一个处理模块的所述腔室，其中当至少一个处理模块在处理及涂覆位于所述腔室(101)中的一第一组工件时，所述另一个处理模块可用于装载或卸载一第二组工件或接受维护，从而增加所述沉积系统的产量；

b、一气体模块(1504)，包括一种或多种气体，所述气体模块可操作地耦接至每个所述处理模块，并且配置用以仅将气体输送至用于涂覆多个工件的腔室；

c、一压力模块(1506)，可操作地耦接至每个所述处理模块，所述压力模块(1506)配置用以仅对用于涂覆多个工件的所述腔室施加一真空；

d、一电源模块(1508)，包括：(i)可操作地耦接至每个所述处理模块的多个阳极(125)以及(ii)可操作地耦接至每个所述处理模块的一直流电源(131)，其中所述电源模块(1508)配置用以仅对用于涂覆的所述腔室及作为多个阴极的涂覆的多个工件施加偏压；以及

e、一控制器模块(1510)，可操作地耦接至所述多个处理模块(1502)、所述气体模块(1504)、所述压力模块(1506)及所述电源模块(1508)，其中所述控制器具有存储多个计算机可读指令的存储器，当被所述控制器执行时，所述多个指令使所述控制器执行以下操作：

(i)选择要使用哪个处理模块来涂覆所述多个工件；

(ii)调节所述选择的处理模块的所述腔室的真空；

(iii)调节流向所述选择的处理模块的所述腔室的气流；并且

(iv)施加一个负脉冲以偏置所述多个工件及作为多个阴极的所述腔室以建立多个空心阴极条件，从而产生等离子体以均匀地涂覆所述多个工件。

26.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：所述气体模块(1504)通过一第一阀可操作地耦接至每个所述处理模块，其中所述第一阀配置用以仅将一种或多种清洁气体、一粘附气体及一涂覆气体转移到用于涂覆多个工件的所述腔室中，并且其中所述一种或多种气体对应于根据要涂覆的所述多个工件而选择的一涂层配方。

27.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：所述压力模块(1506)包括一真空泵(127)，所述真空泵(127)通过一第二阀可操作地耦接至每个所述处理模块，其中所述第二阀配置成通过所述真空泵而仅对用于涂覆所述多个工件的所述腔室施加所述真空。

28.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：所述电源模块配置用以进一步调节施加到所述多个阳极及所述多个阴极的电压，从而在使用过程中在所述腔室的一内部空间(117)中保持空心阴极状态。

29.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：每个处理模块还包括一模块化固定装置(133)，根据所述多个工件的多种复杂几何形状来设计所述模块化固定装置(133)，并且所述模块化固定装置(133)还配置用以维持所述多个工件之间的一阈值间隔，所述阈值间隔选自于所述多个工件的一最小尺寸或一固定的分离值中的较小者，其中所述阈值间隔配置用以在一内部空间(117)中保持所述空心阴极状态。

30.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：每个处理模块还包括一模块化排列屏障件(103)，其中所述屏障件装配在所述腔室的一内部空间(117)中，其中所述屏障件包括重迭且互锁的一第一板(105)及一第二板(107)，从而在所述腔室内建立一屏障。

31.如权利要求30所述的沉积系统，其特征在于：当所述涂覆过程完成时，将所述第一板(105)及所述第二板(107)拆卸、清洗并重新用于多个后续的沉积操作。

32.如权利要求30所述的沉积系统，其特征在于：所述模块化排列屏障件(103)包括装配在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中的一箔片，以及其中通过所述门(111)来移除所述箔片，并且在将所述涂层施加到所述多个工件之后，回收或丢弃所述箔片。

33.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：所述直流电源(131)包括一脉冲直流电源。

34.如权利要求25所述的沉积系统，其特征在于：在任何装置中，所述多个工件的内表面及外表面中的一个或两个表面都被涂覆。

35.一种用于涂覆多个工件(119)的方法，其特征在于：所述方法包括：

a、提供多个腔室(101)，其中每个所述腔室(101)具有一第一端(113)、一相对的第二端(115)、一内部空间(117)及一内表面，并且一个或多个固定装置(133)，耦接至所述第一端(113)、所述第二端(115)中的一者或两者；

b、将一模块化屏蔽件(103)沿着所述腔室的所述内表面排列；

c、将所述多个工件(119)定位在所述腔室(101)内，其中在沿着一轴向方向上，所述模块化屏蔽件(103)与每个工件的一相邻表面之间的一间隔是可变的，其中所述工件的所述相邻表面是一表面或靠近或面向所述模块化屏蔽件的一表面的一部分，其中相邻工件之间的一间距是以下中的较大者：(i)所述工件的一最小尺寸，或(ii)一预定的固定距离；以及

d、建立多个条件以保持所述内部空间(117)中的一空心阴极效应，从而限定一空心阴极效应区，所述多个条件包括在所述空心阴极效应区的多个相对端处偏置多个阳极(125)，并且包括偏置所述内表面及作为阴极的每个所述工件，其中建立所述多个条件还包括加压位于所述间隔内的等离子体。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述偏置包括将所述内表面及每个所述工件保持在一共同的偏压下。

37.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述最小尺寸是所述工件的一宽度、一深度或一长度。

38.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述固定的距离为1/2英吋至2英寸。

39.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述多个工件在所述腔室(101)的所述内部空间(117)中平行设置。

40.如权利要求35所述的方法，其特征在于：所述多个工件设置成多行及多列。

41.如权利要求35所述的方法，其特征在于：在任何装置中，所述多个工件的内表面及外表面中的一个或两个表面都被涂覆。

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