CN1109130C - 在移动基材上沉积富碳涂层的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种在移动的基材上沉积富碳涂层的方法和装置。这种方法和装置涉及在含碳的气体环境中围绕着旋转电极建立电场。这将导致富碳的等离子体形成，其中电极(84)相对等离子体加负偏压，从而导致离子从等离子体向电极加速。在与电极(84)接触的基材上连续发生离子轰击，从而在基材长度上产生连续的富碳涂层。

Description

在移动基材上沉积富碳涂层的方法和装置

本发明的技术领域

本发明涉及在移动基材上沉积富碳涂层的方法和装置，更具体地说，涉及形成等离子体、使其离子朝基材加速并作为富碳涂层沉积在该基材上的方法和装置。本发明具体地涉及致使含碳气体在包含电极的真空舱内形成等离子体的电极供电。该电极相对等离子体变成负偏压的，使等离子体内的正离子朝电极加速，这些正离子轰击与该电极接触的移动基材，借此使富碳涂层沉积到基材上。

本发明的现有技术

众所周知，碳涂层(也被称为“薄膜”)十分坚硬、化学惰性、耐腐蚀而且不渗透水蒸气和氧气。碳薄膜通常作为各种各样的有机基材、聚合物基材、金属基材和半导体基材的机械或化学防护涂层使用。

碳薄膜可以以各种各样的形式沉积，这些形式具有不同物理性质，例如石墨、金刚石、金刚石状的碳(DLC)、金刚石状的烃、或无定形碳。碳薄膜涂层通常包含两种类型的碳-碳键：三角形石墨键(sp²)和四面体型金刚石键(sp³)。术语“金刚石状的碳”应用于非结晶材料，在这种材料中四面体型键占主导地位。DLC涂层或薄膜具有许多符合需要的金刚石特性，例如极高的硬度、极低的导电率、低摩擦系数、以及在相当宽的波长范围内具有光学透明性。

已经研制了一些使用固态碳源和烃源沉积碳薄膜的技术。其中使用固态碳源的技术是溅射、激光蒸镀、脉冲放电轨道枪和阴极电弧沉积。使用烃源的沉积方法包括离子束放电、微波等离子体放电、RF等离子体放电和直流(DC)等离子体放电。在后几种方法中，等离子体加速的化学蒸汽沉积(PCVD)也是已知的，其中等离子体是由气态的烃源(借助微波、RF、DC等)产生的，生成的离子被直接引向与基材紧密接触的加偏压的电极，于是在基材上形成碳薄膜。一般的说，能量较高的冲击粒子产生具有sp3特征较多的涂层，因此该涂层更象金刚石涂层。

对于沉积碳薄膜所用的基本操作方法或间隙操作法已有许多介绍。包括接地电极和能为基材定位的供电电极的平行板等离子体反应器可以从市场上购买，例如，购自Plasma-Therm，Inc.(St.Petersburg，FL)。供电电极可以依据基材的性质选用热电极或冷电极。通常，包含基材的反应器被抽真空至较低的压力(例如近似0.13Pa)，然后将烃类气体引入反应器。RF发射器为供电电极提供充足的功率，以致产生烃类气体的等离子体。在供电电极上的负偏压将正离子从等离子体拽向该电极，迅速有效地形成涂层。但是，间歇式蒸镀设备通常不适合大规模生产即工业化生产所需要的多元快速加工。

连续的(即不中断的、多元的)富碳薄膜涂敷方法也已有介绍。例如，授权给Matsushita Electric Industrial Co.，Ltd，Osaka，Japan的美国专利第5,496,595、5,360,483、5,203,924和5,182,132号介绍了一种用DC等离子体涂敷单面或双面磁带的方法。借助等离子体发生管由烃类气体生成的等离子体冲击在连续移动的带子或织品上。虽然这些涂敷方法和设备能满足文中规定的目的和要求，但是不希望或不提倡将功率施加给旋转电极，以便形成等离子体。另外，不希望基材与产生等离子体的设备紧密接触。

在授权给3M(St.Paul，MN)公司的美国专利第5,464,667、5,286,534和5,232,791号中介绍了一些采用等离子体射流的盘式连续涂敷富碳薄膜的方法。空心阴极的DC等离子体设备由烃类气体产生等离子体，其中等离子体的离子朝跨越RF偏压鼓移动的织品喷射。虽然这些涂敷方法和装置能够满足本文提出的目标和要求，但是不希望和提倡生成RF等离子体。

在日本专利申请第62-83471号(公开号)中介绍了从RF生成的烃类等离子体朝移动的连续织品上沉积碳薄膜。薄膜基材被缠绕在接地电极(即非供电电极)的周围，而高频电压施加给与旋转电极隔开的反电极以产生等离子体。

上述的方法虽然解决了一些问题，但是没有找到严重妨碍工业化低成本地连续生产沉积碳薄膜的症结所在。这些问题包括：

(1)在间歇法中，电极(在RF法中的靶电极、在DC法中的等离子体生成电极)的性质并非总是保持恒定。在靶基材上进行沉积时逐步形成的碳涂层增大基材/电极电容，因此改变电极的放电特性。这导致该涂敷方法在长期运行中不稳定。

(2)在间歇法中，在涂层厚度超过某个最小临界值之后在涂层上出现白斑或分层现象。白斑是有害的，因为它们构成表面瑕疵并且可能向基材的其它部分推进。

(3)在采用DC空心阴极的连续法中，抛射烃类等离子体的阴极管很快就被形成的富碳材料污染，降低阴极效率。从长远说，由于阴极管输出变化采用阴极管涂敷的基材在织品下游方向上变得越来越不均匀。

(4)阴极管不加区别地将DLC涂层涂敷到真空舱内所有的表面。这不仅无效而且迫使人们经常清洗和检修真空舱。

(5)由于阴极管的设计，它们不能以整个宽度上具有可接受的均匀涂层覆盖宽度超过大约30cm的靶。涉及更宽的基材的工业方法将需要适应每次涂敷采用多个阴极。

(6)阴极管对用于产生等离子体的输入功率具有一种天然的局限性。在某个最小电流以上，发生碳电极击穿。这将在操作期间引起不稳定。因此，仅仅依靠提高供给阴极的功率不可能获得更高的得率和产量。

(7)阴极管产生物理形状几乎与阴极管出口小孔相同的等离子体羽烟。从这种空心管阴极已经观察到十字织品(cross-web)涂层重量三倍的变化(例如，参阅上述的667号专利)。

(8)与上述3至7条所介绍的局限性相同的局限也在其它类型的放电管中存在，例如在上述的595号专利中介绍的多个放电管和在美国专利第4,645,977号中介绍的感应耦合的放电管。

在移动基材上沉积富碳涂层提出许多至今已介绍的方法和设备未曾遇到的挑战。人们对大规模的有效的连续的(即盘式的)方法寄以厚望。

本发明的概述

简要地说，本发明提供一种用富碳薄膜覆盖移动基材的方法，该方法包括如下步骤：

在诱导富碳薄膜沉积的环境中，包括一个至少部分接触移动基材的电极，给该电极提供功率以便由该环境形成包含离子的等离子体。使电极相对等离子体变成带负偏压的，借此使离子朝该电极加速。离子轰击与电极接触的移动基材，导致富碳薄膜基材上沉积。

在另一方面，本发明提供一种在移动基材上沉积富碳薄膜的方法，该方法包括：(1)使一段基材与藏在真空舱内的电极接触，以及(2)给电极施加功率，以便在与电极接触的基材长度上产生富碳薄膜。富碳薄膜的沉积基本上局限在移动基材范围内(即富碳薄膜不是不加区别地涂敷到真空舱的各个部分)。

在第三方面，本发明提供一种在移动基材上涂敷富碳薄膜的装置，该装置包括：(1)一个安装在诱导富碳薄膜沉积的环境中的旋转电极，该电极的结构致使至少一部分电极与一段基材接触，以及(2)一个与旋转电极电连接的并能为该电极供电的供电电源。离子朝该电极加速，致使在该基材上沉积富碳薄膜。离子朝电极加速是因为在等离子体形成之后供电电极立刻相对等离子体变成有负偏压的缘故。

总之，这种新方法和装置能够仅仅使用一个电极在移动基材上提供富碳涂层，一种均匀的DLC涂层，这种新方法和装置能够提供一种能使白斑最少或消除白斑的涂敷富碳薄膜的方法，一种不需要阴极管的涂敷方法，这种新方法和装置能够区别对待基材的涂敷，而不是不加区别地涂敷整个真空舱，能够提高效率、减少废品、减少或取消清理舱室的需要，提供连续的(即不中断的、多元的)富碳薄膜涂敷方法，一种涉及由烃类气体生成等离子体的连续涂敷富碳薄膜的方法、一种涉及由于负偏压引起的离子加速和适合大规模作业和多单元快速加工的蒸镀的连续涂敷富碳薄膜的方法、一种盘式连续涂敷富碳薄膜的方法，提供一种在保持电极性质始终不变(即在基材或电极上没有积碳)的条件下连续涂敷在基材上的富碳涂层、一种覆盖基材总宽度的富碳涂层以及一种涂层重量和厚度基本上没有十字织品变化的富碳涂层。

除非另有说明，自始至终应用下述定义：

“等离子体”意味着部分电离的气态或流态的物质，包含电子、离子、中性分子和自由基；

“负偏压”意味着物体(例如电极)相对在其附近的某些其它物质(例如等离子体)具有负电位；

关于电极和等离子体的“自给负偏压”意味着由于将形成等离子体的功率(例如射频功率)施加给电极而发展的负偏压；

基材与电极“接触”意味着触及电极或在电极的等离子体暗区极限范围内(例如大约3mm)；以及

“基材”意味着无孔片材、多孔片材、织物、纤维制品或它们的组合。

附图的简要说明

本发明的实施方案用下面的说明和附图予以诠释。在所有的附图中相同的数字指的是相同的零件

图1是本发明涂敷装置的一个实施方案的分解透视图；

图2是图1所示装置从不同的有利视点选取的第二分解透视图；

图3是本发明涂敷装置另一个实施方案从其气体舱中取出部分的分解透视图。

图4是图3所示实施方案从不同的有利视点选取的第二分解透视图；

图5本发明涂敷装置另一个实施方案的分解透视图。

本发明的详细描述

本发明借助形成等离子体和导致薄膜沉积的离子加速作用提供一种在基材上沉积富碳涂层的方法和装置，其中一些涂层可以具有类似金刚石的性质。一般的说，富碳的等离子体是在含碳环境中通过给旋转电极单元供电给所述环境施加高频电场形成的。由于电极相对等离子体是负偏压，富碳等离子体内的离子朝电极加速。这种加速作用引起离子轰击与旋转电极接触的基材。离子轰击导致富碳涂层仅仅沉积在基材上。在正常情况下这种涂层是比较薄的，具体地说，该涂层不超过大约10μm，优选不超过大约5μm，更优选不超过大约1μm，最优选不超过大约0.5μm。

本发明的方法不同于常规的镀碳方法和装置，在常规镀碳中形成等离子体和离子加速是因功率施加给不同的零部件引起的，而且富碳涂层出现在基材和装置上，而不是仅仅出现在基材上。

参照图1和图2，本发明沉积富碳薄膜的装置的实施方案用数字10表示，该实施方案具有一个适合形成等离子体和离子加速的通用单元。这种沉积装置10包括支撑结构12；舱室14，该舱室包括有一个或多个门18的前面板16、侧壁20和定义分成一个或多个小舱的内舱24的支承板22；固定在舱室内的转鼓26；众多卷轴机构，它们可旋转地固定在舱室内，通常用数字28表示；驱动转鼓26旋转的驱动机构37；固定在舱室内的空转辊32；以及与舱室流体连通的真空泵34。

支撑结构12是技术上已知的任何以所需结构适合支撑壳体14的装置，现在的情况是垂直矗立的结构。如图1和图2所示，壳体14可以是两部分壳体，下面将详细介绍。在这个实施方案中，支撑结构12包括用于支撑装置10的安装在两部分壳体两侧的横向支撑40。具体地说，横向支撑40包括分别用于移动和支撑装置10的轮子42和可调支脚44两个部分。在图1和图2所述的实施方案中横向支撑40通过固定支撑46与壳体14两侧连接。具体地说，横向支撑40借助固定支撑46与一个侧壁20(即底部侧壁)连接，而在壳体14另一侧的横向支撑40借助固定支撑46与支承板22连接。辅助横梁47在图1所述装置10右侧位于横向支撑40之间。这根横梁可以提供辅助的结构补强。

壳体14可以是任何提供能抽真空、能容纳抽真空之后引入的气体、能由所述气体形成等离子体、能离子加速和沉积薄膜的受控环境的装置。在图1和图2所述的实施方案中，壳体14具有包括一个前面板16、四个侧壁20和一个支承板22的外壁。这些外壁定义一个空心的盒子，用舱室24表示。侧壁20和支承板22以任何技术上已知的方式紧固起来，以便以某种方式将侧壁20和支承板22彼此刚性连接起来，该方式将足以允许舱室24抽真空、容纳形成等离子体的流体、形成等离子体、离子加速、以及沉积薄膜。前面板16不被牢固地固定，以便提供一个通向舱室24的入口，以拆装基材和完成维护保养。前面板16被分成两块借助铰链50(或相当的连接器材)连接到侧壁20之一上的板，以便定义一对门18。这两扇门将侧壁20的边缘密封，优选的是采用真空密封(例如O型圈)。锁定机构52有选择地将门18与侧壁20扣紧，该锁定机构可以是任何能够以允许舱室24抽真空、储存形成等离子体的流体、形成等离子体、离子加速和沉积薄膜的方式将门18与侧壁20扣紧的机构。

在一个实施方案中，用隔板54将舱室24分成两个小舱56和58。隔板54上的通道或孔60在两个小舱之间提供流体或基材通道。另外，舱室可以仅仅是一个舱或者分成三个或多个小舱。

壳体14包括众多观察孔62并且有耐高压的透明聚合物板64可密封地覆盖着观察孔62，以便允许在发生沉积时观察薄膜沉积过程。壳体14还包括众多能够固定各种传感器(例如温度传感器、压力传感器等)的传感器舱门66。壳体14进一步包括提供管道连接的进气口68，它能在需要时将流体引入舱室24以便提供诱导薄膜沉积环境。舱室24还包括泵口70和72，这些泵口允许将气体或流体泵入舱室24或从舱室24抽出。

泵34悬挂在一个侧壁20上，优选悬挂在底部(如图2所示)。例如，泵34可以是与壳体14内的受控环境连通的涡轮分子泵。其它的泵(例如扩散泵或深冷抽气泵)可以用于给下面的舱室58抽真空和保持该舱室内的工作压力。滑阀73是可以在泵口62上移动的，以致泵口60相对带泵34的流体通道可以全部打开、局部打开或关闭。

转鼓26优选的是有环形表面82和两个平坦的端面84的圆柱状电极80。该电极可以用任何导电材料制作，例如铝、铜、钢、不锈钢、银、铬或上述的一种或多种材料的合金。电极优选的是铝，因为铝容易加工、溅射率(sputter yield)低、成本低。

转鼓26的构成进一步包括允许电场向外渗透的无涂层导电区以及不导电的绝缘区以便阻止电场渗透并因此使薄膜仅限于覆盖电极上不绝缘的导电区。不导电的材料通常是绝缘体，例如聚合物(如聚四氟乙烯)。熟悉这项技术的人可以想象出各种各样的实施方案来实现这种不导电的目的，以便仅仅提供一条狭窄的导槽(通常是待涂敷的基材宽度)作为导电区。

图1展示转鼓的一个实施方案，在这个实施方案中转鼓26的环形表面82和端面84除了在环形表面82中的环形导槽90之外都用不导电的绝缘材料涂敷，其中环形导槽90不涂敷，因此是导电的。此外，一对暗区屏障86和88覆盖环形表面82上的绝缘材料，并且在某些实施方案中覆盖端面84。绝缘材料限制可能形成等离子体和负偏压的电极表面面积。但是，因为绝缘材料由于离子轰击有时可能受到污染，所以暗区屏障86和88可以覆盖一部分或全部绝缘材料。这些暗区屏障可以用金属(例如铝)制作，但是不是作为导电剂起作用的，因为它们借助绝缘材料(未示出)与电极隔开。这样将允许将等离子体局限在电极区。

转鼓26的另一个实施方案示于图3和图4，在这个实施方案中转鼓26包括一对附着在转鼓26的环形表面82上的绝缘环85和87。在某些实施方案中，绝缘环87象一顶帽子也起覆盖端面84的作用。螺栓92和支撑器材94(用平板或窄条表示)可能有助于支撑转鼓26的各种零部件。这对绝缘环85和87一旦固定在环形表面82上就定义一个暴露的电极区，用导槽90表示。

在任何情况下，电极80除了与基材接触的部分之外全部被绝缘材料以某种方式覆盖。这样定义一个与基材紧密接触的电极区。在给电极供电、使电极相对生成的等离子体变成负偏压时，这层比较厚的绝缘材料阻止碳薄膜沉积在被它覆盖的表面上。所以，沉积被局限在未覆盖的区域(即未被绝缘材料覆盖的区域，导槽90)，这个区域优选被比较薄的基材覆盖。

参照图1和图2，转鼓26通过固定在支承板22孔内的铁磁流体馈通和旋转连接器38可旋转地固定在支承板22上。这种铁磁流体馈通和旋转连接器在保持真空密封的同时分别向正在旋转的转鼓26的空心冷却剂通道和导电电极提供独立于标准冷却剂流体导管和电线的流体和电连接。这个旋转连接器还在薄膜沉积期间提供驱动转鼓旋转所必需的力，这个力是由任何诸如无电刷伺服电机之类的驱动设备供给的。但是，转鼓26与支承板22、导管和电线的连接可以借助任何能够提供这种连接的装置来完成，并不仅限于铁磁流体馈通和旋转连接器。这种铁磁流体馈通和旋转连接器的一个实例是Ferrofluidics公司(Nashua，NH)制作的两英寸(大约5cm)内径的空心轴馈通装置。

转鼓26由传动系统37驱动旋转，该传动系统可以是任何能够将旋转运动传递给转鼓26的机械和/或电气系统。在图2所示的实施方案中，传动系统37包括带主动轴的电机33、接在主动轴末端的主动皮带轮31和与转鼓26刚性连接的从动皮带轮39，其中主动皮带轮31与从动皮带轮39机械连接。皮带35(或等价结构)将来自主动皮带轮31的旋转运动传递给从动皮带轮39。

众多卷轴机构28可旋转地固定在支承板22上。这众多的卷轴机构28包括带一对基材卷筒28A和28B的基材卷轴，在某些实施方案中还可以包括带一对限位网卷筒28C和28D的限位网卷轴和带一对掩膜网卷筒28E和28F的掩膜网卷轴，其中每对都包括一个供带卷筒和一个收带卷筒。正象从图2中看到的那样，至少每个收带卷轴28B、28D和28F包括与其机械连接的驱动机构37(例如下面将介绍的标准电机)，以便在沉积期间需要时提供旋转力有选择地旋转该卷轴。此外，在选择实施方案时每个供带卷轴28A、28C和28E包括为那些网提供张力的张紧轮和/或驱动机构29。

每个卷轴机构包括一个供带卷筒和一个收带卷筒，它们可以在相同的小舱内，也可以在不同的小舱内，而该小舱可以是电极所在的同一小舱，也可以不是。每个卷筒都是标准结构的卷筒，该卷筒包括轴芯和从两端径向延伸的边缘，它们定义一个槽，长零件(在这种情况下是基材或网)就缠绕在槽内。每个卷筒都牢固地固定在密封地穿过支承板22伸出的旋转轴上。在需要驱动卷筒的情况下，轴与电机27(例如无电刷DC伺服电机)机械连接。在不驱动卷筒的情况下，卷筒仅仅通过耦合件29以可旋转的方式耦合到支承板22上并且可以包括张紧机构以防止松动。

优选的基材类型是柔软的织品。常见的实例包括聚合物(例如聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺。聚碳酸酯、聚氨酯或聚烯烃)的织品和至少在一个表面上包括诸如能够用于定义一个或多个电路的金属化涂层的织品(例如，关于这种薄膜可参阅美国专利5,227,008号)。在使用后一种类型织品卷时，本发明的方法和装置可以将富碳涂层(例如DLC涂层)涂敷在该织品全部长度的一个表面上。因此，织品或任何被涂敷的材料(例如电路)都能得到均匀的富碳材料涂层的保护。

在另一个实施方案中，在长期运行的条件下在基材上累积的热量借助使用法拉第筒和导电的空转辊可以减至最小。法拉第筒和导电的空转辊的布局示于图5。法拉第筒围绕着基材卷筒28A和28B安装。法拉第筒是由分别安装在铝轴套110上的前后铜支承板103a和103b组成。基材卷筒28A或28B都在铝轴套110上滑动，而且前铜板103a借助弹簧加载的紧固手柄100就地扣紧。借助让基材与导电的空转辊108接触将杂散电流从基材通过分流棒107、旋转套筒106、输电器105分流到法拉第筒的支承板103b。法拉第筒本质上被封闭在由前后铜板101a和101b以及铝轴套111形成的接地外壳中。接地的铝轴套111固定在穿过该装置支承板22的主动轴109上。塑料套筒104、塑料板102a和102b、以及塑料轴套112使法拉第筒(由铜板102a、102b和铝轴套110组成)能与接地外壳(由铜板101a、101b和铝轴套111组成)电绝缘。

薄膜沉积装置10还包括可旋转地固定在舱室内的空转辊32和与舱室流体连通的泵34。空转辊将基材从沉积基材卷筒28A引导送到转鼓26上的导槽90，再从导槽90引导到基材收带卷筒28B。此外，在使用限位网和掩膜网时，空转辊32分别将这些网和基材从沉积基材卷筒28A和沉积掩膜网卷筒28E引导到导槽90，然后再从导槽90引导到基材收带卷筒卷筒28B和掩膜网收带卷筒28F。

薄膜沉积装置10还包括温度控制系统，将温度控制流体通过铁磁流体馈通38送到电极80。该温度控制系统可以安装在设备10上，或由另外的系统提供，通过泵和管道来送到设备10，只要温度控制流体与电极80内的通道保持流体连接即可。该温度控制系统可以根据需要对电极进行加热或冷却，使电极的温度适合于薄膜沉积。在优选的实施方案中，该温度控制系统是冷却剂系统，使用的冷却剂可以如水、乙二醇、含氯氟烃、氢氟醚、液化气体(例如，液氮)。

薄膜沉积装置10还包括，与抽真空接口流体连接的抽真空泵(70)。该抽真空泵可以是真空泵，例如Roots抽风机，涡轮分子泵，渗透泵，旋风泵等可以对舱室抽真空的装置。此外，这个泵可以由机械泵来辅助或备份。抽真空泵可以安装在设备10上，或由另外的与舱室流体连接的系统来提供。

薄膜沉积装置10还包括，优选质量流量控制器形式的流体进料器，该进料器用于调节形成薄膜的流体并在舱室抽真空之后将流体泵入该舱室。该进料器可以安装在装置10上，也可以作为独立的系统与舱室流体连通。进料器在沉积期间按适当的容积流率或质量流率将流体供给舱室。在优选的实施方案中，形成的薄膜是具有类似金刚石性质的薄碳膜。这种薄膜是由进料器提供的包括含有碳原子的分子的气体形成的。虽然象buckminsterfullerenes、氰化物、四甲基硅烷这样的物质和诸如氟碳化合物、氯碳化合物和氟氯碳化合物之类的卤素化含碳气体也是可能有用的，但是碳氢化合物是特别优选的。对于迅速形成富碳(DLC)涂层特别有用的碳氢化合物包括苯、甲基环己二烯、丁二烯、戊二烯、苯乙烯、萘和薁。电离电位低(10eV或更低)的气体可以使用，并且优先用于以这种方法连续沉积富碳涂层。

薄膜沉积装置10还包括供电电源，该电源经接线端子30与电极连接。供电电源可以安装在装置10上，也可以作为独立系统经接线端子与电极相连(如图2所示)。在任何情况下供电电源都是能够提供充足功率的任何发电或传输系统(参阅下文的讨论)。

虽然各种各样的供电电源都有可能使用，但是射频(RF)电源是优选的。这是因为这种频率虽然高到足以在适当配置的供电电极上形成自给偏压，但还不足以在等离子体中形成对离子沉积无效的驻波。RF功率能够适应高涂敷产量(宽织品或基材、迅速的织品速度)的要求。在使用RF功率时，电极上的负偏压是自给负偏压，即不需要使用独立的供电电源在电极上诱导负偏压。由于优选的是RF功率，所以下面将集中讨论这个问题。

RF供电电源给电极80供电的频率在0.01至50MHz范围内，优选13.56MHz或其任何整数倍(例如1、2、3倍)。这种RF功率在电极80供电时将使舱室内的烃类气体变成富碳的等离子体。RF供电电源可以是经网络与电极相连的RF发生器(例如13.56MHz的振荡器)，其中所述网络在供电电源的阻抗与传输线阻抗(通常是50欧姆阻抗的)之间起匹配作用，以便通过同轴电缆有效地传输RF功率。

在对电极施加RF功率时，等离子体形成。在RF等离子体中供电电极相对该等离子体变成负偏压。这个偏压通常在500至1400伏范围内。这种偏置使富碳等离子体内的离子朝电极加速。加速的离子将在与电极80接触的基材上形成富碳涂层，下面将更详细地介绍。

在作业时，将需要沉积的整卷基材插在作为卷筒28A的轴上。通过下面的门18提供拆装这些卷筒的入口，因为在图1和图2中卷筒位于下面的小舱58中，而沉积发生在上面的小舱56中。此外，空卷筒作为卷筒28B紧固在持有基材的卷筒的对面，以便在基材上发生沉积之后起收带卷筒的作用。

如果在缠绕或解开基材期间需要限位网起缓冲作用，可以提供限位网的供带卷筒和/或收带卷筒作为卷筒28C和28D(虽然卷筒在图中的具体位置不是关键的)。类似地，如果需要按某种图案或以某种局部方式沉积薄膜，掩膜网可以作为卷筒28E定位在输入卷筒上，而空卷筒作为收带卷筒28F定位。

在所有的卷筒(包括带基材或网的和不带基材或网的)都定位之后，准备在其上发生沉积的基材(以及准备与它一起围绕电极行进的掩膜网)被牵引着迂回地通过该系统缠绕到收带卷轴上。限位网通常不迂回地通过该系统而是恰好在这个步骤之后与基材分开或者恰好在这个步骤之前提供。基材特意在导槽90中缠绕着电极80，借此覆盖电极的暴露部分。将基材充分绷紧，以便在电极旋转时保持与电极接触和随电极运动，所以总有一段基材与电极接触等待沉积。这样允许从辊的一端涂敷到另一端连续地涂敷基材。将基材安置在沉积薄膜的位置上，并且将下面的门18密封地关上。

舱室24抽真空，以除去全部空气和其它杂质。一旦将含碳流体(优选的是气体)泵入真空舱，该装置就准备开始沉积薄膜的过程。

启动RF供电电源，将RF电场提供给电极80。这个RF电场使含碳物质离子化，从而形成其中包含离子的富碳等离子体。这是采用13.56MHz的振荡器产生的，尽管可以使用其它的RF源和频率范围。

一旦形成等离子体，借助继续用RF电源给电极电极80供电在该电极上形成DC负偏压。这个偏置电压引起离子朝电极80的没有绝缘的电极部分90加速(电极的其余部分或者被绝缘，或者被屏蔽起来)。离子轰击与电极80的导槽90接触那段基材，引起碳的致密化，导致金刚石状的碳薄膜在那段基材上沉积。

为了连续的沉积，驱动收带卷筒牵引基材和掩膜网在电极80上通过上面的小舱54，以致在所有与环形导槽90接触的未被掩盖的基材部分上发生沉积(否则，掩膜网接受碳膜)。因此，在电极上连续发生RF电场并且在该舱室内提供充足的含碳气体的同时，牵引基材连续地通过上面的小舱。结果是在长基材上而且仅仅在基材上形成连续的富碳涂层。沉积碳膜既不发生在电极的绝缘部分又不发生在舱室内的其它地方，因为只有电极是加偏压的。此外，由于电极的未绝缘部分(即环形导槽90)几乎完全被基材覆盖，所以很少有或没有沉积发生在基材之外的任何地方。这消除了由积碳引起的频繁地清洗舱室及其零部件和更换电极的需要。在发生污染绝缘部分的情况下，暗区屏蔽86和88可以采用任何有利于减少潜在污染的形状、大小和材料。在图1和图2所示的实施方案中，暗区屏蔽86和88是装配在转鼓26上并与转鼓绝缘的金属环。由于在暗区屏蔽86和88接触转鼓26的区域中有绝缘材料覆盖转鼓26，暗区屏蔽86和88不加偏压。在这种环状实施方案中，暗区屏蔽进一步包括在其两端朝远离转鼓26的方向延伸的非环形的薄片。这些薄片有助于使导槽90内的基材对正。

优选的是在整个过程中采用温度控制系统泵送流体通过电极80，以便保持电极处于需要的温度。通常，这将涉及用上述的冷却剂冷却电极，但是在某些情况下可能需要加热。此外，由于基材直接与电极接触，通过这个冷却系统控制从等离子体到基材的热传递，借此允许涂敷对温度敏感的薄膜，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸乙二醇酯等。

在完成沉积过程之后，将卷筒从在壁上支撑它们的轴上拆下来。上面有富碳薄膜的基材在卷筒28B上并且准备用在使用碳薄膜涂层的场合，例如芯片冷却的电绝缘、挠曲金属电路系统、纤维镜片、光学涂层、光掩膜和微型平板印刷掩膜、录音头和介质、打印头、正牙学、磨料、骨科植入、薄膜电容器、包装薄膜、激光器的零部件、和许多其它用途。

结果是在许多方面优于早期技术的在基材上提供金刚石状的或类似的富碳薄膜的方法和装置。离子化电位低的气体能够在保持良好的碳薄膜性质的同时获得极高的沉积速度。借助使用离子化电位低的气体，可能获得非常快的沉积并且在DLC涂层薄膜中产生的应力低。DLC涂层薄膜的应力为0.4GPa或更低，而在以前有关DLC涂层的报告中DLC薄膜的应力为1至10GPa。在基材上的质量沉积速率比早期技术的沉积速率高40倍以上。除基材之外的任何地方都极少发生沉积，因此出现的白斑也最少。此外，由于靠的是离子轰击而不是离子轰击与自由基接触的混合作用，所以沉积几乎是完全的。此外，与早期技术通常是一位数的得率相比，现在可以获得非常高的输入气体变成薄膜产品的转化率(高达35％)。

其它的好处和优点包括涂敷能力能适应更宽的基材尺寸范围，包括宽度从纤维到1米以上薄膜的变化范围。当基材是多孔片、纤维或纤维制品时，优选的是将殉葬的无孔片放在基材与电极20之间，以阻止富碳薄膜在电极上累积和随后的剥落。基材宽度不是限制因素，因为离子轰击在舱室内来自围绕着基材的各个方向，而不是来自电源的特定区域。按照本发明的方法，以1.5至6m/min速度涂敷基材，涂层厚度可达大约2μm，通常不考虑基材宽度。采用这种方法很容易获得在0.1至0.3μm范围内的涂敷厚度，但是获得更厚的(即高达10μm)和更薄的涂层也是可能的。

总之，等离子体的生成和离子加速都大大得到简化。只使用一个电极，而不是一个电源电极和一个靶电极。供电电极既形成等离子体又变成负偏压，借此使等离子体内的离子朝电极本身加速，以便轰击与电极本身接触的基材。这个DC偏置电压还有助于沉积涂层致密化，以增强DLC性质。

因此，本发明的涂敷方法和装置得到简化，它提供一种安全可靠价格低廉的高效设备，该设备消除了早期设备所遇到的困难，解决了问题、并且获得改进的结果。

在前面的介绍中，采用一些术语是为了简洁、清晰和便于理解。这些术语无意超出早期技术条件意味着不必要的限制，因为这些术语是用于说明的目的的并倾向于广义的解释。此外，有关本发明的说明和图示都是列举的实例，本发明的范围不受上述各种细节的限制。

现在对本发明的特征、发现和原理已经做过介绍，构成和使用这种方法和装置的方式、结构特征、获得的有利的新的有用结果、新的有用结构、设备、零件、布局、部件和组合将在权利要求书中予以陈述。

Claims (15)

1.一种在移动基材上沉积富碳薄膜的方法，该方法包括下述步骤：

在促进富碳薄膜沉积的环境中，所述环境包括与所述移动基材接触的电极，该电极具有导电区和不导电区，为所述电极提供功率以便由所述环境形成包括离子的等离子体，从而使所述电极相对所述等离子体成负偏压，借此使所述离子朝所述电极加速，所述离子轰击与所述电极接触的移动基材，导致所述的富碳薄膜在所述基材上沉积。

2.根据权利要求1的沉积富碳薄膜的方法，其中所述功率包括射频功率，并且所述环境包括一个舱室，在该舱室中包括至少一种包括碳原子的气体。

3.根据权利要求1或2中任何一项的沉积富碳薄膜的方法，其中所述环境包括舱壁电接地的舱室，并且所述电极定位在所述舱室内。

4.根据权利要求1或2中任何一项的沉积富碳薄膜的方法，其中所述电极是旋转电极。

5.根据权利要求1或2中任何一项的沉积富碳薄膜的方法，其中所述基材是柔软的织品。

6.根据权利要求1或2中任何一项的沉积富碳薄膜的方法，其中所述富碳薄膜的沉积基本限制在所述移动基材范围内。

7.根据权利要求1或2中任何一项的沉积富碳薄膜的方法，其中所述基材是无孔片材、多孔片材、织物、纤维制品或它们的组合。

8.根据权利要求2的方法，其中所述的气体具有10eV或更低的离子化电压。

9.根据权利要求1的方法，其中所述的基材基本上覆盖所述的电极上的不导电区。

10.一种在移动基材上沉积富碳薄膜的装置，所述装置包括：

(a)一个旋转电极，其具有导电区和不导电区并安装在促进富碳薄膜沉积环境中，所述电极的结构致使至少有一部分所述电极的导电区能够与所述基材的长度接触；以及

(b)一个与所述旋转电极电连接的供电电源，所述供电电源能够为所述电极供电，以便由所述环境形成包括离子的等离子体，鉴于所述电极相对所述等离子体变成负偏压，借此使所述离子朝所述电极加速，使富碳薄膜沉积在所述基材上。

11.根据权利要求10的装置，其中所述环境包括一个舱室，在该舱室中包括至少一种包括碳原子的分子的气体，并且所述功率包括射频功率。

12.根据权利要求10或11中任何一项的装置，其中所述环境包括舱壁电接地的舱室，并且所述电极在所述舱室内定位。

13.根据权利要求12的装置，其中所述舱室包括沉积舱和基材储舱，所述两个舱被具有基材通道的隔板分开。

14.根据权利要求10的装置，该装置进一步包括：

安装在基材舱上的输送和回收基材的卷轴，

围绕着每个基材卷轴安装的法拉第筒，

与每个基材卷轴配对的导电空转辊，以及

使杂散电流通过空转辊朝法拉第筒分流的装置。

15.根据权利要求13的装置，其中每个所述的沉积和基材的储存舱室都具有为独立地保持其内部压力的泵。

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