CN1882712A - 可更换板的膨胀热等离子体装置和方法 - Google Patents
可更换板的膨胀热等离子体装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种沉积方法，该方法包括：在膨胀热等离子体发生器(102，202)的室内确定用于将涂料等离子体增强化学汽相沉积到基材上的目标工艺条件；发生器(102，202)包括阴极(106，206)、可更换栅板和具有同心节流孔的发生器(108，208)；和采用具有成形节流孔的另一个栅板更换该栅板以实现确定的目标工艺条件；和通过向等离子体发生器(102，202)提供等离子气体并使等离子气体在发生器(102，202)内的阴极(106，206)与发生器(108，208)之间的电弧内电离，在目标工艺条件下产生等离子体并且使气体作为等离子体在沉积室内膨胀至基材上。一种用于产生可控等离子体的沉积装置(100)，该装置包括被调整以保持在负压下的沉积室；沉积室内的制品支架；包括阴极(106，206)、单个栅板和发生器(108，208)和贯穿栅板的连通节流孔的膨胀热等离子体发生器(102，202)，所述节流孔的长度为1mm－小于20mm。
Description
发明背景
本发明涉及等离子体增强化学汽相沉积。更具体地说，本发明涉及在膨胀热等离子体(expanding thermal plasma)(此后称作“ETP”)装置中沉积以涂布基材。
Yang等人的US专利6,110,544公开了一种通过等离子体沉积将粘合涂料(adherent coating)沉积到基材表面上的ETP法和装置。该方法包括使等离子气体通过直流电弧等离子体发生器以形成等离子体。将基材置于相邻的真空室内。将反应气体和氧化剂注射入等离子体内。使等离子体朝向基材膨胀至从等离子体发生器延伸至真空室的发散喷嘴注射器中。通过来自氧化剂和反应气体的等离子体形成的活性反应组分接触基材表面足以形成粘合涂料的一段时间。
可通过ETP沉积的涂料包括保护塑料基材不受磨损的氧化硅基硬涂料(hardcoat)。而且，还可使用ETP沉积金属氧化物基涂料，例如氧化锌。高的涂料沉积速率可通过ETP在较低温度下实现。因此，ETP对于涂布较低Tg的材料例如聚碳酸酯(此后称作“PC”)片材或膜特别有用。但是，尽管目前的ETP装置和方法有用，仍需要提供一种改进的沉积装置和方法，所述装置和方法可被控制以生产所需产品或者可在较低成本下操作。
发明简述
本发明提供了一种在基材上沉积层的改进装置和方法，该方法包括：在膨胀热等离子体发生器的室内确定用于将涂料等离子体增强化学汽相沉积到基材上的目标工艺条件；发生器包括阴极、可更换栅板(cascade plate)和具有同心节流孔的阳极；和采用具有成形节流孔(configured orifice)以实现确定的目标工艺条件的另一个栅板更换该栅板；和通过向等离子体发生器提供等离子气体并使等离子气体在发生器内的阴极与阳极之间的电弧内电离，在目标工艺条件下产生等离子体，并且使气体作为等离子体在沉积室内膨胀至基材上。
在一个方面中，本发明是一种产生可控等离子体的沉积装置，该装置包括适于保持在负压下的沉积室；沉积室内的制品支架；包括阴极、单个栅板和阳极和贯穿栅板的连通节流孔的膨胀热等离子体发生器，所述节流孔具有的长度为1mm-小于20mm。
在另一个方面中，一种在基材上沉积涂层的方法包括：在等离子气体发生器中确定用于将涂料等离子体增强化学汽相沉积到基材上的目标特征；发生器包括阴极、可更换栅板和具有同心节流孔的阳极；和采用具有成形节流孔以实现目标特征的另一个栅板更换该栅板。
在另一个方面中，一种在制品上沉积涂层的方法包括：使等离子气体在与沉积室连通的等离子体发生室中流动，等离子体发生室包括阴极和阳极和具有第一节流孔构型的中间栅板；将制品置于沉积室内；在等离子体发生室内产生电弧以产生等离子体，所述等离子体流入沉积室内；将材料注射入等离子体中并且使材料反应以将层沉积到制品上；确定制品用所需层性质；并且采用具有不同节流孔构型的另一个栅板更换具有第一节流孔构型的栅板，所述不同节流孔构型提供了所需的层厚度。
在又一个方面中，一种产生基本上可控的等离子体的方法包括：提供一种等离子体源，所述等离子体源包括等离子体室；置于等离子体室内的阳极和阴极和可更换地介于阳极与阴极之间的单个栅板；与阴极连接的电源；和等离子气体入口；通过等离子气体入口向等离子体室提供等离子气体；在等离子体室内产生等离子体；通过采用具有节流孔几何形状以获得所需的等离子体工艺条件的另一个栅板更换该栅板来控制等离子体。
本发明还涉及通过本发明的方法生产的制品。
附图简述
图1是用于产生等离子体的装置的示意图；
图2是用于本发明的ETP发生器的横截面示意图；
图3A、图3B和图3C是栅板构型的示意图；
图4A、图4B和图4C表示图3A、图3B和图3C的栅板构型的压力关系；
图5A、图5B和图5C表示图3A、图3B和图3C的栅板构型的电压关系；和
图6A和图6B表示对于图3A、图3B和图3C的栅板构型，沉积速率和均匀性的关系。
具体实施方式
本发明涉及等离子体增强化学汽相沉积。在一个实施方案中，本发明涉及在ETP体系中沉积以涂布或处理基材。
塑料和其它聚合物是具有可用于多种应用的物理和化学性质的市售材料。例如，聚碳酸酯是由于其优异的耐破损性而在许多产品(例如汽车用照明灯、安全挡板、护镜和窗户)中代替玻璃的一类聚合物。但是，许多碳酸酯还具有在一些应用中可能不利的性质，例如低的耐磨损性和暴露于紫外(UV)线时的易降解性。因此，未处理的碳酸酯通常并不用于诸如汽车和暴露于紫外光和来自各种来源的物理接触的其它窗户的应用。
可将耐磨损材料和UV吸收材料的涂层施涂到聚碳酸酯基材上以提供适于上述应用的材料。已将各种沉积技术用于施涂上述涂料。例如，化学汽相沉积(CVD)通过气体试剂的热活化和表面反应在基材上产生固态膜，所述气体试剂包含膜所需要的成分。通过加热基材提供使反应物热解所需的能量。为了获得适当的反应速率，将基材加热至较高温度，约500-2000。上述温度使得不能将CVD工艺应用于热敏基材材料例如聚碳酸酯(“PC”)。其它方法包括等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、物理汽相沉积(PVD)和电弧沉积(wire arc deposition)。
沉积装置通常包括包含等离子体室、置于等离子体室内的阳极和阴极和介于阳极与阴极之间的多个栅板的等离子体源；连接到阴极上的电源；和等离子气体入口。已发现可对单个栅板的节流孔进行配置以影响工艺条件例如弧压、阴极电压、等离子体电阻率和沉积速率。因此在一个实施方案中，本发明涉及一种装置，所述装置包括为了实现所需要的等离子体性质而可更换的单个栅板。
在本说明书中，“可更换”意思是板可除去和采用另一块板更换，而不存在主要的永久支撑结构的变化。例如，根据图2中所示构型，如果板可通过松动螺母或抽出通过板的棒条而除去或更换，则板是可更换的。本说明书中所用的术语“可更换”区别于作为室支撑结构的固定部件永久安装的栅板等等。
根据附图和以下详细讨论，本发明的特征将变得显而易见，以下详细描述作为实例但非限定地描述了本发明的优选实施方案。
图1是用于产生等离子体的装置100的示意图，其用于产生本发明的基本上可控的等离子体。装置100包括第一等离子体发生器102、第二等离子体发生器202和室140。本发明并不限于图1中所示实施方案；但装置100可包括单个等离子体发生器或多于两个等离子体发生器。应该理解，尽管在整个以下说明中详细描述和涉及了第一等离子体发生器102的各种特征，但以下说明也适用于第二等离子体发生器202。
第一等离子体发生器102包括等离子体室104、阴极106和阳极108以及介于其间的可更换栅板122。阴极106置于并延伸至等离子体室104内。尽管图1中示出了单个阴极106，应该理解等离子体发生器102可包括多个阴极106。阳极108位于等离子体室102的一端。出口118在等离子体室104与第二个室140之间提供流体连通。等离子体室104内产生的等离子体通过出口118离开等离子体室104并且进入第二个室140。在一个实施方案中，出口118可包括在阳极108内形成的节流孔。在另一个实施方案中，出口可包括至少一个“浮动”(即与阴极106和阳极108电绝缘)的栅板122，所述栅板将阳极108与等离子体室102的其它部分分离开来。或者，在等离子体室102和第二个室140之一中出口118可位于浮动壁中。
将用于产生等离子体的气体(此后称作“等离子气体”)通过至少一个等离子气体入口114注入等离子体室104中，所述等离子体气体用仪表120计量。等离子气体可包含至少一种惰性或非反应性气体，例如但不限于，惰性气体(即，He、Ne、Ar、Xe、Kr)。或者，在将等离子体用于蚀刻表面的实施方案中，等离子气体可包含反应性气体，例如但不限于，氢气、氮气、氧气、氟气或氯气。等离子气体的流动可通过位于等离子气体发生器(未示出)与至少一个等离子气体入口114之间的流量控制器，例如质量流量控制器来控制。第一等离子体在等离子体室104内通过将等离子气体经至少一个等离子气体入口114注入等离子体室104中并且触发阴极106与阳极108之间的电弧而产生。触发阴极106与阳极108之间的电弧所需要的电压由电源112提供。在一个实施方案中，电源112是在电压高达约50伏下提供高达约100安培电流的可调直流电源。使第二个室140保持在第二室压下，所述第二室压显著低于第一等离子体室压。在一个实施方案中，使第二个室140保持在低于约1托(约133Pa)的压力下，且优选保持在低于约100毫托(约0.133Pa)的压力下，而使等离子体室104保持在至少约0.1大气压(约1.01×104Pa)的压力下。由于第一等离子体室压与第二室压之间的差别，第一等离子体通过出口118并且膨胀至第二个室140中。
调整第二个室140使其包含将采用由装置100产生的等离子体处理的制品160。在一个实施方案中，所述制品160的等离子体处理包括将至少一种反应性气体注入由装置100产生的等离子体中并且将至少一种涂料沉积到制品160的表面上。至少一种等离子体撞击的制品160的表面可以是平面的或非平面的。由等离子体发生器102产生的等离子体的性质根据可更换栅板130、230的构型而改变，如下文所述。装置100能够提供其它等离子体处理，其中至少一种等离子体撞击制品160的表面，所述其他等离子体处理例如是但不限于等离子体蚀刻制品160的至少一个表面、加热制品160、点燃或照亮制品160、或在制品160的表面上功能化(即，产生反应性化学物种)。等离子体处理工艺的特征受到等离子体发生器的操作参数的强烈影响。其中，所述操作参数是等离子体发生器内的操作压力、等离子体电阻、穿过阴极和阳极的电位、等离子体电流和阴极至阳极的距离。
在一个实施方案中，由第一等离子体发生器102和第二等离子体发生器202中的至少一个产生的等离子体是膨胀热等离子体。在ETP中，通过使等离子体源气体在至少一个阴极106与阳极108之间产生的电弧中电离产生阳离子和电子而产生等离子体。例如，当产生氩气等离子体时，使氩气电离，形成氩离子(Ar+)和电子(e-)。然后将等离子体在低压下膨胀至高体积，从而使电子和阳离子冷却。在本发明中，等离子体在等离子体室104中产生并且通过出口118膨胀至第二个室140中。如前所述，使第二个室140保持在比等离子体室104显著低的压力下。在ETP中，阳离子和电子的温度近似相等并且为约0.1eV(约1000K)。在其它类型的等离子体中，电子具有足够高的温度以显著影响等离子体的化学性质。在所述等离子体中，阳离子通常具有的温度为约0.1eV并且电子具有的温度为约1eV或10,000K或更高。因此，在ETP中电子太冷并且因此具有不足以导致任何可被引入到ETP内的气体直接离解的能量。代替地，所述气体可与ETP内的电子进行电荷交换和离解再结合反应。
普通转让给Johnson等的2002年8月27日提交的申请10/064,888公开了一种等离子体发生器102，所述等离子体发生器102包括至少一个可调阴极106。本文将上述申请全文引入以作参考。根据Johnson等，可通过移动阴极106将间隙110设定为预定距离。在Johnson等中，如用传感器116检测和监控的，等离子体室压或阴极电压的变化表现为间隙110的变化。例如，阴极偏移(cathode drift)可由阴极电压和等离子体室压的变换或变化来指示。例如，作为反馈在统计工艺控制过程中获得的等离子体室压数据可用于控制间隙110。阴极偏移的补偿可在操作等离子体发生器102的过程中通过响应至少一个传感器116的输入移动可调阴极106以使间隙116保持在所选距离下而实现。因此，通过对阴极106的上述调节使由于阴极偏移引起的由等离子体发生器102产生的等离子体104的变化消除或显著降低。上述可调阴极106的移动可手动或通过控制器实时进行。如上述条件所指示，通过向压力板施加或释放压力增大或减小间隙110，或者可在操作等离子体发生器102的过程中当可调阴极106发生腐蚀时通过根据需要施加压力将间隙110保持在恒定值。在另一个实施方案中，压力装置可包括连接到可调阴极106上的气力传动装置。气力传动装置可通过移动可调阴极106从而将间隙110增大、减小或保持在所选值-如上述条件所指示。
反应物通过供应管线114、214供应到等离子体中，但是应该理解根据所需等离子体的化学性质可存在或多或少的供应管线和相连的结构元件。例如，可通过一个管线供应氧气，可通过另一个管线供应锌，且可通过又一个管线供应铟，以在基材160上形成铟锌氧化物膜。如果要沉积氧化锌膜，则可仅供应氧气和锌。示例性沉积试剂包括用于制备氧化物、氮化物、氟化物、碳化物、硫化物和聚合物涂料的氧气、一氧化二氮、氮气、氨水、二氧化碳、氟气、硫、硫化氢、硅烷、有机硅烷、有机硅氧烷、有机硅氮烷和烃。其氧化物、氟化物和氮化物可采用相同方式沉积的其它金属的实例是铝、锡、钛、钽、铌和铈。或者，可供应氧气和六甲基二硅氧烷、四甲基二硅氧烷或八甲基环四硅氧烷以形成二氧化硅基硬涂层。可以使用可通过ETP沉积的其它类型的涂料。
经处理或涂布的基材160可以是包括金属、半导体、陶瓷、玻璃或塑料的任何适合的材料。在优选的实施方案中，该材料为热塑性材料例如聚碳酸酯、共聚酯碳酸酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺或丙烯酸(酯)类。特别优选聚碳酸酯；关于这点术语“聚碳酸酯”包括均聚碳酸酯、共聚碳酸酯和共聚酯碳酸酯。
在本发明中，预期可提供碰撞基材的等离子体卷流(plasma plume)运动。其可通过将ETP发生器或与其连接的喷嘴安装到可手动或计算机控制的旋转体上实现。其还可通过将一个或多个磁铁安装到沉积室壁之上或附近，从而提供等离子体卷流的方向和形状的磁性变化而实现。
在装置100包括多于一个等离子体发生器的实施方案中，第二个等离子体发生器202包括与本文所述第一等离子体发生器102相符的特征。例如，等离子体发生器202包括阴极206、阳极208、间隙210、至少一个等离子气体入口214、至少一个传感器216、出口218和可更换栅板222。
本发明提供了具有可更换栅板122、222的等离子体发生器102，202，所述等离子体发生器可进行定制以提供所需要的等离子体卷流特征。图2是显示可更换栅板122、222的发生器102或202的横截面示意图。在图2中，示出了包括阴极106、阳极108和可更换栅板122的发生器102。阴极106、阳极108和栅板122通过提供固定功能性的螺杆124固定在一起，所述螺杆可根据Johnson等进行调节以改变间隙110或者可将其拆卸以除去栅板，从而采用不同构型的栅板进行更换以提供如下文所述具有不同特征或性质的等离子体卷流。螺杆124是包括纤维玻璃套管126和调节螺母128的组件的一部分，可对所述螺杆进行调节以改变间隙110或将其除去用以拆卸栅板122。在图2中，通过拧松调节螺母128和螺杆124并且除去阴极外壳132而除去栅板。然后将栅板122除去并且采用具有不同节流孔构型的栅板更换，所述具有不同节流孔构型的栅板提供了所需要的不同的等离子体卷流特征。
由第一等离子体发生器102产生的等离子体的特征取决于等离子体室104内等离子气体的压力和阴极106的电压(或电位)。因此，等离子体的特征可通过调节等离子体室104内等离子气体的压力和阴极106的电压中的至少一种进行控制。等离子气体压力可通过至少一个传感器116监控并因此进行调节。调节等离子气体压力的一种方式是控制等离子气体经等离子气体入口114流入等离子体室104。控制等离子气体流入等离子体室104的方式包括，但不限于，针形阀和质量流量控制器。阴极电压(或电位)可类似地通过至少一个传感器116监控并因此通过调节电源112进行调节。应该理解，在具有第二等离子体发生器202的实施方案中，由第二等离子体发生器202产生的等离子体的特征可类似地通过调节等离子体室204内的等离子气体压力和响应由至少一个传感器216提供的输入的阴极206的电压的至少一种进行控制。
根据本发明的实施方案，等离子气体的压力和电压(或电位)通过根据Johnson等改变间隙110、210进行调节和控制。因此，分别相对于等离子体室204内的等离子气体压力和阴极206的阴极电压而言，等离子体室104内的等离子气体压力和阴极106的阴极电压中的至少一种是可调节的。因此，相对于等离子体室204内的条件和由第二等离子体发生器202产生的第二等离子体而言，等离子体室104内的条件和因此由第一等离子体发生器102产生的第一等离子体是可调节的，反之亦然。例如，可以对由第一等离子体源产生的第一等离子体进行“调整”以使第一等离子体或第二等离子体之间的变化消除或最小化或者进行“解调”以使彼此不同。
在图2中，栅板122的特征在于具有直壁的圆柱形节流孔130，所述直壁与阳极108的扩口式节流孔134相配合在室140内提供膨胀等离子体卷流。根据本发明，等离子体卷流的性质通过改变圆柱形节流孔130的构型来控制。图3A、图3B和图3C是可用于改变等离子体卷流性质例如Ar压力(托)或电压(v)的栅板节流孔构型的示意图。图3A表示在接近阳极处以扩口式构型终止的部分直壁节流孔。图3B表示以扩口式构型终止的伸长通道和图3C是无扩口的直壁通道构型。控制等离子体卷流性质的单个栅板节流孔的长度可以是1mm-小于20mm。理想地，单个栅板节流孔的长度为1.5mm-10mm，且优选为2mm-8mm。
图4A、图4B和图4C表示在流速为0.5-2升/分钟(Lpm)下，图3A、图3B和图3C的栅板构型的压力关系，且图5A、图5B和图5C表示图3A、图3B和图3C的栅板构型的电压关系。图4A、图4B和图4C和图5A、图5B和图5C中所列数据表明给定的工艺条件例如电流或氩气流量、电弧压力(arc pressure)和阴极电压随节流孔圆柱形壁的长度的增加而增加。
用单个等离子体发生器，例如ETP发生器处理的区域的特征(例如，涂层厚度、蚀刻或活化程度)通常在等离子体发生器的轴附近表现出具有高斯分布的分布图。当使用多个等离子体发生器处理制品160时，通过放置各个等离子体发生器以使最终的高斯分布重叠，可提高均匀性。该分布的分布图以及宽度和高度部分取决于用于处理基材的等离子体的特征。而每种等离子体的特征又取决于如下条件：例如用于在各个等离子体发生器内产生等离子体的阴极电压、等离子气体压力和阴极至阳极的距离(间隙110)。根据由VTMS沉积夹层的外加试验(实施例中所述)，发现沉积速率和沉积均匀性均随圆柱形直壁的长度的增加而增加，如图6A和图6B中所示。在图6A中，A等于采用静态模式沉积的高斯分布图下的面积(nm×cm)。在图6B中，w等于高斯分布图的宽度，以cm计。
如果不特别指出限定，以下实施例是示例性的并且不应该理解为对权利要求的范围的限定。
实施例1-11
在以下实施例中，使用表1中所列栅板节流孔设计在70安培下在2lpm的Ar流经等离子体室下操作图2的装置。间隙(110)为～2mm。通过Miller 200电弧焊电源测定和供应电流。穿过栅板的电压降采用具有高于10-12莫姆的输入阻抗的数字万用表测定。电阻根据电流和电压V＝IR计算并且电阻率根据电阻和几何因子R(欧姆)＝电阻率(欧姆-cm)*l/A(cm-1)计算。
表1
在所有的实施例中，栅板的厚度恒为4.9mm。表1列出了使用的栅板数、采用确定构型获得的等离子体电阻率和设计的几何因子(l/A)，其中l＝节流孔通道的长度且A＝通道的面积。对于扩散式通道节流孔而言，l/A是整个通道的净值。而且，表1示出了电阻、电压、压力和在所列电流和Ar流量下获得的瓦特。术语“扩张通道”指的是图3A和图3B的设计。指定为“直”的所有设计指的是具有如表1中所列节流孔直径的图3的设计。
在表1的实施例1中，设计具有带有表3A中所示扩张通道设计的栅板。所述栅板具有1.32mm直径的节流孔，所述节流孔笔直延伸0.81mm，然后以25度角扩张。“扩张通道a”、“扩张通道b”和“直”构型分别相应于图3A、图3B和图3C的构型。在所有的实施例中，如果不另外指出，扩张节流孔在电弧的阳极一侧。
对于实施例2而言，通过拧松调节螺栓128和除去杆124将实施例1的图3的栅板除去。将具有扩张通道图3B的设计的栅板置于阴极外壳内并将棒124和调节螺栓128放回原位。所述实施例的栅板具有1.32直径的节流孔，所述节流孔长1.62mm，然后如图3B所示以25度角扩张。
在实施例3中，采用如图3C所示4.9mm长、1.32mm直径的节流孔栅板更换实施例2的栅板。所述设计不包括扩张部分。该设计在整个4.9mm长度上是直壁的。
表1的实施例1-3表明，较高的电弧压力可通过在不增大直径的情况下增加节流孔笔直通道的长度而获得。图4A、图4B和图4C和图5A、图5B和图5C表示用于实施例1-3的外加Ar流量的压力和电压以及用于栅板的电流。这些实施例表明对于相同的电流和Ar流量而言可在电弧中获得较高压力。
表1的数据显示增大节流孔通道的长度产生较高的电阻和功率。较高的功率和因此在基材上的热负荷对于较高温度的沉积应用而言是有利的。
实施例3-5表明增大节流孔直径导致较低的压力和较低的热负荷。
实施例1、4、6表明可选择节流孔构型以在不同的热负荷下提供相等的压力。
另外，使用乙烯基三甲基硅烷(VTMS)反应物将具有实施例1-3的栅板的装置用于在PC上沉积夹层涂料。在这些实施例中，将0.3slpm VTMS经环状物(ring)注入膨胀等离子体中。环状物距离阳极～5mm。条件恒定在1.65lpmAr和40安培下。仅改变栅板设计。在固定的4”×4”基材上沉积10秒。放置基材以使其中心线与电弧的中心线共形(conformal)。在1cm的间距中穿过基材测定涂层厚度以提供涂层厚度分布图。
针对分布图下的面积(A)(表示沉积的总涂层)和宽度(w)(涂层束(coatingbeam)膨胀的量度)比较所得到的高斯分布图。图6A和图6B的横坐标值是3A、3B和3C节流孔构型(分别为图6A和图6B的形状1、2和3)。因此，当使节流孔直线部分伸长时，图6A和图6B显示出增加的压力(图6A)和较快的沉积速率(图6B)。在以低成本获得大面积沉积方面，增加压力和沉积速率是重要因素。
实施例1-5表明可获得许多单个栅板的设计，所有的设计均显示出低的等离子体电阻率。相反，现有技术的设计通常具有2-8个栅板。比较例11是典型的2-8个栅板的4mm直线通道的设计。如所示，该设计产生更高的等离子体电阻率，通常是0.032ohm-cm，和穿过各个栅板的高瓦特数。应注意瓦特仅针对2-8个栅板之一，因此8个栅板的设计要求穿过栅板的功率为4936瓦特。这导致更高的操作成本和大量更昂贵的电源。
实施例6是实施例1的栅板设计，但采用具有邻近阴极的锥形部分和邻近阳极的直线部分的反向节流孔。令人惊奇的是，所述栅板的等离子体电阻率与双栅板设计等同。实施例6列举了另一种方式，其中单个栅板设计可控制和改变等离子体的性质。
实施例7是具有不对称节流孔的栅板，所述节流孔是～5mm长、0.5mm宽的狭缝。该设计提供了用于单个栅板设计的更高的电阻率、功率和压力。所述电弧由于高压仅在30A下运转。
比较例4和7显示出使用相同的1/A但是不同的长宽比和因此不同的壁表面积的影响。具有较高的壁相互作用的实施例7产生更高的电阻率和压力。
实施例7-9表明，采用实施例1、5的双栅板设计和2.5mm的直线节流孔构型也产生更高的电阻率。因此从一个栅板增加到两个栅板导致等离子体电阻率2-3倍的增加。这些实施例表明较低的电阻率是单个栅板设计的重要优点。
实施例表明可利用栅板设计调节等离子体性质以实现各种性能特征。
实施例12-15
对栅板设计进行测试以确定对磨损涂层性能的影响。在这些实施例中，将涂料沉积到MR10(购自GE Structured Products的有机硅硬涂层涂布的聚碳酸酯片材)。该片材涂布有2层耐磨损涂层。使用0.19slpm的D4、1.65lpmAr和70安培将各个涂层沉积8秒。在氧气流速为0.3slpm下施加第一涂层；且在氧气流速为0.8slpm下施加第二涂层。
使用ASTM D1044Taber试验测试所得到的样品的磨损。将样品浸渍在65℃水中3天并且采用交叉影线锥度测试(crosshatch taper test)测定粘结性。根据ASTM D3359-92A标准将粘结性分级为1-5B，5B是无分离。沉积期间的最高温度采用IR传感器测定。表2列出了沉积温度、沉积厚度(以微米计)、采用CS10F齿轮(wheel)循环1000次之后的浊度变化和浸水之后的粘结性。
如表2中所示，图3A、图3B和图3C的设计获得具有类似Taber磨损的涂层。但是，较高的瓦特数增加了基材上的热负荷，导致较高的沉积温度和较弱的浸水稳定性。这可能是由于因高温而增加的应力导致的。在较高瓦特数的情况下，可选择最佳的节流孔设计以在较低功率下提供相等的压力。这种选择提供了较低的操作成本和改进的涂层性能。
表2
| 栅板设计 | 沉积温度(℃) | 厚度(μm) | Taber d浊度 | WI粘结性(1-5B) |
| 扩张通道a | 72 | 2.08 | 4.0 | 5 |
| 1.8mm直通道 | 96 | 2.73 | 3.8 | 3 |
| 扩张通道a反向的 | 82 | 2.50 | 3.9 | 4 |
实施例16
为了说明在单个栅板ETP发生器中节流孔的设计对下游反应器内前体离解的程度具有统计学上显著的影响，使用具有不同节流孔的两个栅板并且利用改变作为控制参数的氩气流量、前体(VTMS)流量和等离子体电流进行设计试验(DoE)。测定在各种条件下维持等离子体所需电压并将其用于计算消耗在等离子体中的功率。通过在接通(turn on)等离子体之前(即，未离解前体的分压)和在接通等离子体之后(即，离解前体的分压)测定前体的分压来评价离解度。分压的比率与前体离解度成比例。如图3中所示，使用配置有初始圆柱形部分和最后圆锥形部分的栅板提供控制参数。圆柱形部分的长度从对于控制设计而言的标准长度0.08mm改变为标准长度的两倍。这些设计分别与实施例1和2中所用的相同。设计试验及其统计分析如下：
表3-DOE设置
| 控制参数 | 响应 | |||||
| 气体 | 栅极 | Ar流量 | VTMS流量 | 电流 | 产生的功率 | 产生的压力比 |
| VTMS | 双倍长度 | 2 | 0.15 | 40 | 1440 | 3.1 |
| VTMS | 双倍长度 | 2 | 0.15 | 60 | 2430 | 3.66667 |
| VTMS | 双倍长度 | 2 | 0.35 | 40 | 1376 | 2.14286 |
| VTMS | 双倍长度 | 2 | 0.35 | 60 | 2400 | 3.11429 |
| VTMS | 双倍长度 | 1 | 0.15 | 40 | 1224 | 2.16667 |
| VTMS | 双倍长度 | 1 | 0.15 | 60 | 2088 | 2.96667 |
| VTMS | 双倍长度 | 1 | 0.35 | 40 | 1228 | 1.71429 |
| VTMS | 双倍长度 | 1 | 0.35 | 60 | 2082 | 2.37143 |
| VTMS | 标准 | 2 | 0.15 | 40 | 960 | 2.46667 |
| VTMS | 标准 | 2 | 0.15 | 60 | 1626 | 3.33333 |
| VTMS | 标准 | 2 | 0.35 | 40 | 928 | 1.77143 |
| VTMS | 标准 | 2 | 0.35 | 60 | 1602 | 2.57143 |
| VTMS | 标准 | 1 | 0.15 | 40 | 832 | 1.8 |
| VTMS | 标准 | 1 | 0.15 | 60 | 1416 | 2.33333 |
| VTMS | 标准 | 1 | 0.35 | 40 | 836 | 1.42857 |
| VTMS | 标准 | 1 | 0.35 | 60 | 1404 | 1.85714 |
表4-估计效果和功率系数(编码单位)
| 术语 | 效果 | 系数 | 标准偏差系数 | T | P |
| 常量栅极Ar流量VTMS流量电流 | -583.0206.5-20.0778.0 | 1492.0-291.5103.2-10.0389.0 | 26.4426.4426.4426.4426.44 | 56.42-11.023.90-0.3814.71 | 0.0000.0000.0020.7130.000 |
表5-功率变化的分析(编码单位)
| 源 | DF | Seq SS | Adj SS | Adj MS | F | P |
| 主效果残留误差总计 | 41115 | 39528611230754075936 | 3952861123075 | 98821511189 | 88.32 | 0.000 |
针对“离解的VTMS分压与未离解的VTMS分压的比率”响应的分析
表5-估计效果和压力系数(编码单位)
| 术语 | 效果 | 系数 | 标准偏差系数 | T | P |
| 常量栅极Ar流量VTMS流量电流 | -0.46010.6911-0.60770.7030 | 2.4253-0.23010.3455-0.30390.3515 | 0.033600.033600.033600.033600.03360 | 72.18-6.8510.28-9.0410.46 | 0.0000.0000.0000.0000.000 |
表6-压力变化的分析(编码单位)
| 源 | DF | Seq SS | Adj SS | Adj MS | F | P |
| 主效果残留误差总计 | 41115 | 6.21130.19876.4100 | 6.21130.1987 | 1.552810.01807 | 85.9S | 0.000 |
以下两个图表是响应对各种因素的主效应曲线。
功率的主效应曲线(数据平均值(data means))
压力比的主效应曲线(数据平均值)
前述统计分析表明对于进入ETP源的功率和离解度而言，栅板控制参数的p值均少于0.05。因此表明栅板节流孔设计对两种响应具有统计学上显著的影响。总之，通过改变栅板节流孔设计，可因此控制注入到膨胀热等离子体内的前体的离解度。
尽管已描述了本发明的优选实施方案，本发明仍能够进行改变或改性并因此不应该将其限定在实施例的精确细节。本发明包括落入以下权利要求范围内的各种变化和变更。
Claims (41)
1.一种在基材上沉积层的方法，该方法包括：
在膨胀热等离子体发生器(102，202)的室内确定用于将涂料等离子体增强化学汽相沉积到基材上的目标工艺条件；发生器(102，202)包括阴极(106，206)、可更换栅板和具有同心节流孔的发生器(108，208)；和
采用具有成形节流孔以实现确定的目标工艺条件的另一个栅板更换该栅板；和
通过向等离子体发生器(102，202)提供等离子气体并使等离子气体在发生器(102，202)内的阴极(106，206)与发生器(108，208)之间的电弧内电离，在目标工艺条件下产生等离子体，并且使该气体作为等离子体在沉积室内膨胀至基材上。
2.权利要求1的方法，其中工艺条件选自以下一种或多种：电流、等离子气体流量、电弧压力、阴极(106，206)电压、等离子体电阻率和沉积速率。
3.权利要求1的方法，该方法包括确定施加到发生器(102，202)内的等离子气体上的目标电离电压并且采用具有构造成实现目标电离电压的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
4.权利要求1的方法，该方法包括确定施加到发生器(102，202)内的等离子气体上的目标电离电压并且采用具有构造有直壁长度以实现目标电离电压的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
5.权利要求1的方法，该方法包括确定施加到发生器(102，202)内的等离子气体的目标压力并且采用具有构造成实现目标压力的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
6.权利要求1的方法，该方法包括确定施加到发生器(102，202)内的等离子气体的目标压力并且采用具有构造有直壁长度以实现目标压力的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
7.权利要求1的方法，该方法进一步包括将反应气体注入到发生器(102，202)内的等离子体中。
8.权利要求1的方法，该方法进一步包括将反应气体注入到发生器(102，202)内的等离子体中，确定等离子体用目标电阻率并且采用具有构造成实现目标电阻率的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
9.权利要求1的方法，该方法进一步包括将反应气体注入到发生器(102，202)内的等离子体中，确定等离子体用目标电阻率并且采用具有构造有直壁长度以实现目标等离子体电阻率的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
10.权利要求1的方法，其中另一个栅板的节流孔的长度为1mm-小于20mm。
11.权利要求1的方法，其中另一个栅板的节流孔的长度为1.5mm-10mm。
12.权利要求1的方法，其中另一个栅板的节流孔的长度为2mm-8mm。
13.权利要求1的方法，其中基材为热塑性基材。
14.权利要求1的方法，其中热塑性基材为聚碳酸酯。
15.权利要求1的方法，其中等离子体为氩气或氩气-氧气-有机硅氧烷等离子体。
16.权利要求1的方法，其中产生等离子体以在基材上沉积连续的涂层。
17.权利要求1的方法，其中基材是平面的。
18.权利要求1的方法，其中基材是弯曲的。
19.一种用于产生可控等离子体的沉积装置(100)，该装置包括：
被调整以保持在负压下的沉积室；
沉积室内的制品支架；
膨胀热等离子体发生器(102，202)，其包括阴极(106，206)、单个栅板和发生器(108，208)以及贯穿栅板的连通节流孔，所述节流孔的长度为1mm-小于20mm。
20.权利要求19的沉积装置(100)，其中栅板的节流孔的长度为1.5mm-10mm。
21.权利要求19的沉积装置(100)，其中栅板的节流孔的长度为2mm-8mm。
22.权利要求19的沉积装置(100)，其中栅板的节流孔直径沿流动方向呈放射状对称变化。
23.权利要求19的沉积装置(100)，其中栅板的节流孔直径沿流动方向呈放射状不对称变化。
24.权利要求19的沉积装置(100)，其中离开节流孔直径的栅板和进入节流孔的发生器(108，208)相匹配。
25.权利要求19的沉积装置(100)，该装置进一步包括将反应物引入等离子体中的端口。
26.权利要求21的沉积装置(100)，其中通过环状物、喷嘴、闪蒸器、喷雾器或蒸发器引入反应物。
27.权利要求19的沉积装置(100)，其中通过穿过阴极(106，206)调节环、阴极(106，206)外壳、栅板和发生器(108，208)的螺杆和螺母组合将栅板固定在适当位置。
28.权利要求19的沉积装置(100)，该装置包括排列成覆盖延伸区域的多个膨胀热等离子体发生器(102，202)。
29.权利要求19的沉积装置(100)，该装置包括排列有不同的栅板以在基材上实现均匀性质的多个膨胀热等离子体发生器(102，202)。
30.权利要求19的沉积装置(100)，其包括排列有不同的栅板以在平面基材上实现不同性质的多个膨胀热等离子体发生器(102，202)。
31.一种在基材上沉积层的方法，该方法包括：
在等离子气体发生器(102，202)中确定用于将涂料等离子体增强化学汽相沉积到基材上的目标特性；发生器(102，202)包括阴极(106，206)、可更换栅板和具有同心节流孔的发生器(108，208)；和
采用具有成形节流孔以实现目标特性的另一个栅板更换该栅板。
32.权利要求31的方法，该方法进一步包括：通过向等离子体发生器(102，202)提供等离子气体并在发生器(102，202)中的阴极(106，206)与发生器(108，208)之间的电弧内使等离子气体电离，在目标等离子气体流量下产生等离子体，并且将气体作为等离子体膨胀到处于比等离子体发生器(102，202)更低压力下的沉积室中。
33.权利要求31的方法，该方法包括确定施加到发生器(102，202)内的等离子气体上的目标电离电压并且采用具有构造成实现目标电离电压的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
34.权利要求31的方法，该方法包括确定发生器(102，202)内的等离子气体的目标压力并且采用具有被选择以实现目标压力的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
35.权利要求31的方法，该方法包括确定发生器(102，202)内的等离子气体的目标电阻率并且采用具有构造成实现目标等离子体电阻率的节流孔的另一个栅板更换该栅板。
36.一种在制品上沉积层的方法，该方法包括：
使等离子气体在与沉积室连通的等离子体发生室中流动，等离子体发生室包括阴极(106，206)和发生器(108，208)和具有第一节流孔构型的中间栅板；将制品置于沉积室内；
在等离子体发生室内产生电弧以产生等离子体，所述等离子体流入沉积室内；
将材料注射入等离子体中并且使材料反应以将层沉积到制品上；
确定用于制品的所需层性质；和
采用具有不同节流孔构型的另一个栅板更换具有第一节流孔构型的栅板，所述不同节流孔构型提供所需的层厚度。
37.权利要求36的方法，其中在不改变工艺条件的情况下不同的节流孔构型提供所需的层厚度。
38.权利要求36的方法，该方法包括确定产生等离子体所需的气体压力并且采用另一个栅板更换具有第一节流孔构型的栅板，在不改变电离电压的情况下所述另一个栅板提供所需气体压力。
39.权利要求36的方法，该方法包括确定产生等离子体所需的气体流速并且采用另一个栅板更换具有第一节流孔构型的栅板，在不改变发生室压力的情况下所述另一个栅板提供所需气体流速。
40.一种产生基本上可控的等离子体的方法，该方法包括：
提供一种等离子体源，所述等离子体源包括等离子体室(104，204)(104，204)；置于等离子体室(104，204)内的发生器(108，208)和阴极(106，206)和可更换地介于发生器(108，208)与阴极(106，206)之间的单个栅板；与阴极(106，206)连接的电源(112，212)；和等离子气体入口；
通过等离子气体入口向等离子体室(104，204)提供等离子气体；
在等离子体室(104，204)内产生等离子体；
通过采用具有节流孔几何形状以获得所需的等离子体工艺条件的另一个栅板更换该栅板来控制等离子体。
41.通过权利要求40的方法生产的制品。
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