KR100490510B1 - Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus - Google Patents

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KR100490510B1 KR10-1998-0024040A KR19980024040A KR100490510B1 KR 100490510 B1 KR100490510 B1 KR 100490510B1 KR 19980024040 A KR19980024040 A KR 19980024040A KR 100490510 B1 KR100490510 B1 KR 100490510B1
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Abstract

본 발명에 따른 노즐-인젝터는 벽 안정화 아크 토치를 플라즈마 발생기로서 사용하여 박막을 피복하는 플라즈마 침착용으로 설계 및 제조되었다. 노즐-인젝터의 설계는 주입, 이온화, 시약의 반응, 및 이들 기능을 제어하고 피막 침착 속도, 피막 면적, 피막 성분, 및 피막의 특성을 결정한다.The nozzle-injector according to the present invention was designed and manufactured for plasma deposition using a wall stabilized arc torch as a plasma generator to coat a thin film. The design of the nozzle-injector controls the injection, ionization, reaction of the reagents, and these functions and determines the film deposition rate, film area, film composition, and film properties.

Description

아크 플라즈마 침착 장치용 단일 노즐-인젝터 및 표면 처리 및 침착 장치{NOZZLE-INJECTOR FOR ARC PLASMA DEPOSITION APPARATUS}Single nozzle-injector and surface treatment and deposition apparatus for arc plasma deposition equipment {NOZZLE-INJECTOR FOR ARC PLASMA DEPOSITION APPARATUS}

본 발명은 유리, 석영, 금속 또는 금속화 재료, 및 플라스틱과 같은 다양한 기판상의 보호 피막의 아크 플라즈마 침착(deposition)에 관한 것으로, 특히 내마모성, UV 흡수성, 또는 IR 반사성의 투명한 피막의 고 침착 속도를 위해 플라즈마 흐름을 지향하고 플라즈마 내에 반응성 시약(reactive reagent)을 주입하는 복합형 노즐-인젝터에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to arc plasma deposition of protective coatings on various substrates such as glass, quartz, metal or metallized materials, and plastics, and particularly to high deposition rates of wear resistant, UV absorbing, or IR reflective transparent coatings. The present invention relates to a composite nozzle-injector for directing plasma flow and injecting reactive reagents into the plasma.

박막의 기술적 중요성으로 인하여 다양한 가지 침착 방법이 개발되었다.Due to the technical importance of thin films, various deposition methods have been developed.

화학적 증착법(CVD)은 소망하는 박막 성분을 함유하는 기상 시약의 열적 활성 및 표면 반응에 의해서 기판 표면상에 고체 막을 형성한다. 반응물을 열분해하는 데 필요한 에너지는 기판을 가열함으로써 공급된다. 적당한 반응속도를 얻기 위해서, 기판은 약 500℉ 내지 2000℉ 정도의 범위의 비교적 고온으로 가열된다. 이러한 온도 때문에, 이 프로세스를 열에 민감한 기판 재료에 적용할 수 없다.Chemical vapor deposition (CVD) forms a solid film on the substrate surface by thermal activity and surface reaction of a gaseous reagent containing the desired thin film component. The energy required to pyrolyze the reactants is supplied by heating the substrate. In order to obtain a suitable reaction rate, the substrate is heated to a relatively high temperature in the range of about 500 ° F to 2000 ° F. Because of this temperature, this process cannot be applied to heat sensitive substrate materials.

플라즈마 향상 화학적 증착법(PECVD)은 침착 챔버안에 플라즈마를 형성하는 가스 중의 방전에 의해서 시약에 에너지를 공급한다. 일반적으로 기판은 플라즈마 속에 침지된다. 이 침착 속도는 통상적으로 낮다.Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) energizes reagents by discharge in the gas that forms the plasma in the deposition chamber. Generally, the substrate is immersed in the plasma. This deposition rate is typically low.

폴리카보네이트는 고 충격 강도, 저밀도, 광학적 투명성 및 양호한 가공성으로 인하여 그레이징 및 광학적 적용을 위한 공학용 재료로서 종종 선택된다. 그러나, 폴리카보네이트 재료는 연성이고, 유리와 같은 내마모성이 부족하고, 약 300℉의 온도에 민감하다. 종래의 연구에 의하면, 플라즈마 향상 화학 증착법(PECVD)에 의한 산화 규소 피막은 폴리카보네이트의 내마모성을 향상시킬 수 있고, 그레이징 용도에 적용할 수 있게 되었다. 그러나, 실란 및 이산화질소를 전구체로서 사용하는 종래의 PECVD 기술은 반응이 느리므로, 비경제적이고, 겨우 분당 약 0.05 마이크론 정도의 전형적인 침착 속도를 갖는다. 이 후에 유기실리콘 전구체가 플라즈마-발생 내마모성 중합체 피막용으로 PECVD에 사용되었지만, 침착 속도는 크게 향상되지 않았다.Polycarbonates are often chosen as engineering materials for grazing and optical applications because of their high impact strength, low density, optical transparency and good processability. However, polycarbonate materials are soft, lack wear resistance such as glass, and are sensitive to temperatures of about 300 ° F. According to the conventional studies, the silicon oxide film by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) can improve the wear resistance of polycarbonate and can be applied to grazing applications. However, conventional PECVD techniques that use silane and nitrogen dioxide as precursors are slow in reaction and therefore uneconomical and have a typical deposition rate of only about 0.05 microns per minute. Subsequent organosilicon precursors were used in PECVD for plasma-generating wear resistant polymer coatings, but the deposition rate was not significantly improved.

본 발명의 공정은 본 발명의 침착 공정에 의해 제조된 제품에 대하여 개선된 접착성, 열팽창 적합성, 방사선 방호 및 내마모성을 부여하는 피막 및 층을 제공한다. 시이트, 막 및 성형된 기판 형태의 고온 재료과 저온 재료상에 플라즈마에 의해 보호 피막을 부착하는 것은, 본 명세서에 개시된 장치 및 방법에 의해서 달성될 수 있다.The process of the present invention provides films and layers that impart improved adhesion, thermal expansion suitability, radiation protection and abrasion resistance to articles made by the deposition process of the present invention. Attaching the protective film by plasma on hot and cold materials in the form of sheets, films and shaped substrates can be accomplished by the apparatus and methods disclosed herein.

노즐-인젝터는 벽-안정화 아크 토치(wall-stabilized arc torch)를 플라즈마 발생기로서 사용하는 박막 피막의 플라즈마 침착용으로 설계 및 제조되었다. 노즐-인젝터의 설계는 시약의 주입, 이온화, 반응을 제어하며, 이들 기능은 피막 침착 속도, 피막 면적, 피막 성분 및 피막의 특성을 결정한다. 본 발명의 노즐-인젝터를 반응체의 산소 및 실록산과 함께 사용하면, 중앙에 1분당 약 30 마이크론의 침착 속도로 투명한 피막이 폴리카보네이트 및 유리 기판상에 생긴다. 실록산으로부터 얻는 피막은 폴리카보네이트 기판의 내마모성을 대폭 향상시킨다. 실록산을 적당한 유기금속 시약으로 대체한 결과, 산화 아연 또는 산화 티탄과 같은 다른 산화 피막이 플라스틱 기판상에 침착되었다. 상기 피막은 적외선 또는 자외선 보호 피막으로서 유용하다. 본 발명의 노즐-인젝터는 단일 장치 내에 하나 이상의 인젝터의 시약 도입 기능과 노즐의 방향 제어 기능을 조합한 것이다.Nozzle-injectors were designed and fabricated for plasma deposition of thin film coatings using wall-stabilized arc torch as a plasma generator. The design of the nozzle-injector controls the injection, ionization, and reaction of the reagents, and these functions determine the film deposition rate, film area, film composition, and film properties. When the nozzle-injector of the present invention is used in combination with the oxygen and siloxane of the reactant, a clear coating is formed on the polycarbonate and glass substrates at a deposition rate of about 30 microns per minute in the center. The film obtained from the siloxane greatly improves the wear resistance of the polycarbonate substrate. As a result of replacing the siloxane with a suitable organometallic reagent, another oxide film such as zinc oxide or titanium oxide was deposited on the plastic substrate. The coating is useful as an infrared or ultraviolet protective coating. The nozzle-injector of the present invention combines the reagent introduction of one or more injectors with the direction control of the nozzles in a single device.

본 발명의 노즐-인젝터를 사용하는 아크 플라즈마 침착 공정에서 단위체로서 유용한 유기 실리콘 화합물에는, 적어도 하나의 규소 원자가 실록산, 실란산 및 유기 실리콘과 같은 적어도 하나의 탄소 또는 적어도 하나의 수소 원자에 결합된 다른 규소 화합물 및 실란이 있다.Organic silicon compounds useful as monomers in arc plasma deposition processes using the nozzle-injector of the present invention include at least one silicon atom bonded to at least one carbon or at least one hydrogen atom, such as siloxane, silane acid and organic silicon. Silicon compounds and silanes.

본 발명의 노즐-인젝터는 양극과 음극 사이에 배치된 적어도 하나의 수냉식 전기적 절연판을 갖는 벽 안정화 아크 플라즈마 토치와 같은 다양한 플라즈마 발생 장치와 함께 사용하기에 적합하다. 다중판의 벽-안정화 아크 장치는 미국 특허 제 4,948,485 호 및 제 4,957,062 호에 개시되어 있다.The nozzle-injector of the present invention is suitable for use with various plasma generating devices, such as wall stabilized arc plasma torches having at least one water-cooled electrical insulating plate disposed between the anode and the cathode. Multi-plate wall stabilized arc devices are disclosed in US Pat. Nos. 4,948,485 and 4,957,062.

다중판의 폭포형 아크는, 탄화수소 및 유기 규소 시약으로부터 다이아몬드상 탄소 및 플라즈마 중합체 피막을 제조하는 플라즈마원으로서 사용되었다. 분당 수 마이크로미터의 침착 속도가 기록되었다. 그러나, 피막 면적이 좁으며, 그 직경이 수 센티미터이고, 재료의 이용도는 약 20% 이하로 된다. 조건에 따라, 분말 또는 분말형 피막이 중앙 침착 영역 외측에 형성될 수도 있을 것이다. 피복 기술을 실질적이고 경제적으로 하기 위해서, 피막 면적을 확대하고 침착 속도를 증가시키고 분말의 형성을 최소화하는 것이 중요하다. 본 발명에 따른 노즐-인젝터는 이들을 개선한다. Waterfall cascades of multiple plates have been used as plasma sources for producing diamond-like carbon and plasma polymer coatings from hydrocarbon and organosilicon reagents. Deposition rates of several micrometers per minute were recorded. However, the coating area is narrow, its diameter is several centimeters, and the utilization of the material is about 20% or less. Depending on the conditions, a powder or powder coating may be formed outside the central deposition area. In order to make the coating technique practical and economical, it is important to enlarge the coating area, increase the deposition rate and minimize the formation of powders. The nozzle-injector according to the invention improves these.

노즐-인젝터는 저온 플라즈마 침착 및 중합 방법에 사용되는 벽-안정화 아크 플라즈마 발생기의 피복 성능을 향상시키도록 설계되었다. 샤워-링 또는 슬릿-링 인젝터가 가스 또는 증기 시약의 이송용 노즐 내에 조립되었다. 인젝터의 위치는 가스 이온화 정도에 영향을 미치며, 이것은 반응 정도에 영향을 미치기 때문에 피막의 화학양론비 및 구조, 궁극적으로는 그의 성능에 영향을 미친다. 노즐-인젝터의 형상 및 크기도 반응정도, 피막 면적, 및 기판상의 열부하에 영향을 미친다. 이 노즐-인젝터를 사용하여, 30㎝×30㎝ 면적의 광학적으로 투명한 피막이 분당 약 30 마이크론의 속도로 중앙에 침착되었다. 이러한 노즐-인젝터를 사용하지 않는 경우에는, 분말형 피막이 형성되었다.Nozzle-injectors are designed to improve the coating performance of wall-stabilized arc plasma generators used in low temperature plasma deposition and polymerization methods. A shower-ring or slit-ring injector was assembled in the nozzle for the transfer of gas or vapor reagent. The position of the injector affects the degree of gas ionization, which affects the degree of reaction, thus affecting the stoichiometry and structure of the film, and ultimately its performance. The shape and size of the nozzle-injector also affects the degree of response, the film area, and the thermal load on the substrate. Using this nozzle-injector, an optically clear film of 30 cm x 30 cm area was deposited centrally at a rate of about 30 microns per minute. When such a nozzle-injector was not used, a powder-like coating was formed.

노즐-인젝터의 구성 및 구조는 원통형 및 원추형 플라즈마 채널과 그 사이에 원통형 단면을 갖는 2단 원추형 채널을 포함한다. 노즐-인젝터의 원추형 채널의 발산 각도는 약 0°내지 약 60°범위이다. 노즐 기저부의 플라즈마 채널의 개구의 직경은 약 4㎜ 내지 7㎜ 범위였다. 더 작은 직경의 채널이 소형 물체에 사용될 수 있다. 노즐-인젝터의 길이는 1.5 내지 2.5㎝ 범위였으므로 반응이 발생할 수 있는 영역의 체적을 제어한다. 이 노즐-인젝터는 단일한 일체형 구성일 수 있거나 또는 시약을 플라즈마에 도입하는 인젝터를 갖는 스테인레스강 본체, 노즐-인젝터를 플라즈마 발생기에 장착하는 구리 어댑터, 및 본체의 하류 단부에 부착되어 노즐-인젝터 안에 반응 영역용으로 적당한 체적을 제공하는 연장부와 같은 부분을 조립할 수 있다. 인젝터는 산소 주입용 구리 어댑터로 제조될 수 있고, 구리 어댑터는 산화를 방지하도록 금-도금되었다. 노즐-인젝터의 모듈식(modular) 설계는 노즐 크기에 영향을 주며 가스 주입 위치는 별도의 방향 제어 및 시약 주입 유닛의 필요성을 제거한다.The construction and structure of the nozzle-injector comprises cylindrical and conical plasma channels and a two-stage conical channel having a cylindrical cross section therebetween. The divergence angle of the conical channel of the nozzle-injector ranges from about 0 ° to about 60 °. The diameter of the opening of the plasma channel in the nozzle base ranged from about 4 mm to 7 mm. Smaller diameter channels can be used for small objects. The length of the nozzle-injector ranged from 1.5 to 2.5 cm to control the volume of the area where the reaction can occur. The nozzle-injector may be of a single unitary configuration or may have a stainless steel body having an injector for introducing reagent into the plasma, a copper adapter for mounting the nozzle-injector to the plasma generator, and a downstream end of the body to be attached to the nozzle-injector. Parts such as extensions can be assembled that provide a suitable volume for the reaction zone. The injector can be made of a copper adapter for oxygen injection and the copper adapter is gold-plated to prevent oxidation. The modular design of the nozzle-injector affects the nozzle size and the gas injection location eliminates the need for a separate direction control and reagent injection unit.

도 1을 참조하면, 개략적으로 도시된 아크 플라즈마 피복 시스템은 플라즈마 발생기(2), 플라즈마 처리 챔버(4), 플라즈마 입구(6), 및 노즐-인젝터(8)를 구비하는 진공 챔버 반응기(1)를 포함한다. 플라즈마 발생기는 가스 공급관(3)을 통해 아르곤과 같은 플라즈마 가스를 공급받는다. 노즐-인젝터(8)는 산소 공급관(12)과, 개별적으로 또는 조합하여 작동될 수 있는 한 쌍의 시약 공급관(14, 16)을 구비하고 있다. 진공 펌핑 시스템(도시 안됨)은 출구(23)를 통하여 플라즈마 처리 챔버(4) 내에 저압을 유지한다. 피복될 기판(20)은 플라즈마 처리 챔버내의 온도 제어 지지부(22)상에 지지된다. 퇴출가능한 셔터(24)는 플라즈마 제트의 경로중의 기판과 노즐 사이에서 핸들(25)에 의해 수동 위치설정 또는 자동 위치설정되기에 적합하다.Referring to FIG. 1, a schematic arc arc coating system includes a vacuum chamber reactor 1 having a plasma generator 2, a plasma processing chamber 4, a plasma inlet 6, and a nozzle-injector 8. It includes. The plasma generator receives a plasma gas such as argon through the gas supply pipe 3. The nozzle-injector 8 has an oxygen supply pipe 12 and a pair of reagent supply pipes 14 and 16 which can be operated individually or in combination. A vacuum pumping system (not shown) maintains low pressure in the plasma processing chamber 4 through the outlet 23. The substrate 20 to be coated is supported on a temperature control support 22 in the plasma processing chamber. The retractable shutter 24 is suitable for manual or automatic positioning by the handle 25 between the nozzle and the substrate in the path of the plasma jet.

도 2를 참조하면, 플라즈마는 양극(2)으로부터 발산형 중앙 가스 플라즈마 채널을 갖는 전기 절연 플레이트(6)를 관통해서 수냉식 음극(4)으로 흐르는 전자의 흐름에 의해 발생된다. 장치는 등간격으로 이격된 복수개의 양극을 구비하는데, 하나만 참조번호(2)로 나타낸다. 양극은 수냉식이다. 양극은 수냉식 구리판(6)상에 장착되는 양극 하우징(8)안에 장착된다. 판(6)은 전기적으로 절연된다. 수관(12)을 통해 냉각수 채널(9)에 냉각수가 공급된다. 음극(4)용 냉각수는 수관(12)에 의해 공급되고 음극 몸체내의 도관(5)을 통해 흐른다. 처리 챔버내의 진공은 밀봉 O-링(15, 15a)에 의해 부분적으로 유지된다.Referring to FIG. 2, the plasma is generated by the flow of electrons flowing from the anode 2 through the electrically insulating plate 6 having the divergent central gas plasma channel to the water-cooled cathode 4. The apparatus has a plurality of anodes spaced at equal intervals, only one of which is indicated by reference numeral 2. The anode is water cooled. The anode is mounted in the anode housing 8 mounted on the water-cooled copper plate 6. The plate 6 is electrically insulated. Cooling water is supplied to the cooling water channel 9 through the water pipe 12. Cooling water for the cathode 4 is supplied by the water pipe 12 and flows through the conduit 5 in the cathode body. The vacuum in the processing chamber is partially maintained by sealing o-rings 15, 15a.

플라즈마 가스, 예를 들어 아르곤이 가스관(14)을 통해 플라즈마 발생기에 공급된다. 산소는 원형 도관(18)과 슬릿 인젝터(20)와 연통하는 관(16)을 통해 노즐에 공급된다. 반응성 시약이 도관(24) 및 균일하게 이격된 주입구멍(26)으로 이송되는 관(22)을 거쳐 공급된다. 도시된 바와 같이, 노즐은 도관(32)과 주입구멍(34)에 결합된 부수적인 시약 공급관(30)을 가진다. 제 2 공급 시스템은 다른 반응 가스 또는 희석가스를 노즐-인젝터내의 활성 또는 반응 영역에 공급하는 데 사용될 수 있다.Plasma gas, for example argon, is supplied to the plasma generator through gas pipe 14. Oxygen is supplied to the nozzle through a tube 16 in communication with the circular conduit 18 and the slit injector 20. Reactive reagent is supplied via conduit 24 and conduit 22 which is transported to evenly spaced injection holes 26. As shown, the nozzle has an additional reagent supply tube 30 coupled to the conduit 32 and the injection hole 34. The second supply system can be used to supply other reactant or diluent gases to the active or reaction zone in the nozzle-injector.

노즐-인젝터는 플라즈마와 반응성 물질을 피복된 기판 표면을 향해 지향시키는 발산부(40)를 구비한다. 발산부(40)는 노즐 유닛의 일체형 부품일 수 있거나 또는 분리가능한 연장부로서 설계될 수 있다. 도시된 바와 같이, 연장부는 음극에 바로 인접한 노즐의 부분과 동일한 발산도를 갖는다. 연장부는, 예를 들어, 나팔꽃 모양의 또는 벨 형상의 개구부를 가지므로, 음극 플라즈마 채널 및 노즐-인젝터의 인접 부분의 형상 및 기하와는 상이할 수 있다.The nozzle-injector has a diverging portion 40 which directs the plasma and the reactive material towards the coated substrate surface. The diverging portion 40 may be an integral part of the nozzle unit or may be designed as a removable extension. As shown, the extension has the same divergence as the portion of the nozzle immediately adjacent the cathode. The extension, for example, has a flaring or bell shaped opening, and therefore may differ from the shape and geometry of the cathode plasma channel and adjacent portions of the nozzle-injector.

고정용 나사(7)는 양극 하우징을 판(6)과 음극(4)에 장착하는데 사용되는 수 개의 나사중 하나이다.The fastening screw 7 is one of several screws used to mount the positive electrode housing to the plate 6 and the negative electrode 4.

본 발명은, 플라즈마 내에 주입된 시약에 의해서 표면처리하고 기판 표면상에 광학적으로 투명한 부착성 피막을 침착시키는 장치에 있어서, 하나 이상의 양극과 적어도 하나의 음극을 갖는 플라즈마 발생기, 대기압 이하의 압력에서 작동가능한 처리 챔버, 기판을 지지하도록 처리 챔버안에 배치된 기판 지지 수단, 처리 챔버의 압력이 대기압 이하로 되도록 처리 챔버의 공기를 빼는 챔버내에 연통되어 있는 진공 펌핑 수단, 플라즈마 발생기의 음극 단부상에 배치되어 플라즈마 제트를 기판을 향하여 지향시키며 노즐-인젝터내 플라즈마내로 시약을 운반하는 노즐-인젝터 장치를 포함하는 장치를 제공한다.The present invention relates to an apparatus for surface treatment with a reagent injected into a plasma and for depositing an optically transparent adhesive film on a substrate surface, the apparatus comprising: a plasma generator having at least one anode and at least one cathode, operating at subatmospheric pressure Possible processing chambers, substrate support means disposed in the processing chamber to support the substrate, vacuum pumping means in communication within the chamber to deflate the processing chamber so that the pressure in the processing chamber is below atmospheric pressure, disposed on the cathode end of the plasma generator An apparatus is provided that includes a nozzle-injector device for directing a plasma jet towards a substrate and for transporting reagent into the plasma within the nozzle-injector.

노즐-인젝터는 플라즈마 발생기로부터 플라즈마가 발생할 때, 시약을 플라즈마내로 주입하는 시약 이송 수단을 포함한다.The nozzle-injector comprises reagent transfer means for injecting reagent into the plasma when the plasma is generated from the plasma generator.

노즐 인젝터는 대체로 원추형이며, 넓은 단부가 기판을 향해 배향된다. 노즐의 길이와 발산 정도는 장치내의 용적을 결정한다. 이것은 또한 기판의 표면을 처리 또는 피복하는 활성종(active species)의 반응 및 성형에 이용 가능한 시간을 결정한다.The nozzle injector is generally conical and the wide end is oriented towards the substrate. The length of the nozzle and the degree of divergence determine the volume in the apparatus. It also determines the time available for reaction and shaping of active species to treat or coat the surface of the substrate.

시약을 플라즈마 내에 주입하는 시약 이송 수단은 노즐-인젝터의 좁은 단부에 배치되어 있고 적어도 2개의 별개의 환형 주입 도관과 플라즈마내로 시약을 균일하게 도입하기 위한 분배 수단을 구비한다.The reagent delivery means for injecting the reagent into the plasma is disposed at the narrow end of the nozzle-injector and has at least two separate annular injection conduits and dispensing means for uniformly introducing the reagent into the plasma.

통상적으로, 노즐-인젝터는 플라즈마 발생기의 음극 단부로부터 처리 챔버내로 연장된다. 그러나, 노즐-인젝터 장치는 적당한 기밀 시일을 거쳐 진공의 내부와 연통하는 진공 챔버 외측의 플라즈마 발생기의 음극 단부에 장착될 수 있다.Typically, the nozzle-injector extends from the cathode end of the plasma generator into the processing chamber. However, the nozzle-injector apparatus may be mounted at the cathode end of the plasma generator outside the vacuum chamber in communication with the interior of the vacuum via a suitable hermetic seal.

실험Experiment

수냉식 폭포형 아크가 플라즈마 발생기로서 사용되었다. 아크 발생기는 적어도 하나 또는 일련의 전기 절연 구리 디스크에 의해서 3개의 토륨화 텅스텐재 니들-양극으로 분리된 구리 음극을 구비한다. 아르곤이 아크 토치의 보어를 통해 흐르면, DC 전압이 전극에 인가되어 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마는 노즐-인젝터를 통해 챔버내로 진공 펌프에 의해 유지되는 감압에서 팽창된다. 노즐-인젝터는 높은 끓는점에서 유기 실리콘 시약의 응축을 피하기 위해 약 200℃로 가열된다. 피복된 기판은 음극으로부터 적절한 작업거리, 예를 들어 약 15 내지 70㎝로 금속 스테이지에 의해 제트 축상에 지지된다. 퇴출가능한 셔터가 기판의 플라즈마의 노출을 제어하는데 사용된다.Water-cooled waterfall arcs were used as plasma generators. The arc generator has a copper cathode separated by three tungsten-thoroxide needle-anodes by at least one or a series of electrically insulating copper disks. When argon flows through the bore of the arc torch, a DC voltage is applied to the electrode to generate a plasma. The plasma is expanded at a reduced pressure maintained by a vacuum pump through the nozzle-injector into the chamber. The nozzle-injector is heated to about 200 ° C. to avoid condensation of the organosilicon reagent at high boiling points. The coated substrate is supported on the jet axis by the metal stage at a suitable working distance from the cathode, for example about 15 to 70 cm. A retractable shutter is used to control the exposure of the plasma of the substrate.

전형적인 침착 공정에 있어서, 기판과 노즐-인젝터 사이의 장소에서 셔터에 의해서 아르곤 플라즈마가 발생된다. 산소가 노즐-인젝터로 도입되어 산소/아르곤 플라즈마를 생성한다. 셔터는 퇴출되었고 기판은 규소 함유 시약이 산소 주입 위치로부터 할로 도입되어 퇴적을 개시하기 전에 짧은 시간동안 노출되었다.In a typical deposition process, argon plasma is generated by the shutter at a location between the substrate and the nozzle-injector. Oxygen is introduced into the nozzle-injector to produce an oxygen / argon plasma. The shutter was removed and the substrate exposed for a short time before the silicon containing reagent was introduced into the halo from the oxygen injection site to begin deposition.

표 1에서, 피막 면적, 침착 속도 및 피막의 테이버 내마모성(Taber abrasion resistance)에 대한 노즐-인젝터의 효과를 비교하였다. 피막의 두께는 약 2 마이크론 이었다. 원추형 노즐-인젝터(G273, G241)가 면적이 넓은 피막에 가장 효과적이라는 것이 알려졌다. 이러한 노즐-인젝터를 사용하지 않으면, 분말 또는 분말형 피막이 일반적으로 얻어진다.In Table 1, the effect of nozzle-injector on film area, deposition rate, and Taber abrasion resistance of the film was compared. The thickness of the film was about 2 microns. It has been found that conical nozzle-injectors (G273, G241) are most effective for large area coatings. If such a nozzle-injector is not used, a powder or powder coating is generally obtained.

[표 1]TABLE 1

피막 성능에 대한 노즐-인젝터의 효과Effect of Nozzle-Injector on Coating Performance

a 원추형, 원추-원통형-원통형, 원추-원통형 a cone, cone-cylindrical-cylindrical, cone-cylindrical

b 양극으로부터의 거리 b distance from anode

c 기판과 양극 사이의 거리 c distance between substrate and anode

d D4 = 옥타메틸싸이클로테트라실록산, TMDSO = 테트라메틸디실록산, HMDSO = 헥사메틸디실록산 d D4 = octamethylcyclotetrasiloxane, TMDSO = tetramethyldisiloxane, HMDSO = hexamethyldisiloxane

e 실리콘 하드피막층을 갖는 폴리카보네이트 e Polycarbonate with silicon hard coat layer

작동거리는 양극으로부터 기판까지의 거리이다.The working distance is the distance from the anode to the substrate.

D4 유량은 액체 온도를 80℃에 일정하게 유지함으로써 제어되었다.The D4 flow rate was controlled by keeping the liquid temperature constant at 80 ° C.

상기 특정 실험에 있어서, 노즐-인젝터는 두 개의 샤워헤드 주입 링과, 노즐-인젝터를 음극에 장착하고 산소를 플라즈마로 주입하는 어댑터와, 기판을 향해 연장되는 연장부를 포함하는 본체를 구비한다. 25°2-단은 4㎜ 내지 11㎜로 연장된 음극 어댑터 인젝터를 갖는 노즐-인젝터로, 11㎜의 직경을 갖는 원통형 단면을 가지며, 본체는 25°로 팽창되어 있다. 25°- 4 인치 원추는 전체적으로 25°의 각도로 팽창되는 노즐-인젝터로, 4" 길이의 원추 길이를 가지며 산소 주입 어댑터를 갖는다. 40°-4인치 원추는 전체적으로 40°팽창되어 있는 노즐-인젝터이며, 산소가 주입되는 음극 어댑터와 4인치 길이의 원추 연장부를 가진다. 40°- 4 인치 트롬본은 연장부가 트롬본의 벨로 절단된 4 인치 단면을 사용하여 외부로 더 퍼져 있는 것을 제외하고는 40°- 4" 원추와 유사한 노즐-인젝터이다. In this particular experiment, the nozzle-injector has a body comprising two showerhead injection rings, an adapter for mounting the nozzle-injector to the cathode and injecting oxygen into the plasma, and an extension extending towards the substrate. The 25 ° 2-stage is a nozzle-injector with a cathode adapter injector extending from 4 mm to 11 mm, having a cylindrical cross section with a diameter of 11 mm, and the body being expanded to 25 °. A 25 ° -4 inch cone is a nozzle-injector that expands at an angle of 25 ° as a whole, with a cone length of 4 "and an oxygen injection adapter. A 40--4 inch cone has a nozzle-injector that is expanded 40 ° overall. 40 °-4 inch trombone, 40 °-except that the extension is further spread outward using a 4 inch cross-section cut by the bell of the trombone. It is a nozzle-injector similar to a 4 "cone.

본 발명에 따르면, 플라즈마 향상 화학 증착법(PECVD)에 의한 산화실리콘 피막에 의해 폴리카보네이트의 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 피막의 그레이징 막의 특성을 향상시킬 수 있으며, 유기실리콘 전구 물질을 사용하여 침착 속도를 상당히 향상시킬 수 있어서, 접착력 향상, 열팽창 적합성, 방사선 방호, 및 내마모성을 갖는 피막을 형성할 수 있다.According to the present invention, the silicon oxide film by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) can improve the wear resistance of the polycarbonate, can improve the characteristics of the grazing film of the film, the deposition rate using the organosilicon precursor Can be significantly improved, so that a film having improved adhesion, thermal expansion suitability, radiation protection, and wear resistance can be formed.

도 1은 진공 챔버, 플라즈마 발생기, 및 본 발명에 따른 노즐-인젝터를 구비하는 플라즈마 아크 침착 시스템의 개략적인 단면도,1 is a schematic cross-sectional view of a plasma arc deposition system having a vacuum chamber, a plasma generator, and a nozzle-injector according to the present invention;

도 2는 플라즈마 발생기 및 본 발명에 따른 노즐-인젝터의 단면도.2 is a cross-sectional view of a plasma generator and a nozzle-injector according to the invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 진공 챔버 반응기 2 : 플라즈마 발생기1: vacuum chamber reactor 2: plasma generator

4 : 플라즈마 처리 챔버 6 : 플라즈마 입구4 plasma processing chamber 6 plasma inlet

8 : 노즐-인젝터 14, 16 : 시약 공급관8 nozzle-injector 14, 16 reagent supply pipe

20 : 기판 22 : 온도 제어 지지부20: substrate 22: temperature control support

Claims (6)

아크플라즈마 침착 장치용 단일 노즐-인젝터에 있어서,In a single nozzle-injector for an arc plasma deposition apparatus, 플라즈마 가스 입구와, 적어도 하나의 양극과, 발산형 플라즈마 채널을 갖는 음극과, 상기 음극에 장착된 노즐-인젝터로서, 음극으로부터 연장되는 발산형 채널을 갖는 노즐-인젝터와, 음극 근처의 플라즈마 내에 산소를 주입하는 산소 주입기와, 플라즈마가 상기 발산형 채널 내로 팽창될 때 플라즈마내로 반응 가스를 주입하는 적어도 하나의 시약 인젝터를 구비하는 아크 플라즈마 발생기를 포함하는A plasma gas inlet, a cathode having at least one anode, a cathode having a divergent plasma channel, and a nozzle-injector mounted to the cathode, the nozzle-injector having a diverging channel extending from the cathode, and oxygen in the plasma near the cathode. And an arc plasma generator having an oxygen injector for injecting a gas and at least one reagent injector for injecting a reaction gas into the plasma when the plasma is expanded into the divergent channel. 아크 플라즈마 침착 장치용 단일 노즐-인젝터.Single nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus. 플라즈마 중에 주입된 시약에 의해서 표면 처리하고 기판 표면상에 광학적으로 투명한 부착성 피막을 침착하는 장치에 있어서,An apparatus for surface treatment with a reagent injected in a plasma and for depositing an optically transparent adhesive film on a substrate surface, the apparatus comprising: 하나 이상의 음극과 적어도 하나의 양극을 갖는 플라즈마 발생기와, 대기압 이하의 압력에서 작동가능한 처리 챔버와, 처리 챔버내에 배치되어 기판을 지지하는 기판 지지 수단과, 처리 챔버를 대기압 이하의 압력으로 배기시키기 위해 챔버와 연통하는 진공 펌핑 수단과, 플라즈마 제트를 기판을 향해서 배향시키고 그리고 노즐-인젝터 내의 플라즈마 중에 시약을 이송하기 위해 플라즈마 발생기의 음극 단부상에 장착되는 노즐-인젝터 장치를 포함하는A plasma generator having at least one cathode and at least one anode, a processing chamber operable at sub-atmospheric pressure, substrate support means disposed in the processing chamber to support the substrate, and for evacuating the processing chamber at sub-atmospheric pressure Vacuum pumping means in communication with the chamber, and a nozzle-injector device mounted on the cathode end of the plasma generator for directing the plasma jet towards the substrate and for transporting reagents in the plasma in the nozzle-injector; 표면 처리 및 침착 장치.Surface treatment and deposition apparatus. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 노즐-인젝터는 플라즈마 발생기로부터 플라즈마가 방출될 때 시약을 플라즈마 중에 주입하는 시약 이송 수단을 포함하는 The nozzle-injector comprises reagent transfer means for injecting reagent into the plasma when the plasma is emitted from the plasma generator. 표면 처리 및 침착 장치.Surface treatment and deposition apparatus. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2, 상기 노즐-인젝터는 넓은 단부가 기판을 향하는 원추형인 The nozzle-injector is conical with a wide end facing the substrate. 표면 처리 및 침착 장치.Surface treatment and deposition apparatus. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 플라즈마 중에 시약을 주입하는 시약 이송 수단은, 노즐-인젝터의 좁은 단부에 배치되며 적어도 두 개의 개별 주입 도관과 시약의 플라즈마로의 균일한 도입을 위한 환상 분배 수단을 구비하는 The reagent delivery means for injecting reagent into the plasma is disposed at the narrow end of the nozzle-injector and has at least two separate injection conduits and annular dispensing means for uniform introduction of the reagent into the plasma. 표면 처리 및 침착 장치.Surface treatment and deposition apparatus. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 노즐 인젝터는 플라즈마 발생기의 음극 단부로부터 처리 챔버 내로 연장되는 The nozzle injector extends from the cathode end of the plasma generator into the processing chamber. 표면 처리 및 침착 장치. Surface treatment and deposition apparatus.
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