KR19990007319A - Nozzle-Injectors for Arc Plasma Deposition Devices - Google Patents

Nozzle-Injectors for Arc Plasma Deposition Devices Download PDF

Info

Publication number
KR19990007319A
KR19990007319A KR1019980024040A KR19980024040A KR19990007319A KR 19990007319 A KR19990007319 A KR 19990007319A KR 1019980024040 A KR1019980024040 A KR 1019980024040A KR 19980024040 A KR19980024040 A KR 19980024040A KR 19990007319 A KR19990007319 A KR 19990007319A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
nozzle
injector
substrate
reagent
Prior art date
Application number
KR1019980024040A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100490510B1 (en
Inventor
배리 리-민 양
Original Assignee
스나이더 버나드
제네랄 일렉트릭 캄파니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 스나이더 버나드, 제네랄 일렉트릭 캄파니 filed Critical 스나이더 버나드
Publication of KR19990007319A publication Critical patent/KR19990007319A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100490510B1 publication Critical patent/KR100490510B1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/22Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/222Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
    • B05B7/226Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc the material being originally a particulate material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B12/00Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
    • B05B12/08Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area responsive to condition of liquid or other fluent material to be discharged, of ambient medium or of target ; responsive to condition of spray devices or of supply means, e.g. pipes, pumps or their drive means
    • B05B12/12Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area responsive to condition of liquid or other fluent material to be discharged, of ambient medium or of target ; responsive to condition of spray devices or of supply means, e.g. pipes, pumps or their drive means responsive to conditions of ambient medium or target, e.g. humidity, temperature position or movement of the target relative to the spray apparatus
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/513Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134Plasma spraying

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 노즐-인젝터는 벽-안정화 아크 토치를 플라즈마 발생기로서 사용하여 박막을 피복하는 플라즈마 침착용으로 설계 및 제조되었다. 노즐-인젝터의 디자인은 분사, 이온화, 시제의 반응, 및 이들 기능을 제어하고 피막 침착율, 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 spraying, ionization, reaction of the reagents, and their functions and determines the film deposition rate, film area, film composition, and film properties.

Description

아크 플라즈마 침착 장치용 노즐-인젝터Nozzle-Injectors for Arc Plasma Deposition Devices

본 발명은 유리, 석영, 금속 또는 금속화 물질, 및 플라스틱과 같은 다양한 기판상의 보호 피막의 아크 플라즈마 침착(deposition)에 관한 것으로, 특히 플라즈마 흐름을 지향하고 내마모성, UV 흡수성, 또는 IR 반사성의 투명한 피막의 고침착율을 위해서 플라즈마내로 반응성 시제(reactive reagent)를 분사하는 조합형 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. A combination nozzle-injector for injecting a reactive reagent into a plasma for high deposition rate.

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

화학 증착법(CVD)은 박막의 소망 성분을 함유하는 가스상 시제의 열적 활성 및 표면 반응에 의해서 기판 표면상에 고체 막을 형성한다. 반응물을 열분해하는 데 필요한 에너지는 기판을 가열함으로써 제공한다. 적당한 반응율을 위해서 기판은 약 500℉ 내지 2000℉ 정도의 범위의 비교적 고온으로 가열된다. 이들 온도는 온도에 민감한 기판 재료를 가열하는 실시과정을 어렵게 한다.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 components of the thin film. The energy needed to pyrolyze the reactants is provided by heating the substrate. The substrate is heated to a relatively high temperature in the range of about 500 ° F. to 2000 ° F. for moderate reaction rates. These temperatures make the implementation of heating the temperature sensitive substrate material difficult.

플라즈마 향상 화학 증착법(PECVD)은 플라즈마를 침착 챔버안에 형성하는 가스안에 전기적 방전에 의해 시제에 에너지를 공급한다. 일반적으로 기판이 플라즈마 속에 침지된다. 이 침착율은 통상적으로 낮다.Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) energizes the reagents by electrical discharge in the gas that forms the plasma in the deposition chamber. Generally, the substrate is immersed in the plasma. This deposition rate is usually low.

폴리카보네이트는 충격 고강도, 저밀도, 광투명성 및 양호한 가공성으로 인하여 그레이징 및 광학적 사용을 위한 공학 재료로서 종종 선택된다. 그러나, 폴리카보네이트 재료는 연성이고, 유리상 내마모성이 부족하고, 약 300℉의 온도에 민감하다. 종래의 연구에 의하면, 플라즈마 향상 화학 증착법(PECVD)에 의한 산화실리콘 피막은 폴리카보네이트의 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 피막의 그레이징 실시에 적합할 것이다. 그러나, 전구 물질로서 실란 및 이산화질소를 사용하는 종래의 PECVD 기술은 반응속도가 느리므로, 비경제적이며, 통상 분당 약 0.05 마이크론 정도의 침착율을 갖는다. 이 후에 유기실리콘 전구 물질이 플라즈마-발생 내마모성 중합체 피막용으로 PECVD에 사용되었지만, 침착율은 크게 향상되지 않았다.Polycarbonates are often chosen as engineering materials for grading and optical use because of their impact strength, low density, light transparency and good processability. However, the polycarbonate material is soft, lacks glassy abrasion resistance, and is 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 the polycarbonate, and will be suitable for carrying out the grading of the film. However, conventional PECVD techniques that use silane and nitrogen dioxide as precursors are uneconomical because of their slow reaction rate and typically have deposition rates on the order of about 0.05 microns per minute. Subsequent organosilicon precursors were used in PECVD for plasma-generating wear resistant polymer coatings, but deposition rates did not improve significantly.

본 발명의 공정은 본 발명의 침착 공정에 의해 제조된 제품에 대한 접착력 향상, 열팽창 적합성, 방사선 방호, 및 내마모성을 제공하는 피막 및 층을 제공한다. 시이트, 막 및 성형 기판 형태의 고온 물질과 저온 물질상의 플라즈마에 의한 상기 보호 피막의 침착이 본 명세서에 개시된 장치 및 방법에 의해서 달성될 수 있다.The process of the present invention provides films and layers that provide adhesion enhancement, thermal expansion suitability, radiation protection, and wear resistance to articles made by the deposition process of the present invention. Deposition of the protective film by plasma on hot and cold materials in the form of sheets, films and molded substrates can be accomplished by the devices and methods disclosed herein.

노즐-인젝터는 벽-안정화 아크 토치를 플라즈마 발생기로서 사용하여 박막 피막을 침착하는 플라즈마 침착용으로 설계 및 제조되었다. 노즐-인젝터의 설계는 분사, 이온화, 시제의 반응, 및 이들의 기능을 차례로 제어하며, 피막 침착율, 피막 면적, 피막 성분 및 피막의 특성을 결정한다. 시제로서 산소 및 실록산을 사용하는 본 발명에 따르른 노즐-인젝터를 사용하면, 중앙에 분당 약 30 마이크론의 침착율로 깨끗한 피막이 폴리카보네이트 및 유리 기판상에 생긴다. 실록산 유도 피막은 폴리카보네이트 기판의 내마모성을 향상시킨다. 적절한 유기금속 시제로 실록산을 대체하면, 산화 아연 또는 산화 티탄늄과 같은 다른 산화 피막이 플라스틱 기판상에 침착되었다. 상기 피막은 적외선 또는 자외선 보호 피막으로서 적용된다. 본 발명의 노즐-인젝터는 단일 장치안에 하나 또는 그 이상의 인젝터의 시제 도입 기능과 노즐의 방향 제어 기능을 조합한다.The nozzle-injector was designed and manufactured for plasma deposition using a wall-stabilized arc torch as a plasma generator to deposit a thin film. The design of the nozzle-injector in turn controls spraying, ionization, reaction of the reagents, and their functions, and determines film deposition rate, film area, film composition, and film properties. Using a nozzle-injector according to the invention using oxygen and siloxane as a reagent, a clean film is formed on the polycarbonate and glass substrate at a deposition rate of about 30 microns per minute in the center. The siloxane derived coating improves the wear resistance of the polycarbonate substrate. 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 applied as an infrared or ultraviolet protective coating. The nozzle-injector of the present invention combines the nozzle introduction function and the nozzle introduction function of one or more injectors in a single device.

본 발명의 노즐-인젝터를 사용하는 아크 플라즈마 침착 공정에 단위체로서 유용한 유기 실리콘 화합물로서 실록산, 실란산 및 유기 실리콘과 같은 적어도 하나의 탄소 또는 적어도 하나의 원자에 결합되는 다른 실리콘 화합물 및 실란을 들 수 있다.Organic silicon compounds useful as monomers in arc plasma deposition processes using the nozzle-injector of the present invention include other silicon compounds and silanes bonded to at least one carbon or at least one atom, such as siloxane, silane acid and organic silicon. have.

본 발명의 노즐-인젝터는 애노드와 캐소드 사이에 배치된 적어도 하나의 수냉각 전기적 절연판을 갖는 벽-안정화 아크 플라즈마 토치와 같은 다양한 플라즈마 발생 장치의 용도로 사용하기에 적합하다. 다중판의 벽-안정화 아크 장치가 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 in a variety of plasma generating devices, such as wall-stabilized arc plasma torches having at least one water cooled electrical insulation 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 아크가 다이아몬드상 탄소 및 플라즈마 중합체 피막을 탄화수소 및 유기 실리콘 시제로 만드는 플라즈마원으로서 사용되었다. 분당 수 마이크로미터의 침착율이 기록되었다. 그러나, 피막 면적이 좁으며, 그 직경이 수 센티미터이고, 금속 이용정도는 약 20% 이하로 된다. 조건에 따라, 가루 또는 가루형 피막이 중앙 침착 영역 외측에 형성될 수도 있을 것이다. 피복 기술을 실질적이고 경제적으로 하기 위해서, 피막 면적을 확대하고 침착율을 증가시키고 가루 형성을 최소하하는 것이 중요하다. 본 발명에 따른 노즐-인젝터는 이들 개선점을 달성한다.Multi-plate cascade arcs were used as plasma sources to make diamond-like carbon and plasma polymer coatings into hydrocarbons and organic silicon reagents. Deposition rates of several micrometers per minute were recorded. However, the coating area is narrow, its diameter is several centimeters, and the metal availability 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 powder formation. The nozzle-injector according to the invention achieves these improvements.

노즐-인젝터는 저온 플라즈마 침착 및 중합 방법에 사용되는 벽-안정화 아크 플라즈마 발생기의 피복 성능을 향상시키도록 설계되었다. 샤워-링 또는 슬릿-링 인젝터는 가스 또는 증기 시제의 이송용 노즐로 제조되었다. 인젝터의 위치는 가스 이온화 정도에 영향을 미치며, 이것은 반응 정도에 영향을 미치기 때문에 피막의 화학적 추측통계학적 구조 및 궁극적 성능에 영향을 미친다. 노즐-인젝터의 형상 및 크기는 또한, 반응정도, 피막 면적, 및 기판상의 열부하에 영향을 미친다. 이 노즐-인젝터를 사용하면, 30㎝×30㎝ 면적의 광학적으로 투명한 피막이 분당 약 30 마이크론의 비율로 중앙에 침착되었다. 이러한 노즐-인젝터가 사용되지 않으면, 가루형 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. Shower-ring or slit-ring injectors were made with nozzles for the transport of gas or vapor reagents. The position of the injector affects the degree of gas ionization, which in turn affects the chemical speculative structure and ultimate performance of the coating. The shape and size of the nozzle-injector also affects the degree of reaction, film area, and 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. If such a nozzle-injector was not used, a powdery film was formed.

노즐-인젝터의 구성 및 구조는 원통형 및 원추형 플라즈마 채널 모두와 2 스테이지 원추형 채널을 그들 사이에 원통형 단면을 갖도록 구비하고 있다. 노즐-인젝터의 원추형 채널의 발산 각도는 약 0°내지 약 60°범위이다. 노즐 기저부의 플라즈마 채널의 개구의 지름은 약 4㎜ 내지 7㎜ 범위였다. 더 작은 직경의 채널이 소형 대상물에 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 시제를 플라즈마에 도입하는 인젝터를 갖는 스테인레스강 주몸체, 노즐-인젝터를 플라즈마 발생기에 장착하는 구리 어댑터, 및 주몸체의 하류 단부에 부착되어 노즐-인젝터 안에 반응 영역용으로 적당한 체적을 제공하는 연장부와 같은 부분을 조립할 수 있다. 인젝터는 산소 분사용 구리 어댑터로 제조될 수 있고, 구리 어댑터는 산화를 방지하도록 금-도금되었다. 노즐-인젝터의 모듈식(modular) 설계는 노즐 크기에 영향을 주며 가스 분사 위치는 개별 방향 제어 및 시제 분사 유닛에 대한 필요성을 제거한다.The configuration and structure of the nozzle-injector has both cylindrical and conical plasma channels and two stage conical channels with 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. This nozzle-injector may be of a single unitary configuration or has a stainless steel main body having an injector for introducing a reagent into the plasma, a copper adapter for mounting the nozzle-injector to the plasma generator, and a nozzle-attached to a downstream end of the main body. Injectors can be assembled with extensions, such as extensions, 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 position eliminates the need for separate directional control and prototype injection units.

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 : 시제 공급관8: nozzle-injector 14, 16: prototype feed pipe

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

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 시제 공급관(14, 16)을 구비하고 있다. 도시안된 진공 펌핑 시스템은 출구(23)를 통하여 플라즈마 처리 챔버(4) 안에 저압을 유지한다. 피복되는 기판(20)은 플라즈마 처리 챔버내에서 온도 제어 지지부(22)상에 지지된다. 퇴출가능한 셔터(24)가 플라즈마 제트의 경로중의 기판과 노즐 사이에서 핸들(25)에 의한 수동 위치설정 또는 자동 위치설정에 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. The vacuum pumping system, not shown, maintains a low pressure in the plasma processing chamber 4 through the outlet 23. The coated substrate 20 is supported on the 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 캐소드(2)으로부터 수냉식 애노드(4)로 발산형 중앙 가스 플라즈마 채널을 갖는 전기 절연 플레이트(6)를 관통해서 흐르는 전자의 흐름에 의해 발생된다. 장치는 등간격으로 이격된 복수개의 캐소드를 구비하는데, 하나만 참조번호(2)로 나타낸다. 캐소드는 수냉식이다. 캐소드는 수냉식 구리판(6)상에 장착되는 캐소드 하우징(8)안에 장착된다. 판(6)은 전기적으로 절연된다. 냉각수 채널(9)에 도시안한 수관(12)을 통해 냉각수 채널(9)에 냉각수가 공급된다. 애노드(4)용 냉각수는 수관(12)에 의해 공급되고 애노드 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 through the electrically insulating plate 6 having the divergent central gas plasma channel from the cathode 2 to the water cooled anode 4. The apparatus has a plurality of cathodes spaced at equal intervals, only one of which is indicated by reference numeral 2. The cathode is water cooled. The cathode is mounted in a cathode housing 8 which is mounted on a 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 not shown in the cooling water channel 9. Cooling water for the anode 4 is supplied by the water pipe 12 and flows through the conduit 5 in the anode 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 시제가 도관(24) 및 균일하게 이격된 분사구멍(26)으로 이송되는 관(22)을 거쳐 공급된다. 도시된 바와 같이, 노즐은 도관(32)과 분사구멍(34)에 결합된 부수적인 시제 공급관(30)을 가진다. 부수적인 공급 시스템은 또 다른 반응 가스 또는 희석가스를 노즐-인젝터내의 활성 또는 반응 영역에 이송시키는 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 feed tube 30 coupled to the conduit 32 and the injection hole 34. The incidental supply system can be used to deliver another reactant or diluent gas to the active or reaction zone in the nozzle-injector.

노즐-인젝터는 플라즈마와 반응성 물질을 피복된 기판 표면을 향해 지향시키는 발산부(40)를 구비한다. 부분(40)은 노즐 유닛의 일체형 부품일 수 있거나 또는 분리가능한 연장부로서 설계될 수 있다. 도시된 바와 같이, 연장부는 애노드에 바로 인접한 노즐의 부분과 같은 발산 정도를 가진다. 연장부는, 예를 들어, 나팔꽃 모양의 또는 벨 형상의 마우스를 가지도록 애노드 플라즈마 채널 및 노즐-인젝터의 인접 부분의 형상 및 기하는 변할 수 있다.The nozzle-injector has a diverging portion 40 which directs the plasma and the reactive material towards the coated substrate surface. 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 degree of divergence as the portion of the nozzle immediately adjacent to the anode. The extension may vary in shape and geometry of the anode plasma channel and adjacent portions of the nozzle-injector, for example to have a morning glory or bell shaped mouse.

고정 나사(7)는 캐소드 하우징을 판(6)과 애노드(4)에 장착하는데 사용되는 수 개의 나사중 하나이다.The set screw 7 is one of several screws used to mount the cathode housing to the plate 6 and the anode 4.

본 발명은, 하나 또는 그 이상의 캐소드와 적어도 하나의 애노드를 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 애노드 단부상에 배치되어 플라즈마 제트를 기판을 향하도록 지향시키며 노즐-인젝터내 플라즈마내로 시제를 운반하는 노즐-인젝터 장치를 포함하는, 플라즈마로 분사되는 시제에 의해서 표면 처리 및 기판 표면상에 광학적으로 매끈한 접착성 피막을 침착시키는 장치를 제공한다.The present invention provides a plasma generator having one or more cathodes and at least one anode, a processing chamber operable at sub-atmospheric pressure, substrate support means disposed within the processing chamber to support the substrate, and the pressure of the processing chamber at sub-atmospheric pressure. Vacuum pumping means preferably in communication with the chamber to deflate the processing chamber, and a nozzle-injector device disposed on the anode end of the plasma generator to direct the plasma jet towards the substrate and to carry the reagent into the plasma in the nozzle-injector The present invention provides a device for surface treatment and deposition of an optically smooth adhesive film on a substrate surface by a reagent sprayed into the plasma.

노즐-인젝터는, 플라즈마가 플라즈마 발생기로부터 발생할 때, 시제를 플라즈마내로 분사하는 시제 이송 수단을 포함한다.The nozzle-injector comprises a reagent transfer means for injecting the 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 체적을 결정한다. 이것은 또한 기판의 표면을 처리 또는 피복하는 활성종(active species)의 반응 및 성형에 적합한 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 within the device. It also determines the time suitable for the reaction and shaping of the active species to treat or coat the surface of the substrate.

시제를 플라즈마내로 분사하는 시제 이송 수단은 노즐-인젝터의 좁은 단부에 배치되어 있고 적어도 2개의 별개의 환형 분사 도관과 플라즈마내로 시제를 균일하게 도입하기 위한 분배 수단을 구비한다.The reagent delivery means for injecting the reagent into the plasma is arranged 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.

일반적으로 노즐-인젝터는 플라즈마 발생기의 애노드 단부로부터 처리 챔버내로 연장된다. 그러나 노즐-인젝터 장치는 기밀하게 밀봉된 적당한 체적을 경유하여 체적의 내부와 연통하는 챔버 외측의 플라즈마 발생기의 애노드 단부에 장착하였다.In general, the nozzle-injector extends from the anode end of the plasma generator into the processing chamber. However, the nozzle-injector apparatus was mounted at the anode end of the plasma generator outside the chamber in communication with the interior of the volume via an appropriately hermetically sealed volume.

실험Experiment

수냉식 폭포형 아크가 플라즈마 발생기로서 사용되었다. 아크 발생기는 적어도 하나 또는 일련의 전기 절연 구리 디스크에 의해서 토륨화 텅스텐재 3 니들-캐소드로 분리된 구리 애노드를 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 약 200℃로 가열되어 높은 끓는점에서 유기 실리콘 시제의 응축을 피할 수 있다. 피복된 기판은 애노드로부터 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 anode separated by a tungsten thorium 3 needle-cathode 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 can be heated to about 200 ° C. to avoid condensation of the organic silicon reagent at high boiling points. The coated substrate is supported on the jet axis by a metal stage at a suitable working distance from the anode, 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, 아르곤 플라즈마는 기판과 노즐-인젝터 사이의 장소에서 셔터에 의해서 발생된다. 산소가 노즐-인젝터로 도입되어 산소/아르곤 플라즈마를 생산한다. 셔터는 퇴출되었고 기판은 실리콘-함유 시제가 산소 분사 위치로부터 초기 침착상태로 하향으로 도입되기 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 the oxygen / argon plasma. The shutter was retracted and the substrate was exposed for a short time before the silicon-containing reagent was introduced downward from the oxygen injection site into the initial deposition state.

표 1에서, 피막 면적, 침착율 및 피막의 테이버 내마모성(Taber abrasion resistance)의 효과가 비교된다. 피막은 약 2 마이크론 두께였다. 원추형 노즐-인젝터(G273, G241)가 면적이 넓은 피막에 대해 가장 효과적이라는 것이 알려졌다. 이러한 노즐-인젝터를 사용하지 않으면, 가루 또는 가루형 피막이 일반적으로 얻어진다.In Table 1, the effects of film area, deposition rate and Taber abrasion resistance of the film are compared. The coating was about 2 microns thick. It has been found that conical nozzle-injectors G273 and G241 are most effective for large area coatings. If no such nozzle-injector is used, a powdery or powdery coating is usually obtained.

피막 성능에 대한 노즐-인젝터의 효과Effect of Nozzle-Injector on Coating Performance G273G273 G241G241 G187G187 G204G204 G147G147 G123G123 노즐-인젝터형a Nozzle-Injector Type a 원추형Conical 원추형Conical 원추형Conical 원추형Conical 원추-실린더-원추형Cone-cylinder-conical 원추-실린더형Cone-cylindrical 발산 각도(도)Divergence Angle (degrees) 4040 4040 2525 2525 3333 5050 원통형 단면의 직경(㎝)Diameter of cylindrical cross section (cm) -- -- -- -- 1.11.1 3.03.0 총 노즐 길이(㎝)Total nozzle length (cm) 1616 1616 2121 13.513.5 13.513.5 9.59.5 산소 공급위치b(㎝)Oxygen supply position b (cm) 0.50.5 0.50.5 44 44 44 4.54.5 실록산 공급 위치b(㎝)Siloxane feed position b (cm) 55 55 55 55 55 66 작동거리c(㎝)Working distance c (cm) 25.525.5 25.525.5 3333 2323 3838 3838 기판Board MR7MR7 유리Glass MR7e MR7 e MR7e MR7 e PCPC MR5e MR5 e Si 시제d Si tense d D4D4 TMDSOTMDSO TMDSOTMDSO TMDSOTMDSO HMDSOHMDSO HMDSOHMDSO 아르곤 유량(l/분)Argon flow rate (l / min) 1.01.0 1.01.0 1.51.5 1.51.5 2.02.0 2.02.0 산소 유량(l/분)Oxygen flow rate (l / min) 0.80.8 0.80.8 0.80.8 0.80.8 0.06-0.60.06-0.6 0-0.930-0.93 실록산 유량(l/분)Siloxane flow rate (l / min) 0.270.27 0.180.18 0.180.18 0.180.18 0.110.11 0.180.18 챔버 압력(torr)Chamber pressure (torr) 0.150.15 0.150.15 0.150.15 0.150.15 0.180.18 0.220.22 침착율(㎛/분)Deposition Rate (μm / min) 2929 99 1010 1010 44 1010 깨끗한 피막 면적(cm dia)Clean film area (cm dia) 4343 4343 1515 7.57.5 1010 7.57.5 1000 사이클에서 △haze(%)△ haze (%) at 1000 cycles 33 -- 77 33 66 1010

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

b 양극으로부터의 거리b distance from anode

c 기판과 양극 사이의 거리c distance between substrate and anode

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

e 실리콘 하드피막층을 갖는 폴리카보네이트e Polycarbonate with silicon hard coat layer

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

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

전술한 특정 실험에 있어서, 노즐-인젝터는 두 개의 샤워헤드 분사 링를 갖는 주몸체, 노즐-인젝터를 애노드에 장착하고 산소를 플라즈마로 분사하는 어댑터, 및 기판을 향해 연장되는 연장부를 포함한다. 25°2-스테이지는 4㎜ 내지 11㎜ 연장된 애노드 어댑터 인젝터를 갖는 노즐-인젝터로, 11㎜의 직경을 갖는 원통형 단면을 가지며, 주몸체는 25°로 팽창되어 있다. 25°- 4 인치 원추는 전체적으로 25°의 각도로 팽창되는 노즐-인젝터로, 4 길이의 원추 길이를 가지며 산소 분사 어댑터를 갖는다. 40°-4인치 원추는 전체적으로 40°팽창되어 있는 노즐-인젝터이며, 산소가 분사되는 애노드 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 the particular experiment described above, the nozzle-injector comprises a main body having two showerhead injection rings, an adapter for mounting the nozzle-injector to the anode and injecting oxygen into the plasma, and an extension extending toward the substrate. The 25 ° 2-stage is a nozzle-injector with an anode adapter injector extending from 4 mm to 11 mm, having a cylindrical cross section with a diameter of 11 mm, and the main body being inflated 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 four lengths and an oxygen injection adapter. The 40 ° -4 inch cone is a nozzle-injector that is expanded 40 ° overall, with an anode adapter to which oxygen is injected, and a 4 inch long cone extension. A 40 ° -4 inch trombone is a nozzle-injector similar to a 40 ° -4 cone, except that the extension is further spread outward using a 4 inch cross section cut by the bell of the trombone.

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 침착율은 상당히 향상시킬 수 있어서, 접착력 향상, 열팽창 적합성, 방사선 방호, 및 내마모성을 갖는 피막을 형성할 수 있다.According to the present invention, the wear resistance of the polycarbonate can be improved by the silicon oxide film by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), the characteristics of the grading film of the film can be improved, and the deposition rate using the organosilicon precursor Can be considerably improved, so that a film having improved adhesion, thermal expansion suitability, radiation protection, and wear resistance can be formed.

Claims (6)

플라즈마 가스 입구를 갖는 아크 플라즈마 발생기와, 적어도 하나의 캐소드, 발산형 플라즈마 채널을 갖는 애노드, 및 상기 애노드에 장착된 노즐-인젝터를 포함하는 아크 플라즈마 침착 장치용 단일 노즐-인젝터로서, 애노드로부터 연장되는 발산형 채널과, 애노드 근처에서 플라즈마로 산소를 분사하는 산소 분사기와, 플라즈마가 발산형 채널로 팽창될 때 플라즈마내로 반응 가스를 분사하는 적어도 하나의 반응 인젝터를 가지는 단일 노즐-인젝터.A single nozzle-injector for an arc plasma deposition apparatus comprising an arc plasma generator having a plasma gas inlet, an at least one cathode, an anode having a divergent plasma channel, and a nozzle-injector mounted to the anode, the nozzle extending from the anode. A single nozzle-injector having a divergent channel, an oxygen injector for injecting oxygen into the plasma near the anode, and at least one reaction injector for injecting a reactant gas into the plasma when the plasma is expanded into the divergent channel. 하나 또는 그 이상의 애노드와 적어도 하나의 캐소드를 갖는 플라즈마 발생기와, 대기압 이하의 압력에서 작동가능한 처리 챔버와, 처리 챔버내에 배치되어 기판을 지지하는 기판 지지 수단과, 처리 챔버를 대기압 이하의 압력으로 공기를 빼도록 처리 챔버와 연통하는 진공 펌핑 수단과, 플라즈마 제트를 기판을 향해서 배향시키는 플라즈마 발생기의 애노드 단부상에 장착되고 노즐-인젝터내에서 플라즈마로 시제를 이송하는 노즐-인젝터 장치를 포함하는, 플라즈마속으로 분사되는 시제에 의해서 기판 표면상에 광학적으로 깨끗한 접착성 피막을 표면 처리 및 침착하는 장치.A plasma generator having one or more anodes and at least one cathode, a processing chamber operable at sub-atmospheric pressure, substrate support means disposed in the processing chamber to support the substrate, and the processing chamber to air at sub-atmospheric pressure A vacuum pumping means in communication with the processing chamber to subtract the nozzle, and a nozzle-injector device mounted on the anode end of the plasma generator for directing the plasma jet towards the substrate and transferring the reagent to the plasma in the nozzle-injector; A device for surface treatment and deposition of an optically clear adhesive film on a substrate surface by means of a reagent sprayed into the substrate. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 노즐-인젝터는 플라즈마가 플라즈마 발생기로부터 방출될 때 시제를 플라즈마속으로 분사하는 시제 이송 수단을 포함하는 장치.The nozzle-injector comprises a reagent transfer means for injecting a reagent into the plasma when the plasma is emitted from the plasma generator. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 노즐-인젝터는 기판을 향해 배향되는 넓은 단부를 갖는 원추형인 장치.The nozzle-injector is conical device with a wide end oriented towards the substrate. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 시제를 플라즈마로 분사하는 시제 이송 수단은 노즐-인젝터의 좁은 단부에 배치되며 적어도 두 개의 개별 분사 도관과 시제의 플라즈마로의 균일한 도입을 위한 환형 분배 수단을 구비하는 장치.An apparatus for transporting a reagent into the plasma is provided at a 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. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 노즐 인젝터는 플라즈마 발생기의 애노드 단부로부터 처리 챔버로 연장되는 장치.The nozzle injector extends from the anode end of the plasma generator to the processing chamber.
KR10-1998-0024040A 1997-06-26 1998-06-25 Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus KR100490510B1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US5083797P 1997-06-26 1997-06-26
US60/050,837 1997-06-26
US09/033,862 1998-03-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR19990007319A true KR19990007319A (en) 1999-01-25
KR100490510B1 KR100490510B1 (en) 2005-09-30

Family

ID=21967768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-1998-0024040A KR100490510B1 (en) 1997-06-26 1998-06-25 Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR100490510B1 (en)
BR (1) BR9802209A (en)

Also Published As

Publication number Publication date
KR100490510B1 (en) 2005-09-30
BR9802209A (en) 1999-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0887110B1 (en) Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus
US6641673B2 (en) Fluid injector for and method of prolonged delivery and distribution of reagents into plasma
US6872428B2 (en) Apparatus and method for large area chemical vapor deposition using multiple expanding thermal plasma generators
US6110544A (en) Protective coating by high rate arc plasma deposition
JP4153048B2 (en) Gas injection system for plasma processing equipment
US7112352B2 (en) Apparatus and method for depositing large area coatings on planar surfaces
KR100294932B1 (en) Process for producing a thin film processing device and a support having vapor barrier properties
US20060156983A1 (en) Low temperature, atmospheric pressure plasma generation and applications
KR20070103465A (en) High temperature chemical vapor deposition apparatus
US20060185590A1 (en) High temperature chemical vapor deposition apparatus
US20030049468A1 (en) Cascade arc plasma and abrasion resistant coatings made therefrom
KR100519873B1 (en) Dual face shower head electrode for a magnetron plasma-generating apparatus
KR100490510B1 (en) Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus
KR100977955B1 (en) Apparatus and method for depositing large area coatings on planar surfaces
KR20060082400A (en) System and method for inductive coupling of an expanding thermal plasma
MXPA98005193A (en) Nozzle device-injector for deposition device using plasma de a
MXPA98005194A (en) Protective coating with deposition of plasma with arc at high speed
CA2582177A1 (en) Protective coating by high rate arc plasma deposition
WO2004097067A1 (en) Gas evacuation device

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130419

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140421

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150416

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160419

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170420

Year of fee payment: 13

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180417

Year of fee payment: 14

EXPY Expiration of term