TW201601189A - 在電子迴旋加速器共振場內產生由微波能量激勵之電漿以在線狀組件的周圍執行表面處理或塗覆的方法和裝置 - Google Patents

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Abstract

一種在電子迴旋加速器共振場內產生由微波能量激勵之電漿以在線狀組件的周圍執行表面處理或塗覆的方法和裝置，該方法包含：該線狀組件經由磁性偶極連續地線性運動，磁性偶極被配置在管子的相對側和周圍，該管子構成處理腔室；該微波能量被引入至少兩個磁性偶極之間。

Description

在電子迴旋加速器共振場內產生由微波能量激勵之電漿以在線狀組件的周圍執行表面處理或塗覆的方法和裝置
本發明關於藉由電子迴旋加速器(ECR)從氣體媒介產生電漿的技術領域。
更特別地，本發明關於任何類型之線狀組件的真空電漿表面處理。該線狀組件例如導線、管子、纖維、和更普遍地為其長度相對於直徑是非常長的任何其它產品。線狀組件被連續地線性驅動。
藉由電漿的真空表面處理係指線狀組件之清潔、浸酸、活化、例如藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)而嫁接(grafting)表面塗層的功能。
已知有許多技術方案執行用於處理不同類型零件之微波產生器。其中一個方案可被引用作資訊且無限制目的之 範例，該方案是EP 1075168專利的教示，其關於為了產生供表面用之均勻電漿而生產基本電漿的方法和裝置。另一方案是FR 2922358專利的教示，其關於由電子迴旋加速器共振之基本電漿源對至少一零件的表面處理方法。來自這些專利的不同方案特別地適合處理大面積或彼此相鄰放置且具有多個待處理面之批量零件。
依據先前技藝，藉由使用具有磁性末端件的微波產生器，電漿被產生在每一磁鐵的末端，且產生電漿密集區域。此外，已知為了產生低壓微波電漿，使用了電子迴旋加速器共振效應。大幅增加了高速撞擊的或然率，其增加在ECR區域內的密集電漿。因此，就2.45GHz的頻率而言，ECR區域是在875高斯(G)的磁力線處。在875高斯(G)的此區域是在磁鐵周圍。
此電漿產生器技術不適於連續處理導線(或其它線狀組件)，其需要多個產生器徑向配置且依據待處理導線之運行軸線重複多次，以獲得運行速率。
事實上，當電漿的量準時地位在產生器的末端時，導線(或其它線狀組件)周圍的多個產生器全部應該被用於保證軸對稱的均勻沉積。此一組態需要大的沉積腔室，該大的沉積腔室消耗大量的氣體和能量。產生器的倍增和缺乏小巧性，使得建構此系統非常昂貴。
因此，傳統ECR源的並列不允許電漿組態有利於沉積在待獲得的線狀組件上。
為了在真空中處理導線，依據現有技藝，建議WO 2005-095078、WO 2006-002673、FR 2667616、EP 1231292、和EP 1277874文件所教示之物理氣相沉積(PVD)類型的處理。
此外，已知的US 6,638,569專利使用傳統的真空腔室，且導線在該腔室內遭受多次的往返運動，以使導線的最大表面暴露於電漿。因為導線的表面相對於腔室的尺寸是小的，所以此方案具有非常小的效率，而且導致實施真空操作返回系統的相對複雜性。
就該現有技藝而言，所追求的目標是能夠如同前述地在真空中藉由電漿在任何類型的線狀組件上執行表面處理。依據US 5,595,793專利的教示，使用表面電漿微波以產生電漿，藉由PECVD沉積塗層(例如碳塗層)在纖維上。然而因為此方案只能在介電質上操作且只能執行電絕緣沉積，所以此方案在應用上非常受到限制。換言之，傳導性纖維不能被塗覆。再者，產生器的頻率應該適於構成纖維之每一材料的介電常數。因此該方法不易從一種材料轉換至另一種材料。最後，因為且當執行沉積時，材料的介電常數會改變，所以該方法難以控制。該改變對表面波和電漿的耦合具有追溯效應。
因此，從現有技藝的此分析顯然可知，使用產生器來產生電漿並不適於線狀組件的連續處理，因為相對於組件的尺寸，腔室的容積尺寸過大，前導氣體和所需的能量很大，而電漿並非在靠近待塗覆的導線處產生。此外，基於表面波之替代性微波電漿技術的應用被限制且難以實施。
本發明的目的在於以安全、有效率、和合理的方式來克服上述的缺點。
本發明所要克服的問題是允許在被侷限所定義之任何類型的線狀組件周圍產生線性電漿，以將腔室的容積最小化，且因此將產生軸對稱電漿所需消耗先導氣體和能量的投資最小化，以保證在零件上之處理的均勻性，特別是藉由PECVD。
為了克服此一問題，在真空中產生表面處理和塗層的方法已被設計和發展，且在電子迴旋加速器(ECR)場內在線狀組件的周圍使用由微波能量激勵之電漿。該方法為：
＊線狀元件經由磁性偶極連續地線性運動，該等磁性偶極被配置在管子的相對側和周圍，該管子構成處理腔室；
＊微波能量被引入至少兩個磁性偶極之間。
本發明也關於一種在被連續地線性驅動之線狀組件上藉由電漿在真空中產生處理的裝置，該裝置包含在迴旋加速器共振場內產生微波能量的機件，其中該裝置包括至少一個模組，該至少一個模組由相對地配置且較佳地安裝在管子周圍的兩個磁性偶極構成，該管子構成處理腔室，待處理的該線狀組件經過該處理腔室線性地移動，且微波產生器被安裝在該兩個偶極之間。
從上述特徵可以達成：裝置(反應器)的尺寸被縮小，藉此減少投資，且允許減少氣體消耗。也可確定：較密集的電漿是在導線上，而不再靠近從先前技藝所導出之解決方案所顯然產生者，藉此能增加沉積速率。這些特徵也允許因為磁力線的軸對稱而在導線上獲得均勻的沉積。此外應注意，關於為了產生化學沉積的電漿處理，此導致單體的較佳使用和反應器壁之較慢腐蝕。
依據其它的特徵：＊磁性偶極是環狀磁鐵。該等環狀磁鐵可為永久磁鐵，亦即電磁線圈或可產生磁場的任何其它機件；＊微波產生器被配置成垂直於該管子的中心線；＊管子構成T字形，該T字形的中間分支接收微波產生器，而其他兩個分支接收該中間分支任一側的磁鐵。
環狀磁鐵的尺寸應該使得兩個磁鐵之間的系統之中心的磁場等於在電子迴旋加速器共振的磁場。
例如如果環狀磁鐵是具有半徑R的線圈，其包括被I安培之電流覆蓋的n個線圈，分開兩個線圈的距離是D，則滿足下文的關係式：
其中，m是電子的質量，e是電子的電荷，ω是微波脈衝。
Biot and Savart方程式可被認出在此方程式的右側。
在一種實施例的形式中，裝置包括多個模組，其成線 性對齊地串聯安裝，且被密封環連接在一起。藉由被連接至氣體泵送收集器，每一環當作泵送區域，亦即從被連接至氣體供給裝置之氣體注入區域至另一區域。
應注意的是線狀組件可被電性地偏極化，以允許電漿的離子轟炸。當線狀元件被偏極化時，可在該組件上獲得氣體的離子佈局。
1‧‧‧磁性偶極
2‧‧‧磁性偶極
3‧‧‧管子
3a‧‧‧中間分支
3b‧‧‧分支
3c‧‧‧分支
4‧‧‧微波產生器
4a‧‧‧同軸引導部
5‧‧‧密封環
6‧‧‧連接器
C‧‧‧磁力線
F‧‧‧組件
藉由附圖的幫助，下文更詳細地描述本發明。附圖包括：圖1顯示先前技藝之反應器的原理視圖，其在待塗覆的導線上產生沉積；圖2是對應於圖1的視圖，其顯示本發明之裝置的原理；圖3是本發明之裝置的基本模組的透視圖；圖4是顯示裝置之多個模組的組合體之透視圖，以增加處理速率；圖5是FITR分析的曲線，非常典型地顯示當O2/HMDSO比值是高的時候，沉積更趨近於SiO2；
如同所顯示者，本發明發現為了任何類型之線狀組件的表面處理而產生電漿之特別有利的應用。該線狀組件包括導體，且具有導線類型、纖維、管子、套筒、等，更特 別的是其長度相對於直徑係很長的任何組件F。本發明所追求的目的是連續地處理“通過”的組件F，換言之，藉由線性的驅動導線。
依據本發明，裝置或反應器包含至少一個模組，其由兩個磁性偶極1和2所組成，該兩個磁性偶極相對配置且較佳是被安裝在管子3的周圍，管子構成處理腔室。每一磁性偶極1、2例如由同心地配置至管子3的環狀磁鐵製成。此組合體特別有利於磁鐵的冷卻。事實上，相反於現有技藝中所描述的ECR產生器，磁鐵不在真空中。組件F同軸地嚙合於管子3，且被任何已知並合適的機件連續地線性驅動。任何已知並合適類型的微波產生器4被安裝在兩個磁鐵1和2之間。微波產生器4被配置成垂直於管子3的中心線。較佳地，相反極性是相對地，以致於場線平行於組件F。參考圖2，其顯示在ECR區域的電漿是在導線上。磁力線C的軸對稱也被確定允許在組件F上均勻地沉積。
在一種形式的實施例中，管子3構成T字形，其中間分支3a接收微波產生器4，特別是其同軸引導部4a。T字形的其他兩個分支3b和3c分別在中間分支3a的兩側，且配合磁鐵1和2。
從裝置的此種基本設計，如圖4所示，可已連續系列地安裝且成線性對齊多個模組。在此組態中，各模組之間的連接是藉由設置密封環5。該密封環也做為泵送區域，其被連接至連接器6，以泵送氣體。在此組態中，電漿和 任何反應性氣體較佳是被注入相對的微波產生器(注入未被顯示在圖中)。在取代已顯示者之組態中，密封環取代性地做為氣體泵送和注入區域。
泵送是被分配在反應器的中心和後者之右側及左側端之間。因為管子是由線性對齊和連續安裝之管子的不同分支3b、3c和環5所組成，所以線狀組件F被線性地插入處理腔室內。為了增加線狀組件F的運行速率，可倍增模組的數目。
應注意的是，不可能注入適合的前導物進入每一模組內，且不能使泵送線路形成薄片，以調整每一模組的工作壓力。
以鈷化釤(Sm2Co17)磁鐵來執行測試，該鈷化釤磁鐵不排除用於產生875G磁場的任何其它材料，例如釹鐵硼。
依據兩種組態來執行這些測試。
第一種組態：
各磁鐵具有下列尺寸：-內徑20mm，-外徑28mm，-厚度20mm，依據厚度來偏極化，-各磁鐵間的距離：31.5mm-各磁鐵間相反極性。
第二種組態：
各磁鐵具有下列尺寸： -內徑33.8mm，-外徑50mm，-厚度25mm，依據厚度來偏極化，-各磁鐵間的距離：46mm-做為處理腔室之管子的特徵：ND 25，亦即外徑33.7mm-各磁鐵間相反極性。
在此兩種組態中：
-微波被注入兩個磁鐵間之空間的中間內。微波注入器的穿刺深度應該被最佳化，以利電漿的灌注和操作。
-各磁鐵在大氣壓下。磁鐵接觸內部有例如水之流體在循環的外殼而被冷卻。氣體泵送和注入區域已被交替。
-藉由三個壓力螺栓將磁鐵維持在系統內，以防止被吸引。
上文的描述已使優點很明顯，下述的優點則更特別突出和記得住：-線性電漿的產生被侷限在待處理組件的周圍，以使腔室的容積最小化，且因此使先導氣體和能量之投資和消耗最小化；-產生軸對稱電漿，以保證在待處理組件上之沉積的均勻性；-處理所有類型之線狀組件的可能性，該等組件包括導線類型導體、纖維、且特別是長度大於直徑之所有產品。
做為一個範例，下文描述依據第二種組態藉由PECVD ECR在反應器內進行SiOx沉積測試。
第一PECVD製程
-TMS(四甲基矽烷)的流率：5sccm
-O2(氧)的流率：18sccm
-壓力：1.3.10-2mbar
-微波注入功率：100W
由於此O2/TMS的比為3.6，所以在腔室中間之兩個磁鐵間的沉積速率為250nm/min。
在被放置於反應器中心之矽板上測量沉積速率。
第二PECVD製程
-壓力：1.10-2mbar
-微波注入功率：50W
使用O2/HMDSO混合物
1‧‧‧磁性偶極
2‧‧‧磁性偶極
4‧‧‧微波產生器
F‧‧‧組件

Claims (13)

  1. 一種在電子迴旋加速器共振(ECR)場內產生由微波能量激勵之電漿以在線狀組件(F)的周圍執行表面處理或塗覆的方法，包含：該線狀組件(F)經由磁性偶極(1,2)連續地線性運動，該等磁性偶極被配置在管子(3)的相對側和周圍，該管子構成處理腔室；該微波能量被引導到至少兩個磁性偶極(1,2)之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該表面處理特別是清潔、浸酸、功能化、嫁接。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中藉由電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)來獲得該塗覆。
  4. 一種在被連續地線性驅動之線狀組件(F)的周圍產生電漿的裝置，該裝置包含在迴旋加速器共振場內產生微波能量的機件，其中該裝置包括至少一個模組，該至少一個模組由相對地配置且較佳地安裝在管子(3)周圍的兩個磁性偶極(1,2)構成，該管子構成處理腔室，待處理的該線狀組件(F)經過該處理腔室線性地移動，且微波產生器被安裝在該兩個偶極之間。
  5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該等磁性偶極(1,2)是環狀磁鐵。
  6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該等環狀磁鐵是永久磁鐵。
  7. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中該等環狀磁鐵是電磁線圈。
  8. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該微波產生器(4)被配置成垂直於該管子(3)的中心線。
  9. 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該管子(3)構成T字形，該T字形的中間分支(3a)接收微波產生器，而其他兩個分支(3b,3c)接收該中間分支(3a)任一側的該等磁鐵(1,2)。
  10. 如申請專利範圍第4至9項中任一項之裝置，其中該裝置包含多個模組，該等模組成系列安裝並對齊，且被密封環(5)連接在一起。
  11. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中每一環(5)當作泵送區域，其被連接至氣體泵送收集器。
  12. 如申請專利範圍第10項之裝置，其中該等環(5)交替地當作泵送和注入區域。
  13. 如申請專利範圍第4至9項中任一項之裝置，其中該線狀組件(F)被電性地偏極化，以允許電漿的離子轟炸。
TW104110457A 2014-04-04 2015-03-31 在電子迴旋加速器共振場內產生由微波能量激勵之電漿以在線狀組件的周圍執行表面處理或塗覆的方法和裝置 TWI646572B (zh)

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