等離子體沉積設備的製作方法

2023-09-15 21:51:40

專利名稱：等離子體沉積設備的製作方法
等離子體沉積設備
背景技術：
本發明涉及通過等離子體沉積來使物品的表面納米塗覆有薄膜聚合物層的設備。 現有技術 到此為止，已知等離子體室具體地用於處理半導體晶圓。 一般地，此處理系統的等 離子體室是由金屬比如不鏽鋼或鋁製成的。內部電容板一般被應用於產生放電，以便使輸 送進入系統的電力最大化，同時使損失最小化以及使在任何一次可以被加載的產品的量最 大化。 一種此布置被公開於公布的國際專利申請W0-A-2005/089961中。
美國專利US 5， 647， 913描述了使用電容板裝置清理粘附到等離子體反應器的內 壁的材料的一種方法。另一描述美國專利申請2007/0034156使用離子引導裝置(ion guide 即paratus)，該離子引導裝置被沉積室圍繞，並且包括穿過沉積真空室的孔以便從源引入 離子化分子。 也已經使用了處於低壓的感應耦合等離子體，以便實現某些程度的表面改性，一 般地通過蝕刻、活化或沉積；比如美國專利US 5，683，548中描述的。文獻中描述的其它 工藝包括納米粉末的形成(美國專利申請2005/0258766)、處於高溫的無定形碳膜(US 6， 423， 384)以及如日本專利申請JP 10028836中公開的某些碳氟化合物的分解處理。
其它例子描述了能夠執行含碳化合物的部分氧化改良以產生用於能量生產的燃 料的系統，如公布的國際專利申請W0-A-2004/112447中公開的，以及W0-A-2005/007565中 的使用高溫感應耦合等離子體的碳納米材料的連續生產。在工件被物理地或化學地改性的 工藝中，則高度可能的是，該工件平面的組合，以確保在要求的時間範圍中發生均質處理。
上文描述的系統沒有解決等離子體改性的物品比如織物或衣服、鞋類、醫療裝置、 電子設備或汽車或航空航天零件在三個維度中的快速通過量(rapid through-put)。另外， 它們沒有描述超薄、連接到物品表面的粘附良好的聚合物層的連接。 使用感應線圈的半導體處理所要求的等離子體反應適合於產生高水平的氣體衝 擊和碎裂，並且以不適合於裁剪帶有特定化學官能團(chemical group functionalities) 的複雜3D產品的參數進行操作，這些化學官能團可以通過有機分子以受控的方式的連接 而提供。 隨著等離子體系統被放大到較大的體積以適應更多產品，水蒸氣和/或脫氣的溶 劑的總量延緩到達想要的操作壓力和條件的時間，導致每件設備的較長的通過量時間以及 較低速度的年度生產體積。另外，總的處理時間可能依據物品到產生給出想要的技術效果 所要求的活性物質的源的接近度而顯著地增加。
發明概述 依據本發明，提供了 一種通過等離子體沉積來使物品的表面塗覆有薄膜聚合物層 的設備，該設備包括 至少一個處理室，一個或多個物品能被放進該至少一個處理室內； 用於提供物質的裝置，其用於對所述至少一個處理室提供物質，所述物質能夠被
4形成等離子體； 等離子體形成裝置(plasma forming means)，其與處理室相關聯，以便建立適合 於在所述室中形成等離子體的電場，該等離子體形成裝置可操作以在關聯的處理室內建立 電場，以便在所述物質被提供到該處理室時形成等離子體，使得所述物品的表面能通過等 離子體沉積而被塗覆有薄膜聚合物層； 用於提供隨時間改變的電流的裝置，其用於對等離子體形成裝置提供隨時間改變 的電流；以及 壓力改變裝置(pressure varying means)，其用於選擇性地控制所述處理室中的 壓力，使得所述室中的任何一個或多個室中的壓力能獨立於所述室中的另一室中的壓力而 被控制。 理想地，等離子體形成裝置包括可操作以在處理室內感生電場的感應裝置。
可選擇地，或者除感應裝置以外，等離子體形成裝置包括電容裝置，該電容裝置布 置成在關聯的處理室內形成電場以便形成等離子體。 優選地，塗層為薄層，其厚度為大約幾個或幾十個納米，一般地多至100-200納米 厚。此塗層在下文被稱為納米塗層。 本發明的其它優選的和/或可選的特徵在所附權利要求中被界定。
現在將僅通過例子、參照附圖來描述本發明，其中
附圖簡述

圖1為通過等離子體沉積來使物品的表面納米塗覆有薄膜聚合物層的設備的示 意圖； 圖2為圖1的設備的處理室的示意圖； 圖3為通過等離子體沉積來使物品的表面納米塗覆有薄膜聚合物層的另一種設 備的示意圖；以及 圖4為通過等離子體沉積來使物品的表面塗覆有納米薄膜聚合物層的又一種設 備的示意圖。 示出實施方式詳述 參照圖1和圖2，展示了通過等離子體沉積來使物品的表面塗覆有薄膜聚合物層 的設備10。設備IO包括多個處理室12(12a，12b，12c. .. 12n)，一個或多個物品14可以被 放進多個處理室12中的每一個內。 沒有限制地，這些物品可以為織物或衣服、鞋類、醫療裝置、電子設備、電池、過濾
器以及過濾設備(比如空氣過濾器)、微或納米裝置或汽車或航空航天零件。 納米薄膜聚合物層可以產生任何想要的或有優勢的技術效果，比如使得物品為疏
水的或疏油的。 如圖2中更詳細地示出的，物品14被放置在室12中的夾具16上，使得物品可以 被定位在室內，使得在物品上可以發生有效沉積或者使得在處理過程中物品可以被移動進 入多個定向以有效地納米塗覆其所有的表面。用於每個室的蓋子在圖中用虛線示出。
設備10包括用於對所述處理室提供活性物質以便在所述室中形成等離子體的裝 置。活性物質一般地為單體，該單體被儲存在單體管18中，當單體分解並形成等離子體時， 該單體在物品表面上經歷聚合。單體為氣態的，並且在管18中在壓力下被儲存，使得在操
5作閥20時，單體沿著導管22經過並進入處理室12。閥21可操作以便選擇性地對處理室12 中的任何一個或多個處理室提供氣體。載氣被儲存在管19中，以便將單體輸送到處理室。
多個感應裝置24與相應的處理室12關聯，每一個感應裝置可操作以便在關聯的 處理室內感應電場，以便在活性物質被提供到處理室時形成等離子體，使得物品表面可以 通過等離子體沉積而被塗覆有薄膜聚合物層。 控制裝置26控制感應裝置的操作。控制裝置26包括用於在感應裝置24中提供隨 時間改變的電流的裝置。優選地，控制裝置26還包括L-C或合適的匹配單元以及功率表， 功率表用於耦合連接到電源的13.56MHzRF發生器的輸出。此布置確保通向處理室內部分 地離子化的氣體的傳輸功率的駐波比(SWR)可以被最小化。對於脈衝等離子體沉積，可以 使用脈衝信號發生器。 在圖1中示出的布置中，每一個感應裝置24都包括導電材料線圈，比如導線形式 或管形式的銅。如圖中箭頭示出的，銅的端部被連接到控制裝置26。在有優勢的布置中，感 應裝置可以各自具有通向控制裝置26的無線連接。 處理室的壁可以由電介質材料製成。石英或硼矽玻璃是適合的並且是不昂貴的電 介質材料。線圈可以在處理室12的外部通過將銅導體圍繞室纏繞而形成。在一種變化形式 中，線圈可以被埋置在處理室的壁中或設置在室的內部，但是後者的構造不是當前優選的， 因為其妨礙清潔。處理室可以由金屬材料製成，在該情況中，感應線圈構造大致上處於室的 內部，並且被構造成使得在使用中其在室的主要體積內提供磁場。此感應線圈可以是單個 的比如為螺線管、成對的比如亥姆霍茲構造(Helmholtzconfiguration)，或具有奇數個或 偶數個較高的倍數。線圈的截面可以為圓形的或矩形的，該截面為適合於室形狀的垂直面 或水平面。 設備10還包括壓力控制裝置28，壓力控制裝置28用於選擇性地控制處理室12中 的壓力，以使室中的任何一個或多個室中的壓力可以獨立於室中任何其它室中的壓力而被 控制。因此，該設備可以被控制，使得例如室12a中的壓力處於大氣壓，而室12b中的壓力 處於處理壓力，並且室12c中的壓力從大氣壓降低到處理壓力。壓力控制裝置28還可以控 制室內的壓力，使得可以在不同室內實施要求不同壓力的處理步驟。 —般地，等離子體沉積所要求的壓力在1X10—5託到l託(接近1X10—8巴到 1X10—3巴)的範圍中，然而，可能需要超出此典型範圍外的壓力。 壓力控制裝置28優選地包括真空泵吸裝置30，該真空泵吸裝置30可以選擇性地 被放置成與所述處理室流體相通，使得室12可以彼此獨立地被抽空。雖然可以選用單泵吸 單元以實現典型的處理壓力，但是優選地，真空泵吸裝置30包括用於將壓力從大氣壓降低 到第一或中間壓力的高壓泵吸或背襯單元32以及用於將壓力從第一壓力降低到處理壓力 的低壓泵吸單元34。 高壓泵吸單元32可以合適地為羅茨泵。低壓泵吸單元34可以合適地為渦輪分子 泵。此低壓泵吸單元的出口一般不能夠排放到大氣，並且因此出口被連接到高壓泵吸單元 的入口 。因此，通常低壓泵吸單元34不被致動，直到低壓泵吸單元中的壓力已經通過高壓 泵吸單元32被降低到中間壓力。 壓力控制裝置28可以包括與真空泵吸裝置30和處理室12串聯連接的預抽空室 或壓力罐36。因此，預抽空室可以通過真空泵吸裝置保持在低於大氣壓的壓力，並且優選地低於處理壓力的壓力，使得在預抽空室和處理室中的任何一個或多個處理室之間流體相通 時，該處理室或這些處理室內的壓力被降低。 更詳細地，預抽空室36的內部體積優選地大於所述處理室12中任一個處理室的 內部體積。當預抽空室已經被抽空到低壓並且流體流動路徑在處理室12和預抽空室之間 被打開時，壓力梯度引起處理室內抽空。因為預抽空室的體積相對較大，所以處理室內壓力 降低的速度相對地大於預抽空室內壓力增加的速度。以此種方式，當裝載有物品時，處理室 內的壓力可以快速地從大氣壓降低到處理壓力，因此減少了處理物品所花費的時間。
有優勢地，多個預抽空室36可以與真空泵吸裝置30和處理室12串聯連接。預抽 空室36可以選擇性地被放置成與所述處理室中的一個或多個處理室流體相通，使得所述 預抽空室中的任何一個可以降低所述處理室中的任何一個處理室的壓力。以此種方式，一 個預抽空室36可以被用於在另一個預抽空室被真空泵吸裝置30抽空時抽空處理室12。除 了其它以外，可以選擇的預抽空室的數量是處理壓力、處理室的數量以及處理物品佔去的 時間的函數。 在壓力控制裝置28的圖中未示出的一種可選擇的布置中，高壓泵吸單元可操作 以便降低預抽空室內的壓力，並且多個低壓泵吸單元被連接在相應的處理室12和預抽空 室之間，以便選擇性地增加處理室中的一個或多個處理室與預抽空室之間的壓力差。此布 置可以優選地使得不要求使圖中示出的預抽空室保持處於非常低的處理壓力，而相反預抽 空室被抽空到更容易或更有效地被保持的中間壓力。 圖3示出了通過等離子體沉積來使物品表面塗覆有薄膜聚合物層的可選擇的設 備40。為了容易理解，沒有在圖3中示出上面參照圖1和圖2描述的全部結構，比如感應裝 置和活性物質輸送系統。 在圖3中，多個處理室12容納在中間室42中，中間室42適合於通過真空泵吸裝 置44保持在小於大氣壓的壓力，並且優選地為低於處理壓力的壓力。該設備還包括一個或 多個載荷鎖定室(load lock chamber)(示出了兩個載荷鎖定室46、48)，這些載荷鎖定室適 合於在大氣壓力和中間室的壓力之間循環，以允許物品50從設備的外面傳遞到中間室而 不增加中間室中的壓力。此設備是有優勢的，因為其消除了在放置物品之後降低處理室內 的壓力的要求。因此，降低壓力佔用的時間以及另外的能量消耗可以被避免，從而增加物品 的通過量。 機器人裝置52是必需的且可在小於大氣壓的壓力下操作，以便將物品50從載荷 鎖定室46傳遞到處理室12，並在處理之後將物品傳遞到另一載荷鎖定室48。機器人裝置 52被用虛線表示以指示所需運動的範圍。圖3中示出了三個機器人。第一機器人51將物 品從大氣傳遞到中間室42並且容納在第一載荷鎖定室46中。第二機器人53將物品傳遞 到處理室12以及從處理室12傳遞物品並且可在中間室內移動。第三機器人54將處理的 物品從中間室傳遞到大氣，並且容納在第二載荷鎖定室48中。 圖4中示出了通過等離子體沉積來使物品表面塗覆有薄膜聚合物層的設備60的 另一種布置。為了容易理解，沒有在圖4中示出上面參照圖1和圖2或圖3描述的全部結 構，比如感應裝置和活性物質輸送系統。 多個處理室62被支撐以便在加載或卸載位置以及處理位置之間運動。該處理室 62被支撐以便在底座(在圖4的平面圖中未示出)上圍繞軸X轉動運動。運動是被電動機(也未示出)控制的。 在加載或卸載位置，處理室62適合於被保持在高於處理壓力的壓力(其可以為大 氣壓)，而在處理位置時適合於被保持在處理壓力。加載/卸載位置在圖4中被用實箭頭表 示，而處理位置被用虛線箭頭表示。氣體進入室和從室離開優選地由合適的閥63控制。這 些閥可以為單向閥。壓力控制裝置64包括真空室66以及真空泵吸單元68，以便將真空室 66抽空至處理壓力。 處理室62在加載或卸載位置和處理位置之間的運動自動地開始使處理室內的壓
力減小到所述處理壓力。每一個處理室可以與允許氣體離開室的單向閥63配合，使得當處
理室轉動到真空室66時，引起氣體流動穿過其單向閥而進入真空室。當處理已經完成並且
處理室被轉動離開真空室66時，該室可以被排放到大氣並且重新加載一物品。 現在將具體地參照圖1和圖2描述附圖中示出的設備的使用，但是此用途也與圖
3和圖4中示出的設備相關。 在圖1和圖2中，物品14被加載到處理室12中的夾具16上，該處理室12通過壓 力控制裝置28被抽空到處理壓力。因為壓力控制裝置包括預抽空壓力，所以處理室內的壓 力可以相對快速地被降低。如果需要，預處理氣體和蒸氣可以被引入室。通過閥20和21 的使用引起單體流動進入相關的處理室，並且在單體氣體中感應有電流，引起等離子體的 形成。等離子體處理步驟被延續達1秒到10分鐘之間(取決於被處理的物品)。在處理過 程中物品的運動可以被夾具16的運動控制。在完成沉積/處理步驟時，所有氣體和蒸氣在 排放至大氣壓力之前從被抽空至低壓的室隔離開。處理的物品被移除並且新物品被加載進 入處理室12內。 本設備的優勢在於處理物品所要求的任何步驟可以獨立於處理室中的任何一個 處理室實施。比如，加載、抽空、等離子體沉積、清潔、修理以及維護步驟中的任何一個步驟 可以在任何一個處理室中實施或者被實施到任何一個處理室，而同時這些步驟中的任何一 個步驟正在另一個處理室中被實施。此種布置顯著地增加設備的潛在通過量，並且通過允 許預防性維護來限制停機時間。 具體地參照處理室的抽空，處理室被抽空，這引起預抽空室中壓力的增加。當該處 理室中的處理正在被實施時，真空泵吸裝置可以被操作以降低預抽空室內的壓力，使得當 要求抽空另外的處理室時，預抽空室處於要求的壓力。此種布置減少處理物品佔用的時間。
可以被塗覆有防水/斥水塗層的另外的物件包括運動器械、高價值時尚物件比 如時尚飾品、電器產品、個人電子裝置比如藍牙(BLUETOOTH)(商標)裝置、行動電話、尋呼 機、個人數字助理(PDA)、MP3裝置、電纜、壓縮光碟(CD)、膝上電腦以及鍵盤。
應理解，本發明可以獨立於將要被塗覆的物件的想要的特性和性質以及為了實現 想要的技術效果而與一系列不同的活性物質一起使用。 因此，例如，可以引入防腐物質以便在這樣的物件中或者這樣的物件上提供防腐 塗層，比如繃帶、敷料以及緊急醫療設備；家具專用物件、浴室家具、急救包(first aid kits)、衣服物件；以及醫療、外科以及牙科設備。 可選擇地，可以引入阻燃物質以便對這樣的物件提供抗火性質，比如衣服物品、 皮革、織物材料以及覆蓋物、紙品、電器產品、個人電子設備比如藍牙(BLUETOOTH)(商標) 裝置、行動電話、尋呼機、個人數字助理(PDA)、MP3裝置、電纜、壓縮光碟(CD)、鈔票以及信
8用卡。 在另一個實施方式中，將被引入的物質為蛋白質結合劑，該蛋白質結合劑適合於 被引入骨以及牙移植物中，以便促進骨生長以及骨材料的結合，從而促進折斷的骨或牙的
重新生長/修復。 在另一個實施方式中，將被引入的物質可以為導電材料，該導電材料適合於被引 入將被塗覆的物件的具體表面/區域。 應理解，本發明適合於塗覆針織的、縫製的、編織的或連接的織物或材料，比如，例 如皮革和帶有或不帶有結合的鞋底的鞋面。 使用兩種或多種不同的物質多次塗覆物品以便提供兩種或多種不同的效果，比如 例如賦予物品防水和防火性質也在本發明的範圍內。 雖然已經通過不同的例子和實施方式連同改進和變化形式描述了本發明，但是對 於本領域技術人員來說，在閱讀和理解本發明之後，另外的實施方式和修改將是明顯的。所 有這些實施方式和修改被預期落入由所附權利要求所界定的本發明的範圍內。
權利要求
一種用於塗覆的設備，其用於通過等離子體沉積來使物品的表面塗覆有薄膜聚合物層，所述設備包括至少一個處理室，一個或多個物品能放入所述至少一個處理室內；用於提供物質的裝置，其用於對所述至少一個處理室提供物質，所述物質能夠被形成等離子體；等離子體形成裝置，其與所述處理室相關聯，所述等離子體形成裝置可操作以在所述物質被提供到關聯的處理室時在所述關聯的處理室內建立電場以便形成等離子體，使得所述物品的表面能通過等離子體沉積而被塗覆有薄膜聚合物層；用於提供隨時間改變的電流的裝置，其用於對所述等離子體形成裝置提供隨時間改變的電流；以及壓力改變裝置，其用於選擇性地控制所述處理室內的壓力，以使所述室中的任何一個或多個室中的壓力能獨立於所述室中的另一個室中的壓力被控制。
2. 如權利要求1所述的設備，其中，所述等離子體形成裝置包括感應裝置，所述感應裝 置可操作以便在所述處理室內感生電場。
3. 如權利要求1所述的設備，其中，所述等離子體形成裝置包括電容裝置，所述電容裝 置布置成在關聯的處理室內形成電場以便形成等離子體。
4. 如權利要求1到3中任一權利要求所述的設備，其中，所述塗覆是納米塗覆物品的表面。4. 如權利要求2所述的設備，其中，所述感應裝置包括導電材料線圈。
5. 如權利要求4所述的設備，其中，所述線圈被埋置在相應的所述處理室的壁中。
6. 如權利要求5所述的設備，其中，所述線圈在相應的處理室的外部。
7. 如前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中，所述處理室由電介質材料形成。
8. 如前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中，所述處理室由傳導材料製成。
9. 如前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中，所述壓力改變裝置包括真空泵 吸裝置，所述真空泵吸裝置能選擇性地被放置成與所述處理室流體相通。
10. 如權利要求9所述的設備，其中，所述真空泵吸裝置包括高壓泵吸單元以及低壓泵 吸單元，所述高壓泵吸單元用於將壓力從大氣壓降低到第一壓力，所述低壓泵吸單元用於 將壓力從所述第一壓力降低到處理壓力。
11. 如權利要求9或10所述的設備，其中，所述壓力控制裝置包括預抽空室，所述預抽 空室與所述真空泵吸裝置和所述處理室串聯連接，以使所述預抽空室能通過所述真空泵吸 裝置而保持在小於大氣壓的壓力下，使得在所述預抽空室和所述處理室中的任何一個或多 個處理室之間流體相通時，所述一個或多個處理室中的壓力被降低。
12. 如從屬於權利要求10時的權利要求11所述的設備，其中，所述高壓泵吸單元可操 作以便降低所述預抽空室內的壓力，並且多個所述低壓泵被連接在相應的處理室和所述預 抽空室之間，以便選擇性地增加所述處理室中的一個或多個處理室和所述預抽空室之間的 壓力差。
13. 如權利要求11或12所述的設備，所述預抽空室的內部體積大於所述處理室中的任 何處理室的內部體積。
14. 如權利要求11到13中任一權利要求所述的設備，其中，多個預抽空室與所述真空泵吸裝置和所述處理室串聯連接。
15. 如權利要求11到14中任一權利要求所述的設備，其中，所述預抽空室能選擇性地 被放置成與所述處理室中的一個或多個處理室流體相通，使得所述預抽空室中的任何一個 預抽空室能降低所述處理室中的任何一個處理室中的壓力。
16. 如前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中，所述多個處理室容納在中間室 內，所述中間室適合於通過所述壓力控制裝置而被保持在小於大氣壓的壓力下，所述設備 還包括一個或多個載荷鎖定室，所述載荷鎖定室適合於在大氣壓力和所述中間室的壓力之 間循環，以允許物品從所述設備的外面傳遞到所述中間室而不增加所述中間室中的壓力。
17. 如權利要求16所述的設備，其包括機器人裝置，所述機器人裝置可在小於大氣壓 的壓力下操作，以便將物品從所述一個或多個載荷鎖定室傳遞到所述處理室，並在處理之 後將物品傳遞到所述一個或多個載荷鎖定室。
18. 如前述權利要求中任一權利要求所述的設備，其中，所述多個處理室被支撐，以便 在加載或卸載位置和處理位置之間運動。
19. 如權利要求18所述的設備，其中，在加載或卸載位置中，所述處理室適合於被保持 在高於處理壓力的壓力下，而在處理位置中，所述處理室適合於被保持在處理壓力下。
20. 如權利要求19所述的設備，其中，所述處理室在加載或卸載位置和處理位置之間 的運動自動地開始使所述處理室內的壓力減小到所述處理壓力。
21. 如權利要求18到20中任一權利要求所述的設備，其中，所述處理室被支撐，以便在 底座上圍繞軸轉動運動。
22. 如任一前述權利要求所述的設備，其中，設置有用於產生分子重新排列的裝置，從 而使正被塗覆的物品產生新的表面性質。
23. —種用於塗覆的方法，其用於通過等離子體沉積來使物品的表面塗覆有薄膜聚合 物層，所述方法包括使用依據權利要求1到22中任一權利要求所述的設備。
24. —種物件，其依據權利要求23所述的方法塗覆。
全文摘要
一種通過等離子體沉積來使物品(14)的表面塗覆有薄膜聚合物層的設備(10)，該設備包括多個處理室(12a，12b，12c，...12n)，一個或多個物品能被放進該多個處理室中的每一個處理室內；用於對所述處理室提供活性物質以便在所述室中形成等離子體的裝置(18，19，20，21，22)；多個感應裝置(24)，其與相應的處理室相關聯，每一個感應裝置可操作以在關聯的處理室內感生電場，以便在所述活性物質被提供到該處理室時形成等離子體，使得所述物品表面能通過等離子體沉積而被塗覆有薄膜聚合物層；用於在感應裝置中提供隨時間變化的電流的裝置(26)；以及壓力控制裝置(28)，其用於選擇性地控制所述處理室中的壓力，使得所述室中的任何一個或多個室中的壓力能獨立於所述室中其它室中的壓力而被控制。
文檔編號B05D7/24GK101743071SQ200880024918
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月17日 優先權日2007年7月17日
發明者史蒂芬·理察·庫爾森, 查爾斯·埃德蒙·金 申請人:P2I有限公司