專利名稱：對物件進(jìn)行等離子體處理的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生基本均勻的等離子體的裝置。更具體的，本發(fā)明涉及一種裝置，該裝置用于產(chǎn)生處理物件的基本均勻的等離子體。本發(fā)明尤其涉及一種能產(chǎn)生可控的、可調(diào)節(jié)的、用于處理物件的等離子體的裝置。
背景技術(shù)：
等離子體源被用于對各種物件進(jìn)行各種表面處理。這些表面處理的例子包括在表面上沉積各種鍍膜層，進(jìn)行表面的等離子體蝕刻和等離子體激活。等離子體處理工藝的特性在很大程度上受到等離子體源的工作參數(shù)的影響。
可以使用各種等離子體源(如膨脹熱等離子體源(expandingthermal plasma，也稱為“ETP”)對直徑在約10-15cm范圍內(nèi)的表面區(qū)域進(jìn)行處理。在等離子體處理中，等離子體源的各條件可能會發(fā)生改變。例如，由于陰極的腐蝕，因而陰極和陽極之間的距離可能隨時間而改變，或陰極電壓或工作氣壓可能發(fā)生改變。為抵消這種變化(尤其是陰極和陽極之間距離的改變)，通常需要中斷處理過程和拆卸等離子體源。
可以使用多個等離子體源組成的陣列來對更大的基底區(qū)域進(jìn)行鍍膜。理想情況下，陣列中各個等離子體源產(chǎn)生的等離子體應(yīng)當(dāng)具有相同的特性。然而，在實際中，經(jīng)?？捎^察到源與源之間在等離子體特性方面的差異以及由此導(dǎo)致的等離子體處理的差異。這種差異在很大程度上與先前描述的各個等離子體源的差異有關(guān)。
不能實時地抵消單個等離子體源的變化。這種校正需要中斷處理過程并拆卸等離子體源。當(dāng)使用多個等離子體源時，通常希望使產(chǎn)生的等離子體的源與源之間差異為最小。因此，需要一種能產(chǎn)生穩(wěn)定的、可控的等離子體的裝置。也需要一種能使用穩(wěn)定的、可控的等離子體對物件進(jìn)行等離子體處理的裝置。還需要一種產(chǎn)生等離子體的等離子體源，可調(diào)節(jié)該源來改變所產(chǎn)生的等離子體的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
通過提供產(chǎn)生至少一種穩(wěn)定且可實時調(diào)節(jié)的等離子體的裝置，本發(fā)明滿足了上述和其他需求。在一個實施例中，該裝置包括多個等離子體源，可以實時地將這些等離子體源“調(diào)諧”，以產(chǎn)生互相類似的等離子體，或者相反地，可以將它們“去調(diào)諧”，以產(chǎn)生不相類似的等離子體。該裝置可用于等離子體處理(例如但不限于物件的鍍膜、蝕刻、加熱、光照或照明以及激活)。也公開了提供上述等離子體以及使用上述等離子體處理物件的方法。本發(fā)明也提供了一種工作參數(shù)可實時調(diào)節(jié)的等離子體源。也公開了提供上述等離子體和使用上述等離子體處理物件的方法。
因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的裝置。該裝置包括至少一個等離子體源，該等離子體源包括在其中產(chǎn)生基本可控的等離子體的等離子體室；設(shè)置在該等離子體室中的至少一個陰極和陽極，該至少一個陰極和陽極由一個可調(diào)間隙隔開；連接到上述陽極和上述至少一個陰極的電源，用于在上述陽極和上述至少一個陰極兩端施加電壓；等離子體氣體入口，用于將產(chǎn)生等離子體的氣體(以下稱為“等離子體氣體”)以等離子體氣體流速從等離子氣體源引入上述等離子體室內(nèi)；傳感器，用于監(jiān)視等離子體室內(nèi)的條件；通過出口與等離子體室存在流體聯(lián)系的第二室，其中，在該第二室內(nèi)保持比等離子體室內(nèi)的第一氣壓低的第二氣壓，且其中上述基本可控的等離子體通過上述出口從等離子體室流入第二室。
本發(fā)明的第二個方面是提供一種用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的等離子體源。該等離子體源包括在其中產(chǎn)生上述基本可控的等離子體的等離子體室；設(shè)置在上述等離子體室的第一末端處的陽極，該第一末端具有出口，上述基本可控的等離子體通過該出口離開上述等離子體室；設(shè)置在上述等離子體室中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極，其中，上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極可以移動，以在上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極之間形成間隙；連接到上述陽極和上述至少一個可調(diào)的陰極的電源，用于在上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極兩端施加電壓；等離子氣體入口，用于將等離子氣體從等離子氣體源以等離子氣體流速引入到等離子體室內(nèi)；至少一個傳感器，用于檢測并監(jiān)視等離子體室內(nèi)的條件。
本發(fā)明的第三個方面是提供一種產(chǎn)生基本可控的膨脹熱等離子體的裝置。該裝置包括至少一個膨脹熱等離子體源，該至少一個膨脹熱等離子體源包括在其中產(chǎn)生上述基本可控的等離子體的等離子體室；陽極；設(shè)置在上述等離子體室中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極，其中，該至少一個可調(diào)節(jié)的陰極可以移動，以在上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極之間形成間隙；連接到上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極的電源，用于在上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極兩端施加電壓；等離子體氣體入口，用于以等離子體氣體流速將等離子體氣體從等離子體氣體源引入到等離子體室內(nèi)；至少一個傳感器，用于檢測并監(jiān)視等離子體室內(nèi)的條件；以及通過出口與等離子體室存在流體聯(lián)系的第二室，其中，在該第二室內(nèi)保持比等離子體室內(nèi)的第一氣壓低的第二氣壓，且其中上述基本可控的等離子體通過上述出口從等離子體室流入第二室。。
本發(fā)明的第四個方面是提供一種用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的方法。所述方法包括以下步驟提供至少一個等離子體源，該至少一個等離子體源包括等離子體室、陽極、設(shè)置在該等離子體室中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極、連接到上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極的電源、等離子氣體入口和至少一個傳感器；通過上述等離子氣體入口將等離子體氣體提供給上述至少一個等離子體源中的等離子體室；在該等離子體室中產(chǎn)生等離子體；監(jiān)視等離子體室內(nèi)的至少一個參數(shù)；以及控制上述等離子體，其中，基于對上述至少一個參數(shù)的監(jiān)視，通過調(diào)節(jié)等離子體室內(nèi)的條件而控制上述等離子體。
本發(fā)明的第五個方面是提供一種使用基本可控的膨脹熱等離子體對物件進(jìn)行處理的方法。該方法包括以下步驟提供至少一個膨脹熱等離子體源，其中，該至少一個膨脹熱等離子體源包括等離子體室、陽極、設(shè)置在該等離子體室中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極、連接到上述陽極和上述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極的電源、等離子體氣體入口和至少一個傳感器；通過上述等離子體氣體入口將等離子體氣體提供給上述至少一個等離子體源中的各個源的等離子體室；在上述等離子體室中產(chǎn)生等離子體；監(jiān)視該等離子體室內(nèi)的至少一個參數(shù)；以及控制上述等離子體，其中，基于對上述至少一個參數(shù)的監(jiān)視，通過調(diào)節(jié)該等離子體室內(nèi)的條件而控制上述等離子體；通過使上述等離子體經(jīng)出口膨脹進(jìn)入與上述等離子體室存在流體聯(lián)系的第二室內(nèi)而形成膨脹熱等離子體，且其中上述第二室包含上述物件，并保持低于等離子體室內(nèi)的第一氣壓的第二氣壓；以及將上述膨脹熱等離子體入射在上述物件表面，由此對該物件進(jìn)行處理。
通過閱讀以下的詳細(xì)描述、附圖以及權(quán)利要求，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其他方面、優(yōu)點以及顯著特征。


圖1是用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的裝置的示意圖；圖2示出了在進(jìn)入等離子體室內(nèi)的氬氣為恒定流速時測量的陰極電壓與陰極長度的函數(shù)關(guān)系；圖3示出了在進(jìn)入等離子體室內(nèi)的氬氣為恒定流速時測量的等離子體室氣壓與陰極長度的函數(shù)關(guān)系；圖4示出了陰極電壓、等離子體室氣壓與時間的函數(shù)關(guān)系；圖5示出了在調(diào)諧和去調(diào)諧狀態(tài)下使用多個等離子體源沉積的金剛砂膜的沉積輪廓；以及圖6示出了耐磨硅樹脂鍍膜層的各Taber德爾塔霧度值與基底位置相對于各ETP源的位置的函數(shù)關(guān)系。
具體實施例方式
在以下的描述中，在各幅圖中，相似的附圖標(biāo)記表示相似或?qū)?yīng)的部件。應(yīng)當(dāng)理解，各術(shù)語(如“頂部”、“底部”、“向外”、“向內(nèi)”等等)是為方便起見而采用的詞語，不應(yīng)當(dāng)將它們視為限制性的術(shù)語。
參考附圖，應(yīng)當(dāng)理解，附圖僅用于描述本發(fā)明的實施例，而非用于對本發(fā)明進(jìn)行限制。
現(xiàn)在參考圖1，其中顯示了本發(fā)明的用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的裝置100，該裝置包括第一等離子體源102、第二等離子體源202和第二室140。本發(fā)明并不限于圖1所示的實施例。裝置100可以包括單個等離子體源或超過兩個的等離子體源。應(yīng)當(dāng)理解，盡管詳細(xì)描述了第一等離子體源102的各種特征，并在對本發(fā)明的以下描述中引用了這些特征，但是以下描述也可以用于第二等離子體源202。
第一等離子體源102包括等離子體室104、陰極106和陽極108。陰極106設(shè)置在等離子體室104中，并在其中延伸。盡管在圖1中示出了單個陰極106，但應(yīng)當(dāng)理解，等離子體源102也可以包括多個陰極106。陽極108位于等離子體室102的一端。出口118使得等離子體室104和第二室140之間建立了流體聯(lián)系。等離子體室104中產(chǎn)生的基本可控的等離子體通過出口118離開等離子體室104，并進(jìn)入第二室140。在一個實施例中，出口118可包括在陽極108中形成的開口。在另一個實施例中，出口可以包括至少一個“浮接”的(即與陰極106和陽極108均電絕緣)級聯(lián)板122，該板用于將陽極108與等離子體室102的其余部分隔開。另外，出口118可位于等離子體室102和第二室140中之一的浮接壁中。
通過至少一個等離子體氣體入口114將用于產(chǎn)生等離子體的氣體(以下稱為“等離子體氣體”)注入到等離子體室104內(nèi)。該等離子氣體可以包括至少一種惰性或非反應(yīng)氣體(例如但不限于氦、氖、氬、氪、氙等惰性氣體)。另外，在使用等離子體來蝕刻表面的實施例中，上述等離子體氣體可包括一種反應(yīng)氣體(例如但不限于氫、氮、氧、氟或氯)?？赏ㄟ^位于等離子體氣體源(未示出)和至少一個等離子體氣體入口114之間的流量控制器(如質(zhì)量流量控制器)來控制等離子氣體的流量。通過上述至少一個等離子體氣體入口114將等離子體氣體注入等離子體室104，并在陰極106和陽極108之間生成電弧，在等離子體室104內(nèi)產(chǎn)生了第一等離子體。在陰極106和陽極108之間生成電弧所需的電壓是由電源112提供的。在一個實施例中，電源112是可調(diào)節(jié)的直流電源，該電源在電壓高達(dá)約50伏時可提供高達(dá)約100安的電流。通過真空系統(tǒng)(未示出)將第二室140的氣壓保持于遠(yuǎn)低于第一等離子體室的氣壓的第二氣壓。在一個實施例中，將第二室140的氣壓維持于比約1托(約133帕)低的氣壓，最好將其維持于比約100毫托(約0.133帕)低的氣壓，而將等離子體室104的氣壓維持于至少約0.1個大氣壓(約1.01×104帕)。因為第一等離子體室氣壓和第二室氣壓之間存在差值，所以第一等離子體通過出口118離開，并膨脹進(jìn)入第二室140。
第二室140適于容納將使用裝置100產(chǎn)生的等離子體來進(jìn)行處理的物件160。在一個實施例，對物件160進(jìn)行的這種等離子體處理包括將至少一種反應(yīng)氣體注入裝置100產(chǎn)生的等離子體，并在物件160的表面上沉積至少一層膜。上述至少一種等離子體撞擊的物件160的表面可以是平面或非平面。裝置100能進(jìn)行其他等離子體處理，其中，撞擊物件160的表面的至少一種等離子體用于但不限于對物件160的至少一個表面進(jìn)行等離子體蝕刻、加熱物件160、光照或照明物件160，或?qū)⑽锛?60的表面官能化(即產(chǎn)生反應(yīng)性的化學(xué)物種)。等離子體處理工藝的特性在很大程度上受等離子體源的工作參數(shù)的影響。這些工作參數(shù)包括等離子體室內(nèi)的工作氣壓、等離子體電阻、陰極和陽極之間的電勢、等離子體電流、陰極與陽極間的距離。
在一個實施例中，通過第一等離子體源102和第二等離子體源202中的至少其中之一產(chǎn)生的等離子體是膨脹熱等離子體(以下也稱為“ETP”)。在ETP中，通過將等離子體源氣體在至少一個陰極106和陽極108之間產(chǎn)生的電弧中電離來產(chǎn)生正離子和電子，從而產(chǎn)生了等離子體。例如，當(dāng)產(chǎn)生氬等離子體時，氬被電離，產(chǎn)生了氬離子(Ar+)和電子(e-)。然后，等離子體在低壓下膨脹為更大體積，從而冷卻電子和正離子。在本發(fā)明中，等離子體在等離子體室104中產(chǎn)生，并通過出口118膨脹進(jìn)入第二室140。如前所述，第二室140的氣壓被保持在遠(yuǎn)低于等離子體室104的氣壓的水平。在ETP中，正離子和電子溫度基本相等，并處于約0.1eV(約1000K)的范圍內(nèi)。在其他類型的等離子體中，電子的具有足夠高的溫度，因而足以在很大程度上影響等離子體的化學(xué)性質(zhì)。在這樣的等離子體中，正離子通常具有約0.1eV的溫度，而電子具有約1eV(10000K)或更高的溫度。因此，ETP中的電子溫度過低，從而其能量不足以使任何被引入ETP的氣體發(fā)生直接的電離。相反地，這些氣體可能會與ETP中的電子進(jìn)行電荷交換或發(fā)生電離復(fù)合反應(yīng)。
等離子體源102產(chǎn)生的等離子體的特性部分取決于間隙110，本文中，該間隙110定義為陰極106與陽極108之間的間距。圖2和圖3分別示出了陰極電壓和等離子體室氣壓與陰極長度的函數(shù)關(guān)系。在本發(fā)明的該特定實施例中，隨著陰極長度的增加，間隙110減小。在每幅圖中，系統(tǒng)地改變陰極與陽極間的距離，并使用以恒定流速進(jìn)入等離子體室的氬氣收集數(shù)據(jù)。如圖3所示，等離子體的氣壓隨陰極與陽極之間的距離減小而減小。類似地，維持該等離子體所需的電壓隨陰極與陽極之間距離的減小而減小，如圖2所示。
在等離子體源工作期間，可能發(fā)生陰極與陽極之間距離的改變。該改變可能是因陰極或者陽極的腐蝕、在陰極或者陽極上沉積材料、機(jī)械安裝或設(shè)置等離子體部件和等離子體源部件的熱膨脹造成的。圖4示出了作為時間(在圖4中表示為在相同條件下進(jìn)行的實驗的次數(shù))的函數(shù)的陰極電壓和等離子體氣壓的變化。應(yīng)當(dāng)理解，某些因素-如在陰極或者陽極上沉積材料-可導(dǎo)致與圖4所示方向相反的方向上的改變。隨著時間的流逝和上述距離上的變化的出現(xiàn)，維持所述等離子體所需的陰極電壓和等離子體氣壓也發(fā)生變化(即增加或減少)。這些趨勢與圖2和圖3中所示的情形一致。通常，不能實時調(diào)節(jié)陰極與陽極之間的距離，要進(jìn)行這種調(diào)節(jié)，一般需要完全拆卸等離子體源。
本發(fā)明提供了等離子體源102，其中，可響應(yīng)等離子體室104內(nèi)的選定條件(例如但不限于等離子體氣壓、陰極電壓、等離子體電流和等離子體氣流速率)而將間隙110(即陰極與陽極間距離)實時地調(diào)節(jié)為所希望的距離。至少一個傳感器116監(jiān)視并檢測等離子體室104內(nèi)這些條件的任何變化。選擇在等離子體源102中使用的傳感器取決于欲監(jiān)視的特性?？捎脕肀O(jiān)視等離子體室104內(nèi)的條件的上述至少一個傳感器116的非限制性實例包括氣壓傳感器，如與等離子體室104存在流體聯(lián)系的傳感器；用于測量和檢測陰極電壓的伏特計(或任何類似的電壓測量設(shè)備)；以及用于測量并檢測等離子體電流的安培計。將通過上述至少一個傳感器116檢測到的任何改變提供給控制器，然后，該控制器通過改變陰極106和陽極108中其中之一的位置來調(diào)節(jié)間隙110，以將上述選定條件維持在希望的范圍內(nèi)。
在一個實施例中，等離子體源102包括至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106。通過移動陰極106，可以將間隙110設(shè)置為預(yù)定距離。如圖2和圖3分別所示，由上述至少一個傳感器116檢測并監(jiān)視的陰極電壓或者等離子體室氣壓的改變表明了間隙110的改變。例如，陰極的改變可表現(xiàn)為陰極電壓和等離子體室氣壓的改變?？墒褂迷谧鳛榉答伒慕y(tǒng)計過程控制中獲取的等離子體室氣壓數(shù)據(jù)來對間隙110進(jìn)行控制。在等離子體源102工作期間，通過響應(yīng)來自上述至少一個傳感器116的輸入而移動可調(diào)節(jié)的陰極106，可以對陰極的改變進(jìn)行補(bǔ)償，以將間隙110保持在選定的距離處。通過對陰極106進(jìn)行的這種調(diào)節(jié)，可以消除或在很大程度上減少因陰極的改變導(dǎo)致的、由等離子體源104產(chǎn)生的等離子體的變化?？梢砸匀斯し绞交蛲ㄟ^控制器實時地進(jìn)行可調(diào)節(jié)陰極106的這種移動。
在某些實例中，可能希望隨時間而改變由等離子體源102產(chǎn)生的等離子體的特性。工作期間改變等離子體特性的情形的非限制性實例包括在單個基底上沉積多個層，或是對單個物件進(jìn)行多種等離子體處理。實時調(diào)節(jié)間隙110的能力允許以可控方式改變由等離子體源102產(chǎn)生的等離子體的特性，而不需要拆卸等離子體源102。
可通過連接到可移動的陰極106的氣壓裝置來實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的陰極106的移動。在一個實施例中，該氣壓裝置包括通過固定螺釘或螺桿-螺母傳動裝置連接到可調(diào)節(jié)的陰極106的后部的壓板(pressureplate)。取決于各種條件，通過施加或者釋放壓力給所述壓板，可以增加或者減小間隙110，或者，通過根據(jù)需要來應(yīng)用壓板，可以在等離子體源102工作期間，在可調(diào)節(jié)的陰極106發(fā)生腐蝕時，將間隙110保持在恒定值。在另一個實施例中，氣壓裝置可包括連接到可調(diào)節(jié)的陰極106的氣壓傳動裝置。取決于各種條件，該氣壓傳動裝置可通過相應(yīng)地移動可調(diào)節(jié)的陰極106而增加、減小間隙110，或是將其保持在選定值。
在另一個實施例中，等離子體源102還包括螺桿-螺母傳動裝置或蝸桿傳動裝置，用于移動可調(diào)節(jié)的陰極106而調(diào)節(jié)間隙110。在又一個實施例中，可調(diào)節(jié)的陰極106包括線，且通過將送線裝置連接到可調(diào)節(jié)的陰極106，可以實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的陰極106的移動，從而增大、減小間隙110，或?qū)⑵浔３衷谶x定值。
在一個實施例中，可以在與級聯(lián)板122垂直的方向上移動可調(diào)節(jié)的陰極106。此處，可調(diào)節(jié)的陰極106的縱軸與出口118同心。另外，可調(diào)節(jié)的陰極106可以在與級聯(lián)板122平行的方向上移動。
在一個實施例中，在等離子體源102工作期間，陰極106可移動，且陽極108固定。然而，在其他實施例中，可通過提供具有可移動的陽極108的第一等離子體源102來調(diào)節(jié)間隙110?？赏ㄟ^類似于前述的、用于移動可調(diào)節(jié)的陰極106的機(jī)構(gòu)來移動陽極108。第一等離子體源102也可以既包括可移動的陰極106又包括可移動的陽極108。
在裝置100包括多于一個的等離子體源的實施例中，第二等離子體源202包括與那些本文所述的第一等離子體源102的特征相應(yīng)的特征。例如，等離子體源202包括陰極206、陽極208、間隙210、至少一個等離子體氣體入口214、至少一個傳感器216、出口218和級聯(lián)板222。通過電源112或獨立的電源，提供了在陰極206和陽極208之間生成電弧所需的電壓。
在某些實例中，希望用等離子體均勻地處理物件160。由單個等離子體源(如ETP源)處理的區(qū)域的特性(如鍍膜厚度、蝕刻度或激活)通常在等離子體源的軸線周圍呈現(xiàn)具有高斯分布特性的輪廓。當(dāng)用多個等離子體源來處理物件160時，可通過設(shè)定各個等離子體源的位置來使得所得的高斯分布發(fā)生重疊而增強(qiáng)均勻性。這些分布的輪廓以及其寬度和高度部分地取決于用來處理基底的等離子體的特性。而各個等離子體的特性又取決于用來在各個等離子體源內(nèi)產(chǎn)生等離子體的各種條件，如陰極電壓、等離子體氣壓以及陰極與陽極之間距離(間隙110)。
在一個實施例中，相對于等離子體室204內(nèi)的各種條件和第二等離子體，第一等離子體室104內(nèi)的各種條件(從而由第一等離子體源102產(chǎn)生的第一等離子體)可以調(diào)節(jié)，反之亦然。例如，通過將第一等離子體源102和第二等離子體源202的等離子體氣壓、陰極電壓、以及間隙110、210中的至少其中之一設(shè)置為彼此相等，可以將第一等離子體源102和第二等離子體源202“調(diào)諧”，以便消除或最小化第一等離子體和第二等離子體之間的差異。然后，在工作期間，使用上述的任何一種裝置調(diào)節(jié)可移動的陰極106、206，便可通過響應(yīng)來自傳感器116、216的輸入而移動可調(diào)節(jié)的陰極106、206(或者，在某些實施例中為可調(diào)節(jié)的陽極108、208)來將間隙110和間隙210保持為相同的值。對在平面基底的較大表面上沉積具有至少一種選定特性的輪廓基本均勻的鍍膜而言，對第一等離子體源102和第二等離子體源202進(jìn)行這種調(diào)節(jié)是有利的。
相反的，可通過移動可調(diào)節(jié)的陰極106、206而提供尺寸不相等的間隙110、210來將第一等離子體源102和第二等離子體源202進(jìn)行“去調(diào)諧”，由此提供互不相同的第一等離子體和第二等離子體。例如，可能希望將用于處理非平面基底的等離子體去調(diào)諧。在這些情況下，第一等離子體源102的工作距離(即等離子體源與基底表面之間的距離)可不同于第二等離子體源202的工作距離。因此，在它們撞擊物件160的表面的點處，第一等離子體(由第一等離子體源102產(chǎn)生)的特性將不同于第二等離子體(由第二等離子體源202產(chǎn)生)的特性?？赏ㄟ^移動可調(diào)節(jié)的陰極106、206(或者在某些實施例中為可調(diào)節(jié)的陽極108、208)而提供尺寸不相等的間隙110、210來補(bǔ)償各個等離子體源的工作距離的不同，以產(chǎn)生在它們各自撞擊物件160的表面的點處具有基本相同的特性的第一和第二等離子體。
第一等離子體源102產(chǎn)生的等離子體的特性也取決于等離子體室104內(nèi)的等離子體氣體的氣壓和陰極106的電壓(或者電勢)。因此，通過調(diào)節(jié)等離子體室104內(nèi)的等離子體氣體的氣壓和陰極106的電壓中的至少其中之一也可以控制等離子體的特性?？赏ㄟ^至少一個傳感器116監(jiān)視等離子體氣體氣壓并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)等離子體氣體氣壓的一種方法是通過控制經(jīng)等離子體氣體入口114進(jìn)入等離子體室104的等離子體氣體流?？刂七M(jìn)入等離子體室104的等離子體氣體流的裝置包括但不限于針閥和質(zhì)量流控制器。類似地，可通過上述至少一個傳感器116監(jiān)視陰極電壓(或者電勢)，并通過調(diào)節(jié)電源112而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。應(yīng)當(dāng)理解，在這些具有第二等離子體源202的實施例中，通過響應(yīng)由上述至少一個傳感器216提供的輸入而調(diào)節(jié)等離子體室204內(nèi)的等離子體氣體的氣壓與陰極206的電壓中的至少其中之一，可以以類似的方式控制第二等離子體源202產(chǎn)生的等離子體的特性。
在一個實施例中，本發(fā)明允許相對于等離子體室204內(nèi)等離子體氣體的氣壓和陰極206的電壓而分別調(diào)節(jié)等離子體室104內(nèi)等離子體氣體的氣壓和陰極106的電壓中的至少其中之一。因此，可以相對于等離子體室204內(nèi)的條件以及由第二等離子體源202產(chǎn)生的第二等離子體而調(diào)節(jié)第一等離子體室104內(nèi)的條件以及由第一等離子體源102產(chǎn)生的第一等離子體，反之亦然。例如，可以對由第一等離子體源產(chǎn)生的第一等離子體進(jìn)行調(diào)諧，以消除或最小化第一等離子體與第二等離子體之間的差異，或者對其進(jìn)行“去調(diào)諧”，以使上述兩種等離子體互不相同。
可通過將第一等離子體源102和第二等離子體源202的等離子體氣壓和陰極電壓中的至少其中之一調(diào)節(jié)為彼此相等來實現(xiàn)第一等離子體和第二等離子體的調(diào)諧。相反地，可通過將第一等離子體源102和第二等離子體源202的等離子體氣壓和陰極電壓中的至少其中之一調(diào)節(jié)為互不相同而將第一等離子體和第二等離子體去調(diào)諧?？煞謩e通過至少一個傳感器116、216監(jiān)視等離子體室104、204內(nèi)的等離子體氣壓。使用上述的控制經(jīng)等離子體氣體入口114、214進(jìn)入各個等離子體室104、204中的等離子體氣體流的裝置，可響應(yīng)由上述至少一個傳感器116、216提供的輸入而調(diào)節(jié)等離子體室104、204內(nèi)的等離子體氣壓。類似地，可分別通過上述至少一個傳感器116、216監(jiān)視陰極106、206的陰極電壓，并通過調(diào)節(jié)電源112對這些電壓進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。
圖5中示出了通過多個等離子體源產(chǎn)生的等離子體的這種“調(diào)諧”和“去調(diào)諧”的實例。在其中，示出了作為基底上的側(cè)部位置(lateralposition)的函數(shù)的SixCy:H膜的輪廓，而該膜是通過將乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)注入由多個ETP源產(chǎn)生的等離子體中而沉積在基底上的。該膜的輪廓與用來沉積該膜的等離子體的一些特性(例如但不限于溫度、密度、截面積和反應(yīng)物濃度)對應(yīng)。圖5中的方形表示在兩個源被“去調(diào)諧”(即在不同的等離子體氣壓和陰極電壓下工作)時獲得的膜的輪廓。上述不同的等離子體產(chǎn)生了沉積物厚度變化較大的一種輪廓。圖5中的菱形表示當(dāng)兩個源的氣壓和電壓被調(diào)諧為相等時獲得的膜的輪廓。與使用被“去調(diào)諧”的等離子體源獲得的輪廓相比，此時所得的輪廓呈現(xiàn)出較小的變化。
本發(fā)明的另一個方面是提供一種表面上設(shè)有至少一層鍍膜的物件，其中，該至少一層鍍膜是通過本文所述的方法使用裝置100沉積生成的。該至少一層鍍膜是基本均勻的，并具有在整個物件表面上變化小于10％的選定特性。該至少一種鍍膜的上述選定特性可以是鍍膜厚度、耐磨度、紫外線輻射吸收率、紅外線輻射反射率、模量、硬度、透氧度、透水度、粘附力、表面能量、熱傳導(dǎo)率以及電導(dǎo)率中的其中之一。所述至少一種鍍膜可以包括耐磨鍍膜、紫外線過濾鍍膜、紅外線反射鍍膜、阻氧或者阻濕鍍膜、抗反射鍍膜、導(dǎo)電鍍膜、夾層、粘附層或其組合。所述鍍膜和沉積方法在CharlesDominic Iacovangelo等人的題為“金屬氧化物紫外線過濾器的粘附層(Adhesion Layer for Metal Oxide UV Filters)”的美國專利6,420,032、Barry Lee-Mean Yang等人的名稱為“多層物件與通過電弧等離子體沉積進(jìn)行制造的方法(Multilayer Article and Method of Making by ArcPlasma Deposition)”的美國專利6,426,125、Charles Dominic Iacovangelo的名稱為“紅外線反射鍍膜(Infrared Reflecting Coatings)”的美國專利6,261,694以及Steven Marc Gasworth等人的名稱為“具有改進(jìn)的阻止微裂紋特性的分層物件及其制造方法(Layered Article withImproved Microcrack Resistance and Method of Making)”的美國專利6,376,064中進(jìn)行了描述，此處通過引用將這些文獻(xiàn)的全部內(nèi)容包含于本文之中。
通過以下實例描述了本發(fā)明的優(yōu)點和顯著特征實例1使用膨脹熱等離子體(ETP)源的陣列在聚碳酸酯LEXAN的基底上沉積耐磨硅樹脂(SiOxCy)鍍膜。各ETP源包括本發(fā)明的可調(diào)節(jié)的陰極。通過將各個等離子體室內(nèi)的氣壓的調(diào)節(jié)為相等來將上述ETP等離子體源調(diào)諧。通過將氧氣(O2)和八甲基環(huán)四硅氧烷(D4)注入各個ETP中而形成上述鍍膜。所得的鍍膜具有約2微米的厚度。且通過1000轉(zhuǎn)Taber摩擦測試確定了該鍍膜的耐磨性。圖6中示出了各個Taber德爾塔霧度值與基底相對于各ETP源的位置之間的函數(shù)關(guān)系。在整個大面積基底上，該鍍膜呈現(xiàn)出霧度值的2％的均勻增加，且該增加的標(biāo)準(zhǔn)差為0.6％。
盡管為說明目的給出了典型實施例，但是不應(yīng)認(rèn)為之前的描述限制了本發(fā)明的范圍。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作出各種修改、變更和替換，而不至于背離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的裝置100，所述裝置100包括a)至少一個等離子體源102，所述至少一個等離子體源102包括在其中產(chǎn)生所述基本可控的等離子體的等離子體室104；設(shè)置在所述等離子體室104中的至少一個陰極106和一個陽極108，所述至少一個陰極106和所述陽極108由間隙110隔開，所述間隙110可調(diào)節(jié)；連接到所述陽極和所述至少一個陰極106的電源112，用于在所述陽極和所述至少一個陰極106兩端施加電壓；等離子體氣體入口，用于將等離子體氣體以等離子體氣體流速從等離子體氣體源引入所述等離子體室104；傳感器116，用于監(jiān)視所述等離子體室104內(nèi)的各種條件；以及b)通過出口118與所述等離子體室104存在流體聯(lián)系的第二室140，其中，所述第二室140的氣壓保持為第二氣壓，所述第二氣壓低于所述等離子體室104內(nèi)的第一氣壓，且其中所述基本可控的等離子體通過所述出口118從所述等離子體室104流入所述第二室140。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置100，其中，所述等離子體源102是膨脹熱等離子體源102。
3.一種用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的等離子體源102，所述等離子體源102包括a)在其中產(chǎn)生所述基本可控的等離子體的等離子體室104；b)設(shè)置在所述等離子體室104的第一末端的陽極108，所述第一末端具有出口118，所述基本可控的等離子體通過該出口離開所述等離子體室104；c)設(shè)置在所述等離子體室104中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106，其中，所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106可以移動，以在所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106之間形成間隙110；d)連接到所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106的電源112，用于在所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106兩端施加電壓；e)等離子體氣體入口，用于將等離子體氣體以等離子體氣體流速從等離子體氣體源引入所述等離子體室104；以及f)至少一個傳感器116，用于檢測并監(jiān)視所述等離子體室104內(nèi)的各種條件。
4.一種產(chǎn)生基本可控的膨脹熱等離子體的裝置100，所述裝置100包括a)至少一個膨脹熱等離子體源102，所述至少一個膨脹熱等離子體源102包括在其中產(chǎn)生所述基本可控的等離子體的等離子體室104；陽極108；設(shè)置在所述等離子體室104中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106，其中，所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106可以移動，以在所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106之間形成間隙110；連接到所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106的電源112，用于在所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106兩端施加電壓；等離子體氣體入口，用于將等離子體氣體以等離子體氣體流速從等離子氣體源引入所述等離子體室104；以及至少一個傳感器116，用于檢測并監(jiān)視所述等離子體室104內(nèi)的各種條件；以及b)通過出口118與所述等離子體室104存在流體聯(lián)系的第二室140，其中，所述第二室140保持為第二氣壓，所述第二氣壓低于所述等離子體室104內(nèi)的第一氣壓，且其中所述基本可控的等離子體通過所述出口118從所述等離子體室104流入所述第二室140。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的裝置100，其中，所述裝置100是使用所述基本可控的等離子體對物件160表面進(jìn)行等離子體處理的裝置100，且其中所述物件160設(shè)置在所述第二室140中，使得由所述至少一個膨脹熱等離子體源102產(chǎn)生的所述基本可控的等離子體通過所述出口離開所述等離子體室104并撞擊所述表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的裝置100，還包括設(shè)置在所述第二室140中的至少一個反應(yīng)氣體注入器，所述第二室靠近各個所述至少一個膨脹熱等離子體源102的所述出口118，其中，所述反應(yīng)氣體注入器將反應(yīng)氣體引入所述基本可控的等離子體，且其中所述反應(yīng)氣體與所述基本可控的等離子體發(fā)生反應(yīng)，以在所述物件160的表面上形成鍍膜。
7.一種用于產(chǎn)生基本可控的等離子體的方法，所述方法包括如下步驟a)提供至少一個等離子體源102，所述至少一個等離子體源102包括等離子體室104；陽極108；設(shè)置在所述等離子體室104中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106；連接到所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106的電源112；等離子體氣體入口；以及至少一個傳感器116；b)通過所述等離子體氣體入口將等離子體氣體提供給所述至少一個等離子體源102中的各等離子源的所述等離子體室104；c)在所述等離子體室104中產(chǎn)生等離子體；d)監(jiān)視所述等離子體室104內(nèi)的至少一個參數(shù)；以及e)控制所述等離子體，其中，根據(jù)對所述至少一個參數(shù)的監(jiān)視，通過調(diào)節(jié)所述等離子體室104內(nèi)的各種條件來控制所述等離子體。
8.一種用基本可控的膨脹熱等離子體對物件160進(jìn)行處理的方法，所述方法包括以下步驟a)提供至少一個膨脹熱等離子體源102，其中，所述至少一個膨脹熱等離子體源102包括等離子體室104；陽極108；設(shè)置在所述等離子體室中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106；連接到所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106的電源112；等離子體氣體入口；以及至少一個傳感器116；b)通過所述等離子體氣體入口將等離子體氣體提供給所述至少一個膨脹熱等離子體源102中的各等離子體源的所述等離子體室104；c)在所述等離子體室104中產(chǎn)生等離子體；d)監(jiān)視所述等離子體室104內(nèi)的至少一個參數(shù)；以及e)控制所述等離子體，其中，根據(jù)對所述至少一個參數(shù)的監(jiān)視，通過調(diào)節(jié)所述等離子體室104內(nèi)的各種條件來控制所述等離子體；f)通過使所述等離子體經(jīng)出口118膨脹進(jìn)入與所述等離子體室104存在流體聯(lián)系的第二室140而形成膨脹熱等離子體，其中，所述第二室140包含所述物件160并保持為第二氣壓，所述第二氣壓低于所述等離子體室104內(nèi)的第一氣壓；以及g)使所述膨脹熱等離子體撞擊所述物件160的表面，由此對所述物件160進(jìn)行處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，所述控制等離子體的步驟包括移動所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106和所述陽極108，以在所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106之間形成間隙110。
10.一種具有設(shè)置在其表面上的至少一層鍍膜的物件160，其中，所述至少一層鍍膜是基本均勻的，并具有某一選定特性，該特性在整個物件160的表面上呈現(xiàn)的變化小于約10％，通過如下步驟而將所述鍍膜沉積在所述表面上a)提供至少一個膨脹熱等離子體源102，其中所述至少一個膨脹熱等離子體源102包括等離子體室104；陽極108；設(shè)置在所述等離子體室中的至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106；連接到所述陽極108和所述至少一個可調(diào)節(jié)的陰極106的電源112；等離子體氣體入口；以及至少一個傳感器116；b)通過所述等離子體氣體入口將等離子氣體提供給所述至少一個膨脹熱等離子體源102中的各等離子體源的所述等離子體室104；c)在所述等離子體室104中產(chǎn)生等離子體；d)監(jiān)視所述等離子體室104內(nèi)的至少一個參數(shù)；e)控制所述等離子體，其中，根據(jù)對所述至少一個參數(shù)的監(jiān)視，通過調(diào)節(jié)所述等離子體室104內(nèi)的各種條件而控制所述等離子體；f)通過使所述等離子體經(jīng)出口11 8膨脹進(jìn)入與所述等離子體室104存在流體聯(lián)系的第二室140而形成膨脹熱等離子體，其中，所述第二室140包含所述物件160并保持為第二氣壓，所述第二氣壓低于所述等離子體室104內(nèi)的第一氣壓；g)將至少一種反應(yīng)氣體注入所述膨脹熱等離子體；以及h)在所述物件160的表面上沉積鍍膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種等離子體源(102)，其中，可以響應(yīng)等離子體室(104)內(nèi)的選定條件而將間隙(110)(即陰極與陽極之間距離)實時地調(diào)節(jié)為所希望的距離。至少一個傳感器(116)監(jiān)視并檢測等離子體室(104)內(nèi)的所述條件的任何變化。包括至少一個等離子體源(102)的裝置(100)產(chǎn)生至少一種穩(wěn)定的、并可實時調(diào)節(jié)的等離子體。在一個實施例中，裝置(100)包括多個等離子體源(102)，可以實時地將這些等離子體源(102)“調(diào)諧”，以產(chǎn)生互相類似的等離子體，或者相反地，可以將它們“去調(diào)諧”，以產(chǎn)生不相類似的等離子體。裝置(100)可用于等離子體處理(例如但不限于物件(160)的鍍膜、蝕刻和激活)。也公開了提供所述等離子體以及使用所述等離子體處理物件(160)的方法。
文檔編號H05H1/26GK1943002SQ200480042839
公開日2007年4月4日 申請日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者M·沙伊肯斯, C·D·伊亞科范格洛, J·N·約翰遜, W·A·莫里森 申請人:通用電氣公司