CN101971288B - 等离子体*** - Google Patents

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Abstract

用于等离子体增强化学沉积(PECVD)的***和技术，其中，可能处理管状基板的选择表面，以沉积期望物质的薄膜，其中，在等离子体***中使用的电极之一适应基板或工件，不需要庞大的等离子体反应器。

Description

等离子体***
技术领域
本发明涉及使用等离子体的薄膜沉积的领域，并且更具体地，涉及用于等离子体增强化学沉积(PECVD)的新技术和***，其中，可能处理管状基板(substrate，衬底)的选择表面，以用简单直接的创造性***沉积期望物质的薄膜，其中，在该等离子体***中使用的电极之一适应相同的基板或工件，不需要庞大的等离子体反应器。
背景技术
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是基于通常叫做等离子体的电离气体的使用的过程。等离子体是电离很大比例的原子或分子的任何气体。等离子体是与普通气体截然不同的物质的状态，并且其具有独特的特性。术语“电离的”指的是一个或多个自由电子的存在，它们不被束缚至原子或分子。自由电荷使得等离子体导电，从而，其对电场、磁场和电磁场产生强烈的反应。
通过加热和电离气体，从原子中剥去电子，由此使得正负电荷能够更自由地移动，可形成不同类型的等离子体。等离子体的特性允许一人执行处理(即，PECVD)，以将薄膜从气态(气相)到固态而沉积在某基板(例如，工件)上。通常在两个电极之间的RF(射频)、AC(交流电)频率或DC(直流电)放电下，执行等离子体沉积，其中电极之间的位置由反应气体填充。将基板暴露于这些反应气体，并且沉积导致薄膜化学地粘附至，或整合至基板的表面。等离子体通常比任何与其接触的物体更带正电，否则，大通量的电子将从等离子体流至物体。等离子体和与其接触的物体上的电压，通常在薄鞘区域上下降。扩散至鞘区域的边缘的电离原子或分子感受到静电力，并朝着相邻表面加速。因此，所有暴露于等离子体的表面均接收到高能离子轰击。
在本领域中已知几种类型的等离子体反应器，并且所有这些都基本上包括具有两个安装于其中的电极的庞大封闭真空室。电极通过自封闭真空室外部的相应连接而分别连接至相反电荷。反应器可能由在两个导电电极之间产生的直流电(DC)放电来操作，并且可能适于导电材料的沉积。还可能通过在电极与反应器室的导电壁之间，或在两个彼此面向的圆柱形导电电极之间施加交流电(AC)或射频(RF)信号，来激励电容性放电。反应器的类型将取决于受到处理的部件的类型。
该室具有几个端口，以在电磁场、电场或RF场下接收化学反应所必需的工艺气体和前体物质。在真空室内产生等离子体，并且基板位于真空室中，以暴露于等离子体，并用于接收作为沉积物的物质以形成期望的薄膜覆盖物或涂层。真空室可能小或大，这取决于将***其中的部件，但是通常包含庞大的室，以具有足够容纳所有类型的部件的容量。总是将室内的整个部件暴露于等离子体，并且将在工件的所有暴露表面中完成沉积。
经常关心的是，不能处理某些庞大的部件，因为未发现可用的等离子体反应器，并且为确定类型的工件设计并制造特殊的反应器在经济上可能并不可行。另一关心的是，等离子体导致进入真空室中的工件的所有表面上进行薄膜沉积，但是，在一些情况下，仅对于基板的一些部分或表面来说，期望沉积。对于特殊的工作，可能仅在部件的选择表面中，期望沉积，例如，管子(tube)、导管(pipe)或管道(conduit)的内表面。如果将导管引入真空室中，那么其所有表面将被沉积薄膜覆盖，然而，在管子的外表面可能不需要沉积。通常，需要处理导管的内表面。一个清楚的实例是，在任何工业(尤其是在油田)中，使用过的导管的再利用或新导管的保护。考虑所包含的导管的大小，对于其维修，无法轻松地获得等离子体室。
在以上情况下，具有用于在不管是小尺寸还是大尺寸的管状部件中执行PECVD并且用于仅在所处理的部件的选择部分中获得沉积的新技术和***，将是非常方便的，不需要庞大***和固定设备。
发明内容
因此，本发明的一个目的是，提供一种简单、直接且经济上适宜的新设备或***，用于可能需要大房间和/或选择性沉积的基板和工件中的等离子体沉积。
本发明的另一目的是，提供一种用于工业领域(例如，油田)中的特殊工作的新***和技术，例如，当仅对部件的选择表面(例如，仅对导管或管道的内表面)进行沉积时，用于其再利用和/或保护。
本发明的另一目的是，提供一种用于处理具有至少一个开放端的管状部件(例如，导管、管子件(tubing)、管道、桶、鼓(drum，滚筒)、容器、罐等)的期望表面的新***和技术，不需要庞大的室和固定设备。
本发明的另一目的是，提供一种用于石油工业中的大型管子件(例如，管道、导管和套管)的处理的新***和技术，其中，该***小且便携。
本发明的另一目的是，提供一种用于等离子体增强化学沉积(PECVD)的***和技术，其中，可能处理管状基板的选择表面，以沉积期望物质的薄膜，其中，在等离子体***中使用的真空室和电极之一适应基板或工件，不需要庞大等离子体反应器。
本发明的另一目的是，提供一种用于等离子体增强化学气相沉积的等离子体***，该***包括：
真空室，
至少两个电极，
基板或工件，以及
待电离的物质，用于沉积在基板的至少一个期望表面上，
其中，基板包括具有两端的管状工件，两端中的至少一端是开放端，该开放端由可去除端帽以由工件和端帽限定真空室的方式封闭，并且其中，工件限定一个电极，而另一个电极延伸穿过端帽并进入工件中，并且基板的至少一个期望表面由管状工件的内表面限定。
当结合附图和描述时，将更好地理解本发明的以上和其他目的、特征和优点。
附图说明
通过下列附图中的实例示出本发明，在附图中：
图1示出了根据现有技术的等离子体***的示意图；
图2示出了也根据现有技术的用于大型工件的等离子体反应器和真空室的透视图；
图3示出了根据本发明的一个优选实施方式的等离子体***的示意图；
图4示出了图3的等离子体***的横截面图；
图5示出了根据本发明的另一实施方式的等离子体***的横截面图；
图6示出了根据图4的实施方式的中心电极的横截面图，更详细地示出了具有其扩散喷嘴的气体管道和前体管道以及具有通向真空室的抽吸端口的真空管道；以及
图7示出了根据图5的实施方式的中心电极的横截面图，更详细地示出了具有其扩散喷嘴的气体管道和前体管道以及具有通向真空室的抽吸端口的真空管道。
具体实施方式
现在详细地参照附图，将首先参考如图1和图2所示的一些现有技术***。图1中示意性地示出了用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的非常公知的等离子体***。该***基本上由真空室组成，该真空室由适当的容器或接收器限定，用于接收将受到等离子体处理的基板或工件。两个电极位于该室中，其中，例如，电极产生用于使在气体阀的控制下注入室中的工艺气体产生反应的场条件。用泵在室中形成真空，以启动处理，以实现用于上述反应的条件。加热工件，注入气体，并起动实现等离子体区域的场条件。现在工件处于待处理条件下。为了对已经位于室中的基板或工件进行等离子体处理，用泵抽空该室。然后，将工艺气体或多种气体注入室中，并且通过场的应用来开始点火。有时，用未示出的***加热器完成对接收器的加热。对于确定的时间周期，等离子体将使前体物质沉积在工件上，并且当时间根据设计的处理程序而流逝时，该室被排放(vented)，并取出所处理的工件。
基本上在所有类型的等离子体***中发现以上方案，这些等离子体***可以是取决于基板的形状、尺寸和其他参数的几种类型。例如，图1的接收器可能容纳被设计为包含处理庞大材料形式的基板或部件的旋转鼓(未示出)。通过鼓的旋转，样本移动至鼓中，以接收均匀且完整的薄膜沉积。在其他类型的***中，可能将进入室中的电极设计为适应于基板的形状，并且，甚至在另一种类型中(未示出)，当必须处理箔或网时，该室可能包括一对面向布置在缠绕机构中的箔的平行电极，全部进入真空室中。另一种类型的***可能适合大型接收器，如图2所示，具有封闭人员入口的门，以及一个大房间，在房间中具有多个托盘，以布置几个基板或工件。
在所有这些情况下，***包括限定真空室的容器或接收器，其形状和尺寸将取决于工件的形状和尺寸。这可能导致***显著地庞大，如图2所示，并需要固定设备和建筑物。例如，如果必须处理如同用于石油工业的导管、套管、鼓或罐的基板，那么用于真空室的接收器应该大且长，这将意味着可用房间和成本的不便之处。
当需要用于处理大型部件(例如，用于石油工业和其他重工业的套管、导管件和管子件)的等离子体***时，发明人面临这个问题，对于这些基板无法轻易地获得真空室。发明人提出的另一问题是，在部件中选择性地完成沉积，其中，并非需要处理其所有部件或表面，而仅将选择表面设计为由等离子体处理。
现在，结合本发明，虽然本发明将具体参考创造性***对圆柱形管状基板或部件(例如，管子、管道和导管)的应用，但是，对于本领域的任何专家来说将容易显而易见的是，该***可能适合于工件的任何其他形状，其中，通过本发明的教导，部件的至少一部分限定了真空室的壁的至少一部分和***的电极中的一个。
如图3至图7所示，本发明提供一种用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的新型等离子体***，优选地用于处理诸如管状部件等的基板或工件。管状部件可能包括导管、管子件、管道、罐、锅炉、鼓、容器等。虽然圆柱形或旋转本体是优选的，但是管状部件可能具有任何适宜的截面，例如，方形截面、多边形截面、椭圆形截面，包括鹅颈管和肘管等。与任何传统的等离子体***相似，新***基本上包括真空室、至少两个电极、待处理的基板或工件，以及待电离的用于沉积在基板的至少一个期望表面上的物质。
根据本发明，在新***中，基板包括一个具有两端的管状工件，两端中的至少一端是开放端，该开放端以由工件和端帽限定真空室的方式由可去除的端帽封闭，并且其中，工件限定电极中的一个，而电极中另一个延伸穿过端帽并进入工件中，并且基板的至少一个期望表面由管状工件的内表面限定。
更具体地，如图3所示，该创造性***包括：至少部分地由包括管状部件2的基板或工件限定或包围的真空室1，和至少两个电极，其中，一个电极由基板或工件2限定，形成***电极，而另一电极由中心电极限定，优选地是中心管状电极3。基板或管状工件2具有两端，即端4和端5，两端均开放，如图4的实施方式中所示，或者一端部分地或完全地封闭，如图5的实施方式中所示。一个导管的两端将可能均开放，同时例如，鼓的一端封闭。
现在将参照图4的实施方式，其中，两端4、5将连接至相应的可去除的端帽6、7，以使室1保持适当地封闭，以在其中保持真空并安全地包含物理-化学反应。因此，根据本发明的一个重要方面，由基板和帽限定真空室。帽6、7可能由任何适当的材料制成，该材料不导电，且能够抵抗诸如1000℃的高温。可通过任何方式(例如，螺纹连接、摩擦连接等)将帽6、7固定至端4、5，并且它们将设置有孔8、9，其中，中心电极可穿过孔，以使其相应的端在真空室的外部。为了清楚的目的，将用参考标号3a表示图4的实施方式的中心电极，并将用3b表示图5的实施方式的中心电极，并且当参考电极3时，这将意味着，参考可适用于电极3a和/或3b。也可在孔8、9与中心电极3之间布置密封装置，例如O形环10、11。通过使用电机12与传动装置13(例如，齿轮、皮带等)，可旋转帽和基板的组件，该组件由对应的轴承支撑，例如，滚珠轴承14、15等(图5、图6)。
而且，根据本发明，包括管状电极结构的中心电极具有多个管道，这些管道与真空室流体连通，以将工艺气体和前体物质供应入真空室中，从而获得必需的反应，以仅在管状基板的内表面16上产生期望的沉积。这是由创造性***实现的选择性沉积。工艺气体可由气体源17(例如瓶子或罐)经由外部管道18提供，该外部管道具有用于管理进入真空室的气体供应的流量控制装置19。以类似的方式，前体物质可由前体物质源20经由外部管道21提供，该外部管道也具有用于管理进入真空室的供应的流量控制装置22。根据图3、图4的实施方式，使用连接至抽吸泵24的外部管道23，以在室1中产生真空。如图3所示，可能在至少一个帽中设置压力计25，并且，场源26将连接至电极3和2，以提供高频场、微波场、脉冲能量场、RF场、CC场、AC场等。如果加热对于处理来说是必须的，那么，如本领域已知的，也可能提供多个加热器27，仅示出其中两个。
管状电极的多个管道包括：至少一个气体管道28，用于引导工艺气体经由外部管道18从气体源17进入真空室中；至少一个前体管道29，用于引导前体物质经由外部管道21从源20进入真空室中；和至少一个真空管道30，用于通过泵24经由外部管道23在真空室中产生真空。通常，在图3、图4和图5的实施方式中，优选地将这些管道同心地布置在管状电极中。管道28、29具有相应的通向真空室的扩散喷嘴31、32，以如图6、图7中的离开喷嘴的箭头所示，分别提供工艺气体和前体物质。关于真空管道，同样设置有至少一个也通向真空室中的抽吸端口33，以如图6、图7中的进入端口33的箭头所示，抽空该室。管状电极的各端位于工件的外部，以在进入电极中的几个管道之间提供与气体源、物质源和泵的连接。
根据本发明的另一实施方式，如图5和图7所示，管状基板的一端可能封闭，如参考标号34所示。在此实施方式中，仅使用一个帽6，只要中心电极3b不穿过端34而离开真空室。该处理和***与图3、图4的实施方式类似，除了将真空管道23、30和真空端口33与用于工艺气体和前体气体的管道一起布置在左手侧以外。在两个实施方式中，这样设计中心电极3，使得保证均匀连续的气体供应，并达到足够的真空值。
而且，根据本发明，工艺气体可能包括氩气、氢气、氮气、氦气、甲烷、氧气，及其混合物，并且前体物质可能是任何能够被电离的气体，但优选地是，二氯甲硅烷、硅烷和氧化物、氨气、氮气、钛酸盐、铬酸盐、铝酸盐，及其混合物。工件或基板2可能包括任何材料，例如，金属、玻璃、塑料、陶瓷、碳纤维，及其混合物。部件的形状和类型可能是导管、管子、管道、桶、鼓、球形容器等，及其组合，包括鹅颈管和肘管。
虽然已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域的技术人员来说将显而易见的是，在不背离如所附权利要求中限定的本发明范围的前提下，可能在其中进行各种改变和修改。

Claims (8)

1.一种用于等离子体增强化学气相沉积的等离子体***，所述***包括：
真空室，
至少两个电极，
基板，以及
待电离的物质，用于沉积在所述基板的至少一个期望表面上，
其中，所述基板包括具有两端的管状工件，所述两端中的至少一端是开放端，所述开放端由可去除端帽以由所述工件和所述帽限定所述真空室的方式封闭，并且其中，所述工件限定所述电极中的一个电极，所述电极中的另一个电极延伸穿过所述端帽并进入所述工件中，并且所述基板的至少一个期望表面由所述管状工件的内表面限定，其中，所述至少两个电极包括由所述管状工件形成的***电极和由所述另一个电极形成的中心电极，
其中，所述中心电极包括具有与所述真空室流体连通的多个管道的管状电极，
其中，所述管状电极的多个管道包括至少一个用于引导工艺气体进入所述真空室中的气体管道、至少一个用于引导前体物质进入所述真空室中的前体管道、以及至少一个用于在所述真空室中产生真空的真空管道，
其特征在于，每个所述气体管道和所述前体管道均设置有进入所述真空室中的多个扩散喷嘴，并且所述真空管道设置有至少一个通向所述真空室中的抽吸端口。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述气体管道、所述前体管道和所述真空管道同心地布置在所述管状电极中。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述管状电极具有至少一个位于所述工件外部的外端，并且所述外端包括所述气体管道的至少一个气体连接端口、所述气体管道的至少一个前体连接端口和所述真空管道的至少一个真空连接端口，所述至少一个气体连接端口连接至工艺气体源，所述至少一个前体连接端口连接至前体物质源，并且所述至少一个真空连接端口连接至真空泵。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述工艺气体选自由氩气、氢气、氮气、氦气、甲烷、氧气、及其混合物组成的组中。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述前体物质选自由二氯甲硅烷、硅烷和氧化物、氨气、氮气、钛酸盐、铬酸盐、铝酸盐、及其混合物组成的组中。
6.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述基板选自由金属、玻璃、塑料、陶瓷、碳纤维、及其混合物组成的组中。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述工件选自由管子、管道、桶、鼓、球形容器、及其组合组成的组中。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，由所述管状工件形成的所述***电极是具有两个开放端的管子，并且所述至少一个可去除端帽包括封闭每个开放端的一个可去除端帽，并且所述中心电极沿着所述管子的中心纵向地延伸，所述中心电极以保持所述真空室封闭且保持与所述帽电绝缘的方式穿过所述端帽，所述中心电极具有位于所述真空室外部的两端。
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