涂布设备和方法技术

本发明专利技术涉及提供可用于将材料溅射沉积在至少一个物品上并在物品上 形成涂层的设备和方法。这里描述的新型磁控管可以在较高的功率下实现 溅射沉积速率的增大且不引起涂层的破坏。这可通过在磁控管中改善冷却 并使用相对高的磁场，同时通过使电流的增大速率快于电压的增大速率以 增大磁控管的功率来实现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于涂层涂布的设备， 一般通过从设置作为各个磁控管的 一部分的一个或一系列靶溅射材料而进行涂布。本专利技术还涉及提供耐腐蚀，因而可保护物品的改进的涂层，否则所述 物品在其正常环境条件下易于腐蚀。使用位于磁控管的靶的材料的溅射将材料涂布在物品上以形成涂层是 众所周知的。可使用多种不同形式的设备，其中一种称为封闭场非平衡磁 控管阵列，其中磁控管以间隔的阵列设置于保持真空状态的涂布室中。待 涂布的物品选择性地置于涂布室中，并可移动以使物品暴露于从靶溅射的 材料。靶的选择性活化和/或气体的选择性引入涂布室可调节特定形式的层 和层的形成，从而以所需的方式形成涂层。磁控管溅射设备已知的问题是与其他涂层形成装置相比，沉积速率相 对较慢。因此，这往往意味着涂布的涂层的质量具有一定标准，使其对于 成本相对较高的物品有吸引力，而使用磁控管溅射方法和设备涂布低成本 物品在商业上并不总是实际的。因此，这意味着物品可通过其他具有较高 的沉积速率的沉积方法涂布，但涂层质量通常较差。此类物品中的一种是 燃料电池的板材， 一般用于汽车或其他车辆动力系统。燃料电池板用于腐 蚀性液体中因此需要防腐。通常通过用惰性金属(比如贵金属，如金或铂) 涂布燃料电池板而实现防腐。这些材料昂贵。在该特定用途中，涂布的涂 层能导电也很重要，在很多其他的用途中，希望能够提供导电的防腐涂层。本专利技术的一个目的在于提供设备，其可以以增大的沉积速率进行材料 的溅射沉积以形成涂层，并同时至少保持通过常规的溅射沉积得到的涂层 质量。第二目的在于为物品提供可替代的导电耐腐蚀涂层，还在于提供具 有改进的摩擦学性能的涂层。在本专利技术的第一方面，提供了磁控管，其用于从与磁控管结合安装的至少一个材料的耙溅射沉积材料，所述磁控管包括磁体阵列(其包含一系列 相间隔的磁体)、用于引入和流通冷却液的装置、和电源，其中当增大供电 水平时，至少存在电流的增大速率大于电压水平的增大速率的阶段。 在一个实施方案中，在所述阶段期间电压水平基本恒定。 一般地，所述阶段在磁控管开始工作的初始阶段产生，在所述初始阶 段期间，电压和电流水平都增大。 一般地，在所述初始阶段期间，电流和 电压以相似速率增大。在一个实施方案中，磁控管包括位于或接近于磁控管的第一端(extremity)的进口和位于或接近于磁控管的另一端(在一个实施例中为相对 的端)的出口 ，使得通过磁控管的液体基本上通过磁控管的耙背面的全部区 域。优选地，所述进口和出口设置为使得液体通过靶的全部背面，从而改 善在所有耙和磁体阵列上的冷却效果。优选地，所述出口和进口与安装在磁控管周围的磁体成直线，进一步， 在所述磁体的背面。该位置确保了流过通道的液体在耙的背面的整个部分 延伸。因此，这防止了通道中经常发生的气泡的聚积，尤其是当出口不和 磁体成直线，而位于外部磁体阵列的内侧的通道的一部分时经常发生这种 情况。因此，本专利技术将防止当磁控管纵向取向时在其顶部经常产生的气泡。在一个实施方案中，所述液体以湍流流过磁控管。在一个实施方案中，所述磁体阵列位于靶的背面，且液体通过磁体阵 列和靶背面之间流过的沟道的深度小于5 mm，且优选在2-3 mm范围内。在一个实施方案中，用于磁体阵列的磁体为耐腐蚀材料，比如钐钴磁体。一般地，因为磁体由耐腐蚀材料制成，其可暴露于冷却液，因此磁体 的正面间隔地和靶的背面接触或接近于接触。在一个实施方案中，磁体正面和靶背面之间的间隙在l-2mm范围内。 在一个实施方案中，供给磁控管的电源可增大至大于在常规磁控管中 可能的水平，并仍可以获得可以接受的，或在某些情况下改进的涂层品质。 通常，如果供应磁控管的电源提高至高于一定的水平，涂层的质量快速劣 化。据发现，使用根据本专利技术的磁控管或多个磁控管，可以使功率增大而电压增大量相对较小，从而可保持涂层质量，并在某些情况下提高，同时 增大涂层的涂布(以沉积速率计)，从而增大物品的产量。在一个实施方案中，磁控管以同轴(in-line)涂布系统的形式安装在设备 中， 一般地，相对的沉积磁控管对沿着纵轴设置，磁控管对中的各个磁控 管彼此相对地溅射材料，待涂布物品从其间通过，从而使材料同时涂布在 物品的两侧。在一个实施方案中，相对的磁控管具有相反的极性以形成封闭的场设置。在一个实施方案中，使用根据本专利技术的磁控管涂布的涂层是导电防腐 涂层。在一个实施方案中，所述涂层是碳涂层，其中碳碳键主要是sp2形 式。在本专利技术的另一方面，提供了磁控管，所述磁控管具有形成其正面的 至少一部分的材料耙、在靶的后面和/或侧面的支架、以及形成磁体阵列的 一系列磁体，所述磁体阵列包括一系列设置于靶周围的磁体和至少一个基 本位于靶中心的磁体，其中所述第一和第二磁体中间设置至少一个非磁性 材料的制品，所述材料位于耙的背面，形成沟道的至少一部分，冷却液沿 着该沟道流通。在一个实施方案中，所述非磁性材料是塑料或铝。在一个实施方案中，所使用的所述非磁性材料制品中嵌入或围绕磁性 材料制品，所述磁性材料制品用于影响磁控管的耙的材料的溅射沉积。为了提高磁控管的靶的材料的沉积速率，增大施加在磁控管上的功率， 并通过磁控管经改善的冷却实现冷却效果，该冷却效果要求防止磁控管因 所述功率增大而引起的过热。重新设计冷却通道以确保湍流(比常规的层流 更有效)，且液体入口和出口的位置在磁控管的各个端部，从而不存在 死区，改进了冷却效果。通过改进冷却，相对于通常可能的情况，可施加在磁控管上的功率可 大大增大，且已发现，对于增大功率的唯一阻碍是获得足够大的电源的可 行性。这和常规的磁控管不同，常规的磁控管具有下列特征如果电流和电压以大致相同的速率增大，则存在如果磁控管中的石墨碳材料的靶上的电压超过临界值(比如-550V)，则出现下列问题在石墨表面形成电弧，且产生可以沉积在物品上的碳固体颗粒，因此形成缺陷且所述颗粒可随后从涂 层上掉落，形成不利于防腐涂层的小孔。可实现且有用的功率增大可根据从磁控管的靶涂布的特定涂层材料来 确定。例如，如果待涂布的涂层是石墨涂层，则在磁控管中的碳靶和铜背 板之间的连接断裂时可引起对本专利技术磁控管上使用的功率的限制。如果所 述连接改进以防止这种情况，则所使用的功率可进一步增大。但对于其他靶材料，可能不具有限制，功率可更进一步增大，例如增大常规电源的6 倍。这可能造成其他实际问题，比如磁控管使用的密封装置的过热。根据本专利技术的另一方面，提供了具有磁体阵列的磁控管，其中磁体的 设置增大了施加在磁控管上的功率，使得电流增大而电压几乎保持恒定。按此方式发现，由于电压的增大最小化，所以避免了形成电弧和涂层 质量低的问题，同时可以增大功率从而沉积速率增大。一般地，所述磁控管可接受并在常规功率水平至少3倍的增大的功率 下工作。所实现的冷却的改进使得可以对磁控管使用较高的功率。接近于耙的 背面使用强SmCo磁体在靶的正面产生非常大的磁场强度。这些大磁场影 响磁控管的电压-电流特性，使得当施加的功率增大时，获得大的电流增大 和相对小的电压增大，这对于涂层(比如此处描述的导电防腐涂层)的涂布是 非常理想的特性。通常，对于这种涂层，高于约550V的电压如前所述引起 形成电弧和碳颗粒沉积，因此根据本专利技术在较高的沉积速率下实现的涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁控管，其用于从与磁控管结合安装的至少一个材料的靶溅射沉积材料，所述磁控管包括包含一系列相间隔的磁体的磁体阵列、用于引入和流通冷却液的装置、和电源，其中当增大供电水平时，至少存在电流的增大速率大于电压水平的增大速率的阶段。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.7.13 GB 0613877.0;2007.4.23 GB 0707801.71.磁控管，其用于从与磁控管结合安装的至少一个材料的靶溅射沉积材料，所述磁控管包括包含一系列相间隔的磁体的磁体阵列、用于引入和流通冷却液的装置、和电源，其中当增大供电水平时，至少存在电流的增大速率大于电压水平的增大速率的阶段。2. 权利要求l的磁控管，其中在所述阶段期间，电压水平基本恒定。3. 权利要求1的磁控管，其中所述阶段在磁控管运行初期的初始阶段 之后发生，在所述初始阶段期间，电压水平和电流水平都增大。4. 权利要求1的磁控管，其中所述磁控管包括位于或接近于磁控管的 第一端或边缘的进口，和位于或接近于磁控管的另一边缘或端的出口，以 使冷却液基本上通过磁控管的耙背面的全部区域。5. 权利要求4的磁控管，其中所述进口和出口的定位使得液体穿过所 述磁体阵列中的所有磁体。6. 权利要求5的磁控管，其中所述出口和进口与安装在磁控管周围的 磁体成直线。7. 权利要求5的磁控管，其中所述出口和进口位于所述磁体的背面。8. 权利要求l的磁控管，其中所述液体以湍流流过磁控管。9. 权利要求1的磁控管，其中所述磁体阵列位于所述耙的背面，且冷 却液在磁体阵列和靶背面之间流过的沟道的深度小于5 mm。10. 杈利要求1的磁控管，其中用于所述磁体阵列的磁体为耐腐蚀材料。11. 权利要求15的磁控管，其中所述磁控管和其他磁控管一起安装在 室中的封闭场结构中。12. 权利要求1的磁控管，其中所述磁控管包括碳靶和溅射材料，由所 述碳靶和溅射材料形成碳涂层，所述碳涂层中碳碳键主要为sp2形式。13. 磁控管，所述磁控管具有形成其正面的至少一部分的材料耙、在耙 的后面和/或侧面的支架、以及形成磁体阵列的一系列磁体，所述磁体阵列 包括一系列设置于耙周围的磁体和至少一个基本位于靶中心的磁体，其中 在所述磁体中间设置至少一个非磁性材料的制品，所述材料位于靶的背面， 并形成沟道的至少一部分，冷却液沿着该沟道流通以冷却磁控管。14. 权利要求13的磁控管，其中所述非磁性材料是塑料或铝。'15. 权利要求1的磁控管，其中磁体阵列与电源水平结合，可实现和使 用电子束沉积技术得到的材料沉积速率相等。16. 磁控管，其具有和其相联的材料靶，且需要由所述靶沉积材料，其 中磁控管的靶长为380mm，宽为175mm，当提供Cu耙时，可在30kW以 下的功率下运行，而不对磁控管造成破坏，以使得基底的涂层上没有使用 对涂层的SEM检验可检测到的液滴型缺陷。17. 权利要求16的磁控管，其中设置于磁控管中的冷却液是水，且其 温度为35摄氏度。18. 权利要求16的磁控管，其中当功率为28kW时，待涂布基底固定 在距离靶150 mm的4 rpm的旋转载体上，靶的沉积速率为30微米每小时。19. 权利要求16的磁控管，其中所述磁控管可选择性地用铝、钛或石 墨材料靶操作。20. 权利要求16的磁控...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·梯尔，A·格鲁帕，
申请(专利权)人：梯尔镀层有限公司，
类型：发明
国别省市：GB