高纵横比的空心制品内部的化学气相沉积制造技术

本发明专利技术公开一种用于对空心管状高纵横比工件内部区域进行等离子体强化化学气相沉积的方法和设备。多个阳极被轴向地定距相隔地排列安置于工件的内部区域。生成气体被引入此区域。将各独立的直流或脉冲直流偏压施加于每个阳极。偏压激发生产气体成为等离子体。工件以空心阴极排列被施以偏压。控制内部区域的压力以维持等离子体。狭长支承管安置着阳极，以及接受生产气体管道。电流分配器以各选定的比例分配供应电流至每个阳极。一个或多个凹槽扩散器或腔体扩散器可扩散生产气体或等离子体调节气。等离子体的阻抗与分布可用各种方式加以控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
总体上，本专利技术涉及镀覆工艺，特别是应用于空心制品内表面的化学气相沉积(CVD)技术。研究背景 用于真空室中工件外表面镀覆的等离子体强化化学气相沉积(PECVD)方法是众所周知的。而在对空心工件(例如管道)的内表面镀覆时，PECVD技术的使用不太常见，但在Boardman等人的美国专利No. 7, 300, 684中描述了高沉积速率的PECVD技术。Boardman等人的方法是使用工件本身作为一个真空室，将供气端与一个开口连接，真空泵与另一个开口连接，采用电压偏置系统，其中的负端与管道相连，还原阳极置于管道两端附近，但与管道隔离。供气端提供烃前驱体，电压偏置系统用于产生高密度空心阴极等离子体并吸引烃离子至管道内表面，从而在管道内表面上形成类金刚石的碳(DLC)镀层。或者，可用非烃前驱体生成镀层而非DLC镀层。此处使用的术语“空心阴极效应”是一个现象，例如在一个具有轴向阳极的管状几何体中，其中至少两个阴极表面是面对面放置的，阴极表面和阳极之间存在着空间，并且与传统的等离子体辉光相比，当前偏置与压力参数达到大幅增长。在管道中，此种阴极表面可以是同轴内壁的表面。当前的增长源自于反向空间电荷层间的快速(热的，加速了的)电子的“振荡运动”，其增强了等离子体的激发和电离率，比传统的辉光放电高出几个数量级。2004年10月25-29日在法国Nice举办的第12届国际等离子体物理学会议上，H. S. Maciel等人发表的题为“使用质谱和静电探针技术对空心阴极放电的研究”的报道中给出了以下的对空心阴极效应的定义和描述。空心阴极放电可以产生密集的等离子体，并已用于高速、低压、高效处理机的开发研究。空心阴极放电的几何特征促进了阴极内部的热电子的振荡，从而加强了内壁的电离、离子轰击和其他后续过程。同时，空心阴极显示的等离子体密度比传统的平面电极的等离子体密度高出一到两个数量级。“众所周知，阴极间距离(d)与压力(P)的乘积(Pd)是一个描述HC放电行为的重要参数。通常，电子-原子非弹性碰撞率随着阴极间距离的降低而增加，其对等离子体密度和电子温度有着很大的影响。气压对放电性能的影响是可以预期到的，这是因为碰撞特性参数会随着压力的增加而增加，从而趋于提高空心阴极效应，使得优化降低阴极间的距离(Pd)成为可能。”Boardman等人的专利中描述的体系，针对预期的目标运作得很好。但是，对于相对较长以及纵横比较高的通道，存在着维持轴向长度上的等离子体均匀性的潜在难题。如本说明书所使用的，管道或其他工件内的通道的“纵横比”定义为信道长度与信道横截面尺寸(通常为直径)之比。传统的方法中，管道或者其他管状工件可能被安置在一个尺寸设计好的腔体中进行外镀覆，此腔体整体压力的变化很小。然而，当将工件的内部作为腔体时，腔体的尺寸受限于工件的固有内部尺寸。对于纵横比很高的工件，利用空心阴极效应时，工件内部通道的中心区域存在着微弱的等离子体，而在通道的两端存在着强烈的等离子体。一种可能的解释是，留在工件中心(作为阴极偏置)的电子遇到了高阻抗，留在工件两端的电子遇到了低阻抗。因此，电流被分流到工件的两端。在Tudhope等人的美国专利No. 2006/0196419中描述了一个可能的解决方案，该专利被转让给本专利技术的受让人。如此文献中所述，工件的内表面可以逐层镀覆，将一对阳极彼此间保持一段距离置于工件的内部，沿着工件的长度方向系统地移动，而不是将阳极与工件相对的两端相连接。这样，当工件的纵横比不可控制时，拟镀覆的区域的纵横比是可控的。美国专利出版物No. 2006/0198965描述了另一种与Boardman等人的专利相关的方法。为了使工件内表面上的镀层更均匀，气流是系统逆转的而非在一个方向上连续流动。然而此专利出版物没有给出对空心阴极效应使用的描述，在申请号No. 2030180A(Sheward)的英国专利中描述了另一种有趣的方法。在Sheward描述的一个实施方案中，正偏阳极沿着拟作内部镀覆的管道内通道的长度方向延伸。在另一个实施方案中，采用具有一系列用于释放相应气体的孔洞的阳极代替实心的阳极。沿着高纵横比通道的轴向放置阳极丝，值得关注的是，这个做法虽然可以维持等 离子体，但是容易失去空心阴极效应并且会引起沉积速率的下降。此外，由于沿着长工件的等离子体的阻抗会因为许多因素而发生变化，包括压力差、气体组成、电极间距和偶发的对阳极丝的镀覆，从而导致等离子体强度的进一步降低和/或由于等离子体集中于一个或多个阳极的高电导区域而引发的“热点”的产生。在Wei等人的美国专利No. 7，351，480中描述了具有镀层载体内表面的管状结构。美国专利公开公报No. 2008/0292806A1描述了用于对空心基质镀覆的等离子体浸没离子工艺。高纵横比通道镀覆的进一步改善一直受到关注。专利技术概述本专利技术揭示利用多个阳极的等离子体强化化学气相沉积(PECVD)的方法、系统和设备。使用PECVD方法，对空心工件的狭长内部区域进行表面沉积镀覆。多个阳极沿着狭长工件的内部区域以纵向地定距相隔地排列的方式插入其中。用做成特定尺寸的支承器使这些阳极沿着工件内部区域分布。此支承器可具有与工件内部区域匹配的狭长支承管，将阳极沿着内部支承管排列。在工件的内部区域引入生产气体。支承器具有生产气体管道，它连接性地将生产气体输送至工件的内部区域。用于定位阳极的支承管可操作性地接纳输送生产气体的生产气体管道。将各自单独的直流或脉冲直流偏压施加于每个阳极。此偏压激发生产气体成为等离子体，用于工件内表面的镀覆。工件作为阴极被施加偏压。电偏压电路向每个阳极提供了单独的直流或脉冲直流偏压。电偏压电路可使用电流分配器，连接成使每个阳极以各选定的占总电流的比例获得直流或脉冲直流电流。控制工件内的压力以维持等离子体。等离子体可达到空心阴极效应。腔体扩散器可用于将生产气体扩散入工件内部。可使用凹槽扩散器将等离子体的调节气体引入并扩散至工件内部。此外，可利用各种手段控制等离子体的阻抗与分布。化学气相沉积内镀覆的设备具有一个空心管状基质，此基质具有高于或等于约30:1的高纵横比，以及类金刚石的或掺杂的类金刚石的镀层。此类金刚石的或掺杂的类金刚石的镀层的厚度非常均匀，大于约20微米；其硬度也非常均匀，高于大约9个吉帕斯卡(GPa)。附图的简要说明图I为依照本专利技术的一个实施方案使用具有多个阳极的支承器的用于工件内部区域等离子体强化化学气相沉积的系统的示意图。图2为图I中设备的偏压布置示意图。图3为适用于图I中设备的阳极示意图。图4为适用于图I中设备的差模变换器的电路图。 图5为适用于图I中设备和使用图4差模变换器于图3所示阳极的电流分配器的电路图。图6为作为差模变换器应用于10个图3所示阳极的电流分配器的电路图。图7为适用于图I中设备的一个阳极和分配器网络的框图。图8为适用于图I中设备或图7中分配器网络的可变输出分配器网络的电路图。图9为图I中设备的一种变化的透视图，显示了插入工件狭长内部的阳极支承管或矛状器具。附图说明图10为适用于图9中设备的凹槽扩散器的透视图。图11为适用于图9中设备的气体腔体扩散器的透视图。图12为图I中设备的一种变化，用于促进等离子体均匀性的基于区域的冷却分布示意图。图13为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.18 US 61/288,172;2009.12.18 US 61/288,193;1.一种高纵横比空心管状工件内部区域等离子体强化化学气相沉积(CVD)方法，包括 沿着纵横比高于或等于约30:1的高纵横比空心管状工件的狭长内部区域的纵轴设置轴向地定距相隔地排列的多个阳极； 将CVD生产气体引入工件的内部区域； 将各自单独的直流或脉冲直流偏压施加于多个阳极的每一个，以激发生产气体成为等离子体；以及 控制工件内部区域中的生产气体压力，以维持等离子体。2.如权利要求I所述的方法，其中所述的维持等离子体包括维持等离子体中的空心阴极效应。3.权利要求I所述的方法，进一步包括为多个阳极提供狭长支承管，将多个阳极以定距相隔地排列的方式设置于狭长的支承管内部，所述支承管做成特定尺寸以保持于工件的狭长内部区域之内。4.如权利要求I所述的方法，其中所述的引入生产气体至工件的内部区域包括通过一个或多个气体扩散器输送生产气体。5.如权利要求I所述的方法，其中所述的工件内部区域水平地定向，生产气体主要被引入工件内部区域的下半部分。6.如权利要求I所述的方法，进一步包括在多个阳极的至少一个附近引入阳极气体。7.如权利要求I所述的方法，进一步包括引入等离子体调节气至工件内部区域。8.如权利要求7所述的方法，其中所述的生产气体被引入第一区域，等离子体调节气被引入第二区域，第一和第二区域处于工件的内部区域，并相对于纵轴彼此相对。9.如权利要求7所述的方法，其中所述的工件内部区域水平地定向，等离子体调节气主要被引入工件内部区域的上半部分。10.如权利要求7所述的方法，其中所述的等离子体调节气主要被引入工件内部区域的长度中间区域。11.如权利要求I所述的方法，其中所述的CVD生产气体包括类金刚石镀层或掺杂类金刚石镀层的成分。12.如权利要求I所述的方法，其中所述的CVD生产气体包括类金刚石镀层的成分，所述类金刚石镀层具有掺杂物，所述掺杂物包含硅或锗。13.如权利要求I所述的方法，进一步包括供应电流以及以各选定的比例分配供应电流至多个阳极的每一个。14.如权利要求I所述的方法，其中所述的阳极与空心管状工件内径间的间距的比介于约20:1和约1:1。15.一个用于化学气相沉积至空心管状工件狭长内部区域的设备，包括 做成特定尺寸以沿空心导电工件狭长内部区域分布的轴向地定距相隔地排列的多个阳极； 连接成向所述多个阳极的每一个提供独立的直流电流或脉冲直流电流偏压的电偏压电路；以及 可连接成在工件内部区域的压力下输送生产气体至工件内部区域的供气管道，所述压力受控制以获得等离子体。16.如权利要求15所述的设备，其中所述的等离子体包括具有空心阴极效应的至少一部分。17.如权利要求15所述的设备，进一步包括包含多个阳极并做成特定尺寸以适应工件狭长内部区域的狭长支承管。18.如权利要求17所述的设备，其中所述的狭长支承管具有至少一个阳极槽口以及至少一个电子出入孔。19.如权利要求15所述的设备，进一步包括至少一个用于扩散来自气体供应管道的生产气体的气体扩散器。20.如权利要求19所述的设备，其中所述的至少一个气体扩散...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·尤帕德雅亚，K·布安那帕利，W·J·伯德曼，M·马莫迪，T·B·卡瑟利，P·J·哈扎瑞卡，D·多安，
申请(专利权)人：分之一技术公司，
类型：发明
国别省市：