プラズマシステム

专利摘要:
プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）のためのシステムと技術であって、チューブ状の基材の選択された表面に所望の物質の薄い蒸着膜が処理され、プラズマシステムに使用される電極の１つは、大きなプラズマ反応装置を必要とせずに、基材又はワークピースによって適合される。
公开号:JP2011513593A
申请号:JP2010550032
申请日:2008-03-12
公开日:2011-04-28
发明作者:エンリケ；バイアナ リカルド
申请人:アリタス コーポレーション エス．エー．Ａｌｙｔｕｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｓ．Ａ．；
IPC主号:C23C16-509

专利说明:

[0001] 本発明は、プラズマの使用によって膜を蒸着する技術分野に関係し、特には、プラズマＣＶＤ（PECVD）の新しい技術とシステムに関する。本発明の簡易なシステムによって大きなプラズマ反応装置を用いなくても、チューブ状の基材の選択表面に、所望する物質の薄い膜が蒸着される。本発明のシステムでは、使用される電極の１つは、前記と同じ基材又はワークピースである。]
背景技術

[0002] プラズマＣＶＤ（PECVD）は、一般にプラズマと言われるイオン化されたガスを使用することに基づいた工程である。プラズマは、原子や分子の大半がイオン化している任意のガスである。プラズマは、通常のガスから区分される物質の状態であり、それは、独特の特性を有している。「イオン化」の用語は、１つ以上の自由電子の存在を意味し、それは１つの原子や分子に限定されない。自由電子の帯電は、プラズマを導電性にし、プラズマは電気、磁気、電界に強く反応する。]
[0003] 種々のタイプのプラズマは、ガスを加熱しイオン化し、原子から電子をとることによって形成され、その結果、プラスとマイナスに帯電したものを、更に容易に動けるようにすることができる。プラズマの特性により、ワークピースのような基材にガス状態（気相）から固体状態に薄膜を蒸着させるための工程、すなわちＰＥＣＶＤの工程が実施可能となる。プラズマの蒸着は、通常、間が反応ガスで満たされた２つの電極の間で、ＲＦ（ラジオ周波数）、ＡＣ（交流）周波数又はＤＣ（直流）の放電の下で行われる。基材は、これらの反応ガスに曝されて、蒸着は、基材の表面に化学的に付着した、又は合成した膜をもたらす。プラズマは、通常、プラズマが接触するいずれの対象物よりも活性であり、さもなければ、電子の大きな流れが、プラズマから対象物に流れる。プラズマと、プラズマが接触する対象物とを横切る電圧は、通常、薄い遷移領域（sheath region）を横切るところで低下する。シース領域の端に拡散したイオン化した原子又は分子は、静電気の力を受け、近接した表面に向けて加速される。従って、プラズマに曝された全ての表面は活発なイオンの照射を受ける。]
[0004] プラズマ反応装置のいくつかのタイプは、当該技術分野で周知であり、基本的に、拘束された二つの電極を備えた大きな密閉された真空槽を備える。電極は、密閉された真空槽の外部からのそれぞれの接続部を通じて反対側の帯電物とそれぞれ接続されている。反応装置は、二つの導電性の電極間で形成することができる直流（ＤＣ）放電によって操作されてもよく、また、その反応装置は、導電性の材料の蒸着に適している。また、電極と反応槽の導電性の壁との間、又は互いに向き合った二つの円筒状の導電性の電極の間に交流（ＡＣ）やラジオ周波数（ＲＦ）信号を供給することによって、容量性の放電（capacitive discharge）を励起することができる。反応装置の種類は、処理される対象となるワークピースの種類によって決まる。]
[0005] 槽は、プロセスガスと、電磁場、電場、又はＲＦ場（RF field）の下での化学反応のために必要な先行物質とを受けるためのいくつかの口（port）を有している。プラズマは真空槽の内側で発生し、基材は、プラズマに曝され、所望するフィルムカバーやライニング（lining）を形成する蒸着物である物質を受けるために、真空槽に配置される。真空槽が小さいか大きいかは、そこに入れられるワークピースによるが、通常は、全ての種類のワークピースに対して十分な容量を備えるように大きな槽になる。以前から、槽内のワークピースの全体はプラズマに曝され、蒸着は、ワークピースの曝された表面全体に行われる。]
[0006] ある種の大きさのワークピースが、使用できるプラズマ反応装置が無いために処理することができないことと、決められたワークピースのタイプのための特別な反応槽を設計し製造することが経済的にできないことは、しばしば懸案事項になっている。もう１つの懸案事項は、プラズマが真空槽の中のワークピースの全ての表面に膜の蒸着を行うが、蒸着が基材の表面のいくつかの部分だけに望まれる場合があることである。特殊な作業として、例えば、蒸着が、チューブ、パイプ、又は導管の内面のようなワークピースの選択された表面だけに望まれることがある。パイプが真空槽に入れられた場合には、蒸着がパイプの外表面には必要ないのに、そのパイプの全ての表面が蒸着膜によって覆われる。通常、パイプの内表面は処理が必要である。明確な例としては、いずれかの産業、特に石油分野における、使われたパイプのリサイクルや新しいパイプの保護である。関係するパイプの大きさを考慮すると、そのような用途に簡単に利用できるプラズマ槽はない。]
[0007] 上記のような状況において、大きなシステムと固定された設備を必要とせず、処理においてパイプの選択された部分だけに蒸着することができ、小さいサイズと大きいサイズのどちらの筒状のワークピースでも同じようにＰＥＣＶＤを行う新しい技術とシステムを持つことは、非常に都合が良い。]
発明が解決しようとする課題

[0008] それゆえ本発明の目的は、大きな部屋、及び／又は、選択的な蒸着を要求する基材やワークピースにプラズマ蒸着を行う簡易で、複雑でなく、経済的に都合の良い新しい装置、又はシステムを提供することである。]
[0009] 本発明の他の目的は、例えば石油分野の企業の分野で、パイプや導管の内面だけに、リサイクルや、及び／又は、それらの保護のために、ワークピースの選択された表面だけ蒸着をするような特殊な作業のための新しいシステムと技術を提供することである。]
[0010] 本発明の更なる目的は、大きな槽と据え付けられた設備を必要とせずに、少なくとも１つの開いた端を有する、例えば、パイプ、チューブ、導管、樽、ドラム、コンテナ、及びタンクのようなチューブ状のワークピースの表面を処理する新しいシステムと技術を提供することである。]
[0011] 本発明の更なる目的は、小さくて移動可能なシステムで、石油企業の例えば導管やパイプやケーシングのような大きなチューブを処理する新しいシステムと技術を提供することである。]
[0012] 本発明の更なる目的は、プラズマＣＶＤ（PECVD）の新しいシステムと技術を提供することであり、そのプラズマシステムでは、チューブ状の基材の選択された表面は、所望する物質の薄い膜を蒸着する処理が行われ、そのプラズマシステムに使われる真空槽と電極の１つは、大きなプラズマ反応装置を必要とせずに、基材又はワークピースに適合される。]
[0013] 本発明の更なる目的は、プラズマＣＶＤのためのプラズマシステムを提供することであり、そのシステムは、真空槽と、少なくとも２つの電極と、基材又はワークピースと、前記基材の少なくとも１つの所望される表面を蒸着するためにイオン化されるべき物質とを備え、前記基材は、２つの端を有するチューブ状のワークピースを備え、その２つの端の少なくとも１つは、脱着自在のエンドキャップによって閉じられる開口部であり、前記真空槽が前記ワークピースと前記キャップとによって区画され、前記ワークピースは１つの電極と、前記エンドキャップを通って前記ワークピース中に延びた他の１つの電極を規定し、また、前記基材の少なくとも１つの処理される表面は前記チューブ状のワークピースの内面によって規定される。]
[0014] 本発明の、上記や他の目的、特徴、効果は、添付の図面や発明の詳細な説明と関連付けて考えれば、よく理解できるであろう。]
図面の簡単な説明

[0015] 図１は、従来技術のプラズマシステムを説明する概略図である。
図２は、従来技術の大きなワークピースのためのプラズマ反応装置と真空槽の外観図である。
図３は、本発明の好ましい実施形態のプラズマシステムの概略図である。
図４は、図３のプラズマシステムの断面図である。
図５は、本発明の他の実施形態のプラズマシステムの断面図である。
図６は、図４の実施形態での、拡散ノズルを有したガス導管及び先行導管と、真空槽に向かって開いた吸引口を有した真空導管とを同様に更に詳しく見せる中央電極の断面図である。
図７は、図５の実施形態での、拡散ノズルを有したガス導管及び先行導管と、真空槽に向かって開いた吸引口を有した真空導管とを同様に更に詳しく見せる中央電極の断面図である。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７
実施例

[0016] これから、図を詳細に参照するが、最初に図１及び図２に示されたいくつかの従来のシステムを参照する。プラズマＣＶＤ（PECVD）として非常によく知られたプラズマシステムを図１に概略的に示す。そのシステムは、基本的に、プラズマ処理の対象となる基材又はワークピースを受けるための適当なコンテナ（container）や容器（recipient）によって区画される真空槽から成る。二つの電極は、槽内に配置され、電極は、槽内で、例えば、ガスバルブの制御の下で、槽に注入されたプロセスガスが反応するような場（field）の状態を形成する。真空は、前述した反応のための状態を成す工程を開始するために、ポンプの使用によって槽内に形成される。ワークピースが熱せられ、ガスが注入され、プラズマ領域を成すための場の状態が始まる。ワークピースは、処理される状態になる。既に槽内に入れられている基材又はワークピースのプラズマ処理を進めるために、槽はポンプを使って排気される。そして、１種以上のプロセスガスが槽に注入され、燃焼が場の適用によって始まる。容器の加熱が、図示していない周辺ヒータの使用によって行われる場合もある。決められた時間、プラズマは先行物質をワークピースの上に蒸着させ、設計された処理プログラムに従って時間が経過すると、槽は通気され、処理されたワークピースは取り除かれる。] 図１ 図２
[0017] 上記の基本構想は、基材の形、大きさ、及び他のパラメータに対応するいくつかのタイプのプラズマシステムの全ての種類に見られる。例えば、図１の容器は、大きな物質の形で処理中の基材やワークピースを含むように設計された回転ドラム（図示せず）を収納している。ドラムの回転によって、サンプルは、ドラム中に入れられ、同一の完成した蒸着した膜を受ける。他のタイプのシステムでは、槽内に入れられる電極は、基材の形に合わせて設計され、もう１つのタイプ（図示せず）でも、箔や織物が処理されるときは、槽は、巻く装置に配置された箔に面した平行な一組の電極を有し、それらは真空槽に入れられる。もう１つのタイプのシステムは、図２に示すように、大きな容器を作業者への入り口の戸に適合させ、また、大きな部屋をいくつかの基材即ちワークピースを並べる多くのトレイに適合させる。] 図１ 図２
[0018] これらの全てのケースにおいて、そのシステムは、ワークピースの形や大きさに対応する真空槽の形や大きさを決めるコンテナや容器を備える。このことは、図２に示すように、システムを格別に大きくし、また、システムに据え付けられた設備と建物が必要になる。例えば、石油企業向けのパイプ、ケーシング、ドラム、又はタンクのような基材を処理する場合、真空槽の容器は、大きくて長くなるため、利用できる場所やコストの面で不都合が生じると考えられる。] 図２
[0019] 本発明者は、そのような基材のために容易に使用できる真空槽を有さない石油企業や他の重工業の企業向けの、ケーシングパイプや、配管やチューブのような大きなワークピースを処理するプラズマシステムを必要としたときにこの問題に直面した。本発明者に取り組まれた他の問題は、すべての部分や表面の処理が必要でなく、選択された表面だけがプラズマによって処理されるように設計されているワークピースに、選択的に蒸着を行うことである。]
[0020] ところで、本発明と関係でいうと、提示する記述は、チューブ、導管、及びパイプのような円筒のチューブ状の基材やワークピースに関する発明のシステムの適用を特に参照するが、発明を教示することにより、このシステムが他のいずれかのワークピースの形状に順応し、少なくともワークピースの部分が少なくとも真空槽の壁の部分とシステムの電極の１つを規定することは、この技術分野のいずれの熟練者にも直ちに明白である。]
[0021] 図３乃至７に示すように、本発明は、プラズマＣＶＤ（PECVD）の新しいプラズマシステムを備えており、そのプラズマシステムは、好ましくは、チューブ状のワークピース等のような基材又はワークピースを処理するのに用いられる。チューブ状のワークピースは、パイプ、チューブ、導管、タンク、ボイラー、ドラム、及びコンテナ等である。円筒体や回転体が好ましいが、チューブ状のワークピースは、四角い断面や、多角形の断面や、楕円の断面等の、いずれかの使いやすい断面を有してもよく、そのワークピースは、Ｓ字状（goosenecks）やＬ字状（elbows）等に湾曲したものを含む。従来のいずれかのプラズマシステムのように、新しいシステムは、基本的に、真空槽と、少なくとも二つの電極と、処理される基材即ちワークピースと、基材の少なくとも１つの所望される表面を蒸着するためにイオン化される物質を備える。] 図３
[0022] 本発明によると、新しいシステムでは、基材は、２つの端を有するチューブ状のワークピースを備え、その２つの端の少なくとも１つは、脱着自在のエンドキャップによって閉じられる開口部であり、真空槽がワークピースとキャップとによって区画され、ワークピースは１つの電極と、エンドキャップを通ってワークピース中に延びた他の１つの電極を規定し、また、基材の少なくとも１つの処理される表面はチューブ状のワークピースの内面によって規定される。]
[0023] 更に詳しくは、図３に示すように、発明のシステムは、チューブ状のワークピース２と少なくとも２つの電極とを備えた基材又はワークピース２によって少なくとも部分的に区画され、又は閉じられた真空槽１を備える。その真空槽１では、１つの電極は、周辺の電極を形成する基材即ちワークピース２によって規定され、他の電極は、中央の電極、好ましくは中央のチューブ状の電極３によって規定される。基材又はチューブ状のワークピース２は、図４の実施形態に示すように、開いた２つの端、即ち端４と端５、又は、図５の実施形態に示すように、部分的又は全体的に閉じた１つの端を備えている。
パイプは、たいてい、開いた両方の端を有し、例えば、ドラムは１つの閉じた端を有する] 図３ 図４ 図５
[0024] 図４の実施形態を参照すると、両方の端４，５は、それぞれ脱着自在なエンドキャップ６，７に結合され、槽１内が適切に閉じられてその中が真空に保たれ、また、物理的科学的反応を安全に収容される。従って、本発明の重要な特徴によれば、真空槽は、基材とキャップによって、区画される。キャップ６．７は、導電性が無く、また、例えば１０００℃のような高温に耐えることができる任意の適切な材料でできている。キャップ６，７は、端４，５に、例えば、ネジ接合や、摩擦による接合等の任意の方法によって取り付けられ、また、開口部８，９を備えており、中央電極は、開口部を通じてそれぞれの端を真空槽の外部に出している。明確な目的のために、図４の実施形態の中央電極は、符号３ａで示され、図５の実施形態の中央電極は、符号３ｂで示されており、そして、このことは、電極３を参照するときに、電極３ａ、及び／又は電極３ｂのどちらか適切な方を参照することを意味する。Ｏリング１０，１１のようなシーリング手段は、開口部８，９と中央電極３の間に配置される。キャップと基材の組立品は、ギアとベルト等のような伝達機構１３とモータ１２により、ボールベアリング１４，１５等のような対応するベアリング（corresponding bearing）によって支持されて回転する（図５，６）。] 図４ 図５
[0025] また、本発明によると、チューブ状の電極構造を有する中央電極は、真空槽と流通する複数の導管を有しており、これによりチューブ状の基材の内面１６だけに所望される蒸着を発生させるのに必要な反応を得るためのプロセスガスや先行物質を真空槽の中に供給することができる。これが、本発明システムによって成される選択的な蒸着である。プロセスガスは、ボトルやタンクのようなガス源１７から、真空槽へのガスの供給を管理する流量管理装置１９を有した外部導管１８を経由して供給される。同様に、先行物質は、先行物質源２０から、真空槽への供給を管理する流量管理装置２２を同様に有した外部導管２１を経由して供給される。図３，４の実施形態によると、吸引ポンプ２４に?がれた外部導管２３は、槽１の中を真空にするために使われる。図３に示すように、圧力計２５は、少なくとも１つのキャップに備えられ、電源（field source）２６は、電極３、２に?がれ、高周波場（high frequency field）、マイクロ波場（micro waves field）、パルスエネルギー場（pulsing energy field）、ＲＦ場（RF field）、ＣＣ場（CC field）、ＡＣ場（AC field）等を供給する。工程に加熱が必要なら、複数のヒータ２７を、２つだけしか図示していないが、この技術分野で知られているように備えてもよい。] 図３
[0026] チューブ電極の複数の導管は、プロセスガスをガス源１７から外部導管１８を経由して真空槽に導くための少なくとも１つのガス導管２８と、先行物質を先行物質源２０から外部導管２１を経由して真空槽に導くための少なくとも１つの先行導管２９と、ポンプ２４によって外部導管２３を経由して真空槽を真空にする少なくとも１つの真空導管３０を具備している。図３，４及び５のいずれにおいても、通常、それらの導管は、好ましくは、チューブ電極内に同心円状に配列される。導管２８，２９は、真空槽の方に開いており、プロセスガスと先行物質をそれぞれ供給する拡散ノズル３１，３２をそれぞれ有しており、図６，７の拡散ノズルから出る方向の矢印で示されるように供給する。真空導管についても、同様に、真空槽の方に開いており、槽を真空にする少なくとも１つの吸引口３３を有しており、図６，７の吸引口に入る方向の矢印で示されるように吸引する。チューブ電極は、それらの端がワークピースの外部に配置され、その電極に入るいくつかの導管と、ガス源、物質源、及びポンプとが接続される。] 図３ 図６
[0027] 本発明の他の実施形態によると、図５，７に示されるように、チューブ状の基材は、符号３４で示される１つの閉じられた端を有してもよい。この実施形態では、中央電極３ｂが端部３４を横切って真空槽の外部に出ない限り、ただ１つのキャップ６が用いられる。この工程とシステムは、真空導管２３，３０と真空口３３がプロセスガスと先行ガスの導管と一緒に左側に配置されていることを除いて、図３，４の実施形態と同様である。どちらの実施形態においても、一定で持続したガスの供給が保証され、十分な真空が得られるように、中央電極３は設計されている。] 図３ 図５
[0028] また、本発明によれば、プロセスガスは、アルゴン、水素、窒素、ヘリウム、メタン、酸素、及びそれらの混合物であり、先行物質は、イオン化される任意のガスであり、好ましくは、ジクロキサシリン、シランと酸化物（silane and oxide）、アンモニア、窒素、チタン酸塩、クロム酸塩、アルミン酸塩、及びそれらの混合物である。ワークピース又は基材２は、金属、ガラス、プラスチック、セラミック、カーボンファイバー、及びそれらの混成物である。ワークピースの形と種類は、パイプ、チューブ、導管、バレル、ドラム、球状の容器等、及びそれらの組立物であり、Ｓ字状やＬ字状等に湾曲したものを含む。]
[0029] 本発明の好ましい実施形態について図示して説明したが、特許請求の範囲で規定した本発明の範囲から離れることなく、さまざまな変更や改良を施してもよいことは、当業者に自明である。]
[0030] １真空槽
２基材、ワークピース、電極
３，３ａ，３ｂ 電極、中央電極
４，５ 端
６，７エンドキャップ
８，９ 開口部
２８ガス導管
２９先行導管
３０真空導管
３１，３２拡散ノズル
３３吸引口]

权利要求:

請求項1
プラズマＣＶＤのためのプラズマシステムであって、真空槽と、少なくとも２つの電極と、基材と、前記基材の少なくとも１つの所望される表面を蒸着するためにイオン化されるべき物質とを備え、前記基材は、２つの端を有するチューブ状のワークピースを備え、その２つの端の少なくとも１つは、脱着自在のエンドキャップによって閉じられる開口部であり、前記真空槽が前記ワークピースと前記キャップとによって区画され、前記ワークピースは、１つの電極と、前記エンドキャップを通って前記ワークピース中に延びた他の１つの電極とを規定し、また、前記基材の少なくとも１つの所望される表面は前記チューブ状のワークピースの内面によって規定されることを特徴とするプラズマシステム。
請求項2
前記少なくとも２つの電極は、前記チューブ状のワークピースによって形成される周辺電極と、前記他の１つの電極によって形成される中央電極とを備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマシステム。
請求項3
前記中央電極は、前記真空槽と流通する複数の導管を具備するチューブ電極を備えることを特徴とする請求項２に記載のプラズマシステム。
請求項4
前記チューブ電極の複数の導管は、プロセスガスを前記真空槽に導く少なくとも１つのガス導管と、先行物質を前記真空槽に導く少なくとも１つの先行導管と、前記真空槽を真空にする少なくとも１つの真空導管とを備えていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマシステム。
請求項5
前記ガス導管、先行導管、及び真空導管は、前記チューブ電極内に同心円状に配置されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマシステム。
請求項6
前記ガス導管と先行導管とは、それぞれ前記真空槽内への拡散ノズルを備え、前記真空導管は前記真空槽に連通する少なくとも１つの吸引口を備えることを特徴とする請求項４に記載のプラズマシステム。
請求項7
前記チューブ電極は、前記ワークピースの外部に位置する少なくとも１つの外端部を備え、前記外端部は前記ガス導管の少なくとも１つのガス接続口と、前記先行導管の少なくとも１つの先行接続口と、前記真空導管の少なくとも１つの真空接続口とを具備しており、前記少なくとも１つのガス接続口はプロセスガス源に接続され、前記少なくとも１つの先行接続口は先行物質源に接続され、前記少なくとも１つの真空接続口は真空ポンプに接続されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマシステム。
請求項8
前記プロセスガスは、アルゴン、水素、窒素、ヘリウム、メタン、酸素、及びそれらの混合物から成る群から選ばれることを特徴とする請求項７に記載のプラズマシステム。
請求項9
前記先行ガスは、ジクロキサシリン、シランと酸化物、アンモニア、窒素、チタン酸塩、クロム酸塩、アルミン酸塩、及びそれらの混合物から成る群から選ばれることを特徴とする請求項７に記載のプラズマシステム。
請求項10
前記基材は、金属、ガラス、プラスチック、セラミック、カーボンファイバー、及びそれらの混成物から成る群から選ばれることを特徴とする請求項７に記載のプラズマシステム。
請求項11
前記ワークピースは、チューブ、導管、バレル、ドラム、球状のコンテナ、及びそれらの組立物から成る群から選ばれることを特徴とする請求項２に記載のプラズマシステム。
請求項12
前記チューブ状のワークピースによって形成される前記周辺電極は、２つの開口部を備えたチューブであり、少なくとも１つの脱着自在なエンドキャップは、各開いた端を閉じる脱着自在な１つのエンドキャップを具備し、前記中央電極は、前記エンドキャップによって前記真空槽を閉じて電気的に分離するように、前記エンドキャップの中を通って前記チューブの中央に沿って長手方向に延び、前記中央電極は、前記真空槽の外部に位置する２つの端を有することを特徴とする請求項４に記載のプラズマシステム。