CN100466154C - 以等离子体支持工艺处理带形材料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及以一种等离子体-支持工艺处理带形材料的装置，其具有一个真空腔(1)，其中真空腔(1)具有保持真空腔处于一个恒定的、减小后的压强的机构并且在真空腔内设置用于支撑和传输带形材料(4)的一个旋转的滚筒(3)，所述装置还具有面对着被滚筒(3)支撑和传输的材料(4)的一个电磁管-机构和一个气体输入机构，其中气体输入机构用于把一种过程气体或者一种过程气体混合物输入滚筒(3)和电磁管-机构之间的空腔(10)中，在这个空腔(10)中保持等离子体。电磁管-机构具有多个相互独立的电磁管-电极(6)，其具有矩形的、相邻并且相互平行设置的电磁管-前面。每个电磁管-电极(6)单独地由一个交变电压电源(7)供电。滚筒(3)接地，不连接一个限定的参考电压(浮动的)，或者连接一个负偏压。本装置特别适合于通过等离子体-支持的气相化学淀积把一种柔软的带形材料(4)涂层，例如以二氧化硅把塑料薄膜涂层来改善防护特性。利用本装置涂层，其可靠性高并且质量非常恒定，而且需要少量可易于实施的保养。

Description

以等离子体支持工艺处理带形材料的装置
技术领域
本发明涉及一种以一种等离子体-支持气相化学淀积工艺处理带形材料的装置，该装置具有一个真空腔并且在真空腔内设置用于支撑和传输带形材料的一个机构，所述装置还具有一个电磁管-机构和一个提供气体混合物的气体输入机构，其中真空腔具有保持真空腔处于一个恒定的、减小后的压力的机构，其中电磁管-机构面对着被支撑和传输机构支撑和传输的带形材料并且其中气体输入机构用于把气体输入在支撑和传输机构和电磁管-机构之间的空腔中。所述装置用于以等离子体-支持工艺处理一种带形材料的一个上表面，特别是借助于等离子体-支持的气相化学淀积来把柔软的、带形材料涂层，例如以二氧化硅把带形塑料薄膜涂层来改善薄膜材料的防护性能。
背景技术
所述形式的装置例如在出版物EP-0605534(或者US-5224441.BOC)中有所说明。这种装置具有一个通电的、旋转滚筒形的电极和一个接地的防护盖，其具有约为半个空心圆柱的形状并且其与滚筒共同形成了一个空腔，该空腔的宽度在1厘米和30厘米之间。在防护盖的背对滚筒的一个侧面上设置了多个永久磁铁使得它们的磁极磁性交替地对准滚筒。为了把一种过程气体或者过程气体混合物输入到滚筒和防护盖之间的空腔内，该装置具有一个气体输入导管，该导管本身在防护盖的中间平行于滚筒轴线延伸。滚筒、具有磁铁的防护盖和气体输入导管设置在真空腔内，其中真空腔具有这样的机构，其用于从真空腔中排出过程气体并且保持真空腔内处于恒定的、减少后的压力下。
带形的柔软材料通过滚筒和防护盖之间的空腔来输送，即滚筒支撑和传输材料，也就是材料贴靠在滚筒的部分圆周表面上。等离子体在这个空腔内的保持通过以一种高频交变电压的形式给滚筒供给电能和给等离子体供给一种过程气体混合物来实现。在所述的出版物中说明的等离子体-支持工艺是把二氧化硅气相化学淀积到一种塑料薄膜上，为此使用了一种由有机硅-化合物、氧气和一种惰性气体构成的过程气体混合物。
另外一种用于以一种等离子体-支持工艺处理带形的柔软材料的装置在出版物US-4968918中有所说明(Kondo等人)。本装置具有多个固定的天线电极(Antennenelektrode)，其径向从一个中间的能量输入机构延伸设置在一个基本圆柱形的真空腔内。在每两个相邻的天线电极之间分别设置一个接地的反向电极。气体输入导管轴向例如沿着接地电极的外边缘延伸。带形的柔软材料以一个之字形路径(Zick-Zack-Weg)穿过天线电极和接地电极之间，其中该材料或者靠在天线电极上或者靠在反向电极上。借助于本装置实施的工艺是一种使用氧气作为过程气体的蚀刻工艺、一种等离子体聚合工艺、一种化学气相淀积工艺或者类似工艺。
发明内容
本发明的任务是提供一种借助于等离子体-支持工艺处理一种带形材料的装置，其中该装置应该比已知的实施相同工艺的装置更有效率并且更加可靠。此外，本装置结构简单、易于操作并且易于保养。
本任务通过一种以一种等离子体-支持气相化学淀积工艺处理带形材料的装置，其具有一个真空腔并且在真空腔内设置一个用于支撑和传输带形材料的旋转的滚筒，所述装置还具有一个电磁管-机构和一个提供气体混合物的气体输入机构，其中真空腔具有保持真空腔处于一个恒定的、减小后的压力的机构，其中电磁管-机构面对着被所述旋转的滚筒支撑和传输的带形材料并且其中气体输入机构用于把气体输入在所述旋转的滚筒和电磁管-机构之间的空腔中，其特征在于，电磁管-机构具有多个具有矩形电磁管-前面的独立电磁管-电极，其中每个电磁管-电极通过一个自己的交变电压电源来供电并且其中电磁管-前面与所述旋转的滚筒的圆周表面间隔距离、相互相邻并且以它们的长平行于所述旋转的滚筒的轴线，并且所述电磁管-前面的宽基本上与滚筒相切，所述旋转的滚筒接地、不连接限定的参考电压或者连接一个负偏压。
按照本发明的装置在真空腔内具有一个旋转的滚筒(或者类似的机构)，其用于支撑和传输部分靠在该滚筒的圆周表面上的带形材料并且应该用于两个电极的一个功能，即在这两个电极之间产生等离子体。此外，本装置在真空腔内具有多个用于一种电磁管-功能的其它电极，也就是说电极具有产生一个适于保持等离子体的交变电场的机构以及产生磁场的机构，该磁场适于带电粒子、特别是电子至少部分地在等离子体中被捕获。电磁管-电极与滚筒一同形成一个空腔，该空腔在滚筒的部分圆周表面上延伸并且穿过该空腔把带形材料传输到滚筒上表面上。
等离子体-电极具有矩形的电磁管-前面，该前面对准滚筒并且与滚筒的圆周表面间隔距离，其中它的长平行于滚筒轴线并且它的宽基本上与滚筒相切。电磁管-电极相互靠近地设置并且与滚筒的圆周表面共同形成了上述空腔，该空腔具有基本上为部分空心圆柱的形状。每个电磁管-电极与一个自己的电源相连。滚筒-电极接地，没有连接一个限定的参考电压(浮动的)，或者连接一个负偏压。
气体输入导管或者在相邻的电磁管-前面之间或者在电磁管-前面内平行于滚筒轴线延伸。此外，真空腔具有把气体从空腔中排出并且保持空腔内处于一个恒定的、减小后的压力下的机构。
按照本发明的装置不限于使用一个旋转的滚筒来支撑和传输带形的材料。滚筒的作用(支撑和传输带形材料和作为电磁管-电极的反向电极)可以例如通过一个循环的传送带来实现，其在这种情况下与一个直线排电磁管-前面对置。
试验表明，在一种带形材料上进行等离子体-支持的气相化学淀积在使用按照本发明的装置时比使用已知的装置更有效率并且更加可靠。利用按照本发明的装置产生的涂层也具有更少的质量波动。这显然归因于，借助于相互独立和相互靠近设置的等离子体-电极产生的等离子体比类似的、只是在相应大面积的两个电极之间产生的等离子体具有更均匀的特性。例如在按照上述出版物EP-0605534的装置中清楚的看到，等离子体-强度从带形材料进入等离子腔的区域到其离开的区域逐渐增大。相应的试验表明，在带形材料穿过等离子体区域时涂层具有很大的强度等级，其中在第一个三分之一路径中淀积涂层的10％，在中间的三分之一路径中淀积涂层的20％并且在最后三分之一路径中淀积涂层的70％，淀积路径在出口处中止。与此相反，由多个单独供电的电磁管-电极产生的等离子体沿着带形材料的整个路径保持相同的强度并且沿整个路径保持基本相同的淀积速度。
试验也表明，在使用按照本发明的具有多个单独供电的电磁管-电极(这些电极面对待涂层的上表面)的装置的情况下，等离子体-支持的气相化学淀积比在按照EP-0605534的装置的接地防护盖上的涂层带来明显更少的电磁管-电极的涂层。这不仅意味着在带形材料上高效率的淀积，还意味着按照本发明的装置需要较少的维护，例如清洁电极，也就是说可以实现长时间的无中断运行和/或需要更少的保养时间。为此，当每个电磁管-电极单独具有较小的重量并且在轴向延伸的导轨上可以移动地安装，使得所述电极易于从它面对滚筒的位置取出并且可以再次定位时，清洁和保养工作非常简单。
还可以的是，当一个或者甚至多个电磁管-电极损坏时，当为了实现相同的处理时间，滚筒的转速相应地减少时，按照本发明的装置工作质量不变。
附图说明
按照本发明装置的示例实施形式借助于附图示出。附图为:
图1是按照本发明的装置的一个示例实施方式垂直于滚筒轴线的示意截面图，
图2和图3是按照本发明装置里电磁管-电极布置的两种示例实施方式，
图4和图5是在按照本发明装置里可使用的电磁管-电极的一个示例实施方式的前面和一个垂直于前面的截面图，
图6和7是在按照本发明装置里可使用的电磁管-电极的另外两个示例实施方式的前面，
具体实施方式
图1以非常示意的方式示出按照本发明装置的重要组件。这些重要的组件是:具有用于把气体从真空腔排出和保持真空腔1处于一种恒定的、减小了的压力下的机构2的真空腔；一个设置在真空腔中的旋转的滚筒3，其用于支撑和传输带形的待处理材料；两个用于供给待处理的材料和用于接收材料4的滚子5，其中滚子优选地设置在真空腔中；多个面对滚筒3的圆周表面的电磁管-电极6，其中每个电极连接一个合适的电源7(连接电源的相位)；还有气体输入导管8，其基本上平行于滚筒轴线并且例如与提供过程气体或者过程气体混合物的共同的气体供给机构9相连。
等离子体封闭在电磁管-电极6和滚筒3的圆周表面之间的空前10内。
图2和图3示出在按照本发明装置里电磁管-电极的两种布置方式。电磁管-电极围绕着滚筒的部分圆周表面并且每个电极由自己的电源7来供电。电磁管-电极是矩形的，其中它的长平行于滚筒轴线，它的宽基本上与滚筒相切。每个电磁管-前面的宽度例如为15厘米；它的长至少与待加工的带形材料的宽度相当。
按照图2，气体输入导管(例如具有一排气体出口的气体管道)设置在每两个电磁管-前面之间并且气体主要沿着最外面的电磁管-电极的长度方向在切向排出并且在滚筒的端面上在轴向排出。也可以这样，例如每两个空腔在相邻的电磁管-前面之间没有气体输入导管，使得气体也可以通过着这个空腔排出。电磁管-电极例如是图4和5中所述的那种型号并且是借助于附图进行描述。
按照图3，电磁管-电极具有气体输入导管，该导管例如在电磁管-前面的中间纵向延伸。气体在相邻的电磁管-前面和在轴向上排出。如图所示还可以这样，即等离子体和过程气体封闭在电磁管-前面和滚筒的空腔内，方法是设置侧面的壁板元件，其沿着每个电磁管-前面的长度延伸并且封闭在电磁管-前面和滚筒中间的空腔，使得只有一条在侧面的壁板元件20和滚筒之间的窄缝使带形材料不受阻碍的通过。过程气体在这种情况下主要轴向排出并且只有一小部分穿过所谓的侧面缝隙。电磁管-电极例如是如图6或者7所述的型号并且借助于附图进行描述。
按照图3的系统或者适于实施一种专门的等离子体-支持工艺或者，尤其是当具有侧面的壁板元件20时，对于连续的不同等离子体-支持工艺，使用了不同的过程气体或者过程气体混合物。这种连续的工艺例如是一个初步的清洁或者蚀刻步骤、一个随后的涂层步骤和一个最后的步骤，其中涂层的上表面获得所期望的可浸润性。
用于一种按照图2或者3的装置的典型运行参数例如是:电功率:大约10-20千瓦每平方米电磁管-前表面；功率:40千赫兹或者13.56兆赫兹；穿过等离子体的带形材料的处理路径的整个长度:0.5至1米；带形材料的速度:0.5-20米每秒。为了以二氧化硅涂层把带形材料用以改善防护特性，处理时间只有很少几秒；过程气体混合物包含有机硅-化合物和氧气并且压力保持在几个帕斯卡的范围内保持恒定。
图4和图5示出前面(图4)和垂直于电磁管-电极的一个示例实施方式的一个前面(图5)的横截面，电极可以应用在按照本发明的装置中，特别是如图2所示的一种装置中。
电磁管-前面具有永久磁极系统，该系统具有一个中间磁极30和一个外围磁极31，外围磁极31围绕着中间磁极30设置并且具有相反的极性。磁极例如是带形的永久磁铁32的磁极，它的磁极设置在两个相互对置的纵侧面上。永久磁铁的背对电磁管-前面的磁极通过一个磁性元件33，例如由软铁制成的磁性元件连接起来。电磁管-前面通过一个非磁性的电极元件34来覆盖，例如由不锈钢、铝或者铜制成的电极元件34来覆盖。电极元件连接一个电源7。有利的是，电极元件34用于冷却，其例如具有通道35，这些通道连接到一个使一种冷却剂循环的机构。如在图2中所示的那样，气体输入导管8沿着电磁管-前面的纵向边缘设置。气体输入导管例如是具有多排气体出口或者喷嘴的管道，设置该导管是为了在基本上垂直于电磁管-前面的方向上输入气体(实施例8，如图5中电磁管-电极的左侧所示)，或者在基本上平行于电磁管-前面的方向上输入气体(实施例8′，如图5中电磁管-电极的右侧所示)。
如上深入讨论的那样，电磁管-电极6有利地安装在轨道36上，使得其为了清洁或者更换可以简单地从它的工作位置上取出并且可以再次定位。
形成电磁管-前面的中间和外围的磁极30和31有利地这样设计尺寸，使得中间磁极具有一个磁场强度，该磁场强度与外围磁极的磁场强度不同，也就是说，电磁管不平衡。这意味着，不是所有的场力线从电磁管-前面的北极延伸到电磁管-前面的南极并且在极与极之间的空腔上形成一个通道37，由于这些原因，不是所有在极与极之间的电子可以环形地限制住，而是部分地位于通道之外。一个适合于等离子体-支持的气相化学淀积的电磁管-效应例如通过使用用于中间和外围磁极的相同的、上述杆形永久磁铁来获得。由此产生一个中间磁极的磁场强度，该磁场强度大约是外围磁极的磁场强度的一半。
试验表明，尤其对于一种涂层工艺有利的是，待涂层的上表面直接定位在通道37外，优选与电磁管-前面保持距离d，该距离大约大于在电磁管-前面上的通道37的高度2％和20％。通道37作为在等离子体空腔内的暗区可以更清晰地识别。待涂层的上表面靠近通道的上表面定位，但是使得在通道37的暗区和待涂层的上表面之间分布一条可视的更亮的等离子体带，这条带向着待涂层的上表面具有一个均匀的亮度，也就是说亮度是在通道上和在通道之间的空腔之上的亮度。
图6和图7示例示出电磁管-前面，该前面例如可以应用于一个按照本发明的装置中，如其在图3中示出的那样。两个在图6和图7中示出的电磁管-磁极具有集成的气体输送导管8，该导管平行于长度方向在中间穿过电磁管-前面延伸。图6示出一个简单的电磁管-前面，在这个前面上分布着在中间磁极两半之间的气体输入导管，图7示出一个双电磁管-前面，其在气体输入导管8的每一个侧面上在中间和外围磁极之间分别具有一个圆形磁道(Rundtrack)。

Claims (11)

1.以一种等离子体-支持气相化学淀积工艺处理带形材料的装置，其具有一个真空腔(1)并且在真空腔内设置一个用于支撑和传输带形材料(4)的旋转的滚筒，所述装置还具有一个电磁管-机构和一个提供气体混合物的气体输入机构，其中真空腔(1)具有保持真空腔(1)处于一个恒定的、减小后的压力的机构(2)，其中电磁管-机构面对着被所述旋转的滚筒(3)支撑和传输的带形材料(4)并且其中气体输入机构用于把气体输入在所述旋转的滚筒和电磁管-机构之间的空腔(10)中，其特征在于，电磁管-机构具有多个具有矩形电磁管-前面的独立电磁管-电极(6)，其中每个电磁管-电极(6)通过一个自己的交变电压电源(7)来供电并且其中电磁管-前面与所述旋转的滚筒的圆周表面间隔距离、相互相邻并且以它们的长平行于所述旋转的滚筒的轴线，并且所述电磁管-前面的宽基本上与滚筒相切，所述旋转的滚筒接地、不连接限定的参考电压或者连接一个负偏压。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，气体输入机构具有气体输入导管(8，8′)，该导管在相邻的电磁管-前面之间延伸。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，气体输入机构具有气体输入导管(8，8′)，该导管本身在电磁管-前面中并且平行于它的长度延伸。
4.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，气体输入导管(8，8′)具有多排气体出口，该出口为了排出气体基本上垂直于或者基本上平行于电磁管-前面设置。
5.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，设置了壁板元件(20)，该壁板元件沿着电磁管-前面的纵向边缘延伸并且面对着所述旋转的滚筒。
6.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，电磁管-电极(6)是一个双电磁管。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，电磁管-电极和旋转的滚筒布置成能在轴向和/或在相邻的电磁管-前面之间排出气体，所述气体排入电磁管-前面和旋转的滚筒之间的空腔(10)中。
8.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在电磁管-前面上设置由一种非磁性材料制成的电极元件(34)，该元件覆盖电磁管-前面的磁极。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，电磁管-前面的电极元件(34)具有通道(35)，该通道连接一个通过该通道(35)循环冷却剂的机构。
10.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，电磁管-电极是一种不平衡的型号。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，电磁管-前面具有一个具有永久磁性的中间磁极(30)和永久磁性的外围磁极(31)，其中中间磁极(30)大约是外围磁极(31)的磁场强度的一半。
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