专利名称：等离子涂层方法
技术领域：
本发明涉及用低压等离子体沉积薄层状的封隔涂层的方法，在这种方法中，一种反应流体在低压下被注入到一个处理区中。这种流体在达到使用压力时一般为气体。在这个处理区中建立一个电磁场，以便使该流体达到等离子状态，即导致该流体至少部分离子化。这种按离子化机理产生的颗粒可以沉积在位于处理区中的物体的壁上。
这种沉积技术用于各种应用中。这些应用之一涉及把功能涂层沉积在薄膜或容器上，特别是为了降低它们对气体，如氧气和二氧化碳的渗透性。
特别是，最近出现一种这样的技术，可以用于对包装易氧化和产品-如啤酒、果汁、碳酸产品如汽水-的塑料瓶覆盖封隔材料。
文献WO99/49991描述了一种可以使用乙炔作为反应流体给一个塑料瓶的内表面或外表面覆盖含氢的高度无定形碳涂层的装置和方法。该文献中描述的方法可以只用一个步骤形成特别有效的涂层。
为此，本发明提出一种利用一种低压等离子体在一个要处理的物体上沉积一个涂层的方法，其中等离子体通过在一个电磁场的作用下使一种低压注入到处理区的反应流体部分离子化得到，该方法的特征在于该方法包括至少两个步骤—一个第一步骤，在这个步骤中，反应流体在一给定压力下以第一流量注入到处理区中；
—一个第二步骤，在这个步骤中，反应流体以一个低于第一流量的第二流量注入到处理区中；根据本发明的其他特征—各步骤连续衔接，使得两个步骤过渡时反应流体在处理区中保持等离子状态；—第二流量恒定；—第二流量可变；—第二流量在第二步骤的过程中降低；—电磁场的强度在两个步骤的过程中基本保持恒定；—第二步骤中，处理区域的压力低于第一步骤中处理区域的压力；—反应流体包括一种气态碳氢化合物；—反应流体为乙炔；—第二步骤沉积的涂层部分的密度大于第一步骤沉积的涂层部分的密度；—第二步骤沉积的涂层部分的密度从与第一步骤沉积部分交界处开始一直增加到涂层表面处；—沉积的涂层由一种含氢无定形碳组成；—第二步骤沉积的涂层部分的sp3杂化碳(carbone hybrides)原子的比例在涂层表面附近高于与第一步骤沉积的部分相交界附近测量的杂碳原子比例；—该方法用于在一个塑料基件上沉积一个封隔气体的涂层；—基件是一个薄膜；—基件是一个容器；—涂层沉积在容器的内表面；—当基件承受一个大约5％的双轴向拉伸时，涂层保留它的封隔特性。
本发明还涉及一种使用包括上述特征之一的方法的装置，该装置包括一个供应反应流体的装置，特别是供应装置包括一个反应流体源、一个流量调节阀和一个通到处理区的注入器，其特征在于，在第一和第二步骤之间过渡时控制调节阀，使流入处理区的反应流体的流量下降。
另外，供应装置在调节阀的下游包括一个能够储存反应流体的缓冲罐，第一与第二步骤之间过渡时，调节阀关闭，则缓冲罐逐渐排空它所装的反应流体。
本发明还涉及一种塑料容器，其特征在于，它的至少一个表面有一个按照符合上述特征之一的方法沉积的涂层。
本发明还涉及一种涂层，其特征在于，该涂层由一种含氢无定形碳材料组成，并且涂层在涂层表面附近的密度(和/或sp3杂化碳原子的比例)大于它与基件相交界处附近的密度。
处理站10例如是一个旋转机器的一部分，该机器包括一个围绕一个垂直轴连续旋转运动的循环输送装置。
处理站10包括一个由一种导电材料例如金属制成的外壳14，外壳14由一个以A1为垂直轴的管形柱形壁18形成。外壳14的下端被一个底部下壁20封闭。
在外壳14以外，一个箱体22固定在外壳14上，箱体22带有一些装置(图中未示)，以便在外壳14内产生一个能够形成等离子体的电磁场。在这种情况下，可以是一些能够产生UHF范围，即微波范围内的电磁射线的装置。在这种情况下，箱体22可以装有一个磁控管，磁控管的天线24通到一个波导26中。例如这个波导26是一个截面为矩形的隧道，该隧道沿一个相对于轴A1的半径延伸并穿过侧壁18直接通到外壳14内。但是，本发明也可以在一个设有一射频型射线源的装置的范围内使用，并且/或者所述射线源也可以有不同的安排，例如安排在外壳14的下轴向端。
在外壳14内有一个用一种透明材料制成的以A1为轴的管子28，用于通过波导26使电磁波进入到外壳14中。例如管子28可以用石英制成。管子28用于接受一个要处理的容器30。因此它的内径应与容器的直径相适应。另外，应该形成一个空腔32，容器一旦处于外壳内，空腔内将产生一个负压。
正如
图1中可以看到的，外壳14的上端被一个上壁36部分封闭，上壁36设有一个直径与管子28的直径基本相等的中心开口，使管子28向上完全开放，以便可以把容器30放到空腔32中。相反，金属下壁20形成空腔32的底部，管子28的下端以密封的方式与金属下壁20连接。
因此，为了关闭外壳14和空腔32，处理站10包括一个可以在一个高位(未示)和一个如图1和2中所示关闭低位之间轴向活动的盖子34。在高位，盖子充分地偏离，使容器30可以放到空腔32中。
在图2所示的关闭位置，盖子34以密封方式贴靠外壳14的上壁36的上表面。
特别有利的是，盖子34不是只有保证空腔32密封关闭一个功能。实际上，它还带有一些补充的机构。
首先，盖子34带有容器支撑装置。在所示的例子中，要处理的容器为一些热塑材料的瓶子，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。这些瓶子包括一个在它们的颈部的基础上径向凸出的凸缘，使得可以借助于一个带爪钟形体54抓住瓶子，钟形体54正好贴合或卡合在颈部周围，并最好在凸缘以下。瓶子30一旦被带爪钟形体54支承，就向上贴靠在带爪钟形体54的一个支承表面上。这种支承最好是密封的，使得当盖子处于关闭位置时，空腔32的内部空间被容器壁分为两个部分容器内部和容器外部。
这个装置可仅处理容器壁的两个表面之一(内表面或外表面)。在所示的例子中要求仅处理容器的内表面。
因此，这种内处理要求能够同时控制容器内气体的压力和组分。为此，容器内部应该能够与一个减压源和一个提供反应流体的装置12连通。因此，反应流体供应装置包括一个反应流体源16，反应流体源通过一个管子38与一个沿轴A1的注入器62连接，注入器62可以在一个可回缩的高位(未示出)和一个低位之间移动，在低位，注入器62穿过开口34深入到容器30内。一个控制阀40位于管子38内，在流体源16与注入器62之间。
在图2的装置中可以看到，供应装置12另外包括一个位于管子38中的阀门40与注入器62之间的缓冲罐58。
为了使注入器62注入的气体能够离子化，并且在外壳中产生的电磁场的作用下形成等离子体，需要使容器中的压力小于大气压，例如约为10-4bar。为了使容器内部与一个减压源(例如一个泵)连通，盖子34包括一个内通道64，它的一个主要末端通到盖子的下表面，更确切地说，是通到瓶子30的颈部贴靠的支承表面的中心。
可注意到，在提出的实施例中，支承表面不是直接在盖子的下表面上形成，而是在带爪钟形体54的一个环形下表面上形成，钟形体固定在盖子34下。因此，当容器颈部上端贴靠支承表面时，容器颈部上端形成的容器30的开口完全包围喷嘴，主要末端通过这个喷嘴通到盖子34的下表面中。
在所示的例子中，盖子34的内通道64包括一个结合端66，并且机器的真空线路包括一个固定端68，使得当盖子处于关闭位置时，这两个端部66、68互相相对。
所示机器的设置是为了处理由比较容易变形的材料制成的容器的内表面。这种容器不能承受瓶子的内外壁之间约为1bar压差。因此，为了在瓶子内得到一个大约为10-4bar的压力而又不使瓶子变形，空腔32在瓶子外的部分必须至少部分减压。因此，盖子34的内通道64除了主要末端外还包括一个辅助末端(未示出)，这个末端也穿过盖子的内表面，但是径向通到容器颈部贴靠的环形支承表面外。
因此，同样的泵吸装置同时在容器内外产生真空。
为了限制泵吸的体积并避免在瓶子外出现无用的等离子体，对约为10-4bar的内部压力，外部的压力最好不要降到0.05到0.1bar以下。人们还发现，即使瓶壁很薄，但仍可以承受这样的压差，而没有明显的变形。由于这个原因，盖子设有一个能够堵塞辅助末端的受控阀门。
刚才描述的装置的运行如下一旦将容器装载到带爪钟形体54上，盖子就向它的关闭位置下降。同时，注入器下降，穿过通道64的主要末端，但是没有堵塞末端。
当盖子处于关闭位置时，空腔32中所含的空气可以被抽出，空腔32通过盖子34的内通道64与真空线路连接。
在第一时刻控制阀门，使其打开，使空腔32内的压力与容器内外同时下降。当容器外的真空达到一个足够的水平时，系统控制阀门的关闭。因此可以专门继续容器30内的泵吸。
一旦达到处理压力，可以根据本发明的方法开始进行处理。
图3是一个表示符合本发明的方法的两个重要参数，即注入到处理区的反应流体的质量流量F和加在外壳14内的电磁场强度随时间变化的图表。
从处理区内，即容器内达到处理压力的时刻t0起，可以打开阀门40，使反应流体注入到处理区内。
从时刻t1开始把电磁场加到处理区中。时刻t0与时刻t1最好相隔一个足够的时间，以便用反应流体对容器30进行全面的清扫，这是为了最大程度地清除处理区尽管初始产生的真空而仍然存在的空气痕量。
在时刻t1与t2之间的整个时间中，在容器的内壁可得到最佳沉积速度的条件下进行第一沉积步骤。例如可以使用大约160sccm(标准立方厘米/分钟)的乙炔流量，压力大约为10-4bar，微波的能量功率大约为400瓦。在这些条件下，为了处理一个约为500ml的瓶子，时刻t0与t1之间的清扫时间可以在200到600ms，无论怎样应少于1秒。第一处理步骤根据要达到的性能在600ms到3秒之间变化。
从时刻t1开始第二沉积步骤，根据本发明，该步骤应在小于第一步骤使用流量的反应流体的流量下运行。流量减小的目的是为了减缓涂层的沉积速度，以便得到一个不用大大增加沉积的厚度仍能得到非常好的性能的精细涂层。用这种方法可以在类似时间内得到厚度更小的沉积，这种沉积的性能与在一个单一步骤实现的更厚的沉积的性能为同一等级。例如，在上面描述的实施条件下，第二步骤的持续时间基本在500ms到2.5s之间。
在图1所示的装置中，通过以恰当的方式控制阀门来调节第二步骤的低流量。因此可以使用一个大约60sccm恒定流量水平。也可以控制流量，使其在第二步骤的过程中变化，或者分步骤变化，或则连续变化，如图3所示。例如，在这种情况下，变化可以是随时间降低的线性变化。两个沉积步骤之间的过渡则可以是“连续的”，即流体的流量没有被切断或中断。
在图2所示的装置中，阀门40在第一步骤结束时关闭。但是，缓冲罐58中的反应流体逐渐被吸向处理区，以致可以发现，只要在处理区中保持电磁场，通过等离子体的沉积就可以在第二步骤持续进行。
缓冲罐58的体积可以比较小，如果供应装置中在缓冲罐与处理区之间存在负载损失，反应流体可以以一个高于处理区中的压力储存在缓冲罐中。因此装在一个小体积中的材料量可以足够保证在第二步骤的过程中以较低的单位质量流量提供反应流体。因此，可发现，如果供应装置的内体积为20至100立方厘米，缓冲罐58可以由供应装置本身构成，如果阀门40没有直接位于注入器62附近，这个体积很快达到。
本发明的第二实施例不能准确调节第二步骤过程中注入气体的单位质量的流量。但是可以测量出，在第二步骤，实际注入到处理区的反应流体的流量随着时间而减少，同时缓冲罐中(或分配装置本身)的压力逐渐与处理区中的压力平衡。该装置的第二实施例在成本和简化方面有利。
在各种情况下，可以考虑在第二步骤使电磁场的强度保持在与第一步骤相同的水平，或者相反，可以选择降低磁场强度。试验表明，在第一和第二步骤可以使用大约100W的磁场强度水平。
如果分析沉积的材料，可以发现，第二步骤沉积的材料密度大于第一步骤沉积的材料密度。更准确地说，如果在第二步骤向减小的方向改变反应流体的流量，可发现沉积材料的密度逐渐增加。这样，在第二步骤沉积的涂层部分中得到一个位于表面的区域，它的密度大于与第一步骤沉积的涂层部分相交界处附近区域中的材料的密度。
当使用的反应流体是一种气态碳氢化合物如乙炔时，用符合本发明的方法沉积的材料是一种含氢的无定形碳。在这种情况下，可发现，在涂层表面sp3杂化碳原子的比例大于在涂层深部测量的杂化碳比例。
由于符合本发明的方法，沉积涂层的机械强度比按照以前的已知方法沉积的同一性质的涂层增加。
因此，当沉积的材料为一种含氢的无定形碳时，可发现，除了这类材料的已知特性，即对气体的不渗透性、硬度、耐化学剂外，按照本发明沉积的涂层即使在承受弯曲、拉伸或双轴向拉伸的机械应力后仍保持它的部分特性。
这种方法已经用于覆盖PET容器的内表面，并且已经发现这些容器即使在承受相当于容器体积增加约5％的比较大的蠕变以后仍能保持良好的封隔特性。
权利要求
1.一种使用一低压等离子体在一要处理的物体上沉积一涂层的方法，其中，所述等离子体是通过在一电磁场的作用下使一种低压注入到处理区的反应流体部分离子化来得到的，所述方法的特征在于，所述方法包括至少两个步骤—一个第一步骤，在这个步骤中，所述反应流体在一给定压力下以第一流量注入到处理区中；—一个第二步骤，在这个步骤中，同一反应流体以一个低于第一流量的第二流量注入到处理区中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各步骤连续衔接，使得所述两个步骤之间过渡时反应流体在处理区内保持着等离子状态。
3.如权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，所述第二流量是恒定的。
4.如权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，所述第二流量是可变的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二流量在第二步骤进行过程中渐渐降低。
6.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电磁场的强度在所述两个步骤的过程中基本保持恒定。
7.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第二步骤的过程中处理区内的压力低于第一步骤的过程中处理区中的压力。
8.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述反应流体包括一种气态碳氢化合物。
9.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述反应流体为乙炔。
10.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第二步骤中沉积的涂层部分的密度大于第一步骤中沉积的涂层部分的密度；
11.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第二步骤中沉积的涂层部分的密度从与第一步骤沉积部分的交界处向所述涂层表面一直增加；
12.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述沉积的涂层由一种含氢无定形碳组成；
13.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，第二步骤沉积的涂层部分的sp3杂化碳原子的比例在涂层表面附近高于与第一步骤沉积的部分交界处附近测量的杂化碳原子的比例；
14.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述方法用于在一塑料基件上沉积一封隔气体的涂层；
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基件是一薄膜；
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述基件是一个容器；
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述涂层沉积在所述容器的内表面；
18.如上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，当所述基件承受一个大约5％的双轴向拉伸时，所述涂层保留其封隔特性。
19.一种使用符合上述权利要求之一的方法的装置，所述装置包括一个供应反应流体的装置(12)，其特别包括一个反应流体源(16)、一个流量调节阀(40)和一个通到所述处理区的注入器(62)，其特征在于，在第一和第二步骤之间过渡时，所述调节阀(40)受控而使送到所述处理区中的反应流体的流量下降。
20.一种使用符合权利要求19所述的方法的装置，所述装置包括一个供应反应流体的装置(12)，其特别包括一个反应流体源(16)、一个流量调节阀(40)和一个通到处理区的注入器(62)，其特征在于，所述供应装置(12)在调节阀(40)的下游包括一个能够储存反应流体的缓冲罐(58)，并且在第一和第二步骤之间过渡时，所述调节阀(40)关闭，所述缓冲罐(58)就逐渐排空其所包含的反应流体。
21.一种塑料容器，其特征在于，它的至少一个表面按照一种符合权利要求1至18之一的方法沉积一涂层。
22.一种涂层，其特征在于，所述涂层由一种含氢无定形碳材料构成，并且所述涂层表面附近的涂层密度大于所述基件界面附近的涂层密度。
23.一种涂层，其特征在于，所述涂层由一种含氢无定形碳材料构成；并且在所述涂层表面附近，所述涂层的sp3杂化碳原子的比例大于在所述基件界面附近的所述涂层的sp3杂化碳原子的比例。
全文摘要
本发明涉及一种使用一种低压等离子体在一个要处理的物体上沉积一个涂层的方法，其中等离子体通过在一个电磁场的作用下使一种低压注入到处理区的反应流体部分离子化得到，该方法的特征在于该方法包括至少两个步骤一个第一步骤，在这个步骤中，反应流体在一定压力下以第一流量注入到处理区中；一个第二步骤，在这个步骤中，同一反应流体以一个低于第一流量的第二流量注入到处理区中。
文档编号C23C16/455GK1446269SQ01813728
公开日2003年10月1日 申请日期2001年7月24日 优先权日2000年8月1日
发明者让－特里斯坦·乌特勒曼, 埃里克·阿德里安森斯 申请人:西德尔公司