用于涂布内表面的各区段的方法和系统的制作方法

专利名称：用于涂布内表面的各区段的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及沉积系统，更具体说，涉及用于涂布长度极长的管道的方 法和系统。
背景技术：
工业管道和其他部件(如阀门和泵)的锈蚀是某些行业的主要问题。特别 是石油工业在高温和高压条件下面临腐蚀性气体和液体(如硫化氢)的严酷腐 蚀性环境。此外，这些条件可形成严重的磨损和腐蚀环境。解决这些问题的一 个办法是用具有所需高度耐腐蚀耐磨损性能的高质量涂料来涂布下层的基础 材料。通常，这些具有此类性能的涂料有金属涂料、陶瓷涂料、特别是类金刚 石的碳涂料。化学加工工业的排废管道常采用昂贵的专用合金如Hastelloy和Inconel(二 者都是Huntington Alloys Corporation的联邦注册商标)。这些合金显示在高温 下强度好和耐腐蚀。还有，如果在接触腐蚀环境的内表面上施涂合适的表面涂 料，则可采用比较廉价的基础涂料。现有技术的涂布方法包括化学汽相沉积法(CVD)、物理汽相沉积法(PVD)、 等离子体喷涂法、电镀法和溶胶-凝胶法。这些方法中，就纯度、粘合强度、均 匀度和其他性能而言，CVD和PVD产生的膜质量最高。这两种技术都要求专 用的真空室，使得难以用其涂布己经完全组装好的部件。在用输送管、阀门、 泵或管道输送腐蚀性材料(如石油/石化工业)的情况下，必须涂布与腐蚀性材 料接触的内表面。对于极低压力技术如PVD (其压力低于或接近分子流区)， 涂布内表面仅限于大直径和短长度(即长宽比小)的管道。同样，由于化学反 应需要供热而可能损伤热敏感基板，故CVD技术也只限于上述应用。可采用 等离子体增强的CVD (PECVD)来降低反应所需的温度，但难以保持管道内均 匀的等离子体状态和防止离子源气体随气体流出管道而耗尽。 等离子体浸渍的离子注入和沉积(PIIID)技术已证明可用于涂布形状复杂的外表面。实施PIIID时间工件施加负偏压上，如果等离子体鞘与之相容，负偏压会将阳离子搬运到该工件。还可通过用离子轰击工件来改进涂膜的性能如 粘合强度和膜密度。在现有技术的PVD和CVD腔室中，设计该室的大小尺寸应使整个室中压 力均匀分布而几乎没有不同。当所用工件是一种腔室时，人们无法控制腔室/ 工件的形状，因此必须设计能涂布具有高长宽比(长度/直径)工件的工艺，对 于这种的工件，从气体入口到气体出口的压力会有显著降低。本发明的方法能 以良好的均匀度涂布这种工件。能理想地够涂布管道各区段的内表面，然后焊 接组装各区段管道。在这种情况下，必须涂布大长度管道的焊接区。本发明证 明有这个能力。涂布管道内表面的方法已有叙述，在该方法中，将要施涂的源材料插入管 道中，然后通过溅射或电弧举到管道上。例如，美国专利5026466 (授予 Wesemeyer等人)叙述的一种方法是将阴极插入管道，通过电弧将阴极材料举 到管道内部。美国专利4407712 (授予Henshaw等人)叙述了将含高温蒸发金 属源的中空阴极插入管道，通过阴极电弧将源材料从中空阴极搬移涂布到管道 的内部表面。这种安排有几个缺点，包括只限于大直径的管道(由于必须把 带有隔热护板和冷却管的中空阴极管插入要涂布的管道；要有复杂的装置使阳 极和中空阴极在管道中移动；阴极电弧会产生大粒子。美国专利4714589 (授 予Auwerda等人)叙述了通过等离子体激活的气体混合物沉积来涂布管道内部 的方法，但该方法限于电绝缘的管道和涂料，和涉及沿管道外部移动微波源发 射的复杂系统。在管道焊接区或管道区段需要涂布的情况下，实施这些方法一般需要插入 管道内的装置或结构。然后沿着管道拉动该结构，以涂布大的区域，或者可安 置在要涂布的焊接区。例如，美国专利6699324 (授予Berdin等人)叙述了一 种方法或运载器，能在管道中移动，沿管道长度拖拉，以旋转分布方式均匀涂 布管道内壁。虽然该法工作得很好，但均匀涂布管道的焊接区或区段时还需要 改进。
发明概述本发明方法通过将管道分隔为较小区段，然后利用管道区段自身作为沉积 室，而能够均匀涂布长输送管、管道或其他工件的内表面。本方法包括通过 工件的开口插入固体板并且将固体板定位在将要涂布区段的两端，从而分隔要 涂布的管道区段；将该管道区段的第一块固体板耦合到气体供应子系统以充当 入口；以及将该管道第二块固体板耦合到抽气泵子系统以充当出口。气体从第 一分隔板(入口)流过该管道区段到第二分隔板(出口)。可通过加热或等离 子体方法或二方法的组合来激活源气体从而涂布工件表面。用加热法时，可将 工件放入加热炉中，或包裹在带有加热线圈的隔热毯中而不用加热炉。加热技 术只可用于对热不敏感的基板。对于热敏感工件，必须用一定量的等离子体激 活或PECVD来降低所需的激活温度。以PECVD为例，分隔板还起电极作用。分隔板用机械方法在比较长的工 件中移动，因此，通过从一区段移动到另一区段，本方法可用于涂布极长的工 件，或可用于涂布焊接区。在某些实施方式中，用本方法和实施本方法的系统 来分区涂布带有两个以上开口的工件。另一方面，如果气体供应子系统和抽气 泵子系统都连接到一个插入该工件开口中的结构时，这种分区段涂布方法可应 用于单个开口的工件。本发明还可用于改变表面或亚表面的性质，如钢的氮化或表面的氩气溅射 清洁。本技术不仅可用于化学汽相沉积工艺(例如，前体气体或离子化气体在 表面上发生化学反应时)，而且可用于归为物理汽相沉积的技术(即，离子轰 击(如离子注入)工件是物理反应而不是化学反应用，以形成涂层或亚表面改 性)，或可用于这些技术的组合。由于应用较广泛和复杂性较高，本发明不同 实施方式的叙述将集中在等离子体方法上，但是本发明也可应用于比较简单的 加热沉积或表面处理方法。对于分区段涂布工艺的PECVD应用，优选调节气体流速和泵抽气速度， 使施加偏压时，压力提供了位于工件中的中空阴极环境。该压力导致的电子平 均自由程稍短于管道的直径，致使电子在管道中来回振荡，产生多重离子化碰 撞和更强的等离子体。与现有技术即等离子体从工件外部产生出来的PECVD 方法相比，本方法对气体流过管道时离子化随之消失导致工件出口处涂膜沉积
较少这一点进行了改进。经比较，由于产生的中空阴极贯穿整个管道区段，本 发明获得了沿该段长度的更均匀的离子化等离子体，因此提供了更均匀的沉 积。
分区段涂布方法与现有技术CVD方法相比有所改进，现有方法中前体气体从高长宽比工件的入口流到出口，气体流出管道时前体气体浓度随之降低。 采用这些现有技术方法，气体先在入口处反应，留下较低浓度的前体气体流向 出口。还可能形成气体副产物，这进一步稀释了反应气体，导致工件靠近出口 地方的涂膜沉积较少。这通常称为前体气体"耗尽"。该耗尽问题在大长度小 直径管道时更为严重。相比之下，由于采用了分区段涂布法，本发明因涂布的 区段长度较短而消除了气体耗尽问题，因此提供了更均匀的沉积。
本方法能涂布输送管、管道、阔门、泵或几何形状较复杂工件的内表面。 分区段涂布显著减少了涂层厚度从一端到另一端逐渐降低的可能性。这种可能 性是由于随着涂料从等离子体抽吸到工件的内表面上，等离子体中的涂料密度 逐渐降低所致。
按照本发明的一个实施方式，产生传统的DC或AC等离子体来形成涂层。 将第一块导电板通过工件的开口插到要涂布区段的"前部"。该板耦合到气体 源以充当入口，同时将第二块分隔板通过该工件的第二开口插入并耦合到真空 源以充当出口。 一个伸出的可回縮绝缘密封件提供了工件与隔板之间的真空气 密密封以及电隔离。连接在导电板之间的一个偏压系统，可施加DC或AC偏 压。在此种结构中，导电板受到偏压而工件则不。含涂料的气体从入口通过工 作区段流到出口以便实现工作区段的涂布。当涂布过程完成时，使工作区段的 内部与大气相通，縮回真空密封件，把隔板移到待涂布的下一区段或焊接区。
在本发明的其他实施方式中，工件作为阴极被加上偏压，导电板作为阳极 也被加上偏压。如前所述，将导电板插入工件的开口中，伸出真空密封件，并 且连接偏压系统。在该情况下，相对于导电板(阳极)，偏压系统向工件(阴 极)施加负的DC偏压。在其他实施方式中，隔板不导电，而将导电电极插入隔板的开口中。连接 偏压系统，以使工件偏压成阴极并使导电电极偏压成阳极。在该实施方式中， 阳极和工件之间的间距可改变。
在其他实施方式中，所述偏压系统可以施加脉冲DC偏压。施加的负脉冲DC电压具有选自以下的工作循环，(1)当该电压是"接通"时，向工件施加 负电压，使源气体阳离子被吸到(工件)内表面并发生化学反应而涂布工件内 表面，(2)当电压是"断开"时，工件内部的源气体阳离子得到足够补充以 提供内表面的均匀涂布性。如果涂料是绝缘体，则工作循环的"断开"状态可 包括反电压，它足以消耗工件内表面涂层所产生的表面电荷。当工件包括至少两个开口时，可将导电板插入每个开口，以包围所需长度 的分区段，通过密封件使导电板与工件物理隔离和电隔离。在本发明的另一个实施方式中，用"流动循环涂布"来进一步改进均匀性 或增加可涂布区段的长度，从而减少总的涂布时间。在该方法中，将气体供应 源和抽气泵供应源连接到两个分区段隔板并提供关闭阀门，可根据要求使气体 通过任何一隔板引入或泵出。在第一轮涂布中，气体通过"入口"隔板引入， 从"出口"隔板泵出；在第二轮，反向流动。不同长宽比工件的这些循环涂 布的速度和重复次数可以不同。附图的简要说明

图1是本发明一个实施方式涂布装置的功能图。 图2是本发明第一实施方式的导电结构底视图。 图3是本发明涂布装置第二实施方式的功能图。 图4是本发明第二实施方式的导电结构的底视图。 图5是本发明第三实施方式涂布装置的功能图。 图6是本发明第四实施方式电极结构的底视图。 图7是实施本发明的步骤流程图。发明详述图1是导电工件10，长度很长，例如长度对直径之比大于50:1。该导电工 件可以是许多区段焊接在一起的组装件，形成长度很长的输送管，但也可以是 单根高长宽比物件。通常，将输送管的各区段(已经涂有涂料具有均匀的涂层) 焊接在一起。焊点和焊点周围区域由于焊接过程损坏了涂层而需要耐腐蚀涂布。将导电结构12和14插入工件开口 (未示出)并且设法插入焊点16部位 或附近。将导电结构12与气体供应子系统18通过可弯曲的气体供应管线20 相连接。将导电结构14通过可弯曲的抽气泵管线24与抽气泵子系统连接。将 气体供应和抽气泵管线用本领域公知的方法通过真空气密封件与开口 26连接 (图2)。气体供应和抽气泵管线通过绝缘件30与导电结构电隔离(也见图2)。 容易得到的无毒含碳气体(如甲垸或乙炔)由第一气体供应容器40提供。利 用该气体在工件10的内侧形成金刚石样碳(DLC)涂层。氩气(或其他溅射气体) 由第二气体容器42提供，用于输送管表面的等离子体"预清洁"，并使氩气 和含碳气体混合。将导电输送管或"工件"10与脉冲DC电源32连接，施加脉冲负偏压。 利用该负偏压(1)在阴极和阳极之间产生等离子体，(2)将离子化反应气 体拉到待涂布表面，(3)对涂膜进行离子轰击以改善涂膜的性能(如密度和 抗应力水平)，(4)通过调节工作循环来控制均匀度，补充源气体并消除该 轮循环"断开"期间涂布过程产生的表面电荷。此时工件10起着阴极功能， 而导电结构12和14连接到脉冲DC发生器的阳极侧作为阳极经受偏压。导电 结构安装在绝缘滚筒34上。可縮回的真空密封件36 (见图2)围绕着该导电 结构。伸出时该真空密封件使导电结构(阳极)与输送管电隔离，并使待涂布 的输送管区段38与该输送管的其余部分物理隔离。伸出真空密封件36时，工件10的局部区段38与该工件的其余部分隔离。 用抽气泵子系统22使该区段变成低压区，用DC脉冲电源32向输送管10施加 负偏压，使它发挥阴极功能。即使整个输送管10作为阴极经受偏压，等离子 体也只在该输送管(工作区段38)的内部产生，该区段处在导电结构12和14 之间，因为输送管内部只有该部分处于低压区并符合激发产生等离子体的间距 与压力要求。还有，输送管的该区段是接触反应气体的唯一区域。因此，只有 输送管该区段的内表面将被涂布。如图1所示，当气体入口阀门打开时，通过导电结构12中的开口 26引入 前体气体。质流控制器44和46可控制流入工作区段38中的气体量。施加电 压使源气体离子化成为等离子体。将气体所含离子拉到工作区段38 (阴极)的
内表面形成涂层。未利用的气体和副产物被泵22抽气通过导电结构14的开口 26排出。用泵节流阀48控制气体流出工作区段38的流速，可独立窑该工作区 段中的气体量和压力，以进一步优化涂层的均匀性。在涂布过程完成后，使工 作区段38处于大气压下。縮回可回縮的真空密封件36，用可弯曲管线64和绝 缘滚筒34将导电结构12和14移动到待涂布的下一区段或焊点。在另一实施方式中，DC脉冲电源32用AC电源代替以产生等离子体。气 体的引入以及流速和压力的控制如前所述进行。当考虑通过具有高长宽比(长度对直径)的工件10所需要的流速和压力 时，如果内截面是带有层流的圆形长管，可应用Poiseuille方程式(Q/P,-P2) = (;rr4P)/(8/7l)此式中Q是物料通过量(压力x体积流速)，r是通路半径，l是通路长 度，7是黏度，P,是工件开口处对源气体的压力，P2是工件处对排气管或泵的 压力，P是平均压力(P,+P2/2)。在该方程式中，随着d变小，d以4次方升高， 导致Q显著降低和压力梯度(P, _ P2)增高。增加长度与降低r的影响相同， 但程度较弱。沉积速度与压力成正比。由于工件10入口 (与出口相比)压力变得更高， 和因为物料通过量受限制，随着长宽比的增加涂层的均匀度将逐渐变得更差。 通过涂布具有可接受长宽比的工件10的较小区段38和减少从入口到出口的压 力落差，本发明克服了涂布高长宽比工件10均匀度不良的问题。如此逐段涂 布直到涂完整个工件IO或输送管。在另一实施方式中(见图3)，利用流量控制阀52， 54, 56， 58来实施"流 动循环涂布"技术。在该实施方式中，将导电结构12和14各自通过可弯曲的 管线64与气体供应和抽气泵连接。该可弯曲的管线用绝缘件66与导电结构隔 离，见图4。如以上实施方式所述，通过脉冲DC电源32，工件10作为阴极经 受偏压，将导电结构作为阳极经受偏压。导电结构插入工件的开口形成工作区 段38。当流量控制阀52和58打开，而流量控制阀54和56关闭时，进行第一 轮流动循环涂布。打开气体入口阀门50时引入气体。工作区段38内表面的第 一层涂层倾向于在朝向第一导电结构12处比较厚而朝向第二导电结构14处比 较薄。当关闭流量控制阀52和58并打开流量控制阀54和56时，使气流反向 流动进行第二轮涂布。在第二轮涂布过程中，涂层在朝向导电结构14处比较 厚而在朝向导电结构12处比较薄，从而形成均匀的涂层。在某些应用中，可重复第一轮涂布和第二轮涂布，以在工作区段38内表面的整个长度上形成更均匀的涂层。优选包括一个压力控制器60来调节某些参数。该控制器从光探头和兰格繆尔探头(未显示)接受信息，如下安置探头光探头的视线进入等离子体而兰格繆尔探头与等离子体接触。这2个探头能传感等离子体密度和产生表示强度水平的信息。压力控制器可利用此信息确定可调节的流量控制阔56和58的合适设置水平。该设置应在工作区段38中建立一种状态，使电子平均自由程稍短于该工件区段的内径，而通过"中空阴极"效应产生电子振荡和增强离子化碰撞。因此在该工作区段中产生更强的等离子体。因为电子平均自由程随压力的降低而增长，因此随输送管直径的增大压力必然降低。例如，1/4英寸(6.35厘米)直径输气管线在大约200毫托压力下可产生中空阴极等离子体，而4英寸(101.6厘米)的抽气泵管道在大约12毫托即可产生等离子体。这些都是一些大概的数值，显示直径越大压力越低的一般趋势，但是可以显著改变压力范围的这些数值仍保持中空阴极等离子体。以等离子体一激活涂布工艺为例，特别是当产生中空阴极等离子体时，等离子体的密度取决于压力/直径比。 一种典型的现有技术等离子体密度最大约1E10离子/厘米3或约10%离子化(离子化气体/总气体粒子x 100)。通过用中空阴极等离子体，此技术的等离子体密度能达到高达1E12离子/厘米3。这提供了许多优点，包括沉积速度较高，涂膜质量改进，和等离子体鞘薄，使离子能量不会由于穿鞘碰撞而损失。如果我们对一个平面二极管结构根据Child定律假设等离子体鞘s， s = 0.4714 x LDe(2V/Te)，其中LDe (^。IVeni)是德拜长度，ni是电子和离子密度，Te是电子温度/电子伏特，s。是自由空间的电容率，e是一个电子的电荷或1.6E-19C， V是偏压电压。对于典型的1E10离子/厘米3的等离子体密度和Te =3eV，施加的偏压为IOOOV时，s (标准密度)=0.8厘米。假设参数相同和中空阴极等离子体密度为1E12离子/厘米3时，则3(中空阴极)=0.08厘米。在典型的PECVD压力为IOO毫托时，N2的平均自由程;i大约是0.5厘米，这样对
于标准密度等离子体(因为A〈S)，离子将在鞘内碰撞，不会带着全部等离子 体能量(即以大约所施加的偏压)到达基板。但用中空阴极等离子体，鞘内没有碰撞。因此，要将中空阴极技术用于PECVD时需要精确控制离子能量，如 DLC。由于压力对等离子体密度的作用，这些类型的工艺，还需要控制整个工 件中压力。采用中空阴极时如果沿工件的压力梯度大，等离子体密度将沿输送管10 的长度改变。这不仅会影响沉积速度，还会影响涂膜质量。例如，对于金刚石 样碳膜的沉积，己知100eV离子能量产生的碳结合形成金刚石(sp3)程度高。如 果离子未达到此能量，就将结合形成石墨(sp2)。如果沿管长的压力递降太大， 则朝向管道末端的等离子体密度下降(假定中空阴极在管道入口处的压力/直径 已优化)，而且等离子体鞘将变得更大。当等离子体鞘变得大于气体的平均自 由程时，由于离子受到所施加的偏压加速穿鞘而碰撞将失去能量。在这种情况 下，管道出口处将形成质量差的石墨样膜，而入口出处将形成高质量的金刚石 样膜。通过选择待涂布管道区段的长度，可最大程度减少由于压力变化所产生 的中空阴极等离子体密度变化导致的膜质量变化，本分区段涂布方法消除了膜 质量的这种变化。离子化程度或等离子体强度对于PIID技术的效果至关重要，因为只有加 速的离子化气体才能穿过等离子体鞘进入工作区段38中。中空阴极的作用提 供了比其他已有的DC或RF等离子体更强的等离子体。可获得这种强度增强 而没有其他产生强等离子体装置，如电磁或微波等离子体产生源的复杂结构。 该方法也不需要隔离加热工件10。如图示，将计算机控制软件62与气体供应 子系统18和压力控制器60相连接。此外，该计算机控制软件能产生控制信号 并通过界面电缆68将信号传输给脉冲DC电源32来调节操作。在进一步的实施方式中，如图5和图6所示，电极结构70已插入工件10 中形成工作区段38。该电极结构包括RF电极72和DC阳极74。可弯曲的的 气体供应管线和真空供应管线64也与该电极结构相连。RF电极和DC阳极通 过圆形绝缘件76互相隔离，这在图6中可看得更清楚。如以上实施方式所述， 可回縮的密封件36围绕该电极结构，将其与工作区段分开。在本实施方式中，RF电源78与RF电极相连，见图6。 DC阳极74与脉
冲DC电源32相连。这种安排能够通过改变RF电源的功率、偏压、振幅和频 率在工作区段38中产生等离子体并予以控制。另一优点是对于间隔时间长的 DC脉冲，虽然高密度中空阴极等离子体是由DC脉冲产生的，但由于它通过 提供RF而维持，不需要每次脉冲都重新激发产生等离子体。实施些方法也可 采用电极72之间的其他频率偏压，如脉冲DC或低频AC信号。也可只向电极 72施加偏压，不向该部分施加偏压来实施。这提供了产生内部等离子体进行涂 布的简单方法，不需要向基板施加偏压进行离子轰击。该电极结构的移动可按 以上实施方式所述进行。本发明工艺流程的一个实施方式参见图2和图7来叙述。在步骤80，将工 件10安装在管道系统的其他部件上，这样在内部涂布过程完成后不需要加热 该工件。因此完成与该工件有关的所有的焊接步骤后即可对工作区段38内部 实施涂布。如前所述，显示的该工件为管道的一个组件或部件，但也可以是单 一区段。在步骤82，将传导结构12和14安置在第一焊接区段。预清洁气体可以是 从第一气体供应容器42引入的溅射气体如氩气。可在乞泵(压力)低至1x10-3 托，或优选低至lxlO托后开始预清洁。当通过电源32施加负DC脉冲时，工 件内表面上的污物被溅射气体除去。在某些应用中可采用注入碳的任选步骤84。碳注入可在工作区段38材料 (如不锈钢)中形成一层亚表面碳层。该层改善了对DLC和其他材料的粘合 性能。碳注入应在比涂布过程其他步骤更高幅度的偏压下进行。合适的偏压是 超过5kV的偏压。对于小直径管道，此步骤必须小心，不让等离子体鞘的大小 变得大于工作区段38的半径。或者，在步骤84可引入含硅的前体如与甲垸混合的硅烷或四甲基硅垸， 以在金属基板(工作区段38)与纯DLC涂层之间形成含硅的DLC粘合层。该 层将形成与基板结合的强金属一硅化物以及与DLC涂层结合的强硅一碳化物， 为该涂层提供强粘合力。碳注入不需要的高偏压电压。大约lkV的偏压电压足 够。在任选的注入步骤84之后，步骤86中将至少一种前体气体引入工作区段 38中。可接受的前体包括甲烷、乙炔或甲苯。在该工艺步骤中降低DC脉冲电
压以提供薄膜沉积而不是注入。DC脉冲电压的施加见图7的步骤88。在涂布 步骤过程中，可将氩气与含碳前体气体混合，如步骤90所示。
在步骤92，涂布过程中可动态调整涂布参数。计算机控制软件62和压力 控制器60可利探头所提供的信息，将各种参数保持在其允许的范围内。因此， 可按需要调节决定工作区段38内部压力的因素，或者如果需要，也可调节脉 冲偏压的幅度和工作循环。
完成第一轮工作循环后，在步骤94进行反向气流循环涂布。可重复工艺 流程步骤80-94，以确保不同直径和不同长度的工作区段38都均匀涂布。涂布 过程完成后，将导电结构重新安置在下一区段。
原则上，具有所需硬度和抗腐蚀性能的任何金属、陶瓷、或DLC涂料(如 TiN，CrN等)都可使用。但是，本领域所应用的涂料采用无毒气体。在优选的 实施方式中采用DLC前体气体如甲烷、乙炔或甲苯作源气体。已证明DLC能 提供硬的、抗腐蚀和低摩擦涂层。涂膜的性能可通过调节涂膜中sp3(金刚石)、 sp2 (石墨)和spl (线形)的键合杂化(交联)定制。氢含量也会影响膜的性 能。通常，最高的sp3比例(最像金刚石)获自甲垸，但与较高碳含量分子相 比，这也会降低沉积速度，产生较高的压縮应力，从而膜厚度限5000A。乙炔 也可提供高sp3含量，沉积速度比甲垸高，但要提高偏压以补偿较大尺寸的分 子。将某些掺杂物(如硅或氧化硅)添加到DLC基质中会改善热稳定性并降低压縮应力。可将有机前体气体，如六甲基二硅氧烷(C6Hn)Si20)与碳氢前体气体混合以引入这些掺杂物。
因此膜的性能可通过选择前体气体予以裁定制，或可分层沉积膜。例如， 如果一加工(如非常粗糙的焊接)需要厚的沉积涂层，可改变上述过程先沉 积薄的甲烷一基础层，接着用较高沉积速度，较低应力前体气体(如甲苯)， 或通过较高能量离子轰击，以增加粘合力并降低应力。就给定的工艺而言，可 优化对给定的前体和键合杂化交联，膜所需的机械、电、或光学性能及沉积速 度和应力的平衡。
本方法的一个优点是，可利用前述PIID方法的离子轰击长处来改善膜的 粘合力和密度。这在优选的实施方式中可通过对工作区段38 (相对于导电结构 12和14上的阳极)施加负的脉冲DC偏压来实现。由于DLC涂层是绝缘层，
应用短脉冲(1-20毫秒)来防止在涂层上产生过量的正电荷。当循环断开等离 子体鞘坍塌时，电荷得到补偿。用该工作区段中中空阴极产生的高能阳离子轰 击涂层表面。离子的能量可通过施加电压的幅度和压力(较高的压力导致较多 的碰撞，给定电压产生的能量较低)进行控制。另一个优点是，此多步骤工艺可用来定制沉积在工作区段38内表面的膜质量。在该方法的第一个歩骤，抽气泵压力降至lxl(^托后，也可以通过引入溅射气体如氩气来预清洁工作区段的表面。工作区段内表面的污物在施加负DC脉冲时被溅射气体清除。进行第二步骤可用碳注入，在钢上形成亚表面碳 层。该层改善了 DLC的粘合力。这可通过将偏压的幅度增加到大于5kV来完 成。对于小直径的管道，此这个步骤必须小心，不让等离子体鞘的大小超过管道的半径。对于最小半径的圆筒，等离子体鞘不重叠的公式如下<formula>formula see original document page 16</formula>此式中，V是电压幅度，n是等离子体密度。在工作区段38上形成粘合层 的另一种方法是沉积能与该工作区段又能与涂层形成强力结合的材料。以金属 工作区段和DLC涂料为例，该粘合层可以是含硅的DLC层，可通过引入含硅 前体气体如四甲基硅烷来获得。此时，不需要碳注入所需的髙偏压电压。注入后，用上述的甲烷、乙炔或甲苯前体气体完成DLC沉积步骤。在该 工艺步骤中降低DC脉冲电压来提供薄的膜沉积而不是注入(如100V-10kV)。 在这些涂布步骤过程中，也将氩气与含碳前体气体混合。均匀度还是通过DC 脉冲的工作循环来控制，当脉冲中断时，补充工作区段中的源气体。本领域技 术人员将认识到，均匀度也可通过选择气流速度和泵送速度来控制。1权利要求
1.一种用于改变工件局部区域的内表面的方法，包括在所述工件中创建一种支持所述内表面改性的内部环境，包括降低所述工件内的压力；将气体释放结构安置在所述工件的一个开口内，所述气体释放结构耦合到气体源并且可沿所述工件长度方向改变其位置；通过所述气体释放结构将含表面改性材料的气体引入到所述工件中。
2. 如权利要求1所述的方法，还包括当暴露于所述含表面改性材料的气 体时加热所述工件以提高用于改变所述内表面的条件。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内部环境的创建包括将第 一导电结构插入所述工件的所述开口中并且将第二导电结构插入所述工件的第二 开口中，所述第一和第二导电结构通过密封器件与所述工件保持物理和电学隔离。
4. 如权利要求3所述的方法，还包含将偏压系统连接到所述第一和第二导 电结构，以提供与在所述内部环境中通过等离子体来改变所述内表面这一过程相一 致的电学条件。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，连接所述偏压系统包括提供 DC偏压。
6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，连接所述偏压系统包括提供 AC偏压。
7. 如权利要求3所述的方法，还包括改变所述第一和第二导电结构沿所述 工件长度方向的位置，所述改变与所述气体释放结构沿所述工件长度方向重新定位 这一过程相一致。
8. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，安置所述气体释放结构包括提 供导电工件。
9. 如权利要求8所述的方法，还包括连接偏压系统，使得所述导电工件充 当阴极且所述第一和第二导电结构充当阳极，所述偏压系统提供DC偏压，所述 DC偏压建立了足以改变所述导电工件内表面的离子轰击能量。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，连接所述偏压系统包括向所述 导电工件提供负脉冲DC偏压。
11. 如权利要求1所述的方法，还包括将电极结构插入所述导电工件的所述 开口和第二开口，所述电极结构包括与第二电极电隔离的第一电极。
12. 如权利要求ll所述的方法，还包含利用所述偏压系统向所述第一电极提 供DC偏压，以便建立足以改变所述导电工件内表面的离子轰击能量，连接所述偏 压系统还包括使所述电极结构中的所述第二电极经受偏压，以便在所述导电工件的 内部环境中提供足以支持等离子体的AC偏压。
13. 如权利要求12所述的方法，还包括调节与所述导电工件的内径有关的所 述内部环境，以维持一种状态，即通过改变所述偏压系统便可以调节所述内部环境 之中的等离子体强度，其中所述状态建立了中空阴极效应。
14. 一种用于均匀涂布导电工件一个区段的内表面的系统，包括 第一和第二构件，它们被配置成插入所述工件中以便在它们之间确定所述工件的局部内部区段；气体源，可与所述第一和第二构件配合，以使含涂布材料的气体流入所述工 件的所述局部内部区段；真空源，可与所述第一和第二构件配合，以对所述局部内部区段抽真空；以及用于改变所述第一和第二构件沿所述工件长度方向的位置的装置。
15. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，偏压系统与所述第一和所述 第二构件相连，所述第一和第二构件具有用于使所述导电工件与所述第一和第二构 件保持物理和电学隔离的密封装置。
16. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述偏压系统向所述第一和 第二构件施加DC偏压。
17. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述偏压系统施加AC偏压。
18. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述偏压系统连接成使得所 述导电工件充当阴极，而所述第一和第二构件充当阳极，所述偏压系统施加DC偏 压，所述DC偏压建立了足以涂布所述局部化内部区段的内表面的离子轰击能量。
19. 如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述DC偏压包括负脉冲DC 偏压。
20. 如权利要求15所述的系统，还包括被插入所述导电工件的第一开口和 第二开口中的电极结构，所述的电极结构包括与第二电极电隔离的第一电极。
21. 如权利要求20所述的系统，还包括连接到所述第一电极以施加DC偏 压的偏压系统，所述偏压系统连接到所述第二电极以施加足以支持所述局部化内部 区段中的等离子体的AC偏压。
22. 如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述局部化内部区段的调节 与所述导电工件内径相关联，以维持一种状态，即通过改变所述偏压系统便可以调 节所述局部化内部区段中的等离子体强度，其中所述状态建立了中空阴极效应。
23. 如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述偏压系统连接成使得可 以改变所述导电工件与所述第一和第二构件之间的间距。
24. —种用于均匀涂布导电工件的一个区段的内表面的系统，包括 第一和第二构件，它们被配置成插入所述工件中，以便在它们之间确定所述工件的局部化内部区段；气体源，可与所述第一和第二构件配合，以使含涂布材料的气体流入所述工件的所述局部化内部区段中；真空源，可与所述第一和第二构件配合，以对所述局部化内部区段抽真空； 用于改变所述第一和第二构件沿所述工件长度方向的位置的装置；以及 流控制系统，它被配置成用以实现涉及至少两种模式的流动循环，其中包括第一模式和第二模式，在第一模式中所述第一构件充当所述真空源的排出，而所述第二构件充当所述气体源的输入，在第二模式中所述第一构件充当所述气体源的输入，而所述第二构件充当所述真空源的排出。
全文摘要
提供了一种用于涂布工件(10)局部区域或段的内表面的方法和系统。将导电结构(12和14)插入工件的一个或多个开口中，以确定要涂布的区段。在某些实施方式中，将偏压(32)与充当阴极的工件区段连接。气体源(18)和真空源(22)通过流量控制系统(48和50)耦合到每个导电结构。该流量控制系统能使第一开口充当气体入口，使第二开口充当真空排气。只有被导电结构包围的区段才被涂布。当涂布过程完成时，利用一种沿长度方向改变导电结构的装置，以移动到要涂布的下一区段。
文档编号F16L55/00GK101133183SQ200680006853
公开日2008年2月27日 申请日期2006年3月6日 优先权日2005年3月7日
发明者A·W·图多珀, F·康崔莱斯, R·D·麦卡多, W·J·伯德曼 申请人:分之一技术公司