[发明专利]高纵横比的空心制品内部的化学气相沉积

说明书

技术领域

总体上，本发明涉及镀覆工艺，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，该专利被转让给本发明的受让人。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。