[发明专利]等离子体增强的真空汽相淀积系统,包括使固体蒸发,产生电弧放电,以及测量电离和蒸发的系统

说明书

本发明一般来说涉及衬底的真空汽相淀积敷层，和在真空汽相淀积中所涉及的方法和系统。更具体地说，本发明涉及由固体源例如硅来产生高度活性的和激励等离子体增强的蒸气，和在连续操作的高速敷层系统之内的等离子体的应用。

等离子体增强的蒸气可以用于淀积到塑料制品上，特别是用于在塑料瓶上淀积玻璃状敷层。与现有技术敷层比较，该敷层提供增强的气体屏障和较好的粘附，并且适合于增压容器，其表面挠曲并且伸展，并且其内部压力作用在外部敷层上。蒸气的主要成分通过在蒸发源中使一种或多种固体蒸发而产生，并且敷层的淀积可以和活性气体或气体一起应用，以提供希望的敷层透明或着色。此外，它可以通过使用多于一种的蒸发源和不同熔点的固体来产生。

因为塑料制品的各种特性，例如低成本、轻重量、柔软性、耐破损及容易制造和成形，所以这些制品的商业应用经历了发展过程。然而，塑料还具有相对低的耐磨损，和例如对水、氧和二氧化碳的蒸气渗入具有较差的阻挡特性的缺点。在食品包装应用中，阻挡特性的限制制约了塑料的使用。例如，在饮料瓶的情况下，不适当的阻挡特性限制了某些市场上要求的较小瓶的使用。这个问题的解决办法包括使用高阻挡塑料和各种类型的敷层，但是它们或不经济，或提供不适当的阻挡改进，或增加已知再循环过程的费用。

对于在塑料上施加敷层，已经研制了一些方法，但是这些方法主要用于塑料膜。研制了相对少的方法，它们允许在预制塑料容器，例如PET瓶上经济地应用玻璃状敷层，其中对敷层的阻挡性能的要求由于瓶壁的挠曲、所述壁在压力下的伸展、和由于瓶内压力所引起的分层力而增加。并且，大多数方法是基于批量生产原则，并且存在非常少的方法，它们能应用于连续进行的处理。

由Plester等人在1997年3月14日提交的U.S.Patent ApplicationSerial No.08/818,342，和1998年3月13日提交的PCT InternationalApplication PCT/US98/05293，叙述了阳极电弧的使用，以对饮料瓶外部敷层，并且它们的公开内容在此全部参考引入。阳极电弧系统还由Ehrich等人在U.S.Patent 4,917,786、5,096,558和5,662,741中公开，它们的公开内容在此也参考引入。

如现有技术所述的基本阳极系统具有下列缺点：

a)当蒸发材料是粉末或颗粒/碎屑形状时，坩埚蒸发材料含量例如硅不能连续地补充。

b)从坩埚放出的蒸气量部分地取决于坩埚的蒸发材料的填充度。由于坩埚填充度是一个连续不断地改变的变数，所以这样可能引起控制问题。

c)从坩埚放出的蒸气量在不同角位移处的分布，也部分地取决于坩埚的蒸发材料的填充度。这样对于几个制品同时敷层来说，难以使用坩埚放出的蒸气，而不使这些制品将会全部接收不同敷层量的危险。

d)坩埚的唇缘受到阳极电弧的侵蚀。这样不仅提出维护问题，而且还意味坩埚的材料因此可能包括在敷层组成中，从而降低了敷层的性能。例如，保持硅的坩埚通常由碳构成，它被阳极电弧侵蚀和蒸发，并且碳蒸气可以自由地形成希望硅或二氧化硅敷层中的沾染物。

e)所述坩埚唇缘侵蚀还影响放出的蒸气量，和该蒸气在坩埚周围以不同角位移的分布。

f)即使在坩埚独立地加热的情况下(而不是有意地由阳极电弧加热)，阳极电弧也表现为第二的和不受控制的加热源。这个第二加热源部分地影响放出的蒸气量，而不管坩埚的独立加热系统的任何控制装置。这样使得蒸发速度的过程控制困难，而蒸发速度是一个重要的参数。

g)阳极电弧使等离子体激励，但是由于这个电弧的能量的不受控制和未知的部分被坩埚中的材料蒸发所耗散，这样使得等离子体增强的临界参数的控制困难。

h)由于阳极电弧的能量的一部分不注意地引起蒸发，所以即使在具有独立坩埚加热的阳极电弧系统中，这样也限制了可用于等离子体增强的能量。

i)考虑到一方面使坩埚加热，而另一方面提供冷却阳极连接的矛盾需要，使用独立坩埚加热的阳极电弧系统在坩埚周围具有复杂设计。这样会带来附加成本和复杂性，过大加热系统和能量浪费，以及由于阳极连接的冷却效应，在关闭时导致坩埚损坏。