專利名稱：用于涂布內(nèi)表面的各區(qū)段的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及沉積系統(tǒng)，更具體說，涉及用于涂布長度極長的管道的方 法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工業(yè)管道和其他部件(如閥門和泵)的銹蝕是某些行業(yè)的主要問題。特別 是石油工業(yè)在高溫和高壓條件下面臨腐蝕性氣體和液體(如硫化氫)的嚴酷腐 蝕性環(huán)境。此外，這些條件可形成嚴重的磨損和腐蝕環(huán)境。解決這些問題的一 個辦法是用具有所需高度耐腐蝕耐磨損性能的高質(zhì)量涂料來涂布下層的基礎(chǔ) 材料。通常，這些具有此類性能的涂料有金屬涂料、陶瓷涂料、特別是類金剛 石的碳涂料?；瘜W(xué)加工工業(yè)的排廢管道常采用昂貴的專用合金如Hastelloy和Inconel(二 者都是Huntington Alloys Corporation的聯(lián)邦注冊商標)。這些合金顯示在高溫 下強度好和耐腐蝕。還有，如果在接觸腐蝕環(huán)境的內(nèi)表面上施涂合適的表面涂 料，則可采用比較廉價的基礎(chǔ)涂料?，F(xiàn)有技術(shù)的涂布方法包括化學(xué)汽相沉積法(CVD)、物理汽相沉積法(PVD)、 等離子體噴涂法、電鍍法和溶膠-凝膠法。這些方法中，就純度、粘合強度、均 勻度和其他性能而言，CVD和PVD產(chǎn)生的膜質(zhì)量最高。這兩種技術(shù)都要求專 用的真空室，使得難以用其涂布己經(jīng)完全組裝好的部件。在用輸送管、閥門、 泵或管道輸送腐蝕性材料(如石油/石化工業(yè))的情況下，必須涂布與腐蝕性材 料接觸的內(nèi)表面。對于極低壓力技術(shù)如PVD (其壓力低于或接近分子流區(qū))， 涂布內(nèi)表面僅限于大直徑和短長度(即長寬比小)的管道。同樣，由于化學(xué)反 應(yīng)需要供熱而可能損傷熱敏感基板，故CVD技術(shù)也只限于上述應(yīng)用?？刹捎?等離子體增強的CVD (PECVD)來降低反應(yīng)所需的溫度，但難以保持管道內(nèi)均 勻的等離子體狀態(tài)和防止離子源氣體隨氣體流出管道而耗盡。 等離子體浸漬的離子注入和沉積(PIIID)技術(shù)已證明可用于涂布形狀復(fù)雜的外表面。實施PIIID時間工件施加負偏壓上，如果等離子體鞘與之相容，負偏壓會將陽離子搬運到該工件。還可通過用離子轟擊工件來改進涂膜的性能如 粘合強度和膜密度。在現(xiàn)有技術(shù)的PVD和CVD腔室中，設(shè)計該室的大小尺寸應(yīng)使整個室中壓 力均勻分布而幾乎沒有不同。當所用工件是一種腔室時，人們無法控制腔室/ 工件的形狀，因此必須設(shè)計能涂布具有高長寬比(長度/直徑)工件的工藝，對 于這種的工件，從氣體入口到氣體出口的壓力會有顯著降低。本發(fā)明的方法能 以良好的均勻度涂布這種工件。能理想地夠涂布管道各區(qū)段的內(nèi)表面，然后焊 接組裝各區(qū)段管道。在這種情況下，必須涂布大長度管道的焊接區(qū)。本發(fā)明證 明有這個能力。涂布管道內(nèi)表面的方法已有敘述，在該方法中，將要施涂的源材料插入管 道中，然后通過濺射或電弧舉到管道上。例如，美國專利5026466 (授予 Wesemeyer等人)敘述的一種方法是將陰極插入管道，通過電弧將陰極材料舉 到管道內(nèi)部。美國專利4407712 (授予Henshaw等人)敘述了將含高溫蒸發(fā)金 屬源的中空陰極插入管道，通過陰極電弧將源材料從中空陰極搬移涂布到管道 的內(nèi)部表面。這種安排有幾個缺點，包括只限于大直徑的管道(由于必須把 帶有隔熱護板和冷卻管的中空陰極管插入要涂布的管道；要有復(fù)雜的裝置使陽 極和中空陰極在管道中移動；陰極電弧會產(chǎn)生大粒子。美國專利4714589 (授 予Auwerda等人)敘述了通過等離子體激活的氣體混合物沉積來涂布管道內(nèi)部 的方法，但該方法限于電絕緣的管道和涂料，和涉及沿管道外部移動微波源發(fā) 射的復(fù)雜系統(tǒng)。在管道焊接區(qū)或管道區(qū)段需要涂布的情況下，實施這些方法一般需要插入 管道內(nèi)的裝置或結(jié)構(gòu)。然后沿著管道拉動該結(jié)構(gòu)，以涂布大的區(qū)域，或者可安 置在要涂布的焊接區(qū)。例如，美國專利6699324 (授予Berdin等人)敘述了一 種方法或運載器，能在管道中移動，沿管道長度拖拉，以旋轉(zhuǎn)分布方式均勻涂 布管道內(nèi)壁。雖然該法工作得很好，但均勻涂布管道的焊接區(qū)或區(qū)段時還需要 改進。
發(fā)明概述本發(fā)明方法通過將管道分隔為較小區(qū)段，然后利用管道區(qū)段自身作為沉積 室，而能夠均勻涂布長輸送管、管道或其他工件的內(nèi)表面。本方法包括通過 工件的開口插入固體板并且將固體板定位在將要涂布區(qū)段的兩端，從而分隔要 涂布的管道區(qū)段；將該管道區(qū)段的第一塊固體板耦合到氣體供應(yīng)子系統(tǒng)以充當 入口；以及將該管道第二塊固體板耦合到抽氣泵子系統(tǒng)以充當出口。氣體從第 一分隔板(入口)流過該管道區(qū)段到第二分隔板(出口)。可通過加熱或等離 子體方法或二方法的組合來激活源氣體從而涂布工件表面。用加熱法時，可將 工件放入加熱爐中，或包裹在帶有加熱線圈的隔熱毯中而不用加熱爐。加熱技 術(shù)只可用于對熱不敏感的基板。對于熱敏感工件，必須用一定量的等離子體激 活或PECVD來降低所需的激活溫度。以PECVD為例，分隔板還起電極作用。分隔板用機械方法在比較長的工 件中移動，因此，通過從一區(qū)段移動到另一區(qū)段，本方法可用于涂布極長的工 件，或可用于涂布焊接區(qū)。在某些實施方式中，用本方法和實施本方法的系統(tǒng) 來分區(qū)涂布帶有兩個以上開口的工件。另一方面，如果氣體供應(yīng)子系統(tǒng)和抽氣 泵子系統(tǒng)都連接到一個插入該工件開口中的結(jié)構(gòu)時，這種分區(qū)段涂布方法可應(yīng) 用于單個開口的工件。本發(fā)明還可用于改變表面或亞表面的性質(zhì)，如鋼的氮化或表面的氬氣濺射 清潔。本技術(shù)不僅可用于化學(xué)汽相沉積工藝(例如，前體氣體或離子化氣體在 表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時)，而且可用于歸為物理汽相沉積的技術(shù)(即，離子轟 擊(如離子注入)工件是物理反應(yīng)而不是化學(xué)反應(yīng)用，以形成涂層或亞表面改 性)，或可用于這些技術(shù)的組合。由于應(yīng)用較廣泛和復(fù)雜性較高，本發(fā)明不同 實施方式的敘述將集中在等離子體方法上，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于比較簡單的 加熱沉積或表面處理方法。對于分區(qū)段涂布工藝的PECVD應(yīng)用，優(yōu)選調(diào)節(jié)氣體流速和泵抽氣速度， 使施加偏壓時，壓力提供了位于工件中的中空陰極環(huán)境。該壓力導(dǎo)致的電子平 均自由程稍短于管道的直徑，致使電子在管道中來回振蕩，產(chǎn)生多重離子化碰 撞和更強的等離子體。與現(xiàn)有技術(shù)即等離子體從工件外部產(chǎn)生出來的PECVD 方法相比，本方法對氣體流過管道時離子化隨之消失導(dǎo)致工件出口處涂膜沉積
較少這一點進行了改進。經(jīng)比較，由于產(chǎn)生的中空陰極貫穿整個管道區(qū)段，本 發(fā)明獲得了沿該段長度的更均勻的離子化等離子體，因此提供了更均勻的沉 積。
分區(qū)段涂布方法與現(xiàn)有技術(shù)CVD方法相比有所改進，現(xiàn)有方法中前體氣體從高長寬比工件的入口流到出口，氣體流出管道時前體氣體濃度隨之降低。 采用這些現(xiàn)有技術(shù)方法，氣體先在入口處反應(yīng)，留下較低濃度的前體氣體流向 出口。還可能形成氣體副產(chǎn)物，這進一步稀釋了反應(yīng)氣體，導(dǎo)致工件靠近出口 地方的涂膜沉積較少。這通常稱為前體氣體"耗盡"。該耗盡問題在大長度小 直徑管道時更為嚴重。相比之下，由于采用了分區(qū)段涂布法，本發(fā)明因涂布的 區(qū)段長度較短而消除了氣體耗盡問題，因此提供了更均勻的沉積。
本方法能涂布輸送管、管道、闊門、泵或幾何形狀較復(fù)雜工件的內(nèi)表面。 分區(qū)段涂布顯著減少了涂層厚度從一端到另一端逐漸降低的可能性。這種可能 性是由于隨著涂料從等離子體抽吸到工件的內(nèi)表面上，等離子體中的涂料密度 逐漸降低所致。
按照本發(fā)明的一個實施方式，產(chǎn)生傳統(tǒng)的DC或AC等離子體來形成涂層。 將第一塊導(dǎo)電板通過工件的開口插到要涂布區(qū)段的"前部"。該板耦合到氣體 源以充當入口，同時將第二塊分隔板通過該工件的第二開口插入并耦合到真空 源以充當出口。 一個伸出的可回縮絕緣密封件提供了工件與隔板之間的真空氣 密密封以及電隔離。連接在導(dǎo)電板之間的一個偏壓系統(tǒng)，可施加DC或AC偏 壓。在此種結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)電板受到偏壓而工件則不。含涂料的氣體從入口通過工 作區(qū)段流到出口以便實現(xiàn)工作區(qū)段的涂布。當涂布過程完成時，使工作區(qū)段的 內(nèi)部與大氣相通，縮回真空密封件，把隔板移到待涂布的下一區(qū)段或焊接區(qū)。
在本發(fā)明的其他實施方式中，工件作為陰極被加上偏壓，導(dǎo)電板作為陽極 也被加上偏壓。如前所述，將導(dǎo)電板插入工件的開口中，伸出真空密封件，并 且連接偏壓系統(tǒng)。在該情況下，相對于導(dǎo)電板(陽極)，偏壓系統(tǒng)向工件(陰 極)施加負的DC偏壓。在其他實施方式中，隔板不導(dǎo)電，而將導(dǎo)電電極插入隔板的開口中。連接 偏壓系統(tǒng)，以使工件偏壓成陰極并使導(dǎo)電電極偏壓成陽極。在該實施方式中， 陽極和工件之間的間距可改變。
在其他實施方式中，所述偏壓系統(tǒng)可以施加脈沖DC偏壓。施加的負脈沖DC電壓具有選自以下的工作循環(huán)，(1)當該電壓是"接通"時，向工件施加 負電壓，使源氣體陽離子被吸到(工件)內(nèi)表面并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而涂布工件內(nèi) 表面，(2)當電壓是"斷開"時，工件內(nèi)部的源氣體陽離子得到足夠補充以 提供內(nèi)表面的均勻涂布性。如果涂料是絕緣體，則工作循環(huán)的"斷開"狀態(tài)可 包括反電壓，它足以消耗工件內(nèi)表面涂層所產(chǎn)生的表面電荷。當工件包括至少兩個開口時，可將導(dǎo)電板插入每個開口，以包圍所需長度 的分區(qū)段，通過密封件使導(dǎo)電板與工件物理隔離和電隔離。在本發(fā)明的另一個實施方式中，用"流動循環(huán)涂布"來進一步改進均勻性 或增加可涂布區(qū)段的長度，從而減少總的涂布時間。在該方法中，將氣體供應(yīng) 源和抽氣泵供應(yīng)源連接到兩個分區(qū)段隔板并提供關(guān)閉閥門，可根據(jù)要求使氣體 通過任何一隔板引入或泵出。在第一輪涂布中，氣體通過"入口"隔板引入， 從"出口"隔板泵出；在第二輪，反向流動。不同長寬比工件的這些循環(huán)涂 布的速度和重復(fù)次數(shù)可以不同。附圖的簡要說明

圖1是本發(fā)明一個實施方式涂布裝置的功能圖。 圖2是本發(fā)明第一實施方式的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)底視圖。 圖3是本發(fā)明涂布裝置第二實施方式的功能圖。 圖4是本發(fā)明第二實施方式的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的底視圖。 圖5是本發(fā)明第三實施方式涂布裝置的功能圖。 圖6是本發(fā)明第四實施方式電極結(jié)構(gòu)的底視圖。 圖7是實施本發(fā)明的步驟流程圖。發(fā)明詳述圖1是導(dǎo)電工件10，長度很長，例如長度對直徑之比大于50:1。該導(dǎo)電工 件可以是許多區(qū)段焊接在一起的組裝件，形成長度很長的輸送管，但也可以是 單根高長寬比物件。通常，將輸送管的各區(qū)段(已經(jīng)涂有涂料具有均勻的涂層) 焊接在一起。焊點和焊點周圍區(qū)域由于焊接過程損壞了涂層而需要耐腐蝕涂布。將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12和14插入工件開口 (未示出)并且設(shè)法插入焊點16部位 或附近。將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12與氣體供應(yīng)子系統(tǒng)18通過可彎曲的氣體供應(yīng)管線20 相連接。將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)14通過可彎曲的抽氣泵管線24與抽氣泵子系統(tǒng)連接。將 氣體供應(yīng)和抽氣泵管線用本領(lǐng)域公知的方法通過真空氣密封件與開口 26連接 (圖2)。氣體供應(yīng)和抽氣泵管線通過絕緣件30與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)電隔離(也見圖2)。 容易得到的無毒含碳氣體(如甲垸或乙炔)由第一氣體供應(yīng)容器40提供。利 用該氣體在工件10的內(nèi)側(cè)形成金剛石樣碳(DLC)涂層。氬氣(或其他濺射氣體) 由第二氣體容器42提供，用于輸送管表面的等離子體"預(yù)清潔"，并使氬氣 和含碳氣體混合。將導(dǎo)電輸送管或"工件"10與脈沖DC電源32連接，施加脈沖負偏壓。 利用該負偏壓(1)在陰極和陽極之間產(chǎn)生等離子體，(2)將離子化反應(yīng)氣 體拉到待涂布表面，(3)對涂膜進行離子轟擊以改善涂膜的性能(如密度和 抗應(yīng)力水平)，(4)通過調(diào)節(jié)工作循環(huán)來控制均勻度，補充源氣體并消除該 輪循環(huán)"斷開"期間涂布過程產(chǎn)生的表面電荷。此時工件10起著陰極功能， 而導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12和14連接到脈沖DC發(fā)生器的陽極側(cè)作為陽極經(jīng)受偏壓。導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)安裝在絕緣滾筒34上。可縮回的真空密封件36 (見圖2)圍繞著該導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)。伸出時該真空密封件使導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(陽極)與輸送管電隔離，并使待涂布 的輸送管區(qū)段38與該輸送管的其余部分物理隔離。伸出真空密封件36時，工件10的局部區(qū)段38與該工件的其余部分隔離。 用抽氣泵子系統(tǒng)22使該區(qū)段變成低壓區(qū)，用DC脈沖電源32向輸送管10施加 負偏壓，使它發(fā)揮陰極功能。即使整個輸送管10作為陰極經(jīng)受偏壓，等離子 體也只在該輸送管(工作區(qū)段38)的內(nèi)部產(chǎn)生，該區(qū)段處在導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12和14 之間，因為輸送管內(nèi)部只有該部分處于低壓區(qū)并符合激發(fā)產(chǎn)生等離子體的間距 與壓力要求。還有，輸送管的該區(qū)段是接觸反應(yīng)氣體的唯一區(qū)域。因此，只有 輸送管該區(qū)段的內(nèi)表面將被涂布。如圖1所示，當氣體入口閥門打開時，通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12中的開口 26引入 前體氣體。質(zhì)流控制器44和46可控制流入工作區(qū)段38中的氣體量。施加電 壓使源氣體離子化成為等離子體。將氣體所含離子拉到工作區(qū)段38 (陰極)的
內(nèi)表面形成涂層。未利用的氣體和副產(chǎn)物被泵22抽氣通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)14的開口 26排出。用泵節(jié)流閥48控制氣體流出工作區(qū)段38的流速，可獨立窯該工作區(qū) 段中的氣體量和壓力，以進一步優(yōu)化涂層的均勻性。在涂布過程完成后，使工 作區(qū)段38處于大氣壓下?？s回可回縮的真空密封件36，用可彎曲管線64和絕 緣滾筒34將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12和14移動到待涂布的下一區(qū)段或焊點。在另一實施方式中，DC脈沖電源32用AC電源代替以產(chǎn)生等離子體。氣 體的引入以及流速和壓力的控制如前所述進行。當考慮通過具有高長寬比(長度對直徑)的工件10所需要的流速和壓力 時，如果內(nèi)截面是帶有層流的圓形長管，可應(yīng)用Poiseuille方程式(Q/P,-P2) = (;rr4P)/(8/7l)此式中Q是物料通過量(壓力x體積流速)，r是通路半徑，l是通路長 度，7是黏度，P,是工件開口處對源氣體的壓力，P2是工件處對排氣管或泵的 壓力，P是平均壓力(P,+P2/2)。在該方程式中，隨著d變小，d以4次方升高， 導(dǎo)致Q顯著降低和壓力梯度(P, _ P2)增高。增加長度與降低r的影響相同， 但程度較弱。沉積速度與壓力成正比。由于工件10入口 (與出口相比)壓力變得更高， 和因為物料通過量受限制，隨著長寬比的增加涂層的均勻度將逐漸變得更差。 通過涂布具有可接受長寬比的工件10的較小區(qū)段38和減少從入口到出口的壓 力落差，本發(fā)明克服了涂布高長寬比工件10均勻度不良的問題。如此逐段涂 布直到涂完整個工件IO或輸送管。在另一實施方式中(見圖3)，利用流量控制閥52， 54, 56， 58來實施"流 動循環(huán)涂布"技術(shù)。在該實施方式中，將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12和14各自通過可彎曲的 管線64與氣體供應(yīng)和抽氣泵連接。該可彎曲的管線用絕緣件66與導(dǎo)電結(jié)構(gòu)隔 離，見圖4。如以上實施方式所述，通過脈沖DC電源32，工件10作為陰極經(jīng) 受偏壓，將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)作為陽極經(jīng)受偏壓。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)插入工件的開口形成工作區(qū) 段38。當流量控制閥52和58打開，而流量控制閥54和56關(guān)閉時，進行第一 輪流動循環(huán)涂布。打開氣體入口閥門50時引入氣體。工作區(qū)段38內(nèi)表面的第 一層涂層傾向于在朝向第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)12處比較厚而朝向第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)14處比 較薄。當關(guān)閉流量控制閥52和58并打開流量控制閥54和56時，使氣流反向 流動進行第二輪涂布。在第二輪涂布過程中，涂層在朝向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)14處比較 厚而在朝向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)12處比較薄，從而形成均勻的涂層。在某些應(yīng)用中，可重復(fù)第一輪涂布和第二輪涂布，以在工作區(qū)段38內(nèi)表面的整個長度上形成更均勻的涂層。優(yōu)選包括一個壓力控制器60來調(diào)節(jié)某些參數(shù)。該控制器從光探頭和蘭格繆爾探頭(未顯示)接受信息，如下安置探頭光探頭的視線進入等離子體而蘭格繆爾探頭與等離子體接觸。這2個探頭能傳感等離子體密度和產(chǎn)生表示強度水平的信息。壓力控制器可利用此信息確定可調(diào)節(jié)的流量控制闊56和58的合適設(shè)置水平。該設(shè)置應(yīng)在工作區(qū)段38中建立一種狀態(tài)，使電子平均自由程稍短于該工件區(qū)段的內(nèi)徑，而通過"中空陰極"效應(yīng)產(chǎn)生電子振蕩和增強離子化碰撞。因此在該工作區(qū)段中產(chǎn)生更強的等離子體。因為電子平均自由程隨壓力的降低而增長，因此隨輸送管直徑的增大壓力必然降低。例如，1/4英寸(6.35厘米)直徑輸氣管線在大約200毫托壓力下可產(chǎn)生中空陰極等離子體，而4英寸(101.6厘米)的抽氣泵管道在大約12毫托即可產(chǎn)生等離子體。這些都是一些大概的數(shù)值，顯示直徑越大壓力越低的一般趨勢，但是可以顯著改變壓力范圍的這些數(shù)值仍保持中空陰極等離子體。以等離子體一激活涂布工藝為例，特別是當產(chǎn)生中空陰極等離子體時，等離子體的密度取決于壓力/直徑比。 一種典型的現(xiàn)有技術(shù)等離子體密度最大約1E10離子/厘米3或約10%離子化(離子化氣體/總氣體粒子x 100)。通過用中空陰極等離子體，此技術(shù)的等離子體密度能達到高達1E12離子/厘米3。這提供了許多優(yōu)點，包括沉積速度較高，涂膜質(zhì)量改進，和等離子體鞘薄，使離子能量不會由于穿鞘碰撞而損失。如果我們對一個平面二極管結(jié)構(gòu)根據(jù)Child定律假設(shè)等離子體鞘s， s = 0.4714 x LDe(2V/Te)，其中LDe (^。IVeni)是德拜長度，ni是電子和離子密度，Te是電子溫度/電子伏特，s。是自由空間的電容率，e是一個電子的電荷或1.6E-19C， V是偏壓電壓。對于典型的1E10離子/厘米3的等離子體密度和Te =3eV，施加的偏壓為IOOOV時，s (標準密度)=0.8厘米。假設(shè)參數(shù)相同和中空陰極等離子體密度為1E12離子/厘米3時，則3(中空陰極)=0.08厘米。在典型的PECVD壓力為IOO毫托時，N2的平均自由程;i大約是0.5厘米，這樣對
于標準密度等離子體(因為A〈S)，離子將在鞘內(nèi)碰撞，不會帶著全部等離子 體能量(即以大約所施加的偏壓)到達基板。但用中空陰極等離子體，鞘內(nèi)沒有碰撞。因此，要將中空陰極技術(shù)用于PECVD時需要精確控制離子能量，如 DLC。由于壓力對等離子體密度的作用，這些類型的工藝，還需要控制整個工 件中壓力。采用中空陰極時如果沿工件的壓力梯度大，等離子體密度將沿輸送管10 的長度改變。這不僅會影響沉積速度，還會影響涂膜質(zhì)量。例如，對于金剛石 樣碳膜的沉積，己知100eV離子能量產(chǎn)生的碳結(jié)合形成金剛石(sp3)程度高。如 果離子未達到此能量，就將結(jié)合形成石墨(sp2)。如果沿管長的壓力遞降太大， 則朝向管道末端的等離子體密度下降(假定中空陰極在管道入口處的壓力/直徑 已優(yōu)化)，而且等離子體鞘將變得更大。當?shù)入x子體鞘變得大于氣體的平均自 由程時，由于離子受到所施加的偏壓加速穿鞘而碰撞將失去能量。在這種情況 下，管道出口處將形成質(zhì)量差的石墨樣膜，而入口出處將形成高質(zhì)量的金剛石 樣膜。通過選擇待涂布管道區(qū)段的長度，可最大程度減少由于壓力變化所產(chǎn)生 的中空陰極等離子體密度變化導(dǎo)致的膜質(zhì)量變化，本分區(qū)段涂布方法消除了膜 質(zhì)量的這種變化。離子化程度或等離子體強度對于PIID技術(shù)的效果至關(guān)重要，因為只有加 速的離子化氣體才能穿過等離子體鞘進入工作區(qū)段38中。中空陰極的作用提 供了比其他已有的DC或RF等離子體更強的等離子體。可獲得這種強度增強 而沒有其他產(chǎn)生強等離子體裝置，如電磁或微波等離子體產(chǎn)生源的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。 該方法也不需要隔離加熱工件10。如圖示，將計算機控制軟件62與氣體供應(yīng) 子系統(tǒng)18和壓力控制器60相連接。此外，該計算機控制軟件能產(chǎn)生控制信號 并通過界面電纜68將信號傳輸給脈沖DC電源32來調(diào)節(jié)操作。在進一步的實施方式中，如圖5和圖6所示，電極結(jié)構(gòu)70已插入工件10 中形成工作區(qū)段38。該電極結(jié)構(gòu)包括RF電極72和DC陽極74?？蓮澢牡?氣體供應(yīng)管線和真空供應(yīng)管線64也與該電極結(jié)構(gòu)相連。RF電極和DC陽極通 過圓形絕緣件76互相隔離，這在圖6中可看得更清楚。如以上實施方式所述， 可回縮的密封件36圍繞該電極結(jié)構(gòu)，將其與工作區(qū)段分開。在本實施方式中，RF電源78與RF電極相連，見圖6。 DC陽極74與脈
沖DC電源32相連。這種安排能夠通過改變RF電源的功率、偏壓、振幅和頻 率在工作區(qū)段38中產(chǎn)生等離子體并予以控制。另一優(yōu)點是對于間隔時間長的 DC脈沖，雖然高密度中空陰極等離子體是由DC脈沖產(chǎn)生的，但由于它通過 提供RF而維持，不需要每次脈沖都重新激發(fā)產(chǎn)生等離子體。實施些方法也可 采用電極72之間的其他頻率偏壓，如脈沖DC或低頻AC信號。也可只向電極 72施加偏壓，不向該部分施加偏壓來實施。這提供了產(chǎn)生內(nèi)部等離子體進行涂 布的簡單方法，不需要向基板施加偏壓進行離子轟擊。該電極結(jié)構(gòu)的移動可按 以上實施方式所述進行。本發(fā)明工藝流程的一個實施方式參見圖2和圖7來敘述。在步驟80，將工 件10安裝在管道系統(tǒng)的其他部件上，這樣在內(nèi)部涂布過程完成后不需要加熱 該工件。因此完成與該工件有關(guān)的所有的焊接步驟后即可對工作區(qū)段38內(nèi)部 實施涂布。如前所述，顯示的該工件為管道的一個組件或部件，但也可以是單 一區(qū)段。在步驟82，將傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)12和14安置在第一焊接區(qū)段。預(yù)清潔氣體可以是 從第一氣體供應(yīng)容器42引入的濺射氣體如氬氣?？稍谄虮?壓力)低至1x10-3 托，或優(yōu)選低至lxlO托后開始預(yù)清潔。當通過電源32施加負DC脈沖時，工 件內(nèi)表面上的污物被濺射氣體除去。在某些應(yīng)用中可采用注入碳的任選步驟84。碳注入可在工作區(qū)段38材料 (如不銹鋼)中形成一層亞表面碳層。該層改善了對DLC和其他材料的粘合 性能。碳注入應(yīng)在比涂布過程其他步驟更高幅度的偏壓下進行。合適的偏壓是 超過5kV的偏壓。對于小直徑管道，此步驟必須小心，不讓等離子體鞘的大小 變得大于工作區(qū)段38的半徑?；蛘?，在步驟84可引入含硅的前體如與甲垸混合的硅烷或四甲基硅垸， 以在金屬基板(工作區(qū)段38)與純DLC涂層之間形成含硅的DLC粘合層。該 層將形成與基板結(jié)合的強金屬一硅化物以及與DLC涂層結(jié)合的強硅一碳化物， 為該涂層提供強粘合力。碳注入不需要的高偏壓電壓。大約lkV的偏壓電壓足 夠。在任選的注入步驟84之后，步驟86中將至少一種前體氣體引入工作區(qū)段 38中?？山邮艿那绑w包括甲烷、乙炔或甲苯。在該工藝步驟中降低DC脈沖電
壓以提供薄膜沉積而不是注入。DC脈沖電壓的施加見圖7的步驟88。在涂布 步驟過程中，可將氬氣與含碳前體氣體混合，如步驟90所示。
在步驟92，涂布過程中可動態(tài)調(diào)整涂布參數(shù)。計算機控制軟件62和壓力 控制器60可利探頭所提供的信息，將各種參數(shù)保持在其允許的范圍內(nèi)。因此， 可按需要調(diào)節(jié)決定工作區(qū)段38內(nèi)部壓力的因素，或者如果需要，也可調(diào)節(jié)脈 沖偏壓的幅度和工作循環(huán)。
完成第一輪工作循環(huán)后，在步驟94進行反向氣流循環(huán)涂布。可重復(fù)工藝 流程步驟80-94，以確保不同直徑和不同長度的工作區(qū)段38都均勻涂布。涂布 過程完成后，將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)重新安置在下一區(qū)段。
原則上，具有所需硬度和抗腐蝕性能的任何金屬、陶瓷、或DLC涂料(如 TiN，CrN等)都可使用。但是，本領(lǐng)域所應(yīng)用的涂料采用無毒氣體。在優(yōu)選的 實施方式中采用DLC前體氣體如甲烷、乙炔或甲苯作源氣體。已證明DLC能 提供硬的、抗腐蝕和低摩擦涂層。涂膜的性能可通過調(diào)節(jié)涂膜中sp3(金剛石)、 sp2 (石墨)和spl (線形)的鍵合雜化(交聯(lián))定制。氫含量也會影響膜的性 能。通常，最高的sp3比例(最像金剛石)獲自甲垸，但與較高碳含量分子相 比，這也會降低沉積速度，產(chǎn)生較高的壓縮應(yīng)力，從而膜厚度限5000A。乙炔 也可提供高sp3含量，沉積速度比甲垸高，但要提高偏壓以補償較大尺寸的分 子。將某些摻雜物(如硅或氧化硅)添加到DLC基質(zhì)中會改善熱穩(wěn)定性并降低壓縮應(yīng)力?？蓪⒂袡C前體氣體，如六甲基二硅氧烷(C6Hn)Si20)與碳氫前體氣體混合以引入這些摻雜物。
因此膜的性能可通過選擇前體氣體予以裁定制，或可分層沉積膜。例如， 如果一加工(如非常粗糙的焊接)需要厚的沉積涂層，可改變上述過程先沉 積薄的甲烷一基礎(chǔ)層，接著用較高沉積速度，較低應(yīng)力前體氣體(如甲苯)， 或通過較高能量離子轟擊，以增加粘合力并降低應(yīng)力。就給定的工藝而言，可 優(yōu)化對給定的前體和鍵合雜化交聯(lián)，膜所需的機械、電、或光學(xué)性能及沉積速 度和應(yīng)力的平衡。
本方法的一個優(yōu)點是，可利用前述PIID方法的離子轟擊長處來改善膜的 粘合力和密度。這在優(yōu)選的實施方式中可通過對工作區(qū)段38 (相對于導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 12和14上的陽極)施加負的脈沖DC偏壓來實現(xiàn)。由于DLC涂層是絕緣層，
應(yīng)用短脈沖(1-20毫秒)來防止在涂層上產(chǎn)生過量的正電荷。當循環(huán)斷開等離 子體鞘坍塌時，電荷得到補償。用該工作區(qū)段中中空陰極產(chǎn)生的高能陽離子轟 擊涂層表面。離子的能量可通過施加電壓的幅度和壓力(較高的壓力導(dǎo)致較多 的碰撞，給定電壓產(chǎn)生的能量較低)進行控制。另一個優(yōu)點是，此多步驟工藝可用來定制沉積在工作區(qū)段38內(nèi)表面的膜質(zhì)量。在該方法的第一個歩驟，抽氣泵壓力降至lxl(^托后，也可以通過引入濺射氣體如氬氣來預(yù)清潔工作區(qū)段的表面。工作區(qū)段內(nèi)表面的污物在施加負DC脈沖時被濺射氣體清除。進行第二步驟可用碳注入，在鋼上形成亞表面碳 層。該層改善了 DLC的粘合力。這可通過將偏壓的幅度增加到大于5kV來完 成。對于小直徑的管道，此這個步驟必須小心，不讓等離子體鞘的大小超過管道的半徑。對于最小半徑的圓筒，等離子體鞘不重疊的公式如下<formula>formula see original document page 16</formula>此式中，V是電壓幅度，n是等離子體密度。在工作區(qū)段38上形成粘合層 的另一種方法是沉積能與該工作區(qū)段又能與涂層形成強力結(jié)合的材料。以金屬 工作區(qū)段和DLC涂料為例，該粘合層可以是含硅的DLC層，可通過引入含硅 前體氣體如四甲基硅烷來獲得。此時，不需要碳注入所需的髙偏壓電壓。注入后，用上述的甲烷、乙炔或甲苯前體氣體完成DLC沉積步驟。在該 工藝步驟中降低DC脈沖電壓來提供薄的膜沉積而不是注入(如100V-10kV)。 在這些涂布步驟過程中，也將氬氣與含碳前體氣體混合。均勻度還是通過DC 脈沖的工作循環(huán)來控制，當脈沖中斷時，補充工作區(qū)段中的源氣體。本領(lǐng)域技 術(shù)人員將認識到，均勻度也可通過選擇氣流速度和泵送速度來控制。1權(quán)利要求
1.一種用于改變工件局部區(qū)域的內(nèi)表面的方法，包括在所述工件中創(chuàng)建一種支持所述內(nèi)表面改性的內(nèi)部環(huán)境，包括降低所述工件內(nèi)的壓力；將氣體釋放結(jié)構(gòu)安置在所述工件的一個開口內(nèi)，所述氣體釋放結(jié)構(gòu)耦合到氣體源并且可沿所述工件長度方向改變其位置；通過所述氣體釋放結(jié)構(gòu)將含表面改性材料的氣體引入到所述工件中。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括當暴露于所述含表面改性材料的氣 體時加熱所述工件以提高用于改變所述內(nèi)表面的條件。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述內(nèi)部環(huán)境的創(chuàng)建包括將第 一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)插入所述工件的所述開口中并且將第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)插入所述工件的第二 開口中，所述第一和第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)通過密封器件與所述工件保持物理和電學(xué)隔離。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，還包含將偏壓系統(tǒng)連接到所述第一和第二導(dǎo) 電結(jié)構(gòu)，以提供與在所述內(nèi)部環(huán)境中通過等離子體來改變所述內(nèi)表面這一過程相一 致的電學(xué)條件。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，連接所述偏壓系統(tǒng)包括提供 DC偏壓。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，連接所述偏壓系統(tǒng)包括提供 AC偏壓。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，還包括改變所述第一和第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)沿所述 工件長度方向的位置，所述改變與所述氣體釋放結(jié)構(gòu)沿所述工件長度方向重新定位 這一過程相一致。
8. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，安置所述氣體釋放結(jié)構(gòu)包括提 供導(dǎo)電工件。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，還包括連接偏壓系統(tǒng)，使得所述導(dǎo)電工件充 當陰極且所述第一和第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)充當陽極，所述偏壓系統(tǒng)提供DC偏壓，所述 DC偏壓建立了足以改變所述導(dǎo)電工件內(nèi)表面的離子轟擊能量。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，連接所述偏壓系統(tǒng)包括向所述 導(dǎo)電工件提供負脈沖DC偏壓。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將電極結(jié)構(gòu)插入所述導(dǎo)電工件的所述 開口和第二開口，所述電極結(jié)構(gòu)包括與第二電極電隔離的第一電極。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，還包含利用所述偏壓系統(tǒng)向所述第一電極提 供DC偏壓，以便建立足以改變所述導(dǎo)電工件內(nèi)表面的離子轟擊能量，連接所述偏 壓系統(tǒng)還包括使所述電極結(jié)構(gòu)中的所述第二電極經(jīng)受偏壓，以便在所述導(dǎo)電工件的 內(nèi)部環(huán)境中提供足以支持等離子體的AC偏壓。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，還包括調(diào)節(jié)與所述導(dǎo)電工件的內(nèi)徑有關(guān)的所 述內(nèi)部環(huán)境，以維持一種狀態(tài)，即通過改變所述偏壓系統(tǒng)便可以調(diào)節(jié)所述內(nèi)部環(huán)境 之中的等離子體強度，其中所述狀態(tài)建立了中空陰極效應(yīng)。
14. 一種用于均勻涂布導(dǎo)電工件一個區(qū)段的內(nèi)表面的系統(tǒng)，包括 第一和第二構(gòu)件，它們被配置成插入所述工件中以便在它們之間確定所述工件的局部內(nèi)部區(qū)段；氣體源，可與所述第一和第二構(gòu)件配合，以使含涂布材料的氣體流入所述工 件的所述局部內(nèi)部區(qū)段；真空源，可與所述第一和第二構(gòu)件配合，以對所述局部內(nèi)部區(qū)段抽真空；以及用于改變所述第一和第二構(gòu)件沿所述工件長度方向的位置的裝置。
15. 如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，偏壓系統(tǒng)與所述第一和所述 第二構(gòu)件相連，所述第一和第二構(gòu)件具有用于使所述導(dǎo)電工件與所述第一和第二構(gòu) 件保持物理和電學(xué)隔離的密封裝置。
16. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏壓系統(tǒng)向所述第一和 第二構(gòu)件施加DC偏壓。
17. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏壓系統(tǒng)施加AC偏壓。
18. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏壓系統(tǒng)連接成使得所 述導(dǎo)電工件充當陰極，而所述第一和第二構(gòu)件充當陽極，所述偏壓系統(tǒng)施加DC偏 壓，所述DC偏壓建立了足以涂布所述局部化內(nèi)部區(qū)段的內(nèi)表面的離子轟擊能量。
19. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述DC偏壓包括負脈沖DC 偏壓。
20. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括被插入所述導(dǎo)電工件的第一開口和 第二開口中的電極結(jié)構(gòu)，所述的電極結(jié)構(gòu)包括與第二電極電隔離的第一電極。
21. 如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述第一電極以施加DC偏 壓的偏壓系統(tǒng)，所述偏壓系統(tǒng)連接到所述第二電極以施加足以支持所述局部化內(nèi)部 區(qū)段中的等離子體的AC偏壓。
22. 如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述局部化內(nèi)部區(qū)段的調(diào)節(jié) 與所述導(dǎo)電工件內(nèi)徑相關(guān)聯(lián)，以維持一種狀態(tài)，即通過改變所述偏壓系統(tǒng)便可以調(diào) 節(jié)所述局部化內(nèi)部區(qū)段中的等離子體強度，其中所述狀態(tài)建立了中空陰極效應(yīng)。
23. 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述偏壓系統(tǒng)連接成使得可 以改變所述導(dǎo)電工件與所述第一和第二構(gòu)件之間的間距。
24. —種用于均勻涂布導(dǎo)電工件的一個區(qū)段的內(nèi)表面的系統(tǒng)，包括 第一和第二構(gòu)件，它們被配置成插入所述工件中，以便在它們之間確定所述工件的局部化內(nèi)部區(qū)段；氣體源，可與所述第一和第二構(gòu)件配合，以使含涂布材料的氣體流入所述工件的所述局部化內(nèi)部區(qū)段中；真空源，可與所述第一和第二構(gòu)件配合，以對所述局部化內(nèi)部區(qū)段抽真空； 用于改變所述第一和第二構(gòu)件沿所述工件長度方向的位置的裝置；以及 流控制系統(tǒng)，它被配置成用以實現(xiàn)涉及至少兩種模式的流動循環(huán)，其中包括第一模式和第二模式，在第一模式中所述第一構(gòu)件充當所述真空源的排出，而所述第二構(gòu)件充當所述氣體源的輸入，在第二模式中所述第一構(gòu)件充當所述氣體源的輸入，而所述第二構(gòu)件充當所述真空源的排出。
全文摘要
提供了一種用于涂布工件(10)局部區(qū)域或段的內(nèi)表面的方法和系統(tǒng)。將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(12和14)插入工件的一個或多個開口中，以確定要涂布的區(qū)段。在某些實施方式中，將偏壓(32)與充當陰極的工件區(qū)段連接。氣體源(18)和真空源(22)通過流量控制系統(tǒng)(48和50)耦合到每個導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。該流量控制系統(tǒng)能使第一開口充當氣體入口，使第二開口充當真空排氣。只有被導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包圍的區(qū)段才被涂布。當涂布過程完成時，利用一種沿長度方向改變導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的裝置，以移動到要涂布的下一區(qū)段。
文檔編號F16L55/00GK101133183SQ200680006853
公開日2008年2月27日 申請日期2006年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月7日
發(fā)明者A·W·圖多珀, F·康崔萊斯, R·D·麥卡多, W·J·伯德曼 申請人:分之一技術(shù)公司