專(zhuān)利名稱(chēng)：等離子體輔助增強(qiáng)涂覆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增強(qiáng)的等離子體輔助涂覆的方法和裝置，尤其涉及利用具有等離子體催化劑的電磁輻射激發(fā)等離子體和被激發(fā)的涂覆材料來(lái)涂覆一個(gè)或多個(gè)物體。
背景技術(shù)：
常規(guī)的等離子體輔助涂覆處理一般包括在局部真空中激發(fā)等離子體，例如，在磁控管或者射頻濺射沉積期間進(jìn)行。在一些情況下，由于濺射沉積腔的固定形狀和尺寸以及保持真空密封需要，材料處理的靈活性受到限制。在涂覆大型部件時(shí)需要有大的容器，但是這種容器很難維持可靠的真空，這就會(huì)大大增加成本而降低處理速度。因此，在等離子體輔助涂覆處理中真空的完整性和物體的尺寸會(huì)影響效率和產(chǎn)量。
另一種等離子體輔助涂覆方法是等離子體噴濺沉積。在這種方法中，據(jù)報(bào)道材料是通過(guò)在表面上復(fù)合成熔化材料的“片層”構(gòu)造而沉積在表面上。等離子體的熱量熔化或者氣化從噴嘴噴射的等離子體的噴射軌道射入的材料，并且該材料高速撞擊到工件的表面。據(jù)報(bào)道在這種方法中的典型涂覆是熱障涂覆和氧化涂覆。然而，當(dāng)涂覆具有凸出或凹下表面特征的物體，或者具有如齒輪或風(fēng)機(jī)葉片的復(fù)雜形狀的物體時(shí)，物體必須位于由聚焦噴嘴產(chǎn)生的等離子體的噴射軌道中并且適當(dāng)?shù)匦D(zhuǎn)。并且，等離子體噴射沉積一般需要昂貴的裝置，而且由于較高的熱量和該技術(shù)內(nèi)在的熱沖擊其只能被用于有限范圍的材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了涂覆物體表面區(qū)域的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)如下步驟在腔中形成催化的涂覆等離子體在等離子體催化劑存在的情況下使氣體受到大量電磁輻射、將至少一種涂覆材料設(shè)置在與等離子體分開(kāi)的位置上并與其流體連通、激發(fā)至少一種涂覆材料的至少一部分以將被激發(fā)的部分加入等離子體、并允許至少一種涂覆材料沉積在物體的表面區(qū)域以形成涂層。
在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于形成涂層的材料沉積系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在其中形成有第一腔的第一容器、與該腔相連的電磁輻射源以在沉積過(guò)程中電磁輻射源能將電磁輻射引入第一腔、與第一腔相連的氣源以在沉積過(guò)程中氣體能流入該腔、與腔連通或設(shè)置在腔里的設(shè)置成激發(fā)至少一種涂覆材料的能源以將被激發(fā)部分引入等離子體、以及存在于輻射中的至少一種等離子體催化劑(例如置于第一腔里、第一腔附近、或在第一腔里和附近)。
本發(fā)明還提供了用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的等離子體催化劑。根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可以是惰性的或活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括通過(guò)使局部電場(chǎng)(例如電磁場(chǎng))變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無(wú)需施加附加的能量?；钚缘入x子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態(tài)原子或分子失去至少一個(gè)電子的任何粒子或高能波包。在惰性和活性這兩種情況下，等離子體催化劑可以改善或放寬激發(fā)涂覆等離子體所需的環(huán)境條件。
本發(fā)明還提供了用于根據(jù)本發(fā)明涂覆物體的用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的其它等離子體催化劑、方法和裝置。
本發(fā)明的其它特征將通過(guò)下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述變得明顯，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體涂覆系統(tǒng)的示意圖；圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的部分等離子體涂覆系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)通過(guò)向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來(lái)激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持腔中的等離子體；圖1B表示根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的部分涂覆系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)具有附加的選擇性等離子體腔；圖1C表示根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的部分涂覆系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，用于向要被涂覆的物體施加電壓，包括用于激發(fā)涂覆材料的裝置；圖1D表示根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的部分涂覆系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，用于通過(guò)開(kāi)口來(lái)涂覆物體；圖1E表示根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的部分涂覆系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例，其中等離子體腔具有內(nèi)部表面特征用于形成涂層圖形；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長(zhǎng)度方向具有濃度梯度；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長(zhǎng)度按比率變化；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)等離子體催化劑纖維，該纖維包括內(nèi)層核芯和涂層；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個(gè)部分的實(shí)施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過(guò)激發(fā)口的伸長(zhǎng)型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長(zhǎng)型等離子體催化劑的
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的方法和裝置，用于各種增強(qiáng)涂覆應(yīng)用，包括例如產(chǎn)生高溫用于熱處理，合成和沉積碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其它材料，以及用于相關(guān)的如汽車(chē)或其它車(chē)輛部件的涂覆物體的生產(chǎn)。
本發(fā)明可以用于可控等離子體輔助涂覆過(guò)程，其能夠降低能耗并提高沉積效率和生產(chǎn)靈活性。
根據(jù)本發(fā)明的一種涂覆方法可以包括向腔內(nèi)加入氣體、等離子體催化劑和電磁輻射，用于催化的涂覆等離子體。在此所用的用于涂覆一個(gè)或多個(gè)物體的具有等離子體催化劑的等離子體是一種“催化的涂覆等離子體”或者簡(jiǎn)稱(chēng)“涂覆等離子體”。催化劑可以是惰性或者活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括通過(guò)使局部電場(chǎng)(例如電磁場(chǎng))變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無(wú)需對(duì)催化劑施加附加的能量，如施加電壓引起瞬間放電。另一方面，活性等離子體催化劑可以是任何粒子或高能波包，其能夠在電磁輻射存在的情況下向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態(tài)原子或分子失去至少一個(gè)電子。
在此引入下列共同擁有并同時(shí)申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容作為參考美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0015)，
No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統(tǒng)的說(shuō)明圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的等離子體系統(tǒng)10。在該實(shí)施例中，在位于電磁輻射腔(即輻射器(applicator))14內(nèi)部的容器中形成腔12。在另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，容器12和電磁輻射腔14是同一個(gè)，從而不需要兩個(gè)獨(dú)立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個(gè)或多個(gè)電磁輻射透射隔板，以改善其熱絕緣性能使腔12無(wú)需顯著地屏蔽電磁輻射。
在一個(gè)實(shí)施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內(nèi)形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達(dá)到非常高的溫度，處理的溫度上限只受用來(lái)制造容器的陶瓷的熔點(diǎn)限制。例如在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，所用的陶瓷能夠承受大約3000華氏度。例如，陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New CastleRefractories公司出售。然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述陶瓷材料不同的材料(如那些具有較高熔化溫度的材料)。
在一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)中，等離子體形成在部分開(kāi)口的腔中，該腔在第一磚狀物內(nèi)并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個(gè)與腔連通的孔一個(gè)用來(lái)觀察等離子體，并且至少一個(gè)用來(lái)供給氣體。腔的尺寸取決于需要進(jìn)行的等離子體處理。此外，腔至少應(yīng)該設(shè)置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開(kāi)主要處理區(qū)，即使等離子體可能沒(méi)有接觸到被涂覆物體。
腔12可以通過(guò)管線20和控制閥22與一個(gè)或多個(gè)氣體源24(例如氬氣、氮?dú)?、氫氣、氙氣、氪氣等氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)，但也可以是能夠供氣的任何裝置。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來(lái)抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何不需要的氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)多部件容器中的一個(gè)或多個(gè)縫隙氣體可以流入和/或流出腔12。因此，本發(fā)明的氣口不需要特別的孔，也可以為其他形式，如許多小的分布式孔。
一個(gè)輻射泄漏探測(cè)器(未示出)安裝在源26和波導(dǎo)管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測(cè)到泄漏量超過(guò)預(yù)定安全值時(shí)，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動(dòng)關(guān)閉電磁幅射電源。
由電源28提供能量的電磁輻射源26通過(guò)一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)管30將電磁輻射引入腔14。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解電磁輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導(dǎo)管30。進(jìn)入腔14或腔12的電磁輻射可以用來(lái)激發(fā)腔內(nèi)的等離子體。通過(guò)將附加的電磁輻射與催化劑相結(jié)合可以充分調(diào)節(jié)或維持該催化的等離子體并將其限制在腔內(nèi)。
通過(guò)循環(huán)器32和調(diào)諧器34(例如，3通短線(3-stub)調(diào)諧器)提供電磁輻射。調(diào)諧器34用來(lái)使作為改變激發(fā)或處理?xiàng)l件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在催化的等離子體形成之前，因?yàn)殡姶泡椛鋵⒃诘入x子體形成之后被等離子體強(qiáng)烈吸收。
如下面更詳細(xì)的說(shuō)明，如果腔14支持多模，尤其當(dāng)這些?？沙掷m(xù)或周期性地混合時(shí)，腔14內(nèi)的電磁輻射透射腔12的位置并不重要。并如下面更詳細(xì)的說(shuō)明，馬達(dá)36可以與?；旌掀?8相連，使時(shí)間平均的電磁輻射能量分布在腔14內(nèi)大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設(shè)置在鄰近腔12的腔14的一個(gè)壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學(xué)高溫計(jì))來(lái)觀察腔12內(nèi)的處理。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)高溫計(jì)輸出值可以在溫度升高時(shí)從0伏增加到追蹤范圍值之內(nèi)。高溫計(jì)可以用于探測(cè)兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，并使用普朗克定律擬合這些強(qiáng)度值來(lái)測(cè)定工件溫度。高溫計(jì)也能通過(guò)監(jiān)測(cè)在兩個(gè)不連續(xù)躍遷中輻射強(qiáng)度激發(fā)態(tài)數(shù)量分布來(lái)建立存在于等離子體中物體的溫度。
傳感器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關(guān)工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測(cè)的條件的函數(shù)的輸出信號(hào)，并將該信號(hào)供給控制器44。也可采用雙重溫度感應(yīng)和加熱，以及自動(dòng)冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來(lái)控制電源28的運(yùn)行，其具有一個(gè)與上述電磁輻射源26相連的輸出端和另一個(gè)與控制氣流進(jìn)入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，本發(fā)明采用由通訊和能源工業(yè)(CPI)提供的915MHz和2.45GHz電磁輻射源取得了同樣的成功。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變電磁輻射能。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在沉積期間的電磁輻射能量密度可以在大約0.05W/cm3和大約100W/cm3之間。例如，大約2.5W/cm3可有效使用。3通短線調(diào)諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測(cè)量入射和反射能量的雙向連接器。還采用了光學(xué)高溫計(jì)來(lái)遙感工件溫度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無(wú)線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對(duì)高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠?qū)崿F(xiàn)多種等離子體處理。
該裝置用采用LabVIEW6i軟件的計(jì)算機(jī)控制，它能提供實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)和電磁輻射能量控制。LabVIEW圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境用于自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示。LabVIEW來(lái)自于Austin，Texas的國(guó)家儀器公司(National Instruments Corporation)。
通過(guò)利用適當(dāng)數(shù)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值平滑處理來(lái)降低噪音。并且，為了提高速度和計(jì)算效率，在緩沖區(qū)陣列中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目用移位寄存器和緩存區(qū)大小調(diào)整來(lái)限制。高溫計(jì)測(cè)量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計(jì)算平均溫度。高溫計(jì)用于探測(cè)兩個(gè)波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，并利用普朗克定律擬合這些強(qiáng)度值以測(cè)定溫度。然而，應(yīng)知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測(cè)和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時(shí)提出申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個(gè)內(nèi)容作為參考。
腔14具有幾個(gè)具有電磁輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個(gè)用于插入高溫計(jì)的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個(gè)與真空泵和氣體源相連的口。
系統(tǒng)10還包括一個(gè)帶有用自來(lái)水冷卻的外部熱交換器的封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護(hù)磁電管)中的裝卸處，最后流過(guò)焊接在腔的外表面上的水通道冷卻電磁輻射腔。
等離子體催化劑如前面所述，根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質(zhì)并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質(zhì)中激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持涂覆等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內(nèi)氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過(guò)使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(chǎng)(例如電磁場(chǎng))變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無(wú)需對(duì)催化劑施加附加的能量，例如通過(guò)施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是納米粒子或納米管。這里所使用的術(shù)語(yǔ)“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導(dǎo)電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導(dǎo)電性和伸長(zhǎng)形狀對(duì)本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長(zhǎng)度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)或維持時(shí)，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預(yù)定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是粉末，而不必制成納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時(shí)，催化劑可以至少暫時(shí)地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過(guò)將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個(gè)腔并且更容易被消耗。
在一個(gè)實(shí)施例中，粉末催化劑可以加載到腔內(nèi)并至少暫時(shí)地懸浮于載氣中。載氣可以與形成等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，電磁輻射源52可以對(duì)設(shè)置有等離子體腔60的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個(gè)可選實(shí)施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內(nèi)，包括氣體流動(dòng)穿過(guò)或越過(guò)該塊狀粉末。此外，可以通過(guò)移動(dòng)、搬運(yùn)、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內(nèi)，將粉末加到氣體中用來(lái)激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持涂覆等離子體。
在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)在伸入腔的銅管中設(shè)置一堆碳纖維粉末來(lái)使涂覆等離子體在腔內(nèi)激發(fā)。盡管有足夠的電磁(微波)輻射被引入腔內(nèi)，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開(kāi)始流入銅管，促使粉末流出銅管并進(jìn)入腔內(nèi)，從而使粉末受到電磁輻射，腔內(nèi)等離子體幾乎瞬間激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合物納米復(fù)合物、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內(nèi)基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內(nèi)精確地控制。均勻激發(fā)在一些應(yīng)用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時(shí)間短暫的應(yīng)用中，例如以一個(gè)或多個(gè)爆發(fā)的形式。還需要有一定的時(shí)間來(lái)使粉末催化劑本身均勻分布在整個(gè)腔內(nèi)，尤其在復(fù)雜的多腔的腔內(nèi)。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，粉末等離子體可以通過(guò)多個(gè)激發(fā)口引入腔內(nèi)以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個(gè)或多個(gè)微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個(gè)物理尺寸基本上大于另一個(gè)物理尺寸。例如，在至少兩個(gè)垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長(zhǎng)度相比相對(duì)細(xì)的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，成功使用了一段具有大約三萬(wàn)股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內(nèi)部纖維數(shù)量和束長(zhǎng)對(duì)激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體來(lái)說(shuō)并不重要。例如，用大約1/4英寸長(zhǎng)的一段石墨帶得到滿意的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標(biāo)為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個(gè)或多個(gè)如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長(zhǎng)形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，該材料具有強(qiáng)導(dǎo)電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無(wú)機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物或其任意組合。可以包括在等離子體催化劑中的一些可能的無(wú)機(jī)材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢、氮化碳和鋁，雖然相信也可以使用其它導(dǎo)電無(wú)機(jī)材料。
除了一種或多種導(dǎo)電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導(dǎo)電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如在半導(dǎo)體和其他材料的摻雜過(guò)程中，可通過(guò)催化劑向等離子體加入一種或多種摻雜劑。參見(jiàn)，例如，共有并同時(shí)提出申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整個(gè)內(nèi)容作為參考。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生摻雜劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復(fù)合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導(dǎo)電材料。
惰性等離子體催化劑中的導(dǎo)電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時(shí)間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導(dǎo)電成分來(lái)改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持等離子體時(shí)使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領(lǐng)域普的通技術(shù)人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以是相同的，并且該比率可以被制定為沉積任意需要的涂層成分。
預(yù)定的比率分布可以用于簡(jiǎn)化許多等離子體處理。在許多常規(guī)的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來(lái)增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預(yù)定計(jì)劃來(lái)添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動(dòng)變化。這就是說(shuō)，在任一特定時(shí)間等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內(nèi)的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當(dāng)前等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過(guò)等離子體腔內(nèi)的氣體流速較慢時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個(gè)催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖2中，比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長(zhǎng)度方向的梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應(yīng)該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預(yù)定的形式改變。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)?shù)入x子體被監(jiān)測(cè)并且已檢測(cè)到特殊的添加劑時(shí)，可以自動(dòng)開(kāi)始或結(jié)束進(jìn)一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過(guò)在不同時(shí)間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時(shí)，在腔內(nèi)形成的等離子體會(huì)有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動(dòng)化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持以前和/或期間機(jī)械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑可以包括沉積在基本導(dǎo)電材料表面的基本不導(dǎo)電涂層。或者，催化劑可包括沉積在基本不導(dǎo)電材料表面的基本導(dǎo)電涂層。例如圖4和5表示了包括內(nèi)層145和涂層150的纖維140。在一個(gè)實(shí)施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時(shí)釋放(time-release)機(jī)制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導(dǎo)電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，為了基本上減少或防止電磁輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于電磁輻射腔內(nèi)。這樣，等離子體催化劑不會(huì)電或磁連接于輻射腔、包括腔的容器、或腔外的任何導(dǎo)電物體。這可以防止在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導(dǎo)電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設(shè)置有等離子體腔165的電磁輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長(zhǎng)并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170可包括導(dǎo)電的末梢部分180(設(shè)置于腔160內(nèi))和不導(dǎo)電部分185(基本上設(shè)置于腔160外，但是可稍微伸入腔)。該結(jié)構(gòu)防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個(gè)實(shí)施例中，催化劑由多個(gè)導(dǎo)電片段190形成，所述多個(gè)導(dǎo)電片段190被多個(gè)不導(dǎo)電片段195隔開(kāi)并與之機(jī)械相連。在這個(gè)實(shí)施例中，催化劑能延伸通過(guò)在腔中的一個(gè)點(diǎn)和腔外的另一個(gè)點(diǎn)之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
根據(jù)本發(fā)明的形成涂覆等離子體的另一種方法包括使腔內(nèi)氣體在活性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射，產(chǎn)生或包括至少一個(gè)電離粒子。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來(lái)使氣態(tài)原子或分子失去至少一個(gè)電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離粒子可以以聚焦或準(zhǔn)直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示電磁輻射源200將輻射引入電磁輻射腔205。等離子體腔210可以設(shè)置于腔205內(nèi)并允許氣體流過(guò)口215和216。源220可以將電離粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過(guò)的金屬屏蔽來(lái)保護(hù)，但也屏蔽了對(duì)源220的電磁輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據(jù)本發(fā)明的電離粒子的實(shí)例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來(lái)自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過(guò)程的產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過(guò)電離粒子催化劑。因此，當(dāng)放射性裂變?cè)次挥谇煌鈺r(shí)，該源可以引導(dǎo)裂變產(chǎn)物穿過(guò)容器來(lái)激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變?cè)纯梢晕挥陔姶泡椛淝粌?nèi)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過(guò)程中發(fā)射。例如，電子可以通過(guò)激發(fā)電子源(如金屬)來(lái)引入腔內(nèi)，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內(nèi)、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過(guò)施加電場(chǎng)能進(jìn)一步加速。
除電子以外，自由能質(zhì)子也能用于催化等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，自由質(zhì)子可通過(guò)電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場(chǎng)加速。
多模電磁輻射腔電磁輻射波導(dǎo)管、腔或室被設(shè)置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術(shù)語(yǔ)“模”表示滿足Maxwell方程和可應(yīng)用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導(dǎo)管或腔內(nèi)，該模可以是傳播或停滯電磁場(chǎng)的各種可能形式中的任何一種。每種模由其電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)矢量的頻率和極化表征。模的電磁場(chǎng)形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導(dǎo)管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場(chǎng)矢量垂直于傳播方向的模。類(lèi)似地，橫磁(TM)模是磁場(chǎng)矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導(dǎo)管一般不支持電磁輻射傳播的標(biāo)準(zhǔn)TEM模。盡管電磁輻射似乎沿著波導(dǎo)管的長(zhǎng)度方向傳播，它之所以這樣只是通過(guò)波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，電磁輻射沿著波導(dǎo)管軸線(通常指z軸)具有一些電場(chǎng)成分或者一些磁場(chǎng)成分。
在腔或者波導(dǎo)管中的實(shí)際場(chǎng)分布是其中模的疊加。每種?？梢杂靡粋€(gè)或多個(gè)下標(biāo)(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標(biāo)一般說(shuō)明在x和y方向上含有多少在導(dǎo)管波長(zhǎng)的“半波”。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知波導(dǎo)管波長(zhǎng)與自由空間的波長(zhǎng)不同，因?yàn)椴▽?dǎo)管內(nèi)的電磁輻射傳播是通過(guò)波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標(biāo)來(lái)定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對(duì)于給定的電磁輻射頻率，波導(dǎo)管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱(chēng)為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導(dǎo)管中TE10模通常占主導(dǎo)。
隨著波導(dǎo)管(或波導(dǎo)管所連接的腔)的尺寸增加，波導(dǎo)管或輻射器有時(shí)能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當(dāng)能夠同時(shí)支持多個(gè)模時(shí)，系統(tǒng)往往表示為被高度?；?highly moded)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個(gè)最大和/或最小的場(chǎng)分布。最大的量級(jí)很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的電磁輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場(chǎng)分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時(shí)支持幾個(gè)傳播模，在疊加時(shí)其形成混合場(chǎng)分布形式。在這種形式中，場(chǎng)在空間上變得模糊，并因此場(chǎng)分布通常不顯示出腔內(nèi)最小和最大場(chǎng)值的相同強(qiáng)度類(lèi)型。此外，如下的詳細(xì)說(shuō)明，可以用一個(gè)?；旌掀鱽?lái)“混合”或“重新分布”模(如利用電磁輻射反射器的機(jī)械運(yùn)動(dòng))。這種重新分布有望提供腔內(nèi)更均勻的時(shí)間平均場(chǎng)(并因此等離子體)分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個(gè)模，并且可以支持多于兩個(gè)的多個(gè)模。每個(gè)模有最大電場(chǎng)矢量。雖然可以有兩個(gè)或多個(gè)模，但是只有一個(gè)模占主導(dǎo)并具有比其它模大的最大電場(chǎng)矢量量級(jí)。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級(jí)之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知比率越小，模之間的電場(chǎng)能量越分散，從而使腔內(nèi)的電磁輻射能越分散。
腔內(nèi)涂覆等離子體的分布非常依賴于所施加的電磁輻射的分布。例如，在一個(gè)純單模系統(tǒng)中只可以有一個(gè)電場(chǎng)最大值的位置。因此，強(qiáng)等離子體只能在這一個(gè)位置產(chǎn)生。在許多應(yīng)用中，這樣一個(gè)強(qiáng)局部化的等離子體會(huì)不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過(guò)熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無(wú)論使用單或多模腔，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應(yīng)用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見(jiàn)，例如，共有并同時(shí)提出申請(qǐng)的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個(gè)內(nèi)容作為參考。
然而，在其它應(yīng)用中，可能需要將氣體流過(guò)腔，從而腔必須一定程度地打開(kāi)。這樣，流動(dòng)氣體的流量、類(lèi)型和壓力可以隨時(shí)間而改變。這是令人滿意的，因?yàn)榫哂休^低電離勢(shì)的如氬氣的特定氣體更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中具有其它不希望的特征。
?；旌显谠S多應(yīng)用中，需要腔內(nèi)包括均勻的等離子體。然而，由于電磁輻射可以有較長(zhǎng)波長(zhǎng)(如在微波輻射下有幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，多模腔內(nèi)的輻射模在在一段時(shí)間內(nèi)可以混合或重新分布。因?yàn)榍粌?nèi)的場(chǎng)分布必須滿足由腔的內(nèi)表面設(shè)定的所有邊界條件，可以通過(guò)改變內(nèi)表面的任一部分的位置來(lái)改變這些場(chǎng)分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可移動(dòng)的反射表面位于電磁輻射腔內(nèi)。反射表面的形狀和移動(dòng)在移動(dòng)期間將聯(lián)合改變腔的內(nèi)表面。例如，一個(gè)“L”型金屬物體(即“模混合器”)在圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將改變腔內(nèi)的反射表面的位置或方向，從而改變其中的電磁輻射分布。任何其它不對(duì)稱(chēng)形狀的物體也可使用(在旋轉(zhuǎn)時(shí))，但是對(duì)稱(chēng)形狀的物體也能工作，只要相對(duì)移動(dòng)(如旋轉(zhuǎn)、平移或兩者結(jié)合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個(gè)實(shí)施例中，模混合器可以是圍繞非圓柱體縱軸的軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體。
多模腔中的每個(gè)模都具有至少一個(gè)最大電場(chǎng)矢量，但是每個(gè)矢量會(huì)周期性出現(xiàn)在腔內(nèi)。通常，假設(shè)電磁輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過(guò)移動(dòng)?；旌掀魇顾c電磁輻射相作用，就可能移動(dòng)最大值的位置。例如，?；旌掀?8可用于優(yōu)化腔12內(nèi)的場(chǎng)分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時(shí)間平均等離子體處理(如加熱)，可以改變模混合器的位置來(lái)移動(dòng)最大值的位置。
因此根據(jù)本發(fā)明，在等離子體激發(fā)期間可以使用?；旌稀＠?，當(dāng)把導(dǎo)電纖維用作等離子體催化劑時(shí)，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強(qiáng)烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報(bào)道說(shuō)，當(dāng)這樣的纖維取向于與電場(chǎng)成大于60°的角度時(shí)，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過(guò)移動(dòng)反射表面進(jìn)入或接近腔，電場(chǎng)分布能顯著地改變。
通過(guò)例如安裝在輻射器腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實(shí)現(xiàn)模混合。為了在輻射腔內(nèi)在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉(zhuǎn)接頭可以機(jī)械地運(yùn)動(dòng)(如旋轉(zhuǎn))。結(jié)果，在輻射器腔內(nèi)可產(chǎn)生變化的場(chǎng)形式。
通過(guò)柔性波導(dǎo)管將輻射射入輻射腔，也能實(shí)現(xiàn)?；旌稀Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)管可固定在腔內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導(dǎo)管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(dòng)(如彎曲)。這種移動(dòng)也能引起?；旌喜⒂兄谠跁r(shí)間平均基礎(chǔ)上更均勻的等離子體處理(如加熱)?？蛇x擇地，這種移動(dòng)可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導(dǎo)管是矩形的，波導(dǎo)管的開(kāi)口末端的簡(jiǎn)單扭曲將使輻射器腔內(nèi)的輻射的電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量的方向旋轉(zhuǎn)。因而，波導(dǎo)管周期性的扭曲可引起?；旌弦约半妶?chǎng)的旋轉(zhuǎn)，這可用于輔助激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場(chǎng)，電場(chǎng)矢量的重新定向能將無(wú)效方向變?yōu)楦行У姆较颉１绢I(lǐng)域的技術(shù)人員可知?；旌峡梢允沁B續(xù)的、周期性的或預(yù)編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在后面的等離子體處理期間模混合可用來(lái)減少或產(chǎn)生(如調(diào)整)腔內(nèi)的“熱點(diǎn)”。當(dāng)電磁輻射腔只支持少數(shù)模時(shí)(如少于5)，一個(gè)或多個(gè)局部電場(chǎng)最大值可產(chǎn)生“熱點(diǎn)”(如在腔12內(nèi))。在一個(gè)實(shí)施例中，這些熱點(diǎn)可設(shè)置成與一個(gè)或多個(gè)分開(kāi)但同時(shí)的等離子體激發(fā)或涂覆處理相一致。因此，在一個(gè)實(shí)施例中，等離子體催化劑可放在一個(gè)或多個(gè)這些激發(fā)或涂覆位置上。
多位置等離子體激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來(lái)激發(fā)等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，可用多纖維在腔內(nèi)的不同點(diǎn)處激發(fā)等離子體。這種多點(diǎn)激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時(shí)尤其有益。例如，當(dāng)涂覆等離子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調(diào)節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時(shí)，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊?？蛇x地，當(dāng)在多個(gè)點(diǎn)使用等離子體催化劑時(shí)，可以通過(guò)將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內(nèi)的不同位置連續(xù)激發(fā)等離子體。這樣，如果需要，在腔內(nèi)可以可控地形成等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模腔中，腔中多個(gè)位置的催化劑的隨機(jī)分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒(méi)有優(yōu)化取向(基本上沒(méi)有與電力線對(duì)準(zhǔn))，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認(rèn)為具有每個(gè)粉末粒子具有位于腔內(nèi)不同物理位置的效果，從而改善了腔內(nèi)的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖1B所示，系統(tǒng)包括至少互相流體連通的激發(fā)腔280和等離子體處理腔285。如圖1所示，腔280和285可設(shè)置在，例如電磁輻射腔(即輻射器)14內(nèi)。為了形成激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔280中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使腔280中形成的等離子體600激發(fā)腔285中的等離子體610，其可用附加的電磁輻射來(lái)維持。
例如，附加的腔290和295是可選擇的，并可以與腔285通過(guò)通道605保持流體連通。要被涂覆的物體比如工件250，可以放在腔285、290或295的任意一個(gè)中，并且能被任意類(lèi)型的支撐裝置比如支撐物260支撐，其在涂敷過(guò)程中選擇性地移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)工件250。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，腔280可以非常小并主要或只設(shè)置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的電磁輻射能來(lái)激發(fā)等離子體600，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時(shí)。還應(yīng)知道用于本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的腔可以具有不定的尺寸，并且可使用沉積控制器來(lái)控制腔的尺寸。
在一個(gè)實(shí)施例中，腔280基本上是單模腔，腔285是多模腔。當(dāng)腔280只支持單模時(shí)腔內(nèi)的電場(chǎng)分布會(huì)劇烈變化，形成一個(gè)或多個(gè)精確定位的電場(chǎng)最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點(diǎn)。然而應(yīng)該知道，當(dāng)?shù)入x子體催化劑用于激發(fā)等離子體600時(shí)，催化劑不需要設(shè)置在電場(chǎng)最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
涂覆方法和裝置的說(shuō)明圖1B-1E表示根據(jù)本發(fā)明的用于涂覆物體的等離子體腔的多個(gè)實(shí)施例。例如上面已經(jīng)描述過(guò)，圖1B表示如何使用雙腔系統(tǒng)在一個(gè)腔內(nèi)激發(fā)等離子體并在另一個(gè)腔內(nèi)形成涂覆等離子體。圖1B還表示如果需要的話，如何連續(xù)增加附加的腔。
圖1C說(shuō)明了另一個(gè)實(shí)施例，其中可以使用一個(gè)腔激發(fā)具有等離子體催化劑的等離子體和涂覆物體。在這個(gè)實(shí)施例中，在存在等離子體催化劑240的情況下，通過(guò)使氣體受到大量電磁輻射，在腔230中形成等離子體615，來(lái)涂覆工件250的第一表面區(qū)域，所述等離子體催化劑安放在例如底座245上。此外，激光器500可以通過(guò)光學(xué)窗口505引人激光束來(lái)激發(fā)(例如，蒸發(fā)、升華、或?yàn)R射)坩堝515中的涂覆材料510。應(yīng)該意識(shí)到，任何固體或液體(例如，暴露在激光器500下能夠蒸發(fā)、升華、或?yàn)R射的任何材料)可以用作涂覆材料510。還應(yīng)該意識(shí)到，除激光器500之外，其它類(lèi)型的能源可用于激發(fā)材料510，例如包括，離子束、載氣等。
在一個(gè)實(shí)施例中，激光器500產(chǎn)生波長(zhǎng)為約150nm至20μm的光束，雖然也可以使用其它便于得到的波長(zhǎng)。激光器500也可是高峰值能量的脈沖激光束，它可以連續(xù)的、周期性的或者按預(yù)定程序的方式激發(fā)涂覆材料510。氣體如氬(未示出)可以將已激發(fā)(例如蒸發(fā))的涂覆材料引入等離子體615中，以在工件250上形成涂層。應(yīng)當(dāng)理解可通過(guò)使用支撐物260(如轉(zhuǎn)盤(pán))來(lái)移動(dòng)(例如旋轉(zhuǎn))工件250，從而可以增加涂層的均勻性。另外，如下面更充分地描述，電壓源275能提供持續(xù)或脈沖的電偏壓(例如，負(fù)的或者正的，直流電或交流電)給工件250。該偏壓可以將涂覆材料510的電離原子或者分子加速到工件250，它可以改善涂層247和工件250之間的接合，并且加快沉積速率。電壓源275能向電極270或者腔232的任何其它部分提供反偏壓。
因此，通過(guò)加入涂覆材料510用激光器500激發(fā)該材料來(lái)增強(qiáng)涂覆等離子體615，可利用等離子體催化劑240催化氣體形成等離子體615。應(yīng)該意識(shí)到，雖然圖1C表示單腔系統(tǒng)，但是根據(jù)發(fā)明能使用兩個(gè)或多個(gè)腔。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助涂覆系統(tǒng)可包括將催化劑引入等離子體腔的任何電子或機(jī)械裝置。例如在涂覆等離子體形成前或期間將纖維機(jī)械地插入。還應(yīng)知道在存在電磁輻射以前、期間或以后，也可以通過(guò)火花塞、脈沖激光或者甚至通過(guò)引入腔230的燃燒火柴棒觸發(fā)等離子體600。
還應(yīng)該意識(shí)到，在涂覆過(guò)程中，可以使材料510與等離子體615分開(kāi)以便更好地控制將材料引入等離子體中。為此，可在坩鍋515中的涂覆材料510和等離子體615之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)壁或屏(未示出)。也可以使用其它電磁輻射或者等離子體屏蔽方法。
等離子體615可以吸收適當(dāng)水平的電磁輻射以達(dá)到任何預(yù)定的溫度分布(如任選的溫度)。腔內(nèi)的氣體壓力可小于、等于或大于大氣壓?？梢詫⒅辽僖环N附加的涂覆材料(未示出)加入等離子體615，從而使其在工件250的表面上形成多成分涂層。
工件250可以是需要涂覆的任何物體，如低碳鋼鐵。例如，工件可以是汽車(chē)部件，如制動(dòng)閘塊、凸輪凸部、齒輪、座椅部件、鋼軌撬杠、套筒固定器或停車(chē)制動(dòng)部件。工件250還可以是例如半導(dǎo)體基板、金屬部件、陶瓷、玻璃等。
在一個(gè)如上面所述的實(shí)施例中，可以將偏壓施加到工件250以產(chǎn)生更均勻和快速的涂覆處理。例如，如圖1C所示，利用電壓源275在電極270和工件250之間施加電勢(shì)差。例如所施加的電壓可以是連續(xù)或脈沖DC或AC偏壓的形式。該電壓可以在輻射器14外部施加，并與微波過(guò)濾器相連以防止例如微波能量泄漏。該施加的電壓可吸引帶電離子、激發(fā)它們并促進(jìn)涂覆粘著和質(zhì)量。
圖1D表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中在等離子體腔外進(jìn)行涂覆處理。在這種情況下，腔292有開(kāi)口410，其可以在或接近腔292的底部以幫助防止等離子體620從腔292逸出。然而，應(yīng)知道開(kāi)口410可以位于腔292的任何位置。在這個(gè)實(shí)施例中，工件250被底座260支撐并且相對(duì)孔410選擇性地旋轉(zhuǎn)或做其它運(yùn)動(dòng)。腔292內(nèi)的等離子體620可包括一種或多種可以沉積在工件250表面的涂覆材料。在這個(gè)實(shí)施例中，等離子體620可在腔292中維持或調(diào)節(jié)，并且工件250可以保持在基本上低于等離子體620的溫度。
此外，為了將工件250保持在需要的溫度，底座260可被任何裝置(如熱交換器)加熱或冷卻。例如，在沉積以前、期間或以后可用冷卻流(如氣體)來(lái)冷卻工件250。當(dāng)工件250的溫度用氣體如氮?dú)?，或通過(guò)接觸液體改變時(shí)，可以提高工件250上的涂層252的電學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械特性。
應(yīng)該知道到穿過(guò)開(kāi)口410的涂覆材料可以與腔292內(nèi)部或外部的一種或多種其他材料或氣體(未示出)結(jié)合以獲得任何令人滿意的涂層復(fù)合物或成分。
激光器500和涂覆材料510可以是任何單腔系統(tǒng)(例如圖1A、1C、1D、1E、6和9所示)的一部分或者是多腔系統(tǒng)(例如，圖1B所示)的一部分。因此，在圖1B的情況下，涂覆材料510和坩堝515可以設(shè)置在腔285、290、和295中任何一個(gè)中，并暴露于激光器500發(fā)射的光。
如上所述，可以用除激光器500之外的其他裝置來(lái)激發(fā)(例如，蒸發(fā)、升華、濺射等)涂覆材料510。例如，使涂覆材料510暴露于通過(guò)窗505的粒子束，其中粒子束是被集中的粒子群，例如電子、質(zhì)子、帶電粒子、光子及其任意組合。
盡管可以在大氣壓下根據(jù)本發(fā)明激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持涂覆等離子體并使用激光器500暴露涂覆材料510，涂層可以在任何希望的壓力，包括低于、等于或超過(guò)環(huán)境壓力的壓力下沉積到工件250上。而且，等離子體壓力和溫度可以按要求而改變，并且沉積速率可通過(guò)能源的強(qiáng)度來(lái)調(diào)整。例如，利用系統(tǒng)(如圖1B所示的系統(tǒng))使在一個(gè)腔285中在大氣壓力下調(diào)節(jié)或維持涂覆等離子體610，同時(shí)使涂覆材料暴露在腔285中的激光下，而在另一個(gè)腔(如腔285、290或295)中在高于或低于大氣壓力的情況下在工件250上沉積涂層。這種靈活性在例如大規(guī)模制造過(guò)程中是非常需要的。
圖1E表示腔230的內(nèi)表面具有怎樣的表面特性(如一種或多種形狀特征)以在工件250上形成涂層圖形。對(duì)于金屬工件，例如，可以通過(guò)在工件250的表面和腔230的內(nèi)表面之間提供足夠間隙的方式，在導(dǎo)電工件250的表面上的預(yù)定位置調(diào)節(jié)或維持等離子體320。例如，當(dāng)間隙至少為約λ/4時(shí)可以形成等離子體320并且可在鄰近等離子體320處沉積涂層，這里λ表示所施加的電磁輻射的波長(zhǎng)。另一方面，當(dāng)間隙小于λ/4時(shí)，很少或不形成等離子體，且需要的涂層也不能被沉積。應(yīng)該意識(shí)到，等離子體320可以包括暴露于激光下產(chǎn)生的涂覆材料，并允許涂層在表面310附近形成。因此，在可以形成等離子體的間隙中可以沉積涂層332，若在間隙中不能形成等離子體，則基本上不能形成涂層。
由于在間隙小于約λ/4(如在表面300下)的區(qū)域等離子體不能維持，涂層也不能在這里沉積。另一方面，等離子體可以維持在表面310下面，涂層也能在這里沉積。應(yīng)知道圖1E所示圖形不是僅有的可能圖形，并且用于激發(fā)涂覆材料的裝置(例如，激光器)可以位于腔230之內(nèi)、附近、臨近、或流體連通。
還應(yīng)該知道等離子體形成依賴于波長(zhǎng)，是由導(dǎo)電表面，如腔的內(nèi)金屬表面施加的邊界條件引起的。當(dāng)使用非金屬表面時(shí)，局部等離子體容積的尺寸可以多于或少于λ/4。通常，通過(guò)等離子體和任何引起的等離子體輔助涂覆處理，可通過(guò)控制在接近涂層表面的等離子體容積來(lái)控制傳遞給該表面的能量流。
盡管圖1E表示具有凸起和凹下表面特征的腔230的內(nèi)表面，但是應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，這些特征也可位于工件250上，腔230的內(nèi)表面可以是相對(duì)平坦或平滑的。
在如前所述的沉積涂覆材料期間，工件250上呈現(xiàn)的表面特征可以有效地起到掩膜的作用。這種“掩膜”可以是工件本身，或者是例如那些用于半導(dǎo)體工業(yè)的光致抗蝕劑，或者是用于改變沉積處理(例如設(shè)置用來(lái)防止在齒輪的邊緣涂覆的臨時(shí)保護(hù)膜，因而使得涂層只沉積在齒輪的齒上)的任何其他材料。例如掩膜可以是負(fù)性或正性的光致抗蝕劑、沉積的金屬、氧化物或其他材料作，以永久性或暫時(shí)性的方式來(lái)獲得所需的涂層圖形。
無(wú)論是否需要圖形，可以將一種或多種成分加入等離子體用于在工件250上沉積?？梢允褂萌缦碌脑磳⑼扛膊牧?即組分)加入等離子體氮源、氧源、碳源、鋁源、砷源、硼源、鉻源、鎵源、鍺源、銦源、磷源、鎂源、硅源、鉭源、錫源、鈦源、鎢源、釔源、鋯源及其任意組合。該源可以是單質(zhì)元素源，也可以是一種或多種元素的化合物，例如包括任何碳化物、氧化物、氮化物、磷化物、砷化物、硼化物及其任意組合。
此外也可用其他材料，如碳化鎢、氮化鎢、氧化鎢、氮化鉭、氧化鉭、氧化鈦、氮化鈦、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、碳化鋁、氮化硼、碳化硼、氧化硼、磷化鎵、磷化鋁、氧化鉻、氧化錫、氧化釔、氧化鋯、鍺化硅、氧化銦錫、砷化銦鎵、砷化鋁鎵、硼、鉻、鎵、鍺、銦、磷、鎂、硅、鉭、錫、鈦、鎢、釔和鋯。此外，根據(jù)這些源材料也能組成許多其他材料。
在沉積時(shí)，由這些源提供的材料幾乎可以形成任何類(lèi)型的能沉積在幾乎任何基板上的涂層。例如，根據(jù)本發(fā)明可以將碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其他材料合成并沉積在基板上，包括各種化合物，如碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)、氮碳化鈦(TiCN)、氮鋁化鈦(TiAlN)、氮硼化鈦(TiBN)、氮化鉻(CrN)、碳化鎢(WC)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、二硼化鈦(TiB2)、立方氮化硼(cBN)、碳化硼(B4C)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硼和金剛石。也可以合成前面所述的其他材料，包括上面所列出材料的任意組合。為了減少氧化物的形成，應(yīng)該知道也可以將氫加入到等離子體中。
因此根據(jù)本發(fā)明，一種或多種成分可以加入催化的等離子體并接著沉積在基板上形成涂層，包括粉末。
例如為了形成SiC，硅源(例如，任何有機(jī)硅前體如SiCl4、SiH4、SiF4、SiH2Cl2或其任意組合)和任何碳源(例如，碳?xì)浠衔?，如乙醇、丙烷、乙烷、甲烷以及碳粉、纖維、蒸氣等)可以加入到等離子體中。還有一些可能的有機(jī)硅前體包括三甲基硅烷、四甲基硅烷和硅雜環(huán)丁烷。硅烷氣體也可以用作硅源。根據(jù)本發(fā)明，還應(yīng)該意識(shí)到，SiC源(例如，用作涂覆材料)可暴露于激光中，以有選擇地激發(fā)SiC，以便將其加入等離子體并作為涂層沉積在工件250上。
如上面所述，利用這些催化的等離子體處理來(lái)沉積涂層的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在涂覆期間，甚至在較高壓力下，由于在工件250上方存在濃度非常高的核素，可以具有更高的生長(zhǎng)速率。而且可以相信，與常規(guī)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)相比，利用本發(fā)明在涂層中形成小孔數(shù)目將得到降低。應(yīng)該知道利用本發(fā)明生產(chǎn)的SiC薄膜可以用于，例如高溫電子芯片的制造或者為汽車(chē)和其他類(lèi)型部件提供高硬度涂層。
還應(yīng)該知道根據(jù)本發(fā)明利用在此所述的等離子體系統(tǒng)可以形成其它的高硬度涂層。例如為了形成TiC，鈦源(例如TiCl4、TiO2和及其任意組合)和任何碳源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。為了防止氧化反應(yīng)，還可加入適當(dāng)量的氫，比如體積百分比約為10％。腔溫度可以控制在任何合適的溫度，比如在大約1000攝氏度和大約1200攝氏度之間。與此相類(lèi)似，利用W源(例如，WO3、WF6及其任意組合)和碳源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以形成WC。
除了TiC和WC，也可以形成包括Ti、Cr和/或Si的其它涂層。例如為了形成TiN，鈦源(例如，參見(jiàn)上面所述)和任何氮源(例如N2、NH3及其任意組合)可以加入等離子體。再次地，腔溫度可以維持在任何合適的溫度，比如在大約1000攝氏度和大約1200攝氏度之間，盡管也能采用其它溫度。類(lèi)似地，為了形成TiCN，鈦源(例如，參見(jiàn)上面所述)、碳源(例如，參見(jiàn)上面所述)和氮源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。
另外，例如為了形成TiAlN，鈦源(例如，參見(jiàn)上面所述)、鋁源(例如，AlCl3、三甲基鋁、鋁元素(如粉末)等)和任何氮源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。還有，為了形成TiBN，鈦源(例如，參見(jiàn)上面所述)、硼源(例如，BCl3、NaBH4、(CNBH2)n及其任意組合)和任何氮源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。還有，為了形成CrN，Cr源(例如，Cr原子)和任何氮源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。此外，為了形成AlN，Al源(例如，參見(jiàn)上面所述)和任何氮源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。此外，為了形成Si3N4，硅源(例如，參見(jiàn)上面所述)和任何氮源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。應(yīng)該知道也可以使用氮化硅，例如用于要求增大硬度或提高光學(xué)性能的許多應(yīng)用中。
根據(jù)本發(fā)明，各種硼化物和氧化物都能用于沉積。例如，為了形成TiB2，鈦源(例如TiCl4、TiO2及其任意組合)和任何硼源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。氫和/或三氯乙烷也能以適當(dāng)?shù)牧考尤氲入x子體以提高產(chǎn)量。為了形成cBN，硼源(例如，參見(jiàn)上面所述)和任何氮源(參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。還有，為了形成B4C，硼源(例如，參見(jiàn)上面所述)和任何碳源(例如，參見(jiàn)上面所述)可以加入等離子體。例如B4C可以用于涂覆刀具。為了形成Al2O3，鋁源(例如，參見(jiàn)上面所述)和包括純氧的任何氧源可以加入等離子體。為了促進(jìn)氧化反應(yīng)，不需要將氫加入到這個(gè)反應(yīng)中。應(yīng)該知道以類(lèi)似方式可以合成其它氧化物。
除了上面討論的眾多典型合金，根據(jù)本發(fā)明，可以合成碳膜如金剛石膜。為了形成金剛石，碳源(例如，碳?xì)浠衔铩⑻挤刍蚶w維)可以加入到等離子體中。通過(guò)向等離子體中加入氫，基本上能抑制石墨的形成而促進(jìn)金剛石的形成。例如，在腔溫度約為600攝氏度情況下，在鎳催化劑(例如以板狀)存在的情況下，CH4、H2、Ar和碳纖維的組合可以用來(lái)形成金剛石。例如，鎳粉也可以用作催化劑。
應(yīng)該知道根據(jù)本發(fā)明，還可形成前面未討論的其它單元或多元涂層。
在前述的實(shí)施例中，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，各種特征被集合在單個(gè)實(shí)施例中。這種公開(kāi)方法不意味著本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)要求了比每個(gè)權(quán)利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權(quán)利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開(kāi)的單個(gè)實(shí)施例的全部特征少。因此，下列權(quán)利要求被加入到該具體實(shí)施方式
中，每個(gè)權(quán)利要求本身作為本發(fā)明的一個(gè)單獨(dú)的優(yōu)選實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種涂覆物體第一表面區(qū)域的方法，該方法包括以下步驟在等離子體催化劑存在的情況下，通過(guò)使氣體受到大量電磁輻射，在第一腔內(nèi)形成等離子體，其中所述腔在容器中形成；將至少一種涂覆材料安放在與所述等離子體分開(kāi)并與之流體連通的位置；激發(fā)所述至少一種涂覆材料的一部分以使被激發(fā)的部分可以加入所述等離子體；以及允許所述至少一種材料沉積在所述物體的所述表面區(qū)域，以形成涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述等離子體催化劑是惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述催化劑包括金屬、無(wú)機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物中的至少一種。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述催化劑包括碳纖維。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述催化劑按比率包括至少一種導(dǎo)電成分和至少一種添加劑，所述方法還包括維持等離子體，其中所述維持步驟包括將附加的電磁輻射引入所述腔；以及允許所述催化劑被所述等離子體消耗，從而所述等離子體包括所述至少一種添加劑。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述輻射的頻率小于約333GHz，以及其中所述等離子體催化劑包括活性等離子體催化劑，該活性等離子體催化劑包括至少一種電離粒子。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述至少一種電離粒子包括一束粒子。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在至少為約1個(gè)大氣壓的壓力下形成所述等離子體。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述安放步驟包括在所述激發(fā)步驟之前在所述腔內(nèi)安放所述至少一種涂覆材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述安放步驟包括將所述至少一種涂覆材料安放在所述腔內(nèi)的開(kāi)口容器中，其中所述容器在所述允許步驟期間基本上屏蔽來(lái)自所述涂覆材料的電磁輻射。
13.如權(quán)利要求書(shū)11所述的方法，其中所述安放步驟包括將所述至少一種涂覆材料安放在所述腔的一部分中，其中這一部分的電磁輻射比形成所述等離子體的另一部分的電磁輻射弱。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在具有內(nèi)表面的容器中形成所述等離子體，并且所述電磁輻射的波長(zhǎng)為λ，所述方法還包括以下步驟將所述物體的第一表面區(qū)域設(shè)置在距所述容器內(nèi)表面的第一部分至少約λ/4的位置處；以及其中所述設(shè)置步驟包括將所述至少一種涂覆材料設(shè)置在距所述容器內(nèi)表面的第二部分小于約λ/4的位置處。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激發(fā)步驟包括將一束光引到所述至少一種涂覆材料上。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述光束的波長(zhǎng)在約150nm到約20μm之間。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激發(fā)步驟包括將粒子束引到所述至少一種涂覆材料上。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述粒子束包括多個(gè)選自如下的粒子電子、質(zhì)子、中子、帶電粒子、光子及其任意組合。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在允許將足夠量的電磁輻射引入所述腔的期間，維持所述等離子體，其中引入方式選自連續(xù)引入、周期性引入、程序化引入及其任意組合。
20.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過(guò)改變流過(guò)所述腔的氣流和電磁輻射能量水平中的至少一個(gè)，根據(jù)預(yù)定的溫度分布來(lái)控制與所述等離子體相關(guān)的溫度。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括通過(guò)流過(guò)所述物體的冷卻氣流、減少所述腔內(nèi)的電磁輻射能、以及循環(huán)鄰近所述物體的流體中的至少一種方法來(lái)冷卻所述物體。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述允許步驟期間所述腔基本上限制所述等離子體。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述容器具有內(nèi)表面，該內(nèi)表面具有至少一種表面特征，其中所述允許步驟包括在所述物體上形成基于所述至少一個(gè)表面特征的涂層圖形。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第二腔與所述第一腔相連，所述方法還包括以下步驟在所述第二腔內(nèi)安放所述物體；在所述允許步驟期間在所述第一腔內(nèi)維持所述等離子體；以及使所述至少一種涂覆材料從所述第一腔流入所述第二腔，從而在所述第二腔內(nèi)在所述物體上形成所述涂層。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在具有開(kāi)口的容器中形成所述第一腔，所述方法還包括以下步驟在所述第一腔外靠近所述開(kāi)口處安放所述物體；在所述允許步驟期間在所述第一腔內(nèi)維持所述等離子體；以及使所述至少一種涂覆材料從所述第一腔流過(guò)所述開(kāi)口，以在所述物體上形成涂層。
26.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述腔具有可變的尺寸，所述系統(tǒng)還包括改變所述腔的尺寸。
27.如權(quán)利要求1所述的方法，其中給所述物體施加電偏壓，所述偏壓選自直流偏壓、正脈沖直流偏壓和負(fù)脈沖直流偏壓。
28.一種通過(guò)權(quán)利要求1所述的方法制造的涂層。
29.一種材料沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括容器，在其中形成有第一腔，并被設(shè)置以使在等離子體催化劑存在的情況下通過(guò)使氣體受到大量的電磁輻射在所述腔中激發(fā)等離子體；電磁輻射源，被設(shè)置在沉積過(guò)程中將所述電磁輻射引入所述第一腔；氣源，與所述第一腔相連，以使在沉積過(guò)程中氣體能夠流入所述腔；以及能源，用于激發(fā)至少一種涂覆材料的一部分，以使激發(fā)的部分加入到等離子體中，其中在被激發(fā)之前，所述至少一種涂覆材料與所述等離子體流體連通，但不與其接觸。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述電磁輻射能源包括波導(dǎo)管和同軸電纜中的至少一種。
31.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑是惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
32.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述催化劑包括金屬、無(wú)機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物中的至少一種。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述催化劑包含碳纖維。
35.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
36.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述催化劑按比率包括至少一種導(dǎo)電成分和至少一種添加劑。
37.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述電磁輻射的頻率小于約333GHz，所述等離子體催化劑包括至少一種電離粒子。
38.如權(quán)利要求37所述的系統(tǒng)，其中所述至少一種電離粒子包括一束粒子。
39.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述用于激發(fā)的裝置包括光源或者粒子束源。
40.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，還包括溫度控制器，用于根據(jù)預(yù)定的溫度分布，通過(guò)改變流經(jīng)所述腔的至少一種氣體、電磁輻射能量水平、電加熱器和流體浴，來(lái)控制與所述等離子體相關(guān)的溫度。
41.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述容器包括選自如下的材料陶瓷材料、石英及其任意組合。
42.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，還包括與所述第一腔流體連通的第二腔。
43.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，還包括輻射器，該輻射器包括基本上不透射電磁輻射的材料，其中所述容器包括基本上透射電磁輻射的材料。
44.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述至少一種涂覆材料包括氮源、氧源、碳源、鋁源、砷源、硼源、鉻源、鎵源、鍺源、銦源、磷源、鎂源、硅源、鉭源、錫源、鈦源、鎢源、釔源和鋯源中的至少一種。
45.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述涂層包括碳化物、氧化物、氮化物、磷化物、砷化物和硼化物中的至少一種。
46.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述涂覆材料包括碳化鎢、氮化鎢、氧化鎢、氮化鉭、氧化鉭、氧化鈦、氮化鈦、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化鋁、氮化鋁、碳化鋁、氮化硼、碳化硼、氧化硼、磷化鎵、磷化鋁、氧化鉻、氧化錫、氧化釔、氧化鋯、鍺化硅、氧化銦錫、砷化銦鎵、砷化鋁鎵、硼、鉻、鎵、鍺、銦、磷、鎂、硅、鉭、錫、鈦、鎢、釔和鋯中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體(615)的用于涂覆物體(250)的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，涂覆物體(250)表面的方法包括在等離子體催化劑(240)存在的情況下通過(guò)使氣體受到電磁輻射在腔(230)中形成等離子體(615)，并通過(guò)使用例如激光器(500)激發(fā)該材料(510)，將至少一種涂覆材料(510)加入等離子體(615)中。允許該材料(510)沉積在物體(250)的表面上以形成涂層。本發(fā)明還提供了各種類(lèi)型的等離子體(240)催化劑。
文檔編號(hào)F27D3/12GK1653205SQ03810270
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者D·庫(kù)馬爾, S·庫(kù)馬爾 申請(qǐng)人:達(dá)納公司