СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПАРЕНИЯ РЕАГЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ Российский патент 2007 года по МПК C23C16/448 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для испарения реагентов и, в частности, к способу и устройству для испарения реагентов, используемых для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы, с не имеющей уплотнений приводной магнитной муфтой. В предлагаемой в изобретении установке используется газ, образующий газовый барьер, препятствующий контакту находящихся в парообразном состоянии реагентов с другими элементами испарительной установки.

Предпосылки создания изобретения

Обычно изделия из стекла с покрытием изготавливают путем непрерывного нанесения покрытия на подложку из стекла, изготовленную способом, известным как "способ изготовления флоат-стекла" (способ изготовления листового стекла на ванне расплавленного металла). При изготовлении стекла на флоат-установке жидкое стекло сливают на поверхность закрытой ванны с расплавленным оловом и после охлаждения до определенной температуры переносят на совмещенные с ванной отрывные ролики, а затем окончательно охлаждают сначала при прохождении через лер (печь для отжига стекла), а затем на воздухе. Во избежание окисления стекла, находящегося в контакте с расплавленным оловом, в ванне постоянно поддерживают неокислительную атмосферу. Атмосфера в печи для отжига стекла определяется свойствами окружающего воздуха. Различные покрытия на стекло наносят химическим осаждением из паровой фазы либо в ванне с расплавленным оловом, либо в печи для отжига стекла, а иногда в расположенной между ними зоне.

Для нанесения покрытий на стекло можно использовать различные по физической форме и агрегатному состоянию реагенты, в том числе газы, жидкости, твердые вещества, пары жидкости или твердого вещества, жидкости или твердые вещества, диспергированные в смеси образующего барьер газа, или пары жидкости, или твердого вещества, диспергированные в смеси образующего барьер газа. При нанесении покрытий химическим осаждением из паровой фазы, как правило, используют испаряющиеся жидкости, которые обычно диспергируют в смеси образующего барьер газа.

В настоящее время известны различные способы нанесения покрытий на подложку из стекла химическим осаждением из паровой фазы. Так, например, в патенте US 5090985 предложен способ испарения реагентов путем инжекции жидкого предшественника покрытия в испарительную камеру и его нагревания до температуры испарения. Одновременно в испарительную камеру подают смесь газов, которую тщательно перемешивают в камере с паром. Внутри испарительной камеры находятся перемешивающие лопатки, которые напрямую механически соединены с двигателем и при вращении распределяют жидкий предшественник покрытия в виде однородной тонкой пленки на стенках испарительной камеры. Смесь паров предшественника покрытия и смеси газов образует в испарительной камере поток паров реагентов, которые в процессе пиролиза разлагаются на поверхности горячей подложки.

Обычные установки для испарения реагентов, используемых для нанесения покрытий на флоат-стекло химическим осаждением из паровой фазы, имеют расположенное между двигателем и испарительной камерой одно уплотнение или несколько уплотнений, которые препятствуют попаданию паров предшественника покрытия в двигатель. Обычно по меньшей мере одно из таких уплотнений устанавливают на валу, которым перемешивающие лопатки соединяются с двигателем. Такие уплотнения должны пропускать очень небольшое количество масла. Масло может смешиваться с предшественником покрытия и загрязнять его. Кроме того, попадание частиц грязи между уплотнением и валом может привести к преждевременному износу уплотнения. При попадании частиц грязи между валом и уплотнением возникают вибрации, которые нарушают герметичность уплотнения и ускоряют его износ. Износ уплотнения может привести к попаданию в испарительную камеру большого количества масла и/или попаданию в уплотняющее масло паров предшественника покрытия.

В настоящее время для приведения во вращение различных объектов без прямого механического соединения двигателя с объектом широко используются различные магнитные муфты. Отсутствие прямого механического соединения двигателя с вращающимся объектом исключает необходимость в использовании приводных валов и их уплотнений. Так, например, в патентах US 4790911 и US 4913777 предложено использовать привод с магнитной муфтой для вращения контейнера, механически не соединенного с двигателем.

В патенте US 4913777 описан контейнер с крышкой и закрепленным на ней ведомым магнитом. Ведущий магнит расположен на внешней стороне крышки. В результате взаимодействия ведомого магнита с ведущим магнитом при вращении ведущего магнита крышка начинает вращаться, и находящийся в контейнере растворитель распределяется по внутренней поверхности крышки. Для испарения растворителя стенки крышки нагревают до соответствующей температуры.

Простое вращение крышки не может, однако, привести к образованию на всей ее внутренней поверхности однородной тонкой пленки материала-предшественника. Кроме того, описанный в патенте US 4913777 контейнер не приспособлен для непрерывной и равномерной подачи внутрь крышки материала-предшественника и других газов, которые обычно используют при нанесении покрытий химическим осаждением из паровой фазы.

Следует подчеркнуть, что упомянутые выше патенты следует рассматривать в контексте настоящего изобретения только в качестве ссылок. Ни в одном из этих патентов не содержится никакой прямой информации, которую в совокупности можно было бы использовать для разработки решений, предлагаемых в настоящем изобретении.

Все вышесказанное убедительно подтверждает необходимость в разработке установки для испарения реагентов, используемых для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы, с приводной магнитной муфтой, предназначенной для перемешивания и равномерного распределения материала-предшественника на внутренней поверхности испарительной камеры. В такой установке, кроме того, необходимо с помощью газа создать надежный барьер между находящимися в испарительной камере коррозионными парами реагентов и другими компонентами установки.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предлагаются способ и установка для испарения реагентов, используемых, в частности, для нанесения покрытий на горячие подложки химическим осаждением из паровой фазы. При испарении реагентов для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы в соответствии с настоящим изобретением используют:

1) один или несколько предшественников покрытия, которые представляют собой металлы или кремниевые соединения с температурой, которая больше их температуры плавления, но существенно меньше их стандартной температуры испарения и при которой предшественники покрытия находятся в жидком состоянии,

2) приводную магнитную муфту с ведущим и ведомым магнитами и устройство для совмещения осей магнитов,

3) испарительную камеру, которая имеет по меньшей мере один вход для непрерывной инжекции в камеру испаряющихся в ней жидких предшественников покрытия,

4) расположенное рядом с магнитной муфтой изолирующее испарительную камеру устройство, в которое подается газ, образующий барьер между магнитной муфтой привода и испарительной камерой, и

5) устройство для распределения жидких предшественников покрытия внутри испарительной камеры, которое соединено с магнитной муфтой привода валом, который проходит через устройство, изолирующее испарительную камеру от магнитной муфты привода.

В другом варианте осуществления изобретения для испарения реагентов для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы используют:

1) один или несколько предшественников покрытия, которые представляют собой металлы или кремниевые соединения с температурой, которая больше их температуры плавления, но существенно меньше их стандартной температуры испарения и при которой предшественники покрытия находятся в жидком состоянии,

2) магнитную муфту привода с ведущим и ведомым магнитами и устройство для соединения магнитов,

3) испарительную камеру, которая имеет по меньшей мере один вход для непрерывной инжекции в камеру испаряющихся в ней жидких предшественников покрытия, и

4) соединенное с ведомым магнитом магнитной муфтой привода устройство для распределения жидких предшественников покрытия внутри испарительной камеры.

Предлагаемые в изобретении решения позволяют получить в испарительной камере по существу чистый, не содержащий загрязняющих веществ поток пара, образующегося при испарении жидкого предшественника покрытия. Отсутствие в предлагаемой в изобретении установке изнашиваемых уплотнений исключает возможность попадания в испарительную камеру масла, а также возможность попадания паров предшественника покрытия в уплотняющее масло.

Краткое описание чертежей

Перечисленные выше, а также другие особенности и преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематическое изображение в виде сбоку предлагаемой в изобретении установки с вертикальным разрезом испарительной камеры и привода с магнитной муфтой,

на фиг.2 - схематическое изображение в виде сбоку другого варианта конструкции предлагаемой в изобретении установки,

на фиг.3 - схематическое изображение деталей, предназначенных для соединения ведомого и ведущего магнитов магнитной муфты привода предлагаемой в изобретении установки,

на фиг.4 - схематическое изображение в виде сбоку участка вала, проходящего через стенку камеры, в которой расположен ведомый магнит магнитной муфты привода, и

на фиг.5 - схематическое изображение в виде сбоку еще одного варианта конструкции предлагаемой в изобретении установки.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Следует подчеркнуть, что изобретение ни в коей мере не исключает возможности внесения в рассмотренную ниже конструкцию установки и в последовательность различных стадий предлагаемого в изобретении способа различных изменений, не выходящих за объем решений, конкретно указанных в описании и в формуле изобретения. В этой связи необходимо также отметить, что конкретные конструктивные решения, показанные на прилагаемых к описанию чертежах и рассмотренные в приведенном ниже описании, лишь иллюстрируют некоторые примеры возможного осуществления изобретения, существо которого в полном объеме отражено в приложенной к описанию формуле изобретения. Так, в частности, встречающиеся в описании сведения о размерах, направлениях и физических характеристиках, которые относятся к рассмотренным в описании вариантам и не указаны в формуле изобретения, не следует рассматривать в качестве ограничительных признаков или особенностей изобретения.

Показанная на фиг.1 и 2 установка 10, предлагаемая в настоящем изобретении, состоит по меньшей мере из одного контейнера 12 с системой подогрева, обозначенного позицией 14 оборудования для подачи газа 16 в установку 10, обозначенного позицией 18 оборудования для подачи образующего барьер газа 20 в изолирующее испарительную камеру устройство 22, приводной магнитной муфты 24, испарительной камеры 26 и устройства 28 для равномерного распределения в испарительной камере 22 материала-предшественника 30 покрытия.

Испарительная камера 26 представляет собой закрытый сосуд с одной или несколькими стенками 32 и зоной 34, в которой находится жидкость, и зоной 36, в которой собираются образующиеся при испарении жидкости пары. В качестве испарительной камеры 26 предлагаемой в настоящем изобретении установки можно использовать горизонтальный тонкопленочный испаритель типа "One-Half Square Foot Rototherm E", выпускаемый фирмой Artisan Industries, Inc., Уолтхем, шт.Массачусетс. Граница между зонами 34 и 36 показана на фиг.1 и 2 в виде прямой линии 38. Зона 34, в которой находится жидкость, образована определенным участком внутренней полости испарительной камеры 26, на котором стенка 32 испарительной камеры 36 покрыта тонким слоем жидкого предшественника 40 покрытия, а зона 36, в которой собираются пары испаряющегося предшественника покрытия, расположена в том месте испарительной камеры 26, в котором жидкий предшественник 40 покрытия полностью превращается в пар 42. Положение границы 38 между зоной 34, в которой находится жидкость, и зоной 36, в которой собираются образующиеся при ее испарении пары, зависит от летучести используемого для нанесения покрытия материала-предшественника 30, температуры испарительной камеры 26, массового расхода образующего барьер газа 20 и ряда других факторов. Так, в частности, при использовании материала-предшественника 30 с относительно высокой летучестью зона 36, в которой собираются пары, занимает большую часть внутреннего объема испарительной камеры 26.

В качестве материалов-предшественников 30 покрытий, для испарения которых предназначен предлагаемый в изобретении способ, можно использовать либо жидкости, которые испаряются при комнатной температуре, либо твердые вещества, которые при нагревании до температуры, большей комнатной, но меньшей стандартной температуры испарения, превращаются в жидкости, которые испаряются при нагревании до более высокой температуры. Под "стандартной температурой испарения" имеется в виду температура, при которой чистый жидкий компонент превращается в насыщенный пар, давление которого равно одной атмосфере. При испарении материалов-предшественников покрытия предлагаемым в изобретении способом материалы-предшественники 30 сначала нагревают в контейнере 12 до температуры, большей их температуры плавления, но существенно меньшей их стандартной температуры испарения. Обычно материалы-предшественники 30 предварительно нагревают в контейнере приблизительно от 70 до 530°F. Нагретый до такой температуры материал-предшественник 30 превращается в летучую жидкость, температура которой ниже температуры ее разложения. Под "температурой, существенно меньшей стандартной температуры испарения", подразумевается температура, которая на 10-90°F ниже стандартной температуры испарения соединения (предшественника покрытия) и при которой тепловое разложение нагретых до этой температуры чувствительных к нагреву соединений существенно снижается.

Для подогрева материала-предшественника 30 покрытия можно использовать любые известные в технике устройства, предназначенные для нагревания твердых веществ или жидкостей, путем, например, сжигания топлива или с использованием электрической энергии и электронагревательных устройств либо с помощью водяного пара, пропускаемого через кожух контейнера 12, в котором находится материал-предшественник 30 покрытия. Настоящее изобретение не исключает возможности использования не только одного нагревательного устройства, показанного на фиг.1 и 2, но и нескольких дополнительных (не показанных на чертежах) нагревательных устройств, предназначенных для предварительного подогрева одного или нескольких материалов-предшественников покрытия. Внутренняя полость контейнера соединена с заполняемой жидкостью зоной 34 испарительной камеры 26, в которую из контейнера по меньшей мере через одно входное отверстие 44 подается предварительно нагретый в контейнере жидкий предшественник 40 покрытия. По меньшей мере одно входное отверстие 44 предпочтительно выполнить в нижней стенке 46 испарительной камеры 26, используя его, как показано на фиг.1 и 2, для непрерывной и равномерной инжекции жидкого предшественника 40 покрытия в испарительную камеру 26.

В качестве материалов-предшественников 30 покрытий, не ограничивающих предлагаемый в изобретении способ, можно назвать диметилоловодихлорид, тетраэтоксисилан, диэтилоловодихлорид, дибутилоловодиацетат, тетраметилолово, метилоловотрихлорид, триэтилоловохлорид, триметилоловохлорид, тетрабутилтитанат, тетрахлорид титана, тетраизопропоксид титана, триэтилалюминий, диэтилалюминийхлорид, триметилалюминий, ацетилацетонат алюминия, этилат алюминия, диэтилдихлорсилан, метилтриэтоксисилан, ацетилацетонат цинка, пропионат цинка или их смеси. Такие соединения обычно широко используют при нанесении покрытий химическим осаждением из паровой фазы в качестве предшественников для нанесения покрытий на горячее стекло. Предлагаемый в изобретении способ испарения материалов-предшественников покрытия можно успешно использовать для любых материалов-предшественников 30 или их смесей, при испарении которых образуется насыщенный пар. К числу наиболее предпочтительных материалов-предшественников 30, предназначенных для нанесения покрытий из оксида олова, относятся диметилоловодихлорид или смесь диметилоловодихлорида и метилоловотрихлорида, в которой содержится, например, 95 мас.% диметилоловодихлорида и 5 мас.% метилоловотрихлорида.

Нагревать испарительную камеру 26 можно различными хорошо известными способами, например сжиганием топлива или с использованием электрической энергии и электронагревательных устройств либо с помощью водяного пара, пропускаемого через кожух 48 испарительной камеры. При нагреве испарительной камеры 26 в ней постоянно поддерживается постоянная температура и выделяется тепло, необходимое для испарения жидкого предшественника 40 покрытия. Обычно в испарительной камере 26 поддерживают температуру приблизительно от 95 до 550°F.

Магнитная муфта 24 привода состоит по меньшей мере из одного ведущего магнита 50 и по меньшей мере одного ведомого магнита 52. Ведущий магнит 50 соединен с валом 54 приводного двигателя 56. На фиг.1 и 2 соединение двигателя с ведущим магнитом муфты показано схематично. В одном из предпочтительных вариантов, показанном на фиг.1 и 2, ведомый магнит 52 магнитной муфты привода расположен внутри ведущего магнита 50. Ведомый магнит 52 расположен в герметичной камере 58, которая расположена внутри ведущего магнита 50, и соединен с устройством 28, предназначенным для равномерного распределения материала-предшественника 30 покрытия внутри испарительной камеры 26. Магнитное поле, соединяющее магниты 50 и 52 друг с другом, проходит через одну или несколько стенок 60 камеры 58, и вращение ведущего магнита 50 передается ведомому магниту 52 и механически соединенному с ним распределительному устройству 28 без физического контакта между магнитами 50, 52.

Форма, размеры и расположение ведущего и ведомого магнитов 50 и 52 на фиг.1 и 2 показаны условно. Для специалистов в данной области техники очевидно, что, не выходя за объем изобретения, в предлагаемой в изобретении установке можно использовать самые разные по форме, размерам и расположению магниты.

Обычно ведущий магнит 50 состоит из одного или нескольких рядов постоянных магнитов с высокой напряженностью магнитного поля. Ведомый магнит 52 можно выполнить с таким же количеством рядов аналогичных магнитов, вращающихся синхронно с вращением ведущего магнита 50. Ведомый магнит 52 можно также выполнить в виде медных стержней, вращающихся со скоростью, несколько меньшей скорости вращения ведущего магнита 50.

На фиг.3 показаны детали, предназначенные для точного совмещения осей ведущего и ведомого магнитов 50 и 52. Ведущий магнит 50 имеет обработанную с высокой точностью внутреннюю поверхность 62, диаметр которой соответствует диаметру выходного вала 54 двигателя. Ведущий магнит 50 имеет также обработанную с высокой точностью наружную поверхность 64 с постоянным по окружности радиусом 66. При высокой точности взаимного расположения внутренней и наружной поверхностей 62 и 64 ведущий магнит 50 вращается вокруг оси приводного вала 52 с постоянным расстоянием, равным радиусу 66, от оси вращения до его наружной поверхности. Наружная поверхность 68 ведомого магнита 52 также обработана с высокой точностью и имеет постоянный по окружности радиус 70.

На фиг.3 показана также втулка 72 с механически обработанными торцами 74 и 76. Внутрь втулки 72 плотно вставляют ведущий магнит 50, и втулка вторым своим механически обработанным торцом 76 крепится к плоскому торцу 78 двигателя 56. Первый механически обработанный торец 74 втулки 72 крепится к камере 58, внутри которой расположен ведомый магнит 52. Ведущий магнит 50 вращается с постоянной скоростью и имеет постоянный радиус, а также создает в неменяющемся между ним и ведомым магнитом 52 зазоре постоянное и равномерное магнитное поле 80, как это в качестве примера показано на фиг.1 и 2. При наличии между магнитами 50, 52 постоянного и равномерного магнитного поля 80 вращение ведущего магнита передается ведомому магниту, который равномерно вращается с постоянной скоростью вместе с ведущим магнитом. Равномерно вращающийся с постоянной скоростью ведомый магнит 52 приводит во вращение устройство 28, предназначенное для равномерного распределения в испарительной камере 26 жидкого предшественника 40 покрытия и образования тонкой пленки жидкого предшественника 40 покрытия на внутренней поверхности стенок 32 испарительной камеры 26, как это показано на фиг.1 и 2.

Показанное на фиг.1 и 2 устройство 28 для распределения материала-предшественника покрытия в испарительной камере имеет вал 84, соединенный с ведомым магнитом 52. Вал 84 соединен с одной или несколькими широкими плоскими ребрами или лопатками 86 и проходит внутрь испарительной камеры 26 через устройство 22, изолирующее испарительную камеру от магнитной муфты. Вал 84 вращается как минимум в одной кольцевой опоре 88 с низким коэффициентом трения. В предпочтительном варианте, показанном на фиг.1 и 2, вал 84 вращается в двух опорах 88 и 90. Кольцевые опоры 88, 90 выполнены в виде шарикоподшипников 92, в которых вращается консольно расположенный внутри испарительной камеры 26 вал 84. По меньшей мере второй шарикоподшипник 90 расположен внутри опорной втулки 94 с несколькими окнами 96.

Соединенный с магнитной муфтой вал 84 приводит во вращение лопатки 86, которые создают центробежные силы и равномерно распределяют жидкий предшественник 40 покрытия на внутренней поверхности 98 стенки испарительной камеры 26. Жидкий предшественник 40 покрытия образует на внутренней поверхности 98 стенки испарительной камеры равномерный слой 100, в результате испарения которого внутри испарительной камеры создается стабильный поток концентрированного пара 42.

Как показано на фиг.1, предлагаемая в изобретении установка для испарения материалов-предшественников, используемых для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы, имеет оборудование 18, из которого по меньшей мере через один трубопровод 102 в камеру 58 ведомого магнита 52 подается газ 20, образующий барьер между магнитной муфтой привода и испарительной камерой. Газ 20 проходит через окна 96 опорной втулки 94 одного из подшипников вала. Проходящий через окна газ 20 попадает в изолирующее испарительную камеру устройство 22. В предпочтительном варианте изолирующее испарительную камеру устройство 22 образовано камерой 58, внутри которой расположен ведомый магнит, по меньшей мере вторым подшипником 90 вала и по меньшей мере частью испарительной камеры 26.

В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, в камере 58 ведомого магнита выполнено по меньшей мере одно расположенное рядом с валом 84 отверстие 104, через которое образующий барьер между испарительной камерой и магнитной муфтой газ 20 проходит из камеры 58 в изолирующее испарительную камеру устройство 22. Как показано на фиг.4, внутренний диаметр 106 отверстия 104 больше наружного диаметра 108 вала 84. Вал 84 проходит через отверстие 104 с зазором 110. Через этот зазор 110 образующий барьер между испарительной камерой и магнитной муфтой газ 20 проходит из камеры 58 ведомого магнита муфты в изолирующее испарительную камеру устройство 22.

Независимо от того, каким образом создающий барьер газ 20 попадает из камеры 58 ведомого магнита муфты в изолирующее испарительную камеру устройство 22, оба описанных выше варианта обеспечивают непрерывное и равномерное попадание в испарительную камеру 26 образующего барьер газа 20.

Скорость создающего барьер газа 20, непрерывно попадающего из камеры 58 ведомого магнита муфты в изолирующее испарительную камеру устройство 22, предпочтительно должна быть выше скорости, с которой пары 42 предшественника покрытия выходят из испарительной камеры. Обычно для увеличения скорости образующего барьер газа 20 используют сжатый газ. Создающий барьер газ 20, попадающий в изолирующее устройство 22 со скоростью, большей скорости выходящих из испарительной камеры паров 42 предшественника покрытия, препятствует попаданию паров 42 предшественника покрытия из испарительной камеры 26 в изолирующее устройство 22. Более высокая, чем скорость выходящих из камеры паров предшественника покрытия, скорость создающего барьер газа 20 исключает также возможность попадания коррозионных паров 42 предшественника покрытия в подшипники 88, 90 вала и в магнитную муфту 24 привода.

В качестве создающего в испарительной камере барьер газа 20 можно использовать, например, гелий, азот, водород или аргон, их смеси или любой газ, химически нейтральный при рабочей температуре к парам 42 предшественника покрытия, а также смеси этих газов. Предпочтительно в качестве создающего барьер газа использовать смеси гелия и азота или смеси, содержащие и гелий, и азот. Создающий в испарительной камере барьер газ 20 хранится в баллонах 112, из которых он через соответствующие регуляторы 114, расходомеры 116 и клапаны 118 подается в камеру 58 ведомого магнита приводной муфты, как это показано на фиг.1 и 2.

Образующий барьер газ 20 попадает в изолирующее испарительную камеру устройство 22 при температуре, меньшей температуры, при которой внутри камеры происходит испарение жидкого предшественника покрытия. Для изменения температуры инжектируемого в изолирующее испарительную камеру устройство 22 образующего барьер газа 20 можно использовать соответствующие (не показанные на чертежах) устройства. Сравнительно холодный образующий барьер газ 20 охлаждает подшипники 88, 90 вала и исключает или существенным образом снижает вероятность износа подшипников из-за их перегрева.

При необходимости в заполненную жидкостью зону 34 испарительной камеры 26 по меньшей мере через одно входное отверстие 120 можно подавать любое количество второго газа 16. Дополнительно подаваемый в испарительную камеру 26 газ 16 увеличивает массу отбираемых из испарительной камеры паров 42 предшественника покрытия. Увеличение количества отбираемых из испарительной камеры паров 42 предшественника покрытия ускоряет испарение жидкого 40 предшественника покрытия.

В качестве второго газа 16, который инжектируют в заполненную жидкостью зону 34 испарительной камеры, можно использовать тот же газ 20, с помощью которого перед испарительной камерой создают газовый барьер, а также гелий, азот, водород, аргон, их смеси или любой другой химически нейтральный газ. Газ 16, который инжектируют в заполненную жидкостью зону 34 испарительной камеры, хранится в баллонах 122 и подается в испарительную камеру через соответствующие регуляторы 124, расходомеры 126 и клапаны 128. Температуру газа 16, инжектируемого в испарительную камеру 26, можно при необходимости менять, используя для этого любые (не показанные на чертежах) соответствующие устройства.

На фиг.5 показан еще один вариант выполнения предлагаемой в изобретении установки для испарения жидкого материала-предшественника, используемого для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы. На фиг.5 показан ведомый магнит 130 магнитной муфты привода, расположенный рядом с ее ведущим магнитом 132. Ведущий магнит 132 магнитной муфты соединен валом 134 с приводным двигателем 136. Ведомый магнит 130 находится внутри испарительной камеры 138, расположенной между ведущим магнитом 132 и связанным с ним магнитным полем ведомым магнитом 130. Расположенная между магнитами испарительная камера 138 препятствует попаданию паров 140 предшественника покрытия в двигатель 126. Ведомый магнит 130 должен выдерживать высокую температуру испарительной камеры 138. Для этого, например, на ведомый магнит 130 можно нанести покрытие 142 из термостойкой и обладающей высокой химической стойкостью смолы, хорошо известной специалистам и широко используемой в подобных целях. Конструктивно и по принципу действия ведущий и ведомый магниты 132 и 130 и испарительная камера 138 по существу не отличаются от описанных выше.

Ведомый магнит 130 имеет, как показано на фиг.5, одну или несколько плоских широких лопаток 144. Отделенные друг от друга одной или несколькими стенками 146 испарительной камеры 138 ведомый и ведущий магниты 130 и 132 связаны между собой возникающим между ними магнитным полем, которое при вращении ведущего магнита 132 приводит во вращение ведомый магнит 130. Вращающиеся вместе с ведомым магнитом 130 внутри испарительной камеры 138 лопатки 144 создают центробежные силы и равномерно распределяют жидкий предшественник 148 покрытия на внутренней поверхности 150 стенки испарительной камеры 138.

При вращении ведущего магнита ведомый магнит с лопатками 144 свободно вращается в расположенных внутри испарительной камеры 138 по меньшей мере двух опорах с низким коэффициентом трения. Опоры ведомого магнита с лопатками предпочтительно выполнены в виде втулок или подшипников скольжения 152 из термостойкого и обладающего высокой химической стойкостью материала. Изготовить такие подшипники скольжения можно, например, из углерода или материала Teflon® либо из любого другого хорошо известного специалистам материала, обладающего необходимой химической стойкостью и термостойкостью.

При необходимости для увеличения массы отбираемых из испарительной камеры 138 паров 140 предшественника покрытия в испарительную камеру можно подавать инертный газ 154, который хранится в баллонах 156, соединенных с испарительной камерой 138 через соответствующие регуляторы 158, расходомеры 160 и клапаны 162. Материал-предшественник 164 покрытия предварительно нагревают, о чем говорилось выше, и в жидком виде подают в испарительную камеру 138 по меньшей мере через одно входное отверстие 166.

В обоих рассмотренных выше вариантах жидкий предшественник 40, 148 покрытия, его пары 42, 140 и образующий барьер газ 20, 154 (если он присутствует) нагревают в испарительной камере 26, 138 до температуры, большей температуры инжектируемого в испарительную камеру жидкого предшественника 40, 148 покрытия, но меньшей стандартной температуры испарения предшественника покрытия. Температура, до которой указанные выше компоненты нагревают в испарительной камере, зависит от теплового разложения используемого предшественника покрытия и от массового расхода образующего барьер газа 20, 154. Жидкий предшественник 40, 148 и химический состав образующего барьер газа 20, 154, а также скорость, с которой их подают в испарительную камеру 26, 124, должны соответствовать друг другу с тем, чтобы количество образующего барьер газа 20, 154 в испарительной камере было достаточным для непрерывного вытеснения из камеры образующихся в ней паров 42, 140 предшественника покрытия и ускорения происходящего в камере процесса испарения жидкого предшественника 40, 148 покрытия. При соблюдении этих условий жидкий предшественник 40, 148 покрытия полностью испаряется в камере при температуре, меньшей его стандартной температуры испарения.

Предлагаемая в изобретении установка работает в непрерывном режиме, и в испарительной камере непрерывно образуется поток состоящей из паров 42, 140 предшественника покрытия и образующего барьер газа 20, 154 однородной смеси с высокой концентрацией пара 42, 140 предшественника покрытия. В каждом из рассмотренных выше вариантов образующаяся в испарительной камере 26, 138 смесь газа и паров предшественника покрытия выходит из испарительной камеры 26, 138 через выходное отверстие 168, 170 и по соответствующему трубопроводу (не показанному на чертежах) наносится на поверхность горячей подложки (не показанной на чертежах) под действием давления, которое создается в испарительной камере 26, 138 в результате испарения инжектируемого в нее через входное отверстие 44, 166 жидкого предшественника 40, 148 покрытия и подаваемым в нее образующим барьер сжатым газом 20, 140.

Большинство предшественников покрытия в парообразном состоянии при окислении очень легко воспламеняются, и поэтому должны подаваться в зону нанесения покрытия в потоке образующего барьер газа, концентрация паров в котором не должна превышать нескольких процентов. При высокой концентрации паров предшественника покрытия в потоке газа на поверхности горячей подложки в окислительной атмосфере может произойти воспламенение предшественника покрытия. Поэтому для нанесения покрытий следует использовать газ, в котором концентрация паров выбранного предшественника покрытия не превышает предела воспламеняемости.

Обычно покрытия на поверхность горячей подложки из стекла (не показанной на чертежах) наносят химическим осаждением из паровой фазы. Стекло с покрытием изготавливают на расплаве металла в виде листового стекла (флоат-стекло) в ванне с расплавленным металлом, в которой температура стекла составляет приблизительно от 1100 до 1250°F, и отжигают в печи, в которой температура стекла снижается приблизительно до 750-1050°F, или в переходной зоне между ванной и печью, в которой температура стекла снижается приблизительно до 1025-1100°F. Испаряющиеся предшественники покрытий подают в ванну с расплавленным металлом в точке, расположенной рядом с поверхностью движущейся полосы из стекла или на ней. В присутствии кислорода предшественники покрытий пиролитически разлагаются и образуют на поверхности стекла оксидное покрытие. В этой связи необходимо, однако, отметить, что настоящее изобретение не ограничено нанесением оксидных покрытий и может использоваться для нанесения неоксидных покрытий, в частности кремниевых покрытий или покрытий из нитридов переходных металлов. Кроме того, настоящее изобретение может найти применение для нанесения покрытий химическим осаждением из паровой фазы не только на стекло, но и на любые другие подложки.

Следует также подчеркнуть, что предлагаемый в изобретении способ испарения используемых для нанесения покрытий реагентов не ограничен какими-либо определенными рамками в части режима работы. Указанные выше параметры, характеризующие конкретные условия реализации предлагаемого в изобретении способа и работу предлагаемой в изобретении установки, относятся по существу к обычной практике изготовления флоат-стекла с нанесением покрытий на стекло химическим осаждением из паровой фазы. Очевидно, что указанные выше условия и режимы работы предлагаемой в изобретении испарительной установки не пригодны для всех соединений, используемых в качестве материалов-предшественников при нанесении покрытий химическим осаждением из паровой фазы. Определить соединения, испарение которых должно осуществляться в других условиях, легко может любой специалист в данной области техники. Для нанесения покрытий из таких соединений любой специалист в данной области техники может легко внести в описанный выше способ необходимые изменения, связанные, в частности, с увеличением или уменьшением температуры, изменением расхода подаваемого в испарительную камеру жидкого предшественника покрытия или смеси газов, подбором соответствующих реагентов, химически осаждаемых из паровой фазы, или изменением состава образующего барьер газа, изменением условий и режима испарения и т.д.

Изобретения относятся к способу и устройству для испарения жидких реагентов, используемых в качестве предшественников при нанесении покрытий химическим осаждением из паровой фазы. Жидкие предшественники покрытия непрерывно инжектируют в испарительную камеру, в которой они превращаются в пар. В испарительной камере расположено устройство для распределения жидких предшественников покрытия, которое приводится во вращение не имеющей уплотнений приводной магнитной муфтой. В одном из вариантов в расположенную рядом с испарительной камерой зону инжектируют образующий перед испарительной камерой барьер газ, скорость которого превышает скорость выходящих из испарительной камеры паров предшественников покрытия и исключает возможность попадания паров в приводную магнитную муфту. В другом варианте первую часть приводной магнитной муфты соединяют с расположенным в испарительной камере устройством, предназначенным для распределения в камере жидкого предшественника покрытия. Вторая часть приводной магнитной муфты, расположенная рядом с ее первой частью вне испарительной камеры, приводится во вращение первой частью муфты, с которой она связана магнитным полем. Технический результат заключается в получении чистого, не содержащего загрязняющих веществ потока пара, который предназначен для химического осаждения покрытий. 2 н. и 54 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система для испарения реагентов, содержащая один или несколько предшественников покрытия, которые представляют собой металлы или кремниевые соединения с температурой, которая больше их температуры плавления, но существенно меньше их стандартной температуры испарения, и при которой предшественники покрытия находятся в жидком состоянии, приводную магнитную муфту с ведущим и ведомым магнитами, испарительную камеру с устройством для непрерывной инжекции в камеру испаряющихся в ней жидких предшественников покрытия и соединенное с ведомым магнитом магнитной муфты вращающееся устройство для распределения жидких предшественников покрытия внутри испарительной камеры.2. Система по п.1, в которой испарительная камера имеет, по меньшей мере, один выход, через который из камеры выходят образующиеся в ней пары предшественников покрытия.3. Система по п.2, в которой ведомый магнит расположен внутри испарительной камеры.4. Система по п.3, в которой ведомый магнит покрыт слоем термостойкой и химически стойкой смолы.5. Система по п.4, в которой ведомый магнит соединен с одной или несколькими лопатками, которые создают центробежные силы и равномерно распределяют жидкие предшественники покрытия на внутренней поверхности стенки испарительной камеры.6. Система по п.5, в которой одна или несколько лопаток вращаются в испарительной камере, по меньшей мере, в двух опорах с низким коэффициентом трения.7. Система по п.6, в которой, по меньшей мере, две опоры выполнены в виде подшипников скольжения, изготовленных из химически стойкого материала.8. Система по п.7, в которой, по меньшей мере, две опоры выполнены в виде подшипников скольжения, изготовленных из термостойкого материала.9. Система по п.1, в которой испарительная камера имеет, по меньшей мере, одно отверстие, через которое в нее попадает образующий барьер газ.10. Система по п.9, в которой испарительная камера имеет, по меньшей мере, одно отверстие, через которое в нее подают второй предшественник покрытия.11. Система по п.1, в которой магнитная муфта имеет устройство для совмещения осей ведущего и ведомого магнитов и в которой испарительная камера имеет вход для непрерывной инжекции в камеру жидкого предшественника покрытия, из которого в камере образуется пар, который выходит из испарительной камеры с определенной скоростью, и в которой в расположенное рядом с магнитной муфтой изолирующее испарительную камеру устройство подается образующий барьер газ, скорость которого больше скорости, с которой пар выходит из испарительной камеры, и в которой расположенное в испарительной камере распределительное устройство вращается соединенным с магнитной муфтой валом, который проходит через изолирующее испарительную камеру устройство, в которое подается образующий барьер газ.12. Система по п.1, в которой скорость образующего барьер газа исключает возможность попадания паров предшественника покрытия из испарительной камеры в изолирующее испарительную камеру устройство, в которое подается образующий барьер газ.13. Система по п.1, в которой скорость образующего барьер газа исключает возможность попадания паров предшественника покрытия из испарительной камеры в магнитную муфту.14. Система по п.1, в которой испарительная камера представляет собой тонкопленочный испаритель.15. Система по п.1, в которой испарительная камера имеет зону, заполненную жидкостью, и зону, в которой собирается образующийся при испарении жидкости пар.16. Система по п.1, в которой испарительную камеру нагревают для испарения подаваемых в нее жидких предшественников покрытия.17. Система по п.11, в которой приводной магнит соединен с расположенным внутри испарительной камеры устройством, предназначенным для распределения в ней жидких предшественников покрытия.18. Система по п.17, в которой ведомый магнит соединен с перемешивающим валом.19. Система по п.18, в которой перемешивающий вал проходит внутрь испарительной камеры через изолирующее испарительную камеру устройство, в которое подается образующий барьер газ.20. Система по п.19, в которой перемешивающий вал вращается, по меньшей мере, в одной опоре с низким коэффициентом трения.21. Система по п.20, в которой на перемешивающем валу закреплена, по меньшей мере, одна лопатка, предназначенная для распределения жидких предшественников покрытия и их паров в испарительной камере.22. Система по п.21, в которой, по меньшей мере, одна закрепленная на валу распределительная лопатка образует на внутренней стенке испарительной камеры тонкий, по существу, однородный слой жидких предшественников покрытия.23. Система по п.22, в которой тонкая пленка жидких предшественников покрытия образуется внутри испарительной камеры распределительной лопаткой под действием центробежной силы.24. Система по п.11, в которой ведомый магнит соединен с ведущим магнитом магнитным полем.25. Система по п.24, в которой ведущий магнит имеет механически обработанную внутреннюю поверхность, диаметр которой равен диаметру выходного вала приводного двигателя.26. Система по п.25, в которой ведущий магнит имеет механически обработанную наружную поверхность постоянного радиуса.27. Система по п.26, в которой ведущий магнит вращается валом двигателя на постоянном в радиальном направлении расстоянии от вала.28. Система по п.27, в которой имеется втулка, предназначенная для совмещения осей ведущего и ведомого магнитов.29. Система по п.11, в которой образующий барьер газ непрерывно подается в магнитную муфту.30. Система по п.18, в которой магнитная муфта имеет отверстие для прохода в испарительную камеру перемешивающего вала.31. Система по п.14, в которой образующий барьер газ проходит через выполненное в магнитной муфте отверстие для перемешивающего вала в изолирующее испарительную камеру устройство.32. Система по п.18, в которой магнитная муфта имеет одно или несколько окон, через которые образующий барьер газ попадает в изолирующее испарительную камеру устройство.33. Система по п.11, в которой в испарительную камеру подают второй газ, который способствует вытеснению из нее паров предшественников покрытия.34. Система по п.20, в которой находящийся в изолирующем испарительную камеру устройстве образующий барьер газ охлаждает, по меньшей мере, одну имеющую низкий коэффициент трения опору перемешивающего вала.35. Система по п.11, в которой испарительная камера имеет одну или несколько нагреваемых стенок.36. Система по п.11, в которой в качестве образующего барьер газа используется газ, выбранный из группы, включающей гелий, азот, водород, аргон и их смеси.37. Система по п.36, в которой в качестве образующего барьер газа используется смесь гелия и азота.38. Система по п.11, в которой испарительная камера имеет, по меньшей мере, один выход, через который из нее выходят пары предшественников покрытия и образующий барьер газ.39. Способ испарения реагентов, заключающийся в том, что выбирают один или несколько предшественников покрытия, которые представляют собой металлы или кремниевые соединения с температурой, которая больше их температуры плавления, но существенно меньше их стандартной температуры испарения и при которой предшественники покрытия находятся в жидком состоянии, жидкий предшественник покрытия непрерывно инжектируют в испарительную камеру, в которой он превращается в пар, и с помощью не имеющей уплотнений приводной магнитной муфты вращают устройство, предназначенное для распределения жидкого предшественника покрытия внутри испарительной камеры.40. Способ по п.39, в котором в приводную магнитную муфту инжектируют образующий барьер газ.41. Способ по п.40, в котором скорость инжектируемого в муфту образующего барьер газа больше скорости, с которой пары выходят из испарительной камеры.42. Способ по п.41, в котором скорость образующего барьер газа исключает возможность попадания паров предшественника покрытия из испарительной камеры в приводную магнитную муфту.43. Способ по п.42, в котором скорость образующего барьер газа исключает возможность попадания паров предшественника из испарительной камеры в одну или несколько имеющих низкий коэффициент трения опор, в которых вращается приводная магнитная муфта.44. Способ по п.43, в котором жидкий предшественник покрытия перед инжекцией в испарительную камеру нагревают.45. Способ по п.39, в котором для нагрева инжектируемого в испарительную камеру жидкого предшественника покрытия нагревают стенки испарительной камеры.46. Способ по п.39, в котором приводная магнитная муфта состоит из ведущего магнита и ведомого магнита, которые связаны между собой магнитным полем и вращают расположенное в испарительной камере устройство, предназначенное для распределения в ней жидкого предшественника покрытия.47. Способ по п.46, в котором ведущий магнит вращается на постоянном расстоянии в радиальном направлении от ведомого магнита.48. Способ по п.46, в котором устройство для распределения жидкого предшественника покрытия представляет собой, по меньшей мере, одну перемешивающую лопатку, расположенную в испарительной камере.49. Способ по п.48, в котором жидкий предшественник покрытия равномерно распределяется по стенкам испарительной камеры под действием центробежной силы, создаваемой вращающимися в испарительной камере лопатками.50. Способ по п.49, в котором приводной магнит расположен в испарительной камере и вращает, по меньшей мере, одну перемешивающую лопатку.51. Способ по п.40, в котором для увеличения массы отбираемых из испарительной камеры паров предшественника покрытия в испарительную камеру инжектируют второй газ.52. Способ по п.47, в котором ведущий магнит вращается с постоянной скоростью.53. Способ по п.52, в котором ведущий и ведомый магниты связаны друг с другом однородным и постоянным магнитным полем.54. Способ по п.53, в котором ведомый магнит вращается равномерно с постоянной скоростью.55. Способ по п.54, в котором устройство для распределения жидких предшественников покрытия вращается равномерно с постоянной скоростью.56. Способ по п.55, в котором вращающееся с постоянной скоростью распределительное устройство образует в испарительной камере тонкую пленку жидкого предшественника покрытия.