專利名稱：一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及等離子體產(chǎn)生裝置領(lǐng)域，具體為一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的
直O(jiān)
背景技術(shù)：
材料處理中所采用的等離子體是由射頻低氣壓放電產(chǎn)生的非平衡等離子體。這種 等離子體最顯著的特性的是不同種類的粒子具有不同的能量，即電子的溫度很高，一般是 幾個(gè)電子伏特左右(約為幾萬(wàn)度)，而離子及活性粒子團(tuán)的溫度很低，正是這些高能電子的 存在，才能夠引起非平衡化學(xué)反應(yīng)。高頻放電通常直電容耦合放電、電感耦合放電、微波電 子回旋共振放電、螺旋波放電等。為實(shí)現(xiàn)微細(xì)、大面積和高速加工的目的，等離子體必須具 備低氣壓、大口徑、高密度等特性。但是增加口徑、降低工作氣壓會(huì)導(dǎo)致等離子體密度的降 低。另外對(duì)于電容耦合和電感耦合放電，當(dāng)材料需批量處理時(shí)，必須增大放電電極面積和間 距。由于材料處于等離子體放電區(qū)域內(nèi)，處理材料的多少將影響等離子體放電特性，并進(jìn)一 步影響處理材料品質(zhì)的一致性。電子回旋共振等離子體(ECR)或螺旋波等離子體(HWP)設(shè) 備增大口徑將受到外加磁場(chǎng)的限制。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù) 的等離子體裝置產(chǎn)生的等離子體密度低，對(duì)材料處理的效果差的問(wèn)題。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，包括有圓筒狀的內(nèi)、外電極，所述外電極一 端為筒口，所述筒口處安裝有密封外電極的密封門，其特征在于外電極套在內(nèi)電極外部并 與內(nèi)電極同軸設(shè)置，所述內(nèi)、外電極中間有間隙，還包括有供氣單元、射頻電源匹配單元、真 空單元，所述供氣單元中有供氣管道連接在所述外電極上與外、內(nèi)電極之間的間隙相通，所 述射頻電源匹配單元中有射頻電極穿過(guò)外電極并連接在所述內(nèi)電極上，所述真空單元中有 連接在外電極上的氣路管道與內(nèi)、外電極之間的間隙連通。所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述供氣單元包括多 個(gè)載氣瓶，每個(gè)載氣瓶的輸氣管道上均安裝有流量計(jì)或針閥，多個(gè)載氣瓶的輸氣管道合為 一路供氣管道后連接在所述外電極上與內(nèi)、外電極之間的間隙相通，所述供氣管道上還安 裝有供氣電磁閥。所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述射頻電源匹配單 元包括彼此電連接的射頻電源和匹配器，所述匹配器的電輸出端上連接有射頻電極，所述 射頻電極穿過(guò)外電極并電連接在所述內(nèi)電極上。所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述真空單元包括過(guò) 濾器、真空泵、電阻規(guī)，所述電阻規(guī)安裝在外電極上并伸入內(nèi)、外電極之間間隙中，所述過(guò)濾 器的進(jìn)氣管道上安裝有進(jìn)氣電磁閥，所述真空泵的抽氣管道上安裝有抽氣電磁閥，所述真空泵的抽氣管道、過(guò)濾器的送氣管道合為一路氣路管道后連接在外電極上與內(nèi)、外電極之 間的間隙連通。所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述密封門中心位置 開有窗口，窗口中安裝有帶防射頻輻射屏蔽銅網(wǎng)的玻璃觀察窗片。所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述內(nèi)、外電極之間的 間隙中還填充有多段彼此分離的聚四氟絕緣塊。所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述外電極、射頻電源 匹配單元中的射頻電源及匹配器分別接地。本實(shí)用新型各單元由PLC控制，根據(jù)設(shè)定流程，通過(guò)PLC提供系統(tǒng)各單元控制信 號(hào)。由供氣管道、供氣電磁閥、流量計(jì)或針閥及載氣瓶構(gòu)成供氣單元。供氣管道和接地外電 極相連，進(jìn)氣由供氣電磁閥控制。所用氣體流量通過(guò)流量計(jì)或針閥控制，針對(duì)處理不同材料 或者不同應(yīng)用可以適當(dāng)增減流量計(jì)或針閥及載氣瓶數(shù)量。由射頻電極、匹配器、射頻電源構(gòu)成射頻電源匹配單元。通過(guò)調(diào)整匹配器使射頻入 射功率達(dá)到最大，而反射功率最小。通過(guò)射頻電極，匹配器、射頻電源和外電極均接地，以保 護(hù)人體安全。電阻規(guī)、真空抽氣管道、進(jìn)氣電磁閥、抽氣電磁閥、真空泵、過(guò)濾器構(gòu)成真空單元。 電阻規(guī)為真空測(cè)量單元，它和附屬電路用于真空室內(nèi)氣壓測(cè)量。抽真空時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣電磁 閥，將真空室抽至設(shè)定氣壓；材料處理完畢關(guān)閉抽氣電磁閥，打開進(jìn)氣電磁閥，通過(guò)過(guò)濾器 向內(nèi)、外電極之間間隙的真空室內(nèi)進(jìn)氣至大氣壓。當(dāng)氣壓范圍為0.廣60Pa，在外電極和內(nèi)電極之間產(chǎn)生電容耦合等離子體放電，由 于外電極是接地的，所以接地電極的有效面積要大于高頻電極的面積。高頻電極上會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)負(fù)的直流偏壓，利用高頻電極上所產(chǎn)生的負(fù)直流偏壓加速離子并使其轟擊襯底，加速 表面反應(yīng)。并通過(guò)高頻電極的空隙向中心擴(kuò)散，在整個(gè)真空腔體內(nèi)形成均勻高密度等離子 體。處理薄膜型材料時(shí)，可以將材料放于外電極和內(nèi)電極之間電極的表面。而在批量 處理具有一定體積的材料比如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等材料時(shí)將材料放置于高頻電極圓筒形空腔 內(nèi)，材料不處于電極間的放電區(qū)域，不影響等離子體的放電特性，因此處理材料的品質(zhì)可以 獲得較好的一致性。電容耦合等離子體無(wú)需外加磁場(chǎng)即可進(jìn)行放電，它比需要借助于外磁場(chǎng)的電子回 旋共振等離子體(ECR)或螺旋波等離子體(HWP)放電的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因此它可以相對(duì)容易 地獲得大面積的等離子體。本實(shí)用新型能在氣壓較高的條件下維持穩(wěn)定均勻的輝光放電。等離子體密度較 高，可以產(chǎn)生豐富的活性基團(tuán)，滿足刻蝕和聚合應(yīng)用的需要；高頻電極上存在自給偏壓，能 夠加速離子使其具有足夠高的能量以便為薄膜制備或表面處理等項(xiàng)目工藝所用；可應(yīng)用于 等離子體CVD、刻蝕、清洗以及高分子材料表面改性等領(lǐng)域。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1.反應(yīng)速度快、溫度低氣體放電瞬間發(fā)生等離子體反應(yīng)，幾秒鐘或者幾分鐘就 可改變表面的性質(zhì)；反應(yīng)接近常溫，特別適于高分子材料。2.能量高高頻電極上存在自給偏壓，能夠加速離子使其具有足夠高的能量，因此等離子體是具有超常化學(xué)活性的高能粒子。3.廣適性各種基材類型均可進(jìn)行處理，如金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子 材料等都能很好地處理。4.功能強(qiáng)由于等離子體處理是在真空下進(jìn)行的，所以等離子體中的各種活性離 子的自由程很長(zhǎng)，他們的穿透和滲透能力很強(qiáng)，可以處理夾層、細(xì)管和盲孔。5.環(huán)保型等離子體作用過(guò)程是氣_固相干式反應(yīng)，不消耗水資源、無(wú)需添加化學(xué) 試劑，對(duì)環(huán)境無(wú)殘留物。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示。一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，包括有圓筒狀的內(nèi)電極2、外 電極1，外電極1 一端為筒口，筒口處安裝有密封外電極1的密封門3，密封門3中心位置開 有窗口，窗口中安裝有帶防射頻輻射屏蔽銅網(wǎng)5的玻璃觀察窗片4。外電極1套在內(nèi)電極2 外部并與內(nèi)電極2同軸設(shè)置，內(nèi)、外電極2、1中間有間隙，內(nèi)、外電極2、1之間的間隙中還填 充有多段彼此分離的聚四氟絕緣塊6。還包括有供氣單元、射頻電源匹配單元、真空單元，供 氣單元中有供氣管道7連接在外電極1上與外、內(nèi)電極1、2之間的間隙相通，射頻電源匹配 單元中有射頻電極14穿過(guò)外電極1并連接在內(nèi)電極2上，真空單元中有連接在外電極1上 的氣路管道18與內(nèi)、外電極2、1之間的間隙連通。供氣單元包括多個(gè)載氣瓶11、12、13，每個(gè)載氣瓶的輸氣管道上均安裝有流量計(jì)或 針閥8、9、10，多個(gè)載氣瓶輸氣管道合為一路供氣管道7后連接在外電極1上與內(nèi)、外電極 2、1之間的間隙相通，供氣管道7上還安裝有供氣電磁閥YV1。射頻電源匹配單元包括彼此電連接的射頻電源16和匹配器15，匹配器15的電輸 出端上連接有射頻電極14，射頻電極14穿過(guò)外電極1并電連接在內(nèi)電極2上。外電極1、 射頻電源匹配單元中的射頻電源16及匹配器15分別接地。真空單元包括過(guò)濾器20、真空泵19、電阻規(guī)17，電阻規(guī)17安裝在外電極1上并伸 入內(nèi)、外2、1電極之間間隙中，過(guò)濾器20的進(jìn)氣管道上安裝有進(jìn)氣電磁閥YV2，真空泵19的 抽氣管道上安裝有抽氣電磁閥YV3，真空泵19的抽氣管道、過(guò)濾器20的送氣管道合為一路 氣路管道18后連接在外電極1上與內(nèi)、外電極2、1之間的間隙連通。具體實(shí)施例一細(xì)菌培養(yǎng)瓶、培養(yǎng)皿親水性改善用于醫(yī)療的生物耗材，如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶等大多數(shù)是由合成聚合物材料制成，它們 的表面具有疏水性，不能提供足夠的結(jié)合點(diǎn)來(lái)使細(xì)胞和具有生物活性的分子有效的結(jié)合在 它們的表面。通過(guò)等離子體處理后可以改變載體，如培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面 能及表面電荷，使其內(nèi)外表面由疏水變?yōu)橛H水，并獲得支持細(xì)胞黏附鋪展的能力，提高細(xì)胞 繁殖數(shù)量和速度，從而更適于細(xì)胞培養(yǎng)。使用時(shí)，將培養(yǎng)皿或培養(yǎng)瓶均勻放置于高頻電極2圓筒形空腔內(nèi)，關(guān)好密封門， PLC控制程序可以按設(shè)定流程完成處理過(guò)程首先真空泵開始抽氣，由真空規(guī)和附屬電路測(cè)量真空室內(nèi)壓強(qiáng)，當(dāng)其內(nèi)壓強(qiáng)為30Pa時(shí)關(guān)閉抽氣電磁閥YV3，同時(shí)開啟射頻源，在外電極和內(nèi)電極之間產(chǎn)生電容耦合等離 子體放電，由于外電極是接地的，高頻電極上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的直流偏壓，利用高頻電極上所 產(chǎn)生的負(fù)直流偏壓加速離子使其具有足夠高的能量，并通過(guò)高頻電極的空隙向中心擴(kuò)散， 在整個(gè)真空腔體內(nèi)形成均勻等離子體。射頻源功率為400瓦，放電時(shí)間為5分鐘。在處理 過(guò)程中若真空室內(nèi)壓強(qiáng)增大，則抽氣電磁閥YV3打開以維持真空室內(nèi)恒定的壓強(qiáng)。然后關(guān) 閉真空泵和射頻源，開啟進(jìn)氣電磁閥YV2向真空室進(jìn)氣，直到真空室達(dá)到大氣壓，材料處理 完畢，培養(yǎng)瓶、培養(yǎng)皿表面已由原來(lái)的疏水性變?yōu)橛H水性。為了增強(qiáng)處理效果，開始抽真空后當(dāng)真空度達(dá)到IOPa左右時(shí)，調(diào)整好減壓閥及流 量計(jì)或針閥，開啟供氣電磁閥YV1，向真空室內(nèi)供入氧氣，當(dāng)真空度達(dá)到30Pa時(shí)，關(guān)閉YV1， 啟動(dòng)射頻源，此時(shí)放電產(chǎn)生富含氧離子和自由基的等離子體，有助于改善材料的親水性。其 它操作步驟如上例。在本實(shí)施例中可以將射頻電源和匹配器換成高頻交流開關(guān)電源以減少處理設(shè)備 的體積和重量，處理時(shí)間和功率要做相應(yīng)調(diào)整。具體實(shí)施例二 A4紙超疏水表面制備先用氧等離子體對(duì)A4紙進(jìn)行刻蝕，由于氧自由基的作用，A4紙可以獲得很好的粗 糙度；再以一定比例的CF4和H2混合氣體等離子體處理刻蝕后的A4紙，在表面沉積碳氟化 合物膜。通過(guò)這種方法可以制得接觸角大于150°，同時(shí)具有很小的接觸角滯后性能良好的 超疏水表面。使用時(shí)，將A4紙置于高頻電極2圓筒外表面，關(guān)好密封門，具體過(guò)程如下首先打開真空泵對(duì)反應(yīng)室抽真空。當(dāng)真空度達(dá)到IOPa左右時(shí)，調(diào)整好減壓閥及流 量計(jì)或針閥，開啟供氣電磁閥YV1，向真空室內(nèi)供入氧氣，當(dāng)真空度達(dá)到30Pa時(shí)，關(guān)閉YV1， 啟動(dòng)射頻源，處理時(shí)間為3分鐘，此時(shí)由于氧自由基的作用，A4紙可以獲得很好的粗糙度。 關(guān)掉射頻源，關(guān)閉氧氣瓶和針閥。再次將反應(yīng)室抽真空至IOPa左右。打開CF4以及H2氣瓶，調(diào)節(jié)減壓閥及流量計(jì)， 向反應(yīng)室輸入CF4和H2, CF4與H2的體積比為2 1。當(dāng)真空度達(dá)到30Pa時(shí)，關(guān)閉YV1、CF4、 H2氣瓶瓶閥，啟動(dòng)射頻源，處理時(shí)間為3分鐘，此時(shí)在在A4紙表面沉積碳氟化合物膜，使其 具有超疏水性。將反應(yīng)室抽真空至IOPa并持續(xù)IOmin。關(guān)閉真空泵電源，開啟進(jìn)氣電磁閥YV2，使反應(yīng)室壓強(qiáng)達(dá)到大氣壓，材料處理完畢。
權(quán)利要求一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，包括有圓筒狀的內(nèi)、外電極，所述外電極一端為筒口，所述筒口處安裝有密封外電極的密封門，其特征在于外電極套在內(nèi)電極外部并與內(nèi)電極同軸設(shè)置，所述內(nèi)、外電極中間有間隙，還包括有供氣單元、射頻電源匹配單元、真空單元，所述供氣單元中有供氣管道連接在所述外電極上與外、內(nèi)電極之間的間隙相通，所述射頻電源匹配單元中有射頻電極穿過(guò)外電極并連接在所述內(nèi)電極上，所述真空單元中有連接在外電極上的氣路管道與內(nèi)、外電極之間的間隙連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述供 氣單元包括多個(gè)載氣瓶，每個(gè)載氣瓶的輸氣管道上均安裝有流量計(jì)或針閥，多個(gè)載氣瓶的 輸氣管道合為一路供氣管道后連接在所述外電極上與內(nèi)、外電極之間的間隙相通，所述供 氣管道上還安裝有供氣電磁閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述射 頻電源匹配單元包括彼此電連接的射頻電源和匹配器，所述匹配器的電輸出端上連接有射 頻電極，所述射頻電極穿過(guò)外電極并電連接在所述內(nèi)電極上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述真 空單元包括過(guò)濾器、真空泵、電阻規(guī)，所述電阻規(guī)安裝在外電極上并伸入內(nèi)、外電極之間間 隙中，所述過(guò)濾器的進(jìn)氣管道上安裝有進(jìn)氣電磁閥，所述真空泵的抽氣管道上安裝有抽氣 電磁閥，所述真空泵的抽氣管道、過(guò)濾器的送氣管道合為一路氣路管道后連接在外電極上 與內(nèi)、外電極之間的間隙連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述密 封門中心位置開有窗口，窗口中安裝有帶防射頻輻射屏蔽銅網(wǎng)的玻璃觀察窗片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述內(nèi)、 外電極之間的間隙中還填充有多段彼此分離的聚四氟絕緣塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，其特征在于所述外 電極、射頻電源匹配單元中的射頻電源及匹配器分別接地。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種大面積均勻產(chǎn)生等離子體的裝置，包括有內(nèi)、外電極，外電極筒口處安裝有密封門，外電極套在內(nèi)電極外部，供氣單元中有供氣管道與外、內(nèi)電極之間的間隙相通，射頻電源匹配單元中有射頻電極連接在內(nèi)電極上，真空單元中有氣路管道與內(nèi)、外電極之間的間隙連通。本實(shí)用新型可以產(chǎn)生豐富的活性基團(tuán)，滿足刻蝕和聚合應(yīng)用的需要；高頻電極上存在自給偏壓，能夠加速離子使其具有足夠高的能量以便為薄膜制備或表面處理等項(xiàng)目工藝所用。
文檔編號(hào)H05H1/24GK201766766SQ201020279388
公開日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者孟月東, 沈潔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所