CN1294480A - 等离子体处理装置和使用该装置的等离子体产生方法 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理装置,利用点火电极方便地启动装置而不使用昂贵的阻抗匹配设备,能可靠地产生大气压力等离子体。该装置包括:具有孔的产生等离子体的室,等离子体从该孔吹出;气体供应单元,用于将产生等离子体的气体送入室中;一对电极;电源,用于在电极之间施加交流电场以维持室内的等离子体;用于提供脉冲电压的脉冲发生器;以及点火电极,用于对室内所送入的气体施加脉冲电压以产生等离子体。

Description

等离子体处理装置和使用该装置的等离子体产生方法
本发明涉及用大气压力等离子体来处理对象的等离子体处理装置以及使用该装置的等离子体产生方法。
过去，使用大气压力等离子体进行各种表面处理。例如，日本专利早期公开[KOKAI]2-15171、3-241739和1-306569每篇公开了通过包括一对电极和在反应室中置于其间的介电材料的等离子体处理设备来进行等离子体处理。在这些方法中，将含有以惰性气体如氦或氩为主要成分的产生等离子体的气体输送到室内，通过在电极间提供AC(交流)电场以产生的等离子体来处理对象。
另外，日本专利早期公开[KOKAI]4-358076、3-219082、4-212253、6-108257和11-260597公开了等离子体处理设备，每个都使用在大气压力附近的压力下产生的等离子流。例如，如图8所示，典型的现有技术等离子体处理设备包括反应管2P、供气单元8P、围绕反应管设置的一对第一与第二电极3P，4P、以及通过阻抗匹配单元12P连接到第一电极3P的AC电源11P。第二电极4P接地。
反应管2P在其顶部开口形成气体入口10P、在其底部开口形成等离子体吹放喷嘴1P。标记12P表示阻抗匹配单元12P，它具有可变电容器14P和电感器(未显示)，用于在电源11P和第一与第二电极3P，4P之间的反应管2P中的等离子体产生区域13P之间获得阻抗匹配。
通过使用上述装置，如下进行等离子体处理。首先，从供气单元8P经气体入口10P将产生等离子体的气体送入反应管2P，然后在第一与第二电极3P，4P之间提供AC电场以便在反应管中产生大气压力等离子体。通过从反应管2P喷射的气流状等离子体经吹放喷嘴1P来处理对象。
在这种等离子体处理中，由于使用大气压力等离子体，需要对第一电极3P提供1kV以上的高压以产生等离子体。另外，当电极3P，4P位于反应管2P外侧时，如图8所示，大部分所提供的AC电场释放到周围空间而非反应管的内部，从而需要在放电初始电压中提高电压大小。而且，由于AC电场的典型频率为13．56MHz，从而需要在电源11P和等离子体产生区域13P之间取得阻抗匹配。
所以，当对第一电极3P提供这样的高压以便在反应管2P中产生大气压力的等离子体时，在阻抗匹配单元12P的可变电容器14P如传统的空气电容器中可能出现弧光放电。这种情况下，存在反应管中不能产生等离子体且等离子体处理装置的工作因此中止的缺点。为了解决这个问题，提出使用一种昂贵的阻抗匹配单元，它带有具备高耐受电压的真空电容器。但是，这又出现另一问题，装置的价格性能变差。
鉴于上述观点，本发明的主要目的是提供一种等离子体处理装置，特征是，通过利用点火电极易于启动装置而不使用昂贵的阻抗匹配设备，可在大气压力附近的压力下可靠地产生等离子体。即，本发明的等离子体处理装置包括：具有孔的产生等离子体的室，等离子体从该孔吹出；气体供应，用于将产生等离子体的气体送入室；一对电极；电源，用于在电极之间施加AC电场以维持室内的等离子体；用于提供脉冲电压的脉冲发生器；以及用于对室内所送入的气体施加脉冲电压以产生等离子体的点火电极。
优选地，一对电极接触室的外表面。此时，由于这些电极不曝露于等离子体，可防止等离子体污染电极表面。
优选地，点火电极置于孔的附近。
在本发明的一个优选实施例中，等离子体处理装置包括电极移动单元，用于在第一位置与第二位置之间移动点火电极，在第一位置处点火电极位于孔附近以便对气体提供脉冲电压，在第二位置处点火电极离开孔。此时，由于在等离子体产生之后点火电极可从第一位置移动到第二位置，所以具有点火电极不妨碍等离子体处理的优点。
优选地，点火电极位于室的外侧且邻近由一对电极在室中提供的放电区域。此时，由于点火不曝露于等离子体，所以可防止等离子体污染电极表面。优选地，点火电极接触室的外表面。
在本发明的另一优选实施例中，孔的内侧尺寸在1mm至20mm的范围内。此时，可提高等离子体处理的效率。
本发明的另一目的是提供一种使用上述等离子体处理装置的等离子体产生方法，包括步骤：利用点火电极向大气压力附近的压力下的用于产生等离子体的气体供给脉冲电压，以便在室中产生等离子体。
在等离子体产生方法中，当脉冲发生器提供的脉冲电压大小是加在一对电极之间的电压值的三倍或以上时，可稳定地产生大气压力等离子体。
通过下面对本发明的详细描述和例子，上述和其它目的与优点将变得明显。
图1是按照本发明优选实施例的等离子体处理装置的示意图；
图2是等离子体处理装置的电极移动单元的示意图；
图3是等离子体处理装置中使用的模块化振荡器的示意电路图；
图4是显示等离子体处理装置的修改的示意性透视图；
图5是按照本发明另一优选实施例的等离子体处理装置的示意图；
图6A至6C是按照本发明再一优选实施例的等离子体处理装置的示意性正视、侧视和顶视图；
图7A和7B是显示电极布置的修改的示意性截面图；以及
图8是按照现有技术的等离子体处理装置的示意图。
参照附图，详细说明按照本发明的优选实施例。
本发明等离子体处理装置的优选实施例表示于图1和2。该装置包括：用作产生等离子体的室的、绝缘(介电)材料的圆筒管2；一对第一与第二电极3、4，每个具有环形形状；用于在这些电极之间提供AC电场的电源11；用于将产生等离子体的气体送入室内的气体供应单元8；用于提供脉冲电压的脉冲发生器5；用于将脉冲电压施加室中所提供的气体的点火电极6；以及用于点火电极的电极移动单元7。
作为用于圆筒管2的绝缘材料，例如，可使用基于玻璃的材料或陶瓷材料，如石英，氧化铝，钇-部分-稳定化氧化锆(Y-PSZ)(yttrium-partially-stabilized zirconia)。圆筒管2的顶部开口用作气体入口10，通过它供给用于产生等离子体的气体。圆筒管2的底部开口用作等离子体吹放喷嘴1。优选地，圆筒管2的底部开口的内部尺寸在1mm至20mm的范围内。
设置第一与第二电极3，4使圆筒管2穿过这些具有环形形状的电极且第一电极3离开第二电极4所需的距离。优选地，所需的距离在3至20mm的范围内以稳定地获取等离子体。而且，每个第一和第二电极3，4接触圆筒管2的外表面。第一与第二电极3，4之间的圆筒管2的内侧空间称为辉光放电区域13。作为电极材料，例如，可使用具有导电性的金属材料如铜、铝、黄铜和不锈钢。第一电极3通过阻抗匹配设备12连接到电源11。第二电极4接地。
脉冲发生器5可提供高压脉冲电压。例如，脉冲发生器5具有图3中所示的电路。该电路由逆变器部分50和放电部分52构成。逆变器部分50通常被称为模块化振荡器，它是由单个晶体管和变压器构成的正反馈电路，以产生具有窄脉冲宽度的极陡的脉冲。在图3中，当开关SW接通时，小电流流过晶体管Q，于是，由于互感在晶体管的基极绕组N1出现感应电压。该感应电压极性以正向偏压晶体管Q的基极。随着基极电流按该感应电压流动，集电极电流增大。由于基极绕组N1的感应电压随集电极电流的增大而增大，于是集电极电流进一步增大。但是，当集电极电流的增大因绕组电阻和晶体管Q的饱和电阻而饱和时，基极绕组N1的感应电压开始下降。随着基极绕组N1的感应电压下降，集电极电流也减少。所以，晶体管Q迅速转换至OFF(关断)位置。于是，在基极绕组N1中出现大的电动势，于是基极绕组N1的分布电容Cs被充电。作为分布电容充电的结果，在基极绕组N1中产生振荡电压。从负半周期的末尾开始正半周期时，基极绕组N1被正向偏压，于是电流又开始流过集电极，且晶体管Q回到初始导电状态。通过重复上述操作，交流电流(AC)输出到位于输出侧的绕组(N2，Nb)。
在放电部分52，由逆变器部分50转换成AC的电功率被二极管D整流。由该电流将电容C充电到图3所示的极性，于是电容C的端电压上升。充分充电，且充电电压到达制动设备BD的制动电压(100V)时，制动设备接通，并形成放电环，如图3中的箭头所示。此时，电容C中累积的能量随电流而释放。所释放的电流流过变压器原边L1，于是在变压器二次L2的输出端20产生高压。
点火电极6连接到脉冲发生器5的输出端20。点火电极6是具有突出尖端的杆，它可以由和第一与第二电极3，4相同的金属材料制成。
电极移动单元7由下列部件构成：基座27，空气压缩机29，固定于基座的气缸25，用于夹持点火电极6的电极保持件31，连接到气缸的杆32且可移动地连于气缸25的可动部件30，以及连接在电极保持件31和可动部件30之间的连接件26。标记28是圆筒管2的外壳。通过驱动气缸25，可向圆筒管2的底部开口(吹放喷嘴)下的下游位置移动电极保持件30保持的点火电极6。换言之，点火电极6可在点火位置和静止位置之间移动，在点火位置处点火电极被放置成使点火电极的突出尖端位于圆筒管2的外侧且在吹放喷嘴的孔附近，而在静止位置处点火电极离开吹放喷嘴，如图2中的箭头所示。
电极移动单元7可从图2的装置中省略。此时，可固定点火电极6使点火电极的突出尖端位于吹放喷嘴1的孔附近。
通过使用本发明的上述等离子体处理装置，按下述方法对对象进行等离子体处理。首先，通过气体入口10将产生等离子体的气体输入圆筒管2的内部。在第一与第二电极3，4之间施加从电源11经阻抗匹配设备12而提供的射频AC电场。优选地，在第一与第二电极之间施加的电压值在0．5至1kV的范围内，以便在利用点火电极6产生等离子体后，该等离子体稳定地维持在圆筒管2中，正如下面所说明的。
然后，通过利用点火电极6将脉冲发生器5提供的脉冲电压提供给圆筒管2中输入的气体。此时，点火电极6位于点火位置。优选地，脉冲电压的大小为施加在第一与第二电极3，4之间的电压值的三倍或以上。当脉冲电压的大小小于其间电压值的三倍时，可能难以在短时间周期内例如1秒或以下时间内可靠地产生大气压力下的等离子体。脉冲电压大小的上限不受限制。例如，可以是加在第一与第二电极3，4之间的电压值的40倍或以下。
施加脉冲电压时，首先在圆筒管2的辉光放电区域中产生初始放电，然后由加在第一与第二电极3，4之间的电压扩展初始放电以获得大气压力等离子体。换言之，当利用点火电极6在圆筒管2中产生初始放电时，立刻由加在第一和第二电极3，4之间的AC电场在辉光放电区域13中扩展并维持它。为了稳定地维持等离子体，优选加在第一与第二电极3，4之间的AC电场的频率在1kHz至200MHz的范围内，且供给辉光放电区域的电功率在20至3500W／cm3的范围内。电功率的单位(W／cm3)表示辉光放电区域13的每单位体积电功率值。大气压力等离子体经吹放喷嘴1喷向置于圆筒管2下的对象。产生大气压力等离子体之后，点火电极6通过电极移动单元7移向静止位置。
作为上述等离子体处理中所用的产生等离子体的气体，可使用一种惰性气体(稀有气体)、惰性气体的混合物或该种惰性气体和一种活性气体的混合物。作为惰性气体，可使用氦气、氩气、氖气、或氪气。考虑到放电稳定性和成本效益，优选使用氦气、氩气或其混合物。活性气体根据表面处理的目的而随意选择。例如，在清洁待处理的对象上的有机物质、清除抗蚀层、或蚀刻有机膜时，优选使用氧化气体，如氧气、空气、CO2或N2O。另外，在蚀刻硅时，使用氟基气体如CF4作为反应气体是有效的。在还原金属氧化物时，可使用还原气体如氢或氨。作为例子，优选地，活性气体的添加量相对惰性气体的总量在10wt％或以下，在0．1至5wt％更佳。当活性气体的量少于0．1wt％时，可能不足以达到处理效果。另一方面，当活性气体的量大于10wt％时，放电可能变得不稳定。
作为产生等离子体的室的修改例子，可使用在其底部开口有缝形喷嘴(未图示)的矩形管2，如图4所示。这种情况下，优选地，矩形管2的喷嘴宽度在1mm至20mm的范围内以稳定地获得等离子体。每个第一和第二电极3，4具有矩形环式形状，矩形管2由此穿过。由于这种等离子体处理装置从喷嘴提供帘状等离子体，可进一步提高等离子体表面处理的效率。其它部分与上述装置一样。
本发明等离子体处理装置的再一优选实施例如图5所示，除了下列特征外，它基本与图1的装置相同。即，圆筒管2具有逐渐变细的底端35，它用作等离子体吹放喷嘴1，其孔小于圆筒管2的内直径。该喷嘴1利于加速从此喷射的喷气状等离子体的流动速度。这种情况下，由于喷射状等离子体可在存活短的原子团(radicals)和等离子体中的活性气体的受激颗粒消失前到达对象处，可提高等离子体处理的效率。
另外，该装置具有缠绕在第一与第二电极3，4之间的圆筒管2的外表面的导电线，它用作点火电极6。该导电线6连接到脉冲发生器5。优选地，加给缠绕导电线的脉冲电压大小为使用金属杆点火电极时所加脉冲电压的1．5倍，以可靠地提供大气压力等离子体。
本发明等离子体处理装置的另一优选实施例如图6A至6C所示，它基本与图1的装置相同。即，等离子体产生室形成有具有气体入口30的上圆筒管61，具有矩形盒形状的气体引导部分65，设在气体引导部分下端以聚集气体的锥部62，以及延伸穿过第一与第二电极3，4的薄圆筒管2，第一与第二电极3，4每个具有环式形状。
薄圆筒管2的底部开口用作等离子体吹放喷嘴1。优选地，底部开口的内侧尺寸在1mm至20mm的范围内。当底部开口为圆形时，内侧尺寸指圆的直径。当底部开口为椭圆形时，内侧尺寸指椭圆的短直径。当底部开口为矩形时，内侧尺寸指矩形短宽度方向上的相对侧之间的距离。当底部尺寸为正方形时，内侧尺寸指正方形相对侧之间的距离。
第一与第二电极3，4接触薄圆筒管2的外侧表面。标记13表示第一与第二电极3，4之间薄圆筒管2中所确定的辉光放电区域。在该实施例中，点火电极6***产生等离子体的室的锥部62并置于薄圆筒管2的上端10上方。即，点火电极6置于辉光放电区域13的上游。第一与第二电极3，4和电源11未表示在图6A和6C中。
电极3，4设置的修改例子如图7A和7B所示。图7A中，外电极40为环状电极，它被放置成接触圆筒管2的外表面，而内电极41为杆状电极，置于圆筒管2的内部。用于产生等离子体的气体向圆筒管的底部开口流过圆筒管2的内表面与内电极41之间的间距。电源11提供的AC电场加在外与内电极40，41之间以在辉光放电区域13中获得等离子体。所获得的等离子体从锥形喷嘴35吹出。
图7B中，设置一对电极3，4使电极3通过等离子体产生室的反应容器与电极4成面对面的关系。电源11所提供的AC电场加在电极3，4之间以便在辉光放电区域13中获得等离子体。所获得的等离子体从锥形喷嘴35吹出。
按照本发明的等离子体处理装置，通过点火电极6向圆筒管2中所提供的气体施加脉冲电压，而在第一与第二电极之间施加相对较小的电压时，可快速可靠地产生大气压力等离子体。通过在这些电极之间施加小电压来稳定维持所产生的等离子体。这样，由于不必在第一与第二电极之间施加高电压，可容易地启动等离子体处理装置而不引起阻抗匹配单元的可变电容器弧光放电。
另外，由于阻抗匹配单元中不需要如真空电容器这样的具有高耐受电压的昂贵可变电容器，可提供成本性能极佳的等离子体处理装置。而且，该装置具有电极移动单元时，点火电极可移过吹放喷嘴和待处理对象之间的处理空间。所以，具有点火电极不妨碍等离子体处理的优点。
例子1至3
下面是使用本发明的等离子体处理装置的等离子体产生方法的优选例子。
例子1
使用图1所示的装置实现等离子体产生的方法。圆筒管2由外径5mm、内径3mm的石英制成。将电源11所提供的13．56MHz的AC电压供给第一电极3，第二电极4接地。将作为产生等离子体的气体，0．3升／分钟的氦、1．5升／分钟的氩和0．02升／分钟的氧通过气体入口10输入圆筒管2。为了利用100W的电功率获得混合气体的大气压力等离子体，利用点火电极6将约15kV的脉冲电压施加给圆筒管2中的混合气体。此时，在第一与第二电极之间施加1kV或以下的AC电压以便维持大气压力等离子体。
相反，在使用现有技术图8所示的等离子体处理装置时，需要在第一与第二电极之间施加5kV以上的高AC电压来产生等离子体。另外，在阻抗匹配单元的可变电容器中常常出现弧光放电。因此，难以产生大气压力等离子体。
例子2
使用图5所示的装置实现等离子体产生的方法。圆筒管2由外径16mm、内径13mm的石英制成。将电源11所提供的13．56MHz的AC电压供给第一电极3，第二电极4接地。将作为产生等离子体的气体，1升／分钟的氦、3升／分钟的氩和0．06升／分钟的氧通过气体入口10输入圆筒管2。为了利用300W的电功率获得混合气体的大气压力等离子体，利用点火电极6将约10kV的脉冲电压施加给圆筒管2中的混合气体。此时，在第一与第二电极之间施加1kV或以下的AC电压以便维持大气压力等离子体。
相反，在使用现有技术图8所示的等离子体处理装置时，需要在第一与第二电极之间施加2kV以上的高AC电压来产生等离子体。另外，在阻抗匹配单元的可变电容器中偶尔出现弧光放电。因此，难以产生大气压力等离子体。
例子3
使用图4所示的装置实现等离子体产生的方法。矩形管2由内部尺寸为55mm×1mm的石英制成。将电源11所提供的13．56MHz的AC电压供给第一电极3，第二电极4接地。将作为产生等离子体的气体，2升／分钟的氦、10升／分钟的氩和0．4升／分钟的氧输入矩形管2。为了利用760W的电功率获得混合气体的大气压力等离子体，利用点火电极6将约18kV的脉冲电压施加给矩形管2中的混合气体。此时，在第一与第二电极之间施加1kV或以下的AC电压以便维持大气压力等离子体。
相反，在使用现有技术图8所示的等离子体处理装置时，需要在第一与第二电极3，4之间施加5kV以上的高AC电压。另外，在阻抗匹配单元的可变电容器中常常出现弧光放电。因此，难以产生大气压力等离子体。
本发明的等离子体处理装置可用于从待处理的对象上除去如有机物质之类的外部物质，剥离抗蚀层，改善有机膜的附着，表面修整，形成膜，还原金属氧化物，或清洁液晶的玻璃物质。特别是，等离子体处理装置有利于进行需要精确连接的电子部件的表面清洁。

Claims (10)

1．一种等离子体处理装置，用于以大气压力附近的压力下产生的等离子体来处理对象，所述装置包括：
具有孔的产生等离子体的室，所述等离子体从该孔吹出；
气体供应，用于将产生等离子体的气体送入所述室；
一对电极；
电源，用于在所述电极之间施加交流电场以维持所述室内的所述等离子体；
用于提供脉冲电压的脉冲发生器；以及
点火电极，用于对所述室内所送入的所述气体施加所述脉冲电压以产生等离子体。
2．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述一对电极接触所述室的外表面。
3．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述点火电极置于所述孔的附近。
4．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，包括电极移动装置，用于在第一位置与第二位置之间移动所述点火电极，在第一位置处所述点火电极置于所述孔的附近以便对所述气体供给所述脉冲电压，在第二位置处所述点火电极离开所述孔。
5．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述点火电极置于所述室的外侧且邻近由所述一对电极在所述室中提供的放电区域。
6．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述点火电极接触所述室的外表面。
7．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述孔的内侧尺寸在1mm至20mm的范围内。
8．如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述脉冲发生器所提供的所述脉冲电压的大小为加在所述一对电极之间的电压值的三倍或以上。
9．一种使用权利要求1所述等离子体处理装置的等离子体产生方法，包括步骤：利用所述点火电极向大气压力附近的压力下的用于产生等离子体的气体供给脉冲电压，以便在所述室中产生等离子体。
10．如权利要求9所述的等离子体产生方法，其特征在于，所述脉冲发生器所提供的所述脉冲电压的大小为加在所述一对电极之间的电压值的三倍或以上。
CNB001300369A 1999-10-25 2000-10-25 等离子体处理装置和使用该装置的等离子体产生方法 Expired - Fee Related CN1170460C (zh)

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