TWI463922B - 電漿產生裝置 - Google Patents

Description

電漿產生裝置

本發明是有關於一種電漿裝置，且特別是有關於一種使用單一電源供應器產生多點電弧之電漿產生裝置。

大氣電漿與低壓電漿係常見的電漿型式。在大氣電漿放電裝置中，電弧式大氣電漿裝置係一種將電漿能量聚集在一小的體積範圍內，並利用此能量來活化與離子化漩流之工作氣體，藉此可提供高功率、高能量密度、且相對低溫的噴射電漿。由於電弧式大氣電漿密度高，且所產生之活性物質較多，因此處理速度快，因而只需通過短時間的掃瞄即可完成表面處理。也因此，電弧式大氣電漿放電裝置目前已廣泛地應用於各種電子產品製作領域的表面處理上，藉以提升黏著、印刷、封裝、貼晶的可靠度。

然而，電弧式大氣電漿的處理範圍，因電弧負電阻的特性，而無法同時產生大面積的電弧放電，進而使得其在應用上受到相當程度的限制。雖然目前為了解決電弧式大氣電漿應用受限的問題，而發展出寬幅式的大氣電漿裝置。但由於這些寬幅式的大氣電漿裝置係利用介電障壁放電的方式來產生電漿，而絕大部分的能量會在介電層充放電的過程中損耗掉。如此一來，會造成介電層的溫度上升，甚至損壞。

此外，此種大氣電漿裝置所產生之電漿濃度較低。而且，在實務應用上，此大氣電漿裝置需搭配特殊的工作氣體，例如氬氣(Ar)、氮氣(N₂ )、氧氣(O₂ )、四氟化碳(CF₄ )或其混合物，或者高頻、高功率電源供應器，來提升電漿效果。但，這樣會導致生產成本增加。另外，為了使產生的電漿大面積化，電極介電層的製作成本與難度均會大幅提高。而且，電極介電層若有小缺陷也會造成局部放電不均，即可能因此而惡化成電弧放電。

另外，也提出了一種具有斜角式旋轉噴嘴的電弧式大氣電漿裝置。此種電弧式大氣電漿裝置利用旋轉電極的方式，來使電漿噴射區達到寬幅化，且同時可降低噴射氣體溫度與電極的損耗。

但是，此種具有旋轉噴嘴之電弧式大氣電漿裝置的機構極為複雜，電極不易冷卻，而且能旋轉形成的寬度也有限。若需要數十公分以上的大面積電漿處理範圍，則會有機構龐大與電漿密度不足的問題。因此，為達到更大面積的電漿範圍，通常只能藉由結合多組電極與電源供應器的方式。然而，這樣的方式不僅會造成設備成本的大幅增加，後續的裝置調整與維護也十分困難。

另外，為了達到寬幅均勻電漿效果，更提出了一種電弧式電漿裝置，其係在電漿噴射出口加裝細縫導流裝置，藉此使噴出之電漿寬幅化。然而，在這樣的裝置設計中，電漿經過細縫的過程中，電漿的活性會大幅損耗，而嚴重影響處理效果。此外，噴嘴極易因電弧的高熱而劣化。而長期使用下，噴嘴的損耗會進一步影響電漿噴射的均勻性。因此，這樣的裝置設計在實務上只能產生2公分~5公分左右的噴射電漿。而若需要數十公分以上的噴射寬幅，則會有裝置之機構龐大以及電漿密度低的問題。同樣地，不僅會造成設備成本的大幅增加，後續的裝置調整與維護也十分困難。

目前，亦有一種使用滑動電弧來達到大面積處理範圍的方式，其可在大氣下產生5公分~10公分左右的寬幅電弧電漿。然而，因為電漿負電阻的特性，單一組電源供應器無法同時啟動多個電漿噴射頭。因此，此種方式係以多組噴射頭及電源供應器來架構出寬幅的電漿空間。但這樣的裝置設計同樣也有成本高昂的問題。此外，由於各組電源供應器的電壓不同，因此在實務上各電源供應器容易相互干擾，且有高壓放電現象。如此一來，各組電極無法彼此鄰設，不僅造成裝置所需空間變大，且可能在被處理物表面上產生無法處理到的死角。

如第1圖所示，在電漿產生裝置100中，由工作氣體所形成之氣流106朝二電極102與104的方向傳送。工作氣體之氣流106經二電極102與104之間所產生之電漿能量活化與離子化之後，可產生電漿114來對下方之被處理物108進行處理。由第1圖可看出，被處理物108並非平板狀結構，因此被處理物108愈接近電漿114形成處之正下方的表面可獲得較高強度之電漿的處理，而稱之為強處理區110。另一方面，因被處理物108表面之弧狀結構的影響，電漿不易到達被處理物108之側面，因此被處理物108之側面形成有未處理死角112。

此外，滑動電弧裝置在無被處理物下，可噴射數公分至10公分的距離。然而，在實際操作下，被處理物表面之高低起伏會影響噴射氣流的分布，如此將使得處理效果因被處理物表面之高度差異而不均勻，也會有噴射死角

因此，亟需一種電漿裝置設計，可在兼顧裝置成本與裝置體積的情況下，獲得高效率、寬幅且均勻的電漿。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種電漿產生裝置，其僅使用單一電源供應器即可產生多點電弧。

本發明之另一態樣是在提供一種電漿產生裝置，可提升電漿產生裝置之效率，並可增大電漿產生裝置之電漿面積。

本發明之又一態樣是在提供一種電漿產生裝置，其可根據產品外觀形狀來調整電極設計，因而可針對不同生產狀況進行最佳化調整。因此，可大幅提升電漿產生裝置之電漿的效能、以及被處理物之表面處理的均勻性。

根據本發明之上述目的，提出一種電漿裝置。此電漿裝置包含至少三電極以及一第一電源。這些電極依序且彼此電性分離設置。第一電源與這些電極中之二者電性連接，以施加一相對電壓於這些電極之前述二者上，藉以使這些電極彼此之間具有相對電位差，而形成複數個電弧分別介於相鄰之這些電極之間。

依據本發明之一實施例，上述之相對電壓係施加在前述電極之第一者與最後一者上。

依據本發明之另一實施例，上述之電漿產生裝置更包含複數個氣體導入裝置分別設置在這些電極之間，以將工作氣體分別導入這些電極之間。

依據本發明之又一實施例，電極中之上述二者之材料為金屬，且這些電極中之此二者以外之電極的材料包含金屬、半導體、電熱絲、不鏽鋼、銅或鉑。

依據本發明之再一實施例，上述之電極排列成一直線、一弧形或一立體不規則形。

依據本發明之再一實施例，上述之電極可在空間中相對移動或旋轉。

依據本發明之再一實施例，上述之電極之形狀為三角形、圓形、多邊形或不規則形。

依據本發明之再一實施例，上述之電漿產生裝置更包含一輔助電極設置在這些電極之上，其中此輔助電極與一第二電源電性連接。

依據本發明之再一實施例，上述之第一電源為直流電源或交流電源，第二電源為直流電源、交流電源、脈衝電壓電源或高周波電源。

由於，本發明之實施方式之電漿產生裝置可以較低成本設備來產生多電弧電漿，並可針對不同生產狀況進行最佳化調整。因此，本發明之實施方式可提升電漿產生裝置之效率、增大電漿產生裝置之電漿面積、大幅提升電漿產生裝置之電漿的效能、以及提高被處理物之表面處理的均勻性。

請參照第2A圖，其係繪示依照本發明之一實施方式的一種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。在此實施方式中，電漿產生裝置200a主要包含三個或三個以上的電極。在第2A圖所示實施例中，電漿產生裝置200a包含七個電極206、208、210、212、214、216與218。這些電極206、208、210、212、214、216與218依序以彼此電性分離的方式排列。這些電極206、208、210、212、214、216與218之間的距離可根據裝置與應用需求加以調整，藉此可調整這些電極206、208、210、212、214、216與218彼此之間的放電間隙。

一相對電壓，例如由電源202所提供之電壓，可施加在這些電極206、208、210、212、214、216與218中之二者上。在一實施例中，電源202所提供之電壓係施加在這些電極206、208、210、212、214、216與218中之第一個與最後一個電極，例如電極206與218。在另一實施例中，此相對電壓可施加在電極206、208、210、212、214、216與218中之第一個電極或最後一個電極、與另一位在中間的電極上，例如施加在電極206與電極216上。

在一實施例中，電源202可例如為直流電源或交流電源。因此，根據電源202的不同，施加在這些電極206、208、210、212、214、216與218上的電壓可為直流電壓或交流電壓。此外，所施加之電壓值可根據相鄰之電極206、208、210、212、214、216與218之間的距離而調整。在一例子中，所施加之可約為數百伏特至數萬伏特。

電極206、208、210、212、214、216與218之形狀可根據裝置與應用需求調整。電極206、208、210、212、214、216與218之形狀較佳係採用可使電漿容易發生的形狀，例如具有尖角的形狀，但這些電極206、208、210、212、214、216與218在外觀上並無限制。在一些例子中，這些電極206、208、210、212、214、216與218之形狀可例如為三角形、圓形、多邊形或不規則形。

電極206、208、210、212、214、216與218之材料可包含金屬、半導體或電熱絲等耐電弧材料。其中，金屬可例如包含不鏽鋼、銅或鉑。在一實施例中，相對電壓所施加之二電極，例如電極206與218，的材料較佳可採用金屬；而除了相對電壓所施加之二電極外的其他電極，例如電極208、210、212、214與216，的材料則可採用金屬、半導體或電熱絲。其中，相對電壓所施加之二電極外的其他電極採用半導體或電熱絲時，可使電弧更容易啟動產生。

在其他實施例中，每個電極206、208、210、212、214、216與218內更可設有通道(未繪示)，而可在這些通道中通入冷卻氣體或液體，來幫助這些電極206、208、210、212、214、216與218散熱，以延長電極206、208、210、212、214、216與218之使用壽命。

當相對電壓施加在電極206、208、210、212、214、216與218中之二者上時，這些電極206、208、210、212、214、216與218彼此之間具有相對電位差。相對電壓施加後，因為這些電極206、208、210、212、214、216與218相對電位差彼此之間具有相對電位差，因此相鄰電極206、208、210、212、214、216與218之間會同時產生多個電弧放電現象。

在一實施例中，當相對電壓係施加在電極206與218上時，電弧會從第一個電極，例如電極206，依序經過每一電極208、210、212、214與216，而放電至最後一電極，例如電極218。

將工作氣體所形成之氣流204提供至相鄰之電極206、208、210、212、214、216與218之間。在一實施例中，工作氣體的提供可使用單一氣體源，再透過分流方式，將工作氣體提供至各相鄰之電極206、208、210、212、214、216與218之間。在另一實施例中，電漿產生裝置200a亦可設有數個氣體導入裝置(未繪示)，以將工作氣體分別導入相鄰之電極206、208、210、212、214、216與218之間。

電弧可將相鄰電極206、208、210、212、214、216與218之間的工作氣體解離成電漿活性自由基，而產生電漿220。此時，即可利用電漿220來對被處理物222進行表面處理程序。在一例子中，可將電漿220傳送至被處理物222之表面，以使電漿220與被處理物222表面上的物質，例如污垢，進行反應，藉此清潔被處理物222之表面。

請再次參照第2A圖，被處理物222具有圓弧狀表面，因此電極206、208、210、212、214、216與218可對應排列成圓弧形。在另一實施例中，如第2B圖所示，在電漿產生裝置200b中，被處理物224具有三角形立體形狀，因此電極206、208、210、212、214、216與218可對應排列成立體三角形。在其他實施例中，電漿產生裝置之電極可根據被處理物的形狀，而對應調整其所排列之形狀，例如直線、弧形或立體不規則形等，以提升對被處理物之表面處理的均勻性。

請參照第2C圖，其係繪示依照本發明之又一實施方式的一種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。在本實施方式中，電漿產生裝置200c與上述二實施方式之電漿產生裝置200a和200b的裝置大致相同，差異點在於電漿產生裝置200c更包含輔助電極230、施加電壓在輔助電極230上之電源228、以及被處理物226為平板狀結構。

在電漿產生裝置200c中，輔助電極230可輔助寬幅化之電極206、208、210、212、214、216與218。此外，輔助電極230的架構亦可針對不同的被處理物來進行調整。在電漿產生裝置200c中，輔助電極230位於電極206、208、210、212、214、216與218之上。此外，輔助電極230與另一電源228電性連接，如此電源228可施加電壓在輔助電極230上。電源228可例如為直流電源、交流電源、脈衝電壓電源或高周波電源，如此一來，可擴大電漿產生裝置200c之所形成電漿的工作範圍。

在本發明中，電漿產生裝置之各電極可在空間中相對移動或旋轉，例如可進行往復式的移動，藉以增加電漿處理的面積與均勻性。請參照第3A圖，其係繪示依照本發明之再一實施方式的三種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。在電漿產生裝置200d中，請同時參照第3B圖，電極206、208、210、212、214、216與218以相同的旋轉半徑，且均沿箭頭方向232，亦即順時針方向，而在被處理物242的表面上進行水平的旋轉。如此可產生更均勻的電漿來對被處理物242進行表面處理。當然，箭頭方向232亦可為逆時針方向。

在電漿產生裝置200e中，有三個電極206、208與210。而且，這三個電極206、208與210各自以不同的旋轉半徑，且分別沿不同之箭頭方向238、236與234進行旋轉。其中，箭頭方向238、236與234可均為順時針方向。如此一來，同樣可產生更均勻的電漿來對被處理物242進行表面處理。相同地，箭頭方向238、236與234亦可為逆時針方向。

在電漿產生裝置200f中，電極206、208、210、212、214、216與218沿箭頭方向240，亦即朝左邊與右邊方向，往復移動。如此一來，可產生更大面積且更均勻的電漿來對被處理物242進行表面處理。

在本發明之實施方式中，被處理物除了可設置在電極之下方外，也可設置在相鄰電極之間，藉此加強電漿處理之效果。此外，本發明亦可將多個電漿產生裝置串聯或並聯，以產生更大面積之電漿處理範圍。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點為本發明之電漿產生裝置僅使用單一電源供應器即可產生多點電弧。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點為可提升電漿產生裝置之效率，並可增大電漿產生裝置之電漿面積。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點為本發明之電漿產生裝置可根據產品外觀形狀來調整電極設計，因而可針對不同生產狀況進行最佳化調整。因此，可大幅提升電漿產生裝置之電漿的效能、以及被處理物之表面處理的均勻性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．電漿產生裝置

102．．．電極

104．．．電極

106．．．氣流

108．．．被處理物

110．．．強處理區

112．．．未處理死角

114．．．電漿

200a．．．電漿產生裝置

200b．．．電漿產生裝置

200c．．．電漿產生裝置

200d．．．電漿產生裝置

200e．．．電漿產生裝置

200f．．．電漿產生裝置

202．．．電源

204．．．氣流

206．．．電極

208．．．電極

210．．．電極

212．．．電極

214．．．電極

216．．．電極

218．．．電極

220．．．電漿

222．．．被處理物

224．．．被處理物

226．．．被處理物

228．．．電源

230．．．輔助電極

232．．．箭頭方向

234．．．箭頭方向

236．．．箭頭方向

238．．．箭頭方向

240．．．箭頭方向

242．．．被處理物

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示一般電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。

第2A圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。

第2B圖係繪示依照本發明之另一實施方式的一種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。

第2C圖係繪示依照本發明之又一實施方式的一種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。

第3A圖係繪示依照本發明之再一實施方式的三種電漿產生裝置操作時的裝置示意圖。

第3B圖係繪示依照本發明之再一實施方式的一種電漿產生裝置操作時之電極運轉的上視圖。

200a．．．電漿產生裝置

202．．．電源

204．．．氣流

206．．．電極

208．．．電極

210．．．電極

212．．．電極

214．．．電極

216．．．電極

218．．．電極

220．．．電漿

222．．．被處理物

Claims (11)

1. 一種電漿產生裝置，包含：至少三電極，依序且彼此電性分離設置；以及一第一電源，與該些電極中之二者電性連接，以施加一相對電壓於該些電極之該二者上，藉以使該些電極彼此之間具有相對電位差，而形成複數個電弧分別介於相鄰之該些電極之間，其中該些電極之該二者以外之該些電極之材料為半導體或電熱絲。
2. 如請求項1所述之電漿產生裝置，其中該相對電壓係施加在該些電極之一第一者與一最後一者上。
3. 如請求項1所述之電漿產生裝置，其中該些電極之該二者之材料包含金屬、半導體、電熱絲、不鏽鋼、銅或鉑。
4. 如請求項1所述之電漿產生裝置，其中該些電極排列成一直線、一弧形或一立體不規則形。
5. 如請求項1所述之電漿產生裝置，其中該些電極可在空間中相對移動或旋轉。
6. 如請求項1所述之電漿產生裝置，其中每一該些電極之形狀為三角形、圓形、多邊形或不規則形。
7. 如請求項1所述之電漿產生裝置，更包含一輔助電極設置在該些電極之上，其中該輔助電極與一第二電源電性連接。
8. 如請求項7所述之電漿產生裝置，其中該第二電源為直流電源、交流電源、脈衝電壓電源或高周波電源。
9. 如請求項8所述之電漿產生裝置，其中每一該些電極之形狀為三角形、圓形、多邊形或不規則形。
10. 如請求項8所述之電漿產生裝置，其中該些電極之該二者之材料包含金屬、半導體、電熱絲、不鏽鋼、銅或鉑。
11. 如請求項1所述之電漿產生裝置，其中該第一電源為直流電源或交流電源。