一种常压等离子体装置.pdf

本发明涉及一种常压等离子体装置，其特征在于，装置由电源(1)、平行放电电极(2)、介质阻挡层(3)、前驱物等离子体区(4)、废气排放处理系统(5)五部分组成。该装置采用介质阻挡能有效避免极板间的火花丝放电，产生的均匀常压等离子体流经基板表面后处理大面积材料。该装置由于采用等离子体增强常压化学气相沉积，化学反应活性高，能够高效高质量沉积各种大面积薄膜或对各种材料表面进行活化、清洗、消毒等处理。

1.  一种常压等离子体装置，该装置包括：电源(1)、平行放电电极(2)、介质阻挡层(3)、前驱物等离子体区(4)、废气排放处理系统(5)。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电源(1)采用频率范围在1KHz～1GHz的高频电源。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，平行放电电极(2)后端加载冷却系统控制极板温度。

4.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，平行放电电极(2)为任意一种平行相对的形式。

5.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，平行电极组成阵列，同时每对电极能够独立控制，以满足镀膜或表面处理的各种需求。

6.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，平行电极与基板同时移动或仅某一个移动，以实现灵活的大面积化高效处理。

7.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，介质阻挡保护层(3)采用绝缘耐高温的含氧化硅、氧化铝的陶瓷或玻璃类材料。

8.  根据权利要求1～7所述的任意一种装置，其特征在于，前驱物等离子体区(4)所用的气体来自于压缩气源或液体与固体的蒸发及升华后的气体形态物质。

9.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，液态前驱体采用载气鼓泡、超音速喷嘴雾化蒸发、薄膜蒸发器蒸发的形式获得气态前驱体。

10.  根据权利要求1～9所述的任意一种装置在薄膜沉积生长、表面清洗、表面改性中的应用。

一种常压等离子体装置
技术领域
本发明涉及薄膜领域，特别是涉及薄膜沉积、表面清洗、表面改性装置和技术。
背景技术
气体中的游离带电粒子在电场的加速作用下获得动能，在不断的碰撞及加速过程中将中性气体分子离解，产生大量的活性基团、电子、离子、UV辐射，形成等离子体。等离子体中的粒子能量高，化学反应活性大，能够使常规条件下无法发生或速度很慢的化学反应迅速进行。其中离子温度远小于电子温度时称为低温等离子体，即非平衡等离子体，离子和电子温度相接近时为局部热平衡等离子体，两者温度相等时为热平衡等离子体。非平衡等离子体整体的温度较低，被广泛应用于工业领域，尤其对材料表面改性(活化)、表面清洗/蚀刻及薄膜沉积特别有效。常压等离子体不需要配置昂贵的真空设备，降低了基本投资和运转成本，在开放的空间中运行更适合大批量连续的工业生产。
发明专利01816752.7公开了一种常压等离子体形成涂层的方法和设备，然而此方法和设备使用的前驱物是雾化的液体和/或固体，没有经过气化处理而直接通过常压等离子体区域，这样处理存在弊端或局限：这些雾化的液体和/或固体很难分散均匀，与常压等离子体的相互作用仅仅停留在这些集合体的外表面，而并不是将这些前驱体进行离解，所能产生的活性基团以及处理的效果非常有限，并且该发明没有特殊设计的电极结构以进行大面积的沉积或处理。发明专利200710085723.6则公开了一种基板的制造方法及基板处理装置，采用的常压等离子体仅涉及对含钼层的基板的生产和处理。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明导入到放电极板区域的前驱物都预先经过气化并混合均匀，在放电极板之间直接离解形成常压的前驱物等离子体，化学反应的活性基团浓度高，分散均匀，加上特殊设计的喷涂式狭缝电极喷头结构，能够高效高质量沉积大面积薄膜或对材料表面进行处理。
本发明的目的在于提供一种能够大面积处理的常压等离子体装置，这种装置是在大气压或环境压强与温度下，利用高频电场在平行电极板之间产生常压低温等离子体，其中极板根据需要采用冷却系统以及介质阻挡隔离保护层，能够避免放电极板温度过高以及导电极板之间火花或弧光放电的产生，常压等离子体均匀喷射到物体表面可以进行薄膜的沉积、表面清洗和改性。
本发明的另一目的是提供一种用该大面积处理装置在线或离线沉积各种薄膜以及对各种材料的表面进行改性、清洗的方法。根据前驱物气体的不同，所沉积的薄膜可以是与之相应的无机物或有机物材料，这些材料如：掺氟二氧化锡(FTO)、掺铝氧化锌(AZO)、聚氯乙烯(PVC)等，但不局限于此。同时包括利用不同的前驱物等离子体进行的表面改性、清洗、消毒等处理。
本发明所提供的大面积常压等离子体装置包括高频电源1、一对可选择使用冷却系统降温的平行放电电极2、一对可选的设置在极板之间的绝缘介质阻挡层3、前驱物气体混合系统4、废气排放处理系统5。其特征在于：
(1)所述常压等离子体装置的高频电源1，其频率范围一般在1KHz～1GHz之间，一般工业用标准是13.56MHz，也可以采用其他频率的高频电源。本发明推荐使用13.56MHz的射频电源，分别连接到两个放电极板2上。同时该射频电源应该配备或包括阻抗匹配系统。
(2)所述常压等离子体装置由相互平行的一对放电电极2组成狭长的放电缝隙，电极根据需要可以在其后端加载冷却系统控制极板温度，即放电电极根据镀膜的需要采用冷却剂降温保护。平行电极可以是平板或曲面等任一平行相对的形式，例如S型平行曲面电极、圆柱形同轴平行电极。狭缝宽度根据放电要求可以在1～50mm之间进行调节。前驱物气体等离子体通过极板狭缝喷出。平行放电电极位于喷头的末端，紧靠近基板表面上方。平行放电电极形成狭长的放电缝隙横跨过整个基板的宽度方向。
(3)所述常压等离子体装置的放电极板前端在大功率放电情况下为了避免火花或弧光放电发生而加上了可选的绝缘介质阻挡保护层3，介质阻挡层表面光滑，采用绝缘耐高温的含氧化硅、氧化铝的耐腐蚀抗冲击陶瓷或玻璃材料，以及性质相近的其他各种材料。
(4)所述常压等离子体装置的前驱物气体混合系统所用的是气体，气体来自于压缩气源或液体与固体的蒸发及升华后的气体形态物质。液态前驱体采用载气鼓泡、超音速喷嘴雾化蒸发、薄膜蒸发器蒸发等一切有效的形式获得气态前驱体，包括能够达到同样气化目的的各种其他常用方法或手段。前驱物气体在进入放电区域前经过预先混合均匀，并在控制的压力差下流动至放电极板间而形成常压前驱物等离子体。所述气体压力制度如下：常压等离子体区域的气体压力高于废气排放系统内的压力，在所形成的压力差下驱动气体的流动，方法是增加反应腔内的压力或抽走废气排放系统的气体，且这些气体压力均在常压附近。
(5)所述常压等离子体装置的废气排放处理系统5位于放电极板的两侧，前驱物气体等离子体均匀喷涂在物体表面相互作用后在气压驱动下从两侧输送出去。
(6)所述常压等离子体装置能够设计成各种尺寸的平行电极，平行电极形成阵列，能够满足更高要求的快速、大面积镀膜或表面处理。同时形成阵列的每对电极可以独立控制，以满足镀膜或表面处理的各种需求，包括狭缝长度、宽度、放电功率、前驱物等离子体的所有参数。
(7)所述常压等离子体装置的具体工作方式没有限制，平行电极与基板可以同时移动或仅某一个移动，以实现灵活的大面积化高效处理。即可以是固定喷嘴(平行狭缝电极的出口端)，基板在喷嘴下方移动；也可以是基板不动，喷嘴以扫描的方式进行镀膜或表面处理；还可以是喷嘴与基板以设定好的方式或路径同时移动。
本发明的另一目的是提供一种采用该大面积处理的常压等离子体装置在线或离线沉积各种薄膜以及对各种材料的表面进行改性、清洗的方法，根据不同的前驱体等离子体生产In₂O₃、SnO₂、ZnO掺杂系列的透明导电氧化物(TCO)薄膜或其它材料及表面处理，由于常压等离子体增强该化学气相沉积(CVD)反应，具有高浓度高活性的反应基团，电子浓度高达10¹⁴～10¹⁹个/立方米，能促使反应迅速进行，提高了前驱体化合物的利用率和薄膜沉积或表面处理的效率。
本发明的优点是在常压下利用等离子体处理大面积的材料，包括薄膜沉积生长、表面清洗、表面改性(包括对表面的杀菌消毒处理)。特别是该装置由于采用等离子体增强常压化学气相沉积，能够自然形成TCO薄膜的光散射绒面结构，化学反应活性高，能在线或离线快速生产大面积绒面TCO薄膜或其它材料及表面处理。同时原料利用率高，工作方式灵活。
与传统的等离子体装置相比，其常压放电更适用于规模化连续工业生产的需要，没有昂贵的真空设备及维护，成本大大降低。与传统的常压化学气相沉积(APCVD)装置相比，高浓度高化学反应活性的常压前驱物等离子体最大化的提高了原料的利用率，降低了废气的排放和处理量，提高了APCVD化学反应速度和装置的稳定性，延长了工作周期并可以方便的维护，实现不间断的连续生产。
附图说明
图1为本发明常压等离子体装置示意图。
其中，1-电源，2-平行放电电极，3-介质阻挡层，4-前驱物等离子体区，5-废气排放处理系统，6-基板。
具体实施方式
下面通过具体的实施例，进一步阐述本发明的实质性特点，但本发明的保护范围不局限于此，在权力要求所述的范围内，在结构和细节方面对其所作的各种变换或组合，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
下面结合附图对本发明常压等离子体装置进行说明。
实施例一
氟掺杂二氧化锡(FTO)TCO玻璃，工业上普遍采用APCVD的方法生产，包括离线和在线两种，其中浮法玻璃在线APCVD生产的是大面积的FTO产品。本例的APCVD采用常压等离子体增强化学气相沉积，反应按如下的方式进行：
SnCl₄+H₂O+HF→SnO₂:F+HCl
其中HF是掺杂剂，H₂O是氧化剂，也可以采用O₂代替H₂O作为氧化剂。氟掺杂含量在1.5at％左右，该装置安装在超白低铁浮法玻璃线上，至少安装两组喷嘴分别沉积SiO₂薄膜作为钠离子阻挡层以及FTO作为透明导电薄膜。如图1所示，采用13.56MHz的射频电源及配套的自动阻抗匹配系统连接在紫铜放电电极上，激发常压前驱物气体放电，产生稳定、均匀的常压低温等离子体。石英玻璃作为介质阻挡层将放电电极覆盖隔离，避免大功率射频放电产生火花或弧光。在严格控制的气体压力制度的驱动下与400℃～600℃的热玻璃表面发生化学反应后，分别从两边极板的后端输送出去，进入废气排放处理系统或循环系统加以利用，在分别沉积完SiO₂和FTO薄膜后得到所需的TCO玻璃。
实施例二
氧化锌掺杂系列TCO玻璃由于具有更好的太阳光谱透过性能，非常适合作为硅基薄膜太阳能电池的前电极板，但是目前的磁控溅射物理气相沉积(PVD)无法制备具有绒面的掺铝氧化锌，而低压化学气相沉积(LPCVD)及金属有机化学气相沉积(MOCVD)的产能和稳定性受到挑战。本例由于采用常压等离子体增强化学气相沉积，能够避免上述方法的不足，掺杂硼的氧化锌TCO玻璃以B₂H₆和Zn(C₂H₅)₂作为前驱体化学反应物，H₂O或O₂作为氧化剂，以浮法在线或离线APCVD的方式生产氧化锌TCO玻璃，具备与实例一相同的诸多优点。两个实例的液态前驱体均先经过蒸发气化混合均匀后进入等离子体放电区，在热玻璃表面沉积成TCO薄膜。
上述实施例只是对于本发明进行说明，而不是对本发明的保护范围的限制。本领域的技术人员在本发明的启示下，可能做出一些变通的实施方式，均属于本发明保护的范围。