专利名称：一种大面积均匀产生等离子体的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及等离子体产生装置领域，具体为一种大面积均勻产生等离子体的
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背景技术：
材料处理中所采用的等离子体是由射频低气压放电产生的非平衡等离子体。这种 等离子体最显著的特性的是不同种类的粒子具有不同的能量，即电子的温度很高，一般是 几个电子伏特左右(约为几万度)，而离子及活性粒子团的温度很低，正是这些高能电子的 存在，才能够引起非平衡化学反应。高频放电通常直电容耦合放电、电感耦合放电、微波电 子回旋共振放电、螺旋波放电等。为实现微细、大面积和高速加工的目的，等离子体必须具 备低气压、大口径、高密度等特性。但是增加口径、降低工作气压会导致等离子体密度的降 低。另外对于电容耦合和电感耦合放电，当材料需批量处理时，必须增大放电电极面积和间 距。由于材料处于等离子体放电区域内，处理材料的多少将影响等离子体放电特性，并进一 步影响处理材料品质的一致性。电子回旋共振等离子体(ECR)或螺旋波等离子体(HWP)设 备增大口径将受到外加磁场的限制。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种大面积均勻产生等离子体的装置，以解决现有技术 的等离子体装置产生的等离子体密度低，对材料处理的效果差的问题。为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为一种大面积均勻产生等离子体的装置，包括有圆筒状的内、外电极，所述外电极一 端为筒口，所述筒口处安装有密封外电极的密封门，其特征在于外电极套在内电极外部并 与内电极同轴设置，所述内、外电极中间有间隙，还包括有供气单元、射频电源匹配单元、真 空单元，所述供气单元中有供气管道连接在所述外电极上与外、内电极之间的间隙相通，所 述射频电源匹配单元中有射频电极穿过外电极并连接在所述内电极上，所述真空单元中有 连接在外电极上的气路管道与内、外电极之间的间隙连通。所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述供气单元包括多 个载气瓶，每个载气瓶的输气管道上均安装有流量计或针阀，多个载气瓶的输气管道合为 一路供气管道后连接在所述外电极上与内、外电极之间的间隙相通，所述供气管道上还安 装有供气电磁阀。所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述射频电源匹配单 元包括彼此电连接的射频电源和匹配器，所述匹配器的电输出端上连接有射频电极，所述 射频电极穿过外电极并电连接在所述内电极上。所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述真空单元包括过 滤器、真空泵、电阻规，所述电阻规安装在外电极上并伸入内、外电极之间间隙中，所述过滤 器的进气管道上安装有进气电磁阀，所述真空泵的抽气管道上安装有抽气电磁阀，所述真空泵的抽气管道、过滤器的送气管道合为一路气路管道后连接在外电极上与内、外电极之 间的间隙连通。所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述密封门中心位置 开有窗口，窗口中安装有带防射频辐射屏蔽铜网的玻璃观察窗片。所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述内、外电极之间的 间隙中还填充有多段彼此分离的聚四氟绝缘块。所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述外电极、射频电源 匹配单元中的射频电源及匹配器分别接地。本实用新型各单元由PLC控制，根据设定流程，通过PLC提供系统各单元控制信 号。由供气管道、供气电磁阀、流量计或针阀及载气瓶构成供气单元。供气管道和接地外电 极相连，进气由供气电磁阀控制。所用气体流量通过流量计或针阀控制，针对处理不同材料 或者不同应用可以适当增减流量计或针阀及载气瓶数量。由射频电极、匹配器、射频电源构成射频电源匹配单元。通过调整匹配器使射频入 射功率达到最大，而反射功率最小。通过射频电极，匹配器、射频电源和外电极均接地，以保 护人体安全。电阻规、真空抽气管道、进气电磁阀、抽气电磁阀、真空泵、过滤器构成真空单元。 电阻规为真空测量单元，它和附属电路用于真空室内气压测量。抽真空时，关闭进气电磁 阀，将真空室抽至设定气压；材料处理完毕关闭抽气电磁阀，打开进气电磁阀，通过过滤器 向内、外电极之间间隙的真空室内进气至大气压。当气压范围为0.广60Pa，在外电极和内电极之间产生电容耦合等离子体放电，由 于外电极是接地的，所以接地电极的有效面积要大于高频电极的面积。高频电极上会产生 一个负的直流偏压，利用高频电极上所产生的负直流偏压加速离子并使其轰击衬底，加速 表面反应。并通过高频电极的空隙向中心扩散，在整个真空腔体内形成均勻高密度等离子 体。处理薄膜型材料时，可以将材料放于外电极和内电极之间电极的表面。而在批量 处理具有一定体积的材料比如培养皿、培养瓶等材料时将材料放置于高频电极圆筒形空腔 内，材料不处于电极间的放电区域，不影响等离子体的放电特性，因此处理材料的品质可以 获得较好的一致性。电容耦合等离子体无需外加磁场即可进行放电，它比需要借助于外磁场的电子回 旋共振等离子体(ECR)或螺旋波等离子体(HWP)放电的结构更简单，因此它可以相对容易 地获得大面积的等离子体。本实用新型能在气压较高的条件下维持稳定均勻的辉光放电。等离子体密度较 高，可以产生丰富的活性基团，满足刻蚀和聚合应用的需要；高频电极上存在自给偏压，能 够加速离子使其具有足够高的能量以便为薄膜制备或表面处理等项目工艺所用；可应用于 等离子体CVD、刻蚀、清洗以及高分子材料表面改性等领域。本实用新型具有以下优点1.反应速度快、温度低气体放电瞬间发生等离子体反应，几秒钟或者几分钟就 可改变表面的性质；反应接近常温，特别适于高分子材料。2.能量高高频电极上存在自给偏压，能够加速离子使其具有足够高的能量，因此等离子体是具有超常化学活性的高能粒子。3.广适性各种基材类型均可进行处理，如金属、半导体、氧化物和大多数高分子 材料等都能很好地处理。4.功能强由于等离子体处理是在真空下进行的，所以等离子体中的各种活性离 子的自由程很长，他们的穿透和渗透能力很强，可以处理夹层、细管和盲孔。5.环保型等离子体作用过程是气_固相干式反应，不消耗水资源、无需添加化学 试剂，对环境无残留物。
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
如图1所示。一种大面积均勻产生等离子体的装置，包括有圆筒状的内电极2、外 电极1，外电极1 一端为筒口，筒口处安装有密封外电极1的密封门3，密封门3中心位置开 有窗口，窗口中安装有带防射频辐射屏蔽铜网5的玻璃观察窗片4。外电极1套在内电极2 外部并与内电极2同轴设置，内、外电极2、1中间有间隙，内、外电极2、1之间的间隙中还填 充有多段彼此分离的聚四氟绝缘块6。还包括有供气单元、射频电源匹配单元、真空单元，供 气单元中有供气管道7连接在外电极1上与外、内电极1、2之间的间隙相通，射频电源匹配 单元中有射频电极14穿过外电极1并连接在内电极2上，真空单元中有连接在外电极1上 的气路管道18与内、外电极2、1之间的间隙连通。供气单元包括多个载气瓶11、12、13，每个载气瓶的输气管道上均安装有流量计或 针阀8、9、10，多个载气瓶输气管道合为一路供气管道7后连接在外电极1上与内、外电极 2、1之间的间隙相通，供气管道7上还安装有供气电磁阀YV1。射频电源匹配单元包括彼此电连接的射频电源16和匹配器15，匹配器15的电输 出端上连接有射频电极14，射频电极14穿过外电极1并电连接在内电极2上。外电极1、 射频电源匹配单元中的射频电源16及匹配器15分别接地。真空单元包括过滤器20、真空泵19、电阻规17，电阻规17安装在外电极1上并伸 入内、外2、1电极之间间隙中，过滤器20的进气管道上安装有进气电磁阀YV2，真空泵19的 抽气管道上安装有抽气电磁阀YV3，真空泵19的抽气管道、过滤器20的送气管道合为一路 气路管道18后连接在外电极1上与内、外电极2、1之间的间隙连通。具体实施例一细菌培养瓶、培养皿亲水性改善用于医疗的生物耗材，如培养皿、培养瓶等大多数是由合成聚合物材料制成，它们 的表面具有疏水性，不能提供足够的结合点来使细胞和具有生物活性的分子有效的结合在 它们的表面。通过等离子体处理后可以改变载体，如培养皿、培养瓶表面的化学结构、表面 能及表面电荷，使其内外表面由疏水变为亲水，并获得支持细胞黏附铺展的能力，提高细胞 繁殖数量和速度，从而更适于细胞培养。使用时，将培养皿或培养瓶均勻放置于高频电极2圆筒形空腔内，关好密封门， PLC控制程序可以按设定流程完成处理过程首先真空泵开始抽气，由真空规和附属电路测量真空室内压强，当其内压强为30Pa时关闭抽气电磁阀YV3，同时开启射频源，在外电极和内电极之间产生电容耦合等离 子体放电，由于外电极是接地的，高频电极上会产生一个负的直流偏压，利用高频电极上所 产生的负直流偏压加速离子使其具有足够高的能量，并通过高频电极的空隙向中心扩散， 在整个真空腔体内形成均勻等离子体。射频源功率为400瓦，放电时间为5分钟。在处理 过程中若真空室内压强增大，则抽气电磁阀YV3打开以维持真空室内恒定的压强。然后关 闭真空泵和射频源，开启进气电磁阀YV2向真空室进气，直到真空室达到大气压，材料处理 完毕，培养瓶、培养皿表面已由原来的疏水性变为亲水性。为了增强处理效果，开始抽真空后当真空度达到IOPa左右时，调整好减压阀及流 量计或针阀，开启供气电磁阀YV1，向真空室内供入氧气，当真空度达到30Pa时，关闭YV1， 启动射频源，此时放电产生富含氧离子和自由基的等离子体，有助于改善材料的亲水性。其 它操作步骤如上例。在本实施例中可以将射频电源和匹配器换成高频交流开关电源以减少处理设备 的体积和重量，处理时间和功率要做相应调整。具体实施例二 A4纸超疏水表面制备先用氧等离子体对A4纸进行刻蚀，由于氧自由基的作用，A4纸可以获得很好的粗 糙度；再以一定比例的CF4和H2混合气体等离子体处理刻蚀后的A4纸，在表面沉积碳氟化 合物膜。通过这种方法可以制得接触角大于150°，同时具有很小的接触角滞后性能良好的 超疏水表面。使用时，将A4纸置于高频电极2圆筒外表面，关好密封门，具体过程如下首先打开真空泵对反应室抽真空。当真空度达到IOPa左右时，调整好减压阀及流 量计或针阀，开启供气电磁阀YV1，向真空室内供入氧气，当真空度达到30Pa时，关闭YV1， 启动射频源，处理时间为3分钟，此时由于氧自由基的作用，A4纸可以获得很好的粗糙度。 关掉射频源，关闭氧气瓶和针阀。再次将反应室抽真空至IOPa左右。打开CF4以及H2气瓶，调节减压阀及流量计， 向反应室输入CF4和H2, CF4与H2的体积比为2 1。当真空度达到30Pa时，关闭YV1、CF4、 H2气瓶瓶阀，启动射频源，处理时间为3分钟，此时在在A4纸表面沉积碳氟化合物膜，使其 具有超疏水性。将反应室抽真空至IOPa并持续IOmin。关闭真空泵电源，开启进气电磁阀YV2，使反应室压强达到大气压，材料处理完毕。
权利要求一种大面积均匀产生等离子体的装置，包括有圆筒状的内、外电极，所述外电极一端为筒口，所述筒口处安装有密封外电极的密封门，其特征在于外电极套在内电极外部并与内电极同轴设置，所述内、外电极中间有间隙，还包括有供气单元、射频电源匹配单元、真空单元，所述供气单元中有供气管道连接在所述外电极上与外、内电极之间的间隙相通，所述射频电源匹配单元中有射频电极穿过外电极并连接在所述内电极上，所述真空单元中有连接在外电极上的气路管道与内、外电极之间的间隙连通。
2.根据权利要求1所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述供 气单元包括多个载气瓶，每个载气瓶的输气管道上均安装有流量计或针阀，多个载气瓶的 输气管道合为一路供气管道后连接在所述外电极上与内、外电极之间的间隙相通，所述供 气管道上还安装有供气电磁阀。
3.根据权利要求1所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述射 频电源匹配单元包括彼此电连接的射频电源和匹配器，所述匹配器的电输出端上连接有射 频电极，所述射频电极穿过外电极并电连接在所述内电极上。
4.根据权利要求1所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述真 空单元包括过滤器、真空泵、电阻规，所述电阻规安装在外电极上并伸入内、外电极之间间 隙中，所述过滤器的进气管道上安装有进气电磁阀，所述真空泵的抽气管道上安装有抽气 电磁阀，所述真空泵的抽气管道、过滤器的送气管道合为一路气路管道后连接在外电极上 与内、外电极之间的间隙连通。
5.根据权利要求1所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述密 封门中心位置开有窗口，窗口中安装有带防射频辐射屏蔽铜网的玻璃观察窗片。
6.根据权利要求1所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述内、 外电极之间的间隙中还填充有多段彼此分离的聚四氟绝缘块。
7.根据权利要求1所述的一种大面积均勻产生等离子体的装置，其特征在于所述外 电极、射频电源匹配单元中的射频电源及匹配器分别接地。
专利摘要本实用新型公开了一种大面积均匀产生等离子体的装置，包括有内、外电极，外电极筒口处安装有密封门，外电极套在内电极外部，供气单元中有供气管道与外、内电极之间的间隙相通，射频电源匹配单元中有射频电极连接在内电极上，真空单元中有气路管道与内、外电极之间的间隙连通。本实用新型可以产生丰富的活性基团，满足刻蚀和聚合应用的需要；高频电极上存在自给偏压，能够加速离子使其具有足够高的能量以便为薄膜制备或表面处理等项目工艺所用。
文档编号H05H1/24GK201766766SQ201020279388
公开日2011年3月16日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者孟月东, 沈洁 申请人:中国科学院等离子体物理研究所