专利名称：注射型等离子体处理设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种注射型等离子体处理设备和方法，且更确切地说，涉及一种适合在正常压力条件下使用电介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)对具有多种面积、尺寸和形状的工件进行等离子体处理 的注射型等离子体处理设备和方法。
背景技术：
一般来说，脉沖式电暈放电和电介质阻挡放电众所周知是大气压力放 电，即一种用于在正常压力条件下产生等离子体的技术。脉冲式电晕放电 是一种用于使用高压脉冲功率来产生等离子体的技术，而电介质阻挡放电 是一种用于通过向两个电极施加频率为几十Hz到几MHz的功率来产生等离 子体的技术，所述两个电极中至少有一者覆盖有介电层。在大气压力;^文电中，系统压力的增加涉及电子平均自由程的显著减少， 且因而需要极端的放电条件。因此，由于现有的大气压力放电系统需要非 常强的电场，所以会引起例如产生等离子体的电源尺寸较大的问题。因此， 需要一种用于在大气压力下容易且便宜地产生大量等离子体的技术。作为使用电介质阻挡放电(DBD)技术的大气压力等离子体处理技术， 颁发给Uchiyaina等人的第5， 124, 174号美国专利揭示了 一种技术，所述技 术用于通过将工件放置在相对的板状电极之间，并使用惰性气体在大气压 力下形成电介质阻挡放电，来赋予待处理的工件的表面亲水性。此外，颁 发给Roth等人的第5， 414, 324号美国专利揭示了 一种技术，所述技术用于 改变例如电4及间距和用于产生大气等离子体(atmospheric plasma)的气 体的成分等条件，来改进放电条件；第6,249, 400号美国专利揭示了一种 使用管状电极而不是板状电极的大气等离子体设备；且第0365898号韩国 专利揭示了一种用于使用等离子体对放置在两个相对的电极之间的工件进 行处理的技术，通过将例如He和Ar的反应气体引入到反应室中，且接着 致使所述反应气体在中间放置有介电板的两个电极之间流动，来在所述电 极之间产生所述等离子体。将参看图l来阐释前述常规技术的实例。常规等离子体处理设备100 包含反应室110，其中安置着分别形成有电介质122和142的两个相对的电 极120和140。借助在两个电极120和140之间发生的放电，以及被引入到 反应室110中并接着在两个电极之间流动的反应气体来产生等离子体。因此，可对放置在两个电极之间的工件T进行等离子体处理。发明内容技术问题然而，根据前述常规等离子体处理设备，由于应当将工件放置在两个 产生放电的电极之间，所以在处理具有较大厚度、三维复杂形状或较大面 积的工件方面存在局限性。此外，难以致使两个电极彼此隔开若干毫米， 不但不会发生均勾的辉光放电，且会在两个电极之间产生大量微弧电子流(micro arc streamer )。因此，工件《艮可能受到损坏。此外，由于与等离 子体产生区相比，室的总体积相对较大，且引入到所述室中的相当量的气 体对等离子体的产生不起作用，所以存在反应气体的消耗较大且难以快速 供应反应气体的问题。 技术解决方案因此，本发明的目的是提供一种注射型等离子体处理设备，其能够通 过使用朝工件注射等离子体的方法来处理具有多种面积、尺寸和形状的工 件(即，待处理的对象)，而不会产生因微弧电子流而导致的损坏，所述等 离子是在正常压力条件(即，大气压力)下通过电介质阻挡放电(DBD)产 生的。本发明的另一目的是提供一种注射型等离子体处理设备，其能够快速 地向等离子体产生区供应反应气体且没有较大损失，同时通过使用从反应 室注射的等离子体来对具有多种面积、尺寸和形状的工件进行处理而不会 造成损坏。本发明的另一目的是提供一种注射型等离子体处理设备，其具有这样 的结构其电极可容易地冷却，因为所有界定等离子体产生区的电极都暴 露于反应室外部。根据本发明的一个用于实现前述目的的方面，提供一种注射型等离子 体处理设备，其用于在反应室中产生等离子体，并将所述产生的等离子体 注射到工件，所述设备包括功率电极板，其在电介质形成于所述功率电 极板上的状态下，提供在反应室中；接地电极板，其形成有多个孔，界定 所述反应室的壁的一部分，并与功率电极板协作，以便在交流功率被施加 到功率电极板时，在两者之间产生等离子体；以及气体供应单元，其将反 应气体？ 1入到反应室中，并通过接地电极板中的孔将反应室中的等离子体 注射到外部。优选的是，所述气体供应单元包含气体注射口 ，所述气体注射口提供 在功率电极板与接地电极板之间的等离子体产生区中，以便将反应气体直接引入到等离子体产生区中。更优选的是，气体注射口提供在邻近于功率电极板处，并且面向下伏的等离子体产生区。或者，气体注射口可提供在反应室的侧壁处，并且面 向等离子体产生区侧。此外，可在反应室的上壁上提供功率电极板，且可在反应室的下壁上提供接地电极板，藉此在反应室的上壁与下壁之间界定等离子体产生区。此外，功率电极板可在上壁上暴露于外部，并且可借助空气冷却或其它冷却手段来冷却。此外，将孔的直径优选确定为等于或小于功率电极板与接地电极板之 间的电极间距的5倍。更优选的是，将孔的直径确定为比功率电极板与接地电极板之间的电极间距大3到5倍。此外，优选将接地电极板与工件之 间的距离确定为等于或小于孔的直径的25倍。更优选的是，将接地电极板 与工件之间的距离确定为比孔的直径大15到25倍。优选的是，将接地电 极板与功率电极板之间的电极间距确定为在0. 03 mm到45 mm的范围内。 更优选的是，将孔的直径确定为在0. 01 mm到9. 0 mm的范围内。此外，孑L 的直径可在从反应室朝工件的方向上增加。这使得穿过接地电极板中的孔 而注射的等离子体能够均匀且广泛地扩散到工件上。根据本发明的另一方面，提供一种等离子体处理方法，其包括以下步 骤致使功率电极板与接地电极板之间放电，并在反应室中产生等离子体； 将反应气体？ 1入到反应室中，以便通过形成于接地电极板中的多个孔注射 等离子体；以及通过使用注射的等离子体来对定位在接地电极板下方的工 件进行等离子体处理。优选的是，所述等离子体处理包含表面修饰、Si蚀刻、光致抗蚀剂蚀 刻、灭菌或薄膜沉积。更优选的是，借助形成于接地电极板中的孔的数目、 孔的直径和邻近孔之间的距离来调整所引入的反应气体的量。仍优选的是， 将孔的直径确定为等于或小于功率电极板与接地电极板之间的距离的5倍。
图1是说明根据现有技术的等离子体处理设备的示意图。图2是说明根据本发明实施例的等离子体处理设备的示意图。图3是界定指定根据本发明的等离子体处理设备的处理特性的参数的视图。图4是说明根据本发明的等离子体处理设备中的电极间距与孔直径之 间的相关性的示意图。图5是标绘根据本发明的等离子体处理设备中的电极间距与孔直径之 间的相关性的曲线图。图6是说明根据本发明的等离子体处理设备的示意图，其中在接地电极板附近发生二次放电效应。图7是在多种条件下在接地电极板附近发生的二次放电的照片视图。图8是说明为等离子体的扩散注射而设计的接地电极板的形状的视图。 图9是标绘根据现有技术等离子体处理设备与根据本发明实施例的等 离子处理设备之间的反应气体消耗的比较结果的曲线图。图10是说明根据本发明另 一实施例的等离子体处理设备的示意图。
具体实施方式
下文中，将参看附图详细描述本发明的优选实施例。 图2是说明根据本发明实施例的等离子体处理设备1的示意图。 参看图2,根据本发明实施例的等离子体处理设备1包括反应室10; 提供在反应室10内的功率电极板2 0和接地电极板40;以及用于将反应气 体供应到反应室10中的气体供应单元50。在此实施例中，反应室10由框架12构造，所述框架12形成侧壁和上 壁和/或下壁的一部分，且功率电极板20和接地电极板40安装到框架12。 此外，反应室IO界定在其中产生等离子体的空间。功率电极板20是通过接收从定位在反应室10外部的交流电源60施加 的频率为约l kHZ到90 MHz且电压为约O. 1 kV到900 kV的高压功率而激 活的电极。功率电极板20由金属导体22和形成于所述金属导体的下表面 上的电介质24组成。此时，电介质24可由以下材料制成氧化物陶瓷， 例如MgO、 A1203、 Ti02、 Pb(Zr， Ti)03、 Si 3N4和钛锆酸铅(Lead Zirconi腿 Titanate，PZT );以及聚合树月旨，例如聚四氟乙烯 (polytetraf luoroethylen, PTFE )、特富龙ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯， Acrylonitrile Butadiene Styrene )、聚随酸酉同(Poly Ether Ether Ketone, PEEK)、聚碳酸酯(Poly Carbonate, PC )和聚氯乙烯(Poly Vinyl Chloride, PVC)。此时，所述实施例的功率电极板20形成反应室10的上壁的一部分。 如下文详细描述的，可容易地冷却功率电极板，并允许等离子体产生区PA 与反应室10具有大致相同大小的空间。因此，可防止不必要的反应气体消 耗，且可将反应气体快速供应到等离子体产生区中。在此实施例中，接地电极板40形成反应室10的下壁，并且与功率电 极板20 (更具体地说，是功率电极板20上的电介质24)隔开预定间隔， 使得可在两者之间界定等离子体产生区PA。此外，在接地电极板40中形成 多个孔42，并且所述孔42面向安置在接地电极板下方的工件T。所述多个 孔42允许接地电极板40与功率电极板20之间的等离子体产生区PA中所 产生的等离子体在稍后将阐释的气体供应单元50的辅助下，注射到工件上。 优选的是，接地电极板40由发射大量二次电子的例如铂(Pt)、钨(W)和银(Ag)等贵金属制成，或至少接地电极板的内表面优选涂覆有贵金属。这促进接地电极板40与功率电极板20之间的更容易的放电。同时，气体供应单元50允许通过形成于反应室10的侧壁中的气体注 射口 52将反应气体供应到反应室10中。反应气体可根据工件T的种类或 用于对工件进行表面处理的方法而改变。举例来说，根据将表面修饰、Si 蚀刻、光致抗蚀剂蚀刻、灭菌或薄膜沉积中的一者用作对工件进行表面处 理的方法，可适当地使用N2、 02、 Ar、 He、 C02、 CO、 H2、 NH3、 CF4、 CH4、 C2H6、空气或水蒸气或其混合物。供应到反应室10中的反应气体穿过反应室10中的等离子体产生区PA， 并通过形成于接地电极板40中的多个孔42注射到外部。同时，还朝放置 在反应室10外部的工件注射等离子体产生区PA中所产生的等离子体。此 时，由于气体注射口 52被放置在反应室10的上壁(其中形成有功率电极 板20)与反应室10的下壁(其中形成有接地电极板40)之间，以便容易 与等离子体产生区PA连通，所以供应到反应室10中的反应气体可快速地 将驻留在等离子体产生区PA中的等离子体注射到外部而没有损失。虽然描 述了前述气体注射口 52已经形成于反应室IO的侧壁中以便与反应室10中 的等离子体产生区PA直接连通，但气体注射口 52可形成于反应室10的邻 近于功率电极板20的上壁中。即使在这种情况下，气体注射口 52也与下 伏的等离子体产生区直接连通。此外，由于功率电极板20通过反应室10的上壁而暴露于外部，所以 所述功率电极板20可容易地借助外部空气或任意冷却手段来冷却。这还有 助于防止功率电极板2 0由于对其施加的功率和因此产生的电阻热量的缘故 而过热。图3是界定指定根据本发明的等离子体处理设备的处理特性的参数的 视图。参看图3， "a，，表示形成于接地电极板40中的孔的直径(下文中称 之为"孔直径")，"b"表示功率电极板20与接地电极板40之间的间距(下 文中称之为"电极间距")，且"D"表示接地电极板40与工件T之间的距 离(下文中称之为"处理距离(precessing distance)"),将参看图4到 图7来阐释以上参数之间的相互关系。图4和图5是说明当本发明的等离子体处理设备被驱动时，孔直径"a" 和电极间距"b"对工件T的影响的视图。如图4和图5所示，在本发明的 等离子体处理设备中孔直径"a"比电极间距"b"大5倍(即，a>5b)的 情况下，产生等离子体时所形成的微弧电子流S穿过接地电极板40,且因 此对下伏的工件T产生影响。在此情况下，工件T可能受微弧电子流损坏。 另一方面，在孔直径"a，，等于或小于电极间距"b"的5倍(即，a^5b) 的情况下，产生等离子体时所形成的微弧电子流S基本上不穿过接地电极板40。因此，定位在接地电极板40下方的工件T中不会发生任何因电弧电 子流s而导致的损坏。这意味着，可通过调整本发明的等离子体处理设备 中的孔直径"a"和电极间距"b"，来阻碍可能会在电极板20与40之间形 成而损坏工件T的微弧电子流S。确切地说，可根据测试来检验，如果孔直 径"a"被设置为等于或小于电极间距"b"的5倍，更优选的是直径"a" 被设置为比间距"b"大3到5倍(在孔直径"a"为0. 01 mm到9 mm且电 极间距"b"为0. 03 mm到45 mm的情况下)，微弧电子流S对工件T没有 任何影响。如上所述，根据本发明的等离子体处理设备，可通过调整孔直径"a" 和电极间距"b，，来防止工件T受到微弧电子流S所造成的损坏，且可在工 件T的表面修饰、清洗、蚀刻或类似处理的过程中有效地利用产生等离子 体时所产生的高密度原子团、离子、电子或类似物，因为由功率电极板20 与接地电极板4 0之间的强电场产生的等离子体P穿过形成于接地电极板4 0 中的孔42而到达邻近于接地电极板40的工件T。图6是说明在预定孔直径"a，，和处理距离"D，，的条件下在本发明的 等离子体处理设备中发生的二次放电效应的示意图。如图6所示，如果处 理距离D (即，接地电极板40与工件T之间的距离)维持在比形成于接地 电极板40中的孔直径"a"大约25倍(更优选的是15倍到25倍)以内， 那么会就在接地电极板40下方诱发二次放电效应，这又会导致穿过接地电 极板40中的孔42而注射的等离子体P横向扩散。因此，可增强对工件进 行等离子体处理的效率。此外，图7展示在相对于固定的孔"a"改变工件 T与接地电极板40之间的距离(即，处理距离D)时所拍摄的等离子体放 电的照片视图。参看图7，可看出，随着处理距离D变得越来越小(即，随 着工件变得越来越接近接地电极板)，等离子体扩散效应增加到最大。如果使用前述二次放电，且将接地电极板40中的孔42设计成具有像 图8所示的形状，那么可进一步增强等离子体扩散效应。因此，可对工件 进行更加均匀的等离子体处理。也就是说，如图8 (a)和图8 (b)所示， 可通过将接地电极板40中的孔42设计成使其直径朝工件增加，来进一步 增强等离子体扩散效应。如上所述，本发明的等离子体处理设备可容易地向具有多种面积、尺 寸和形状的工件提供等离子体处理，而不会产生因微弧电子流而造成的损 坏。因此，通过使用图2的配置，其中具有多个孔42的接地电极板40形 成于反应室10的下壁上，且等离子体P借助反应气体而穿过所述多个孔42 进行注射，可有效地处理工件而不会过量地消耗反应气体。确切地说，由 于等离子体处理设备1以在等离子体产生区PA附近提供气体供应单元50 的气体注射口 52的方式配置，所以引入到反应室10中的反应气体可在反应气体几乎没有损失的状态下用于等离子体处理。因此，可更大力度地减 少反应气体的消库毛。图9是展示常规等离子体处理设备(比较实例)和根据本发明实施例 的等离子体处理设备已在其反应气体消耗方面彼此进行比较的曲线图。图9是标绘所使用的反应气体相对于与工件所成的接触角度的流动速率的曲线 图。参看图9，当处理相同量的等离子体时，本实施例的等离子体处理设备 l与比较实例相比，利用的反应气体的流动速率较小。也就是说，这意味着 与常规等离子体处理设备相比，本实施例的等离子体处理设备1中可使用 较少量的反应气体来产生和注射等离子体。图10是展示根据本发明其它经修改的实施例的等离子体处理设备的视 图。参看图10(a)，如先前实施例所述，在反应室10的上壁上形成功率电 极板20，但在反应室10的邻近于功率电极板20的上壁中而不是在反应室 10的侧壁中形成气体供应单元50的气体注射口 52。本实施例的等离子体 处理设备1具有这样的优点反应气体消耗较少，且可快速供应反应气体， 因为类似于先前实施例的等离子体处理设备，反应气体被直接可1入到等离 子体产生区中。参看图10 (b),在反应室10内形成功率电极板20，又借 助功率电极板20将反应室10划分成气体供应区GA和等离子体产生区PA。 于是，反应气体穿过功率电极板20与反应室10的侧壁之间所界定的流动 通道17而流进等离子体产生区中。如图2或图10 (a)中所说明的具有形成于反应室的上壁上的功率电极 板的等离子体处理设备比图10(b)中所说明的功率电极板形成于反应室内 的等离子体处理设备好，原因在于，前者与后者相比具有以下优点反应 气体消耗较少，可更加快速地供应反应气体，且更容易冷却功率电极板。虽然在图2和图10中绘示单个气体注射口 25连接到反应室10，但这 只是一个实例。显然，可将多个气体注射口 52连接到反应室10。此外，虽 然先前实施例中已经描述了形成于接地电极板40中的孔的形状是圓形，但 所述孔可采用三角形、矩形、狭长切口或类似的形状。产业适用性如上所述，将本发明的等离子体处理设备配置成将工件放置在具有多 个孔的接地电极板的下方。因此，存在这样的优点即使工件厚度较大、 具有三维复杂形状或面积较大，仍然可容易地以高处理量对工件进行等离 子体处理。此外，将本发明配置成使得气体供应单元的气体注射口与等离子体产 生区直接连通。因此，存在另一优点可减少不必要的反应气体消耗，且 可将反应气体快速地供应到等离子体产生区中。 另外，将本发明配置成使得电极板(具体来说是功率电极板)暴露于反应室外部。因此，存在又一优点可大量减少因电阻热量的缘故而造成的功率电极板过热。此外，存在另一优点可通过适当地设计形成于接地电极板中的孔的 直径和接地电极板与功率电极板之间的电极间距，来控制可能会损坏工件 的微弧电子流。此外，存在另一优点可通过适当地设计形成于接地电极板中的孔的 直径和接地电极板与功率电极板之间的电极间距，来增强等离子体扩散效 应，且还可因此进行更加均勻和广泛的等离子体处理。
权利要求
1、一种注射型等离子体处理设备，其用于在反应室中产生等离子体并将所述产生的等离子体注射到工件，所述设备包括功率电极板，其提供在所述反应室中且上面形成有电介质；接地电极板，其形成有多个孔，且界定所述反应室的壁的一部分，所述接地电极板与所述功率电极板协作，以便在交流功率被施加到所述功率电极板时，在两者之间产生等离子体；以及气体供应单元，其用于将反应气体引入到所述反应室中，并通过所述接地电极板中的所述孔将所述反应室中的所述等离子体注射到外部。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述气体供应单元包含气体注射 口，其提供在所述功率电极板与接地电极板之间的等离子体产生区中，以 便将所述反应气体直接引入到所述等离子体产生区中。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中所述气体注射口提供在邻近于所 述功率电极板处，且面向所述下伏等离子体产生区。
4. 根椐权利要求2所述的设备，其中所述气体注射口提供在所述反应 室的侧壁处，且面向等离子体产生区侧。
5. 根据权利要求2所述的设备，其中所述功率电极板提供在所述反应 室的上壁上，且所述接地电极板提供在所述反应室的下壁上，藉此在所述 反应室的所述上壁与下壁之间界定所述等离子体产生区。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中所述功率电极板在所述上壁上暴 露于外部，且借助空气冷却或其它冷却手段来冷却。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中所述孔的直径被确定为等于或小
8.、艮据权利要i 1所述的设备，其中所述接地电极板^所述工件之间 的距离被确定为等于或小于所述孔的直径的25倍。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中所述接地电极板与所述功率电极 板之间的电极间距被确定为在0. 0 3 mm到4 5 mm的范围内。
10. 根据权利要求1所述的设备，其中所述孔的直径被确定为在0. 01隱 到9. 0 mm的范围内。
11. 根据权利要求1所述的设备，其中所述孔被形成为三角形、矩形、 圆形或狭长切口的形状，且布置在所述接地电极板上。
12. 根据权利要求1所述的设备，其中所述孔的直径在从所述反应室朝 所述工件的方向上增加。
13. —种等离子体处理方法，其包括以下步骤致使功率电极板与接地电极板之间放电，并在反应室中产生等离子体；将反应气体引入到所述反应室中，以便通过形成于所述接地电极板中的多个孔注射所述等离子体；以及通过使用所述注射的等离子体来对定位在所述接地电极板下方的工件 进行等离子体处理。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述等离子体处理包含表面修 饰、矽蚀刻、光致抗蚀剂蚀刻、灭菌或薄膜沉积。
15. 根据权利要求13所述的方法，其中借助形成于所述接地电极板中 的孔的数目、所述孔的直径以及邻近孔之间的距离来调整所引入的反应气 体的量。
16. 根据权利要求13所述的方法，其中将所述孔的直径确定为等于或 小于所述功率电极板与所述接地电极板之间的距离的5倍。
全文摘要
本发明涉及一种注射型等离子体处理设备。本发明提供一种注射型等离子体处理设备，其通过朝工件注射等离子体的方法来处理具有多种面积、尺寸和形状的工件，而不会产生因微弧电子流而导致损坏，所述等离子体是在正常压力下通过电介质阻挡放电产生的。本发明的注射型等离子体处理设备包括功率电极板，其在电介质形成于所述功率电极板上的状态下，提供在所述反应室中；接地电极板，其形成有多个孔，界定所述反应室的壁的一部分，且与所述功率电极板协作，以在交流功率被施加到所述功率电极板时，在两者之间产生等离子体；以及气体供应单元，其将反应气体引入所述反应室中，并通过所述接地电极板中的所述孔将所述反应室中的所述等离子体注射到外部。
文档编号C23C8/36GK101228288SQ200580051157
公开日2008年7月23日 申请日期2005年7月26日 优先权日2005年7月26日
发明者李海龙, 李近浩, 沈年根, 白钟文, 金东训 申请人:Psm有限公司