具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体装置制造方法
【专利摘要】具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体装置属于等离子体物理基础和应用领域。其特征在于包括：真空室、放电系统、卷绕系统；其中放电系统、卷绕系统均装在真空室内；放电系统包括旋转阵列电极（2-1）、射频或高频电源（2-2）、绝缘块和等离子体（2-4）；射频或高频电源（2-2）的两输出端分别连接到旋转阵列电极端部，绝缘块（2-3）使旋转阵列电极（2-1）和真空室（1-1）电隔离；外磁体位于旋转电极辊上方或下方，和内磁体构成一个闭合磁回路，约束放电产生的等离子体。本发明实现对电极阵列放电，阵列电极同时也是柔性基体旋转辊，提高等离子体的密度、增加放电稳定性、排除旋转阵列电极之间放电干扰、减少沉积薄膜对真空室的污染。
【专利说明】具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体装置
【技术领域】
[0001]本发明属于等离子体物理基础和应用【技术领域】，特别涉及一种具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体放电装置。
【背景技术】
[0002]现有技术中，采用卷-对-卷的等离子体化学处理或等离子体化学气相沉积存在走膜速度慢、弥散放电污染真空室、薄膜沉积速度低和处理效果差等问题。同时，目前所采用的等离子体放电装置无论是真空状态下的辉光型放电，或是大气状态下的电晕型放电，普遍存在等离子体区中的等离子体密度不高、放电稳定性差和沉积薄膜不均匀等问题。如何实现等离子体辅助化学气相沉积技术在卷-对-卷沉积工艺中达到高速、高性能薄膜制备、减小弥散放电对真空室污染、提闻等尚子体区内等尚子体的密度，从而提闻等尚子体辅助沉积薄膜的性能和效果，一直是本领域中倍受关注的课题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体装置，实现将等离子体约束在旋转阵列电极之间磁场作用的区域内，解决了高密度等离子体的产生方法、多电极放电相互干扰、沉积物对真空室壁污染、放电稳定和沉积物的高速率沉积的实现等很难解决的重大技术问题。
[0004]具有磁场增强阵列电极的等离子体装置，其特征在于包括:真空室、放电系统、卷绕系统；其中放 电系统、卷绕系统均装在真空室内；真空室分为3个室，真空室1-3、真空室
1-2分居于真空室1-1的两侧，
[0005]真空室1-1是沉积室，卷绕系统包括放卷部分、收卷部分和沉积室内的柔性薄膜；
[0006]真空室1-2为卷绕系统的放卷部分提供真空条件，放卷部分包括柔性基体、导向棍、变向棍、放卷；
[0007]真空室1-3为卷绕系统的收卷部分提供真空条件，收卷部分包括柔性基体、张力控制棍、中间棍、纠偏系统和收卷；
[0008]放电系统2包括旋转阵列电极2-1、射频或高频电源2-2、绝缘块2_3和等离子体
2-4;射频或高频电源2-2的两输出端分别连接到旋转阵列电极端部，绝缘块2-3使旋转阵列电极2-1和真空室1-1电隔离；每对同样结构的旋转阵列电极之间的等离子体2-4由放电气体2-5，工作气体2-6共同产生；
[0009]旋转阵列电极2-1包括6~10对，即上下3~5对同样结构的旋转电极辊2-1-1、内磁体2-1-2、外磁体2-1-3、磁导2-1-4和绝缘块,旋转电极棍由传动电机带动旋转,旋转电机辊内引入循环冷却水，控制旋转电极表面温度；
[0010]外磁体2-1-3位于旋转电极棍2-1-1上方、或下方,和内磁体2-1-2构成一个闭合磁回路，约束放电产生的等离子体；
[0011]6~10对，即12~20个同样结构的旋转电极辊分成上下3~5对构成阵列电极2-1，放电电源2-2输出两端分别接到构成磁回路两个旋转电极辊上，产生等离子体2-4;每对旋转阵列电极包括两个电极棍，相邻两对电极的相邻的电极棍上电压极性一定相同；
[0012]绝缘块2-1-3隔离旋转电极辊和真空室1-1的电连接；冷却水通入旋转电极辊2-1内部，循环流动，保证旋转电极辊表面温度恒定；
[0013]传动电机带动旋转电极辊2-1-1转动使柔性基体3-1-3在旋转电极辊2_1_1上传输；纠偏系统是对柔性基体3-1-3在轴向方向的传输偏差进行控制。
[0014]进一步，内外磁体之间的间距应小于5mm。
[0015]具体的:
[0016]放电系统包括旋转阵列电极2-1、射频或高频电源2-2、绝缘块2-3和等离子体2_4组成。射频或高频电源2-2的两输出端分别连接到阵列电极端部，绝缘块2-3使阵列电极
2-1和真空室1-1电隔离。等离子体2-4由放电气体2-5，工作气体2-6共同产生(见图1
(b))。
[0017]图1 (b)中旋转阵列电极2-1包括6~10对，即上下3~5对同样结构的旋转电极辊2-1-1、内磁体2-1-2、外磁体2-1-3、磁导2-1-4和绝缘块组成，旋转电机由外接传动电机带动旋转，旋转电机辊内引入循环冷却水，控制旋转电极表面温度。
[0018]外磁体2-1-3位于旋转电极棍2-1-1上方、或下方,和内磁体2_1_2构成一个闭合磁回路(见图2(a))，约束放电产生的等离子体；外磁体2-1-3的磁场由一组永磁铁产生，面向圆柱状旋转电极辊表面方向，即旋转电极的径向方向，各磁铁之间连接按照N-S、N-S,或S-N、S-N相互排列(见图2(b));在旋转电极的轴向方向，各磁铁之间连接按照N-S-N-S，或S-N-S-N排列(见 图2(c))。外磁体只是在靠近旋转电极辊表面处是采用永磁铁，其它部分米用厚度相同的磁导2-1-4连接,在一对旋转电极棍二个电极棍表面的磁极性要相反(见图 2(a))。
[0019]内磁体2-1-2在旋转电极辊内部，磁场由两路永磁铁产生，两路磁铁之间夹角为120度，两路磁铁之间有磁导2-1-4连接，其磁极性和对应的外磁铁相反，如外磁极性为N,则和它对应的内磁铁的极性一定是S (见图1(b))。在对着圆柱状旋转电极辊侧表面，即旋转电极径向方向，磁铁按照N-S、N-S,或S-N、S-N排列(见图2 (b));在旋转电极轴向方向，各磁铁之间连接按照N-S-N-S，或S-N-S-N排列，如图2 (C)。
[0020]内外磁体之间的间距应小于5mm，磁铁表面进行抗腐蚀处理。
[0021]6~10对，即12~20个同样结构的旋转电极辊由导电良好的金属材料加工而成，分成上下3~5对构成阵列电极2-1，如图1(b)所示。放电电源2-2输出两端分别接到构成磁回路两个旋转电极辊上，提供高压电源，产生高密度等离子体2-4。相邻两对电极，其相邻辊上电压极性一定相同，防止阵列电极之间放电干扰(见图2(b)。
[0022]传动电机和旋转电极辊2-1连接，带动旋转电极辊转动；绝缘块2-1-3隔离旋转电极辊和真空室1-1的电连接；冷却水通入旋转电极辊2-1内部，循环流动，保证旋转电极辊表面温度恒定。传动电机带动旋转电极辊2-1转动，实现走膜速度为100~300m/min。
[0023]卷绕系统包括放卷室内柔性薄膜、展平辊、张力控制辊、变向辊、传动电机；沉积室内柔性薄膜、上下各3~5对同样结构的旋转电极辊；收卷内柔性薄膜、张力控制辊、变向棍、传动电机和纠偏系统。
[0024]传动电机带动旋转电极辊2-1-1转动使柔性基体3-1-3在旋转电极辊2_1_1上传输；纠偏系统是对柔性基体3-1-3在轴向方向的传输偏差进行控制；纠偏系统是由激光器检测开关通过检测柔性基体单边的位置，以拾取柔性基体位置偏差信号，再将柔性基体位置偏差信号进行逻辑运算，产生电控制信号，驱动外部执行机构，修正卷绕柔性基体运行时的偏差，控制柔性基体在轴向的运动；传动电机带动旋转电极辊2-1旋转，保证柔性基体3-1-3在6~10对阵列电极2-1之间运行，12~20次经过等离子体2_4放电区，正反双面沉积氧化硅薄膜。
[0025]解决的技术问题:
[0026]提供一种具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体装置，多对电极既可以放电，也可以旋转传输柔性基体，能将等离子体约束在旋转阵列电极之间的磁场作用区域内，实现高速卷-对-卷等离子体辅助化学气相沉积纳米薄膜，提高等离子体区内等离子体的密度、增加放电稳定性、排除旋转阵列电极之间放电干扰、减少沉积薄膜对真空室的污染、提高等离子体化学气相沉积薄膜的应用性能和效果。
[0027]采用的技术方案:
[0028]具有磁场增强旋转阵列电极的等离子体装置基本结构组成，包括旋转阵列电极2-1、射频或高频放电电源2-2、绝缘块2-3，以及装在机架上的带动被等离子体作用的柔性基材连续通过等离子体区的卷绕系统。其特征在于:可旋转的6~10对，即上下3~5对金属辊，既是柔性基体传输的传输辊，同时也是产生均匀辉光放电的旋转阵列电极。它们是金属棍和由磁铁组成，在金属棍的内、外磁体构成闭合磁回路，在放电区产生垂直于两电极产生的电场的磁场，约束放电产生的等离子体扩散、增加电子的碰撞频率、增加等离子体密度、减小等离子体弥散污染真空的放电装置，实现卷-对-卷纳米薄膜的高速沉积或处理。所述磁场增强旋转阵列电极装置主要是以永久性磁体组成的磁块组合体形成封闭的磁回路，永久磁块固定在相应配套的支架上；支架装在机架上；磁场增强装置引入磁场的强度为 10 ~1000mT。
[0029]所述旋转阵列电极是由6~10对，即上下3~5个同样结构的、导电良好的金属材料加工而成圆筒辊。它们既是柔性基体传输的传输辊，也是产生等离子体的放电电极。射频或高频电源2-2输出两端分别接到构成磁回路两个旋转电极辊上，提供高压电源，产生高密度等离子体2-4。相邻两对电极，其电极辊上电压极性一定相同，防止阵列电极之间放电干扰。放电电源的频率为13.56MHz或20kHz。
[0030]有益效果:
[0031]由于放电产生的等离子体被约束在旋转阵列电极的磁场作用区域内，因而能提高电子的自由程、等离子体的密度、减少等离子体的扩散、降低沉积物对真空室的污染；6~10对旋转阵列电极可以实现对基体的多次纳米薄膜的沉积，实现等离子体辅助化学气相沉积的高速率运行；旋转电极辊同时也是柔性基体传输辊，减少了设备的复杂化、缩小设备空间、降低设备成本；同时采用相邻电极极性相同，防止了旋转阵列电极之间的放电干扰，实现旋转电极对的同时均匀辉光放电。等离子体辅助化学气相沉积设备，以活性单体的气体组分为工作气体，旋转阵列电极同时放电实现了等离子体化学气相沉积可以高速运行，阵列电极可在基体表面实现高速卷-对-卷沉积、聚合成具有纳米级厚度的薄膜；所述纳米薄膜致密度高、和基膜附着力大、抗划痕强、阻隔气体分子和水汽渗透性能好，抗小分子和添加剂迁移性能强，不易脱落；所述纳米薄膜功能优异、耐酸碱、透光率高，应用广泛领域；用于辉光放电装置，依据等离子体放电装置，尤其是阵列电极结构和电极对数的不同，放电气体不同，可用于对柔性基体进行改性处理、表面功能化或表面沉积处理；能提高等离子体的应用性能和效果，并且速度快。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1(a)为具有磁场增强和旋转阵列电极的等离子体装置总体结构示意图。其中，真空室1-1、真空室1-2、真空室1-3、柔性基体3-1-3、放卷3-1-4、收卷3_1_5、导向辊3-1-6、中间转辊3-1-7、变向辊3-1-8、张力辊3_1_9，旋转阵列电极、射频或高频电源2_2 ； [0033]图1 (b)为旋转阵列电极示意图。旋转阵列电极2-1、绝缘块2-3和等离子体2_4组成。射频或高频电源2-2的两端分别连接到阵列电极端部“ + ”和电极，相邻两对电极中相邻的辊的极性一定相同；绝缘块2-3使阵列电极2-1和真空室1-1电隔离。等离子体2-4由放电气体2-5，工作气体2-6共同产生。旋转阵列电极2-1包括6~10对，即上下3~5对同样结构的旋转电极棍2-1-1、内磁体2-1-2、外磁体2-1-3、磁导2_1_4、绝缘块、传动电机和循环冷却水组成。
[0034]图2 (a)为内、外磁体构成闭合磁回路立体示意图。外磁体和内磁体的磁极性一定相反。内磁体之间的夹角为120度。
[0035]图2(b)沿着旋转阵列电极轴向方向磁体排列方式，磁块的N-S两极以电极的轴延伸而排列结构示意图，磁体中心轴对称。其中图画中标记4-1为磁块组、L-磁体长度、m-磁体宽度、S-磁体厚度；
[0036]图2(c)沿着旋转阵列电极径向方向磁体排列方式磁块。N-S两极以电极的径向延伸而排列，磁体为中心轴对称。其中4-1-磁块组、L-磁体长度、m-磁体宽度、δ -磁体厚度。
【具体实施方式】
[0037]图1(a)为本发明的【具体实施方式】总体结构示意图。
[0038]所述磁场增强阵列电极的等离子体放电装置中的内2-1-2、外磁块2-1-3和磁导2-1-4合体的结构，与相应的阵列电极结构配套对应，如图1(b)所示。对旋转电极辊2-1-1的左、右旋转电极辊2-1-1而言，其配套对应的内2-1-2、外磁块2-1-3和磁导2_1_4组合体的结构在左、右转辊电极的上方或下方具有的以旋转电极辊的轴向延伸而呈带开口的筒状体一即外磁块组合体2-1-3，同时在左、右旋转电极辊的内腔里磁块2-1-2具有与外磁块2-1-3相对应组合体形成闭合的磁回路；
[0039]图2所示，磁块组合体中的磁块排组规则为，依据磁块间N、S两极异性相吸原理紧密吸合、纵列横行N、S相间式排组在一起。图2(a)为内、外磁体构成闭合磁回路立体示意图。外磁体和内磁体的磁极性一定相反。内磁体之间的夹角为120度。图2(b)所示，各磁块的N-S、N-S两极以电极的径向延伸而纵向排列，纵列中各磁块等宽m，横行中各磁块N-S两极等长L，各磁块的厚度为δ ;在轴向如图2(c)所示，各磁块的N-S-N-S两极以电极的轴向延伸而轴向排列，纵列中各磁块N-S两极等长L，横行中各磁块等宽m，各磁块的厚度为δ ;各磁块的厚度δ相等为好，一般磁块选用规格为LXmX δ =150 X 30 X 30_。
[0040]如图1所示，所述具有磁场增强阵列电极的等离子体装置，为一种真空辉光放电型的等离子体化学气相沉积装置，具有放电真空室1-1、放电气体2-5、工作气体2-6引入真空室。其特征在于:还具有带动柔性基体3-1-3连续卷-对-卷式通过等离子体区2-4的机构，该机构具有装在真空室1-1内的承载柔性基体3-1-3的基材旋转上左旋转电极辊，薄膜基材3-1-3,经等离子体放电区域2-4-1,经下左旋转电极棍拖带传输,通过下左旋转电极辊2-1-1后进入等离子体区2-4 ;经上右旋转电极辊2-1-1，柔性基体3-1-3再次经等离子体放电区域2-4-2返回并穿过电极阵列2-1，再经下左旋转电极辊2-1-1-拖带传输，通过下左旋转电极辊2-1-1后进入等离子体区2-4，并经右转辊电极经上右旋转电极辊2-1-1，柔性基体3-1-3再次经等离子体放电区域2-4返回并穿过阵列电极2-1。这样不断经过左右旋转电极辊，达到12~20次对承载柔性基体表面的纳米薄膜的沉积，最后卷绕在收卷辊3-1-5 h π
[0041]磁场增强装置中的磁块组合体，为在左、右转辊电极2-1-1的上方和域下方具有的以旋转电极辊轴向延伸而呈带开口的筒状体；工作气体放电气体2-5、2-6引入机构为，盛放化学单体用的密闭容器装在真空室1-ι外，并通过引入管与真空室1-1连通；放电载气2-5则通过间接导管与密闭容器连通；同时还具有引入其他工作气体的组分如氧气，所需的直接导管与真空室1-1直接连通；左、右旋转电极辊2-1-1同时接射频或高频驱动电源
2-2的两个输出端，也可一个接地，另一个接输出端。对6~10对旋转阵列电极，相邻两对旋转电极相邻辊所接电源极性相同。
[0042]如图1所示的具有磁场增强阵列电极的等离子体放电装置中，所述工作气体为化学单体材料气化后的气相组分，还可含有其他组分，如氧气、氮气，工作气体放电后，可在基材表面沉积形成功能性纳米保护薄膜，如甲烷、乙炔、有机硅、甲基铝、氯化锌、六甲基二硅氧烷(C6H18OSi2)或四甲基二硅氧烷(C4H14OSi4)等单体，可自挥发式或以载气携带式进入真空室1-1，放电后在柔性基体表面快速沉积聚合而形成具有优异功能的金刚石、类金刚石、有机硅、氧化铝、氧化锌等纳米薄膜，该种薄膜的其厚度为I~lOOOnm，对氧气的透过率小于3ml/cm2/24h，对水蒸汽的透过率为小于3g/m2/24h ;也可直接使用其他气体作为工作气体，沉积具有不同功能特性的纳米薄膜，基材通过有效等离子体区的时间一即放电时间为0.1~200秒；真空室的放电气压为0.05~20Pa ;等离子体驱动电源频率为IKHz~13.56MHz ο
[0043]磁场增强阵列电极的等离子体放电装置引入的磁场强度一般为10~1000mT。
[0044]载气一即在等离子体化学气相沉积装置中携带引入活性单体的气体组分进入真空室的气体，如氢气、氩气、氦气、氮气等。
[0045]采用SG-3-A型数字特斯拉计测量引入磁场的强度，测量位置在两电极之间的中央区域和旋转电极的表面，引入磁场的强度有一定的范围。磁场强度太弱，不利于将等离子体约束，等离子体密度低、放电稳定性差、气压高；磁场强度太高，对辊电极有溅射作用，影响沉积薄膜的成分和质量，因此磁场强度需要在一定的磁场区域内。
[0046]以真空辉光放电装置为例，普通真空辉放电装置中，等离子体区内等离子体的密度为1.0X IO8~1.0X 109/cm3，本发明的真空辉光放电装置中，等离子体区内等离子体的密度为 1.0XlO10 ~1.0X IO1Vcm3。
[0047]所述等离子体区，是指放电时产生正、负电荷相等的气体放电区域。
[0048]所述磁场增强等离子体区，是指磁场增强阵列电极的装置的磁力线主要集中作用的等离子体区，增加电子的运行长度，该区内气体放电产生的电子、离子的密度等于或大于
1.0XlO10 ~1.0X10n/cm3。
[0049]所述“约束”，是指磁场将放电产生的正、负电荷在库伦力作用下约束集中在一定的磁场区域内，避免或减少等离子体的“外逸”，并对气体放电中粒子的碰撞次数有增强的作用，从而提高等离子体区内等离子体的密度。
[0050]所述旋转电极辊，是指既能主动旋转输运柔性基体，又是电极产生等离子体放电。
[0051]所述阵列电极，是指电极对数大于2对以上，能同时产生均匀辉光放电。
[0052]所述放电干扰，是指在电极对数大于2以上，相邻两对电极辊之间不产生放电，其电极性相同、 电位相同。
【权利要求】
1.具有磁场增强阵列电极的等离子体装置，其特征在于包括:真空室、放电系统、卷绕系统；其中放电系统、卷绕系统均装在真空室内；真空室分为3个室，真空室(1-3)、真空室(1-2)分居于真空室(1-1)的两侧， 真空室(1-1)是沉积室，卷绕系统包括放卷部分、收卷部分和沉积室内的柔性薄膜； 真空室(1-2)为卷绕系统的放卷部分提供真空条件，放卷部分包括柔性基体、导向辊、变向棍、放卷； 真空室(1-3)为卷绕系统的收卷部分提供真空条件，收卷部分包括柔性基体、张力控制辊、中间辊、纠偏系统和收卷； 放电系统包括旋转阵列电极(2-1)、射频或高频电源(2-2)、绝缘块(2-3)和等离子体(2-4);射频或高频电源(2-2)的两输出端分别连接到旋转阵列电极端部，绝缘块(2-3)使旋转阵列电极(2-1)和真空室(1-1)电隔离；每对同样结构的旋转阵列电极之间的等离子体由放电气体(2-5)，工作气体(2-6)共同产生； 旋转阵列电极包括6~10对，即上下3~5对同样结构的旋转电极辊、内磁体、外磁体、磁导和绝缘块，旋转电极辊由传动电机带动旋转，旋转电机辊内引入循环冷却水，控制旋转电极表面温度； 外磁体位于旋转电极棍上方或下方，和内磁体构成一个闭合磁回路，约束放电产生的等离子体； 放电电源输出两端分别接到构成磁回路两个旋转电极辊上，产生等离子体；每对旋转阵列电极包括两个电极棍，相邻两对电极的相邻的电极棍上电压极性一定相同； 传动电机带动旋转电极辊 转动使柔性基体在旋转电极辊上传输；纠偏系统是对柔性基体在轴向方向的传输偏差进行控制。
2.根据权利要求1所述的具有磁场增强阵列电极的等离子体装置，其特征在于:内外磁体之间的间距应小于5mm。
【文档编号】C23C16/505GK103643221SQ201310418810
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年9月14日 优先权日:2013年9月14日
【发明者】陈强, 杨丽珍, 刘忠伟, 王正铎, 桑利军 申请人:北京印刷学院