專利名稱：一種大面積均勻產生等離子體的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及等離子體產生裝置領域，具體為一種大面積均勻產生等離子體的
直O
背景技術：
材料處理中所采用的等離子體是由射頻低氣壓放電產生的非平衡等離子體。這種 等離子體最顯著的特性的是不同種類的粒子具有不同的能量，即電子的溫度很高，一般是 幾個電子伏特左右(約為幾萬度)，而離子及活性粒子團的溫度很低，正是這些高能電子的 存在，才能夠引起非平衡化學反應。高頻放電通常直電容耦合放電、電感耦合放電、微波電 子回旋共振放電、螺旋波放電等。為實現微細、大面積和高速加工的目的，等離子體必須具 備低氣壓、大口徑、高密度等特性。但是增加口徑、降低工作氣壓會導致等離子體密度的降 低。另外對于電容耦合和電感耦合放電，當材料需批量處理時，必須增大放電電極面積和間 距。由于材料處于等離子體放電區域內，處理材料的多少將影響等離子體放電特性，并進一 步影響處理材料品質的一致性。電子回旋共振等離子體(ECR)或螺旋波等離子體(HWP)設 備增大口徑將受到外加磁場的限制。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種大面積均勻產生等離子體的裝置，以解決現有技術 的等離子體裝置產生的等離子體密度低，對材料處理的效果差的問題。為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案為一種大面積均勻產生等離子體的裝置，包括有圓筒狀的內、外電極，所述外電極一 端為筒口，所述筒口處安裝有密封外電極的密封門，其特征在于外電極套在內電極外部并 與內電極同軸設置，所述內、外電極中間有間隙，還包括有供氣單元、射頻電源匹配單元、真 空單元，所述供氣單元中有供氣管道連接在所述外電極上與外、內電極之間的間隙相通，所 述射頻電源匹配單元中有射頻電極穿過外電極并連接在所述內電極上，所述真空單元中有 連接在外電極上的氣路管道與內、外電極之間的間隙連通。所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述供氣單元包括多 個載氣瓶，每個載氣瓶的輸氣管道上均安裝有流量計或針閥，多個載氣瓶的輸氣管道合為 一路供氣管道后連接在所述外電極上與內、外電極之間的間隙相通，所述供氣管道上還安 裝有供氣電磁閥。所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述射頻電源匹配單 元包括彼此電連接的射頻電源和匹配器，所述匹配器的電輸出端上連接有射頻電極，所述 射頻電極穿過外電極并電連接在所述內電極上。所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述真空單元包括過 濾器、真空泵、電阻規，所述電阻規安裝在外電極上并伸入內、外電極之間間隙中，所述過濾 器的進氣管道上安裝有進氣電磁閥，所述真空泵的抽氣管道上安裝有抽氣電磁閥，所述真空泵的抽氣管道、過濾器的送氣管道合為一路氣路管道后連接在外電極上與內、外電極之 間的間隙連通。所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述密封門中心位置 開有窗口，窗口中安裝有帶防射頻輻射屏蔽銅網的玻璃觀察窗片。所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述內、外電極之間的 間隙中還填充有多段彼此分離的聚四氟絕緣塊。所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述外電極、射頻電源 匹配單元中的射頻電源及匹配器分別接地。本實用新型各單元由PLC控制，根據設定流程，通過PLC提供系統各單元控制信 號。由供氣管道、供氣電磁閥、流量計或針閥及載氣瓶構成供氣單元。供氣管道和接地外電 極相連，進氣由供氣電磁閥控制。所用氣體流量通過流量計或針閥控制，針對處理不同材料 或者不同應用可以適當增減流量計或針閥及載氣瓶數量。由射頻電極、匹配器、射頻電源構成射頻電源匹配單元。通過調整匹配器使射頻入 射功率達到最大，而反射功率最小。通過射頻電極，匹配器、射頻電源和外電極均接地，以保 護人體安全。電阻規、真空抽氣管道、進氣電磁閥、抽氣電磁閥、真空泵、過濾器構成真空單元。 電阻規為真空測量單元，它和附屬電路用于真空室內氣壓測量。抽真空時，關閉進氣電磁 閥，將真空室抽至設定氣壓；材料處理完畢關閉抽氣電磁閥，打開進氣電磁閥，通過過濾器 向內、外電極之間間隙的真空室內進氣至大氣壓。當氣壓范圍為0.廣60Pa，在外電極和內電極之間產生電容耦合等離子體放電，由 于外電極是接地的，所以接地電極的有效面積要大于高頻電極的面積。高頻電極上會產生 一個負的直流偏壓，利用高頻電極上所產生的負直流偏壓加速離子并使其轟擊襯底，加速 表面反應。并通過高頻電極的空隙向中心擴散，在整個真空腔體內形成均勻高密度等離子 體。處理薄膜型材料時，可以將材料放于外電極和內電極之間電極的表面。而在批量 處理具有一定體積的材料比如培養皿、培養瓶等材料時將材料放置于高頻電極圓筒形空腔 內，材料不處于電極間的放電區域，不影響等離子體的放電特性，因此處理材料的品質可以 獲得較好的一致性。電容耦合等離子體無需外加磁場即可進行放電，它比需要借助于外磁場的電子回 旋共振等離子體(ECR)或螺旋波等離子體(HWP)放電的結構更簡單，因此它可以相對容易 地獲得大面積的等離子體。本實用新型能在氣壓較高的條件下維持穩定均勻的輝光放電。等離子體密度較 高，可以產生豐富的活性基團，滿足刻蝕和聚合應用的需要；高頻電極上存在自給偏壓，能 夠加速離子使其具有足夠高的能量以便為薄膜制備或表面處理等項目工藝所用；可應用于 等離子體CVD、刻蝕、清洗以及高分子材料表面改性等領域。本實用新型具有以下優點1.反應速度快、溫度低氣體放電瞬間發生等離子體反應，幾秒鐘或者幾分鐘就 可改變表面的性質；反應接近常溫，特別適于高分子材料。2.能量高高頻電極上存在自給偏壓，能夠加速離子使其具有足夠高的能量，因此等離子體是具有超常化學活性的高能粒子。3.廣適性各種基材類型均可進行處理，如金屬、半導體、氧化物和大多數高分子 材料等都能很好地處理。4.功能強由于等離子體處理是在真空下進行的，所以等離子體中的各種活性離 子的自由程很長，他們的穿透和滲透能力很強，可以處理夾層、細管和盲孔。5.環保型等離子體作用過程是氣_固相干式反應，不消耗水資源、無需添加化學 試劑，對環境無殘留物。
圖1為本實用新型結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示。一種大面積均勻產生等離子體的裝置，包括有圓筒狀的內電極2、外 電極1，外電極1 一端為筒口，筒口處安裝有密封外電極1的密封門3，密封門3中心位置開 有窗口，窗口中安裝有帶防射頻輻射屏蔽銅網5的玻璃觀察窗片4。外電極1套在內電極2 外部并與內電極2同軸設置，內、外電極2、1中間有間隙，內、外電極2、1之間的間隙中還填 充有多段彼此分離的聚四氟絕緣塊6。還包括有供氣單元、射頻電源匹配單元、真空單元，供 氣單元中有供氣管道7連接在外電極1上與外、內電極1、2之間的間隙相通，射頻電源匹配 單元中有射頻電極14穿過外電極1并連接在內電極2上，真空單元中有連接在外電極1上 的氣路管道18與內、外電極2、1之間的間隙連通。供氣單元包括多個載氣瓶11、12、13，每個載氣瓶的輸氣管道上均安裝有流量計或 針閥8、9、10，多個載氣瓶輸氣管道合為一路供氣管道7后連接在外電極1上與內、外電極 2、1之間的間隙相通，供氣管道7上還安裝有供氣電磁閥YV1。射頻電源匹配單元包括彼此電連接的射頻電源16和匹配器15，匹配器15的電輸 出端上連接有射頻電極14，射頻電極14穿過外電極1并電連接在內電極2上。外電極1、 射頻電源匹配單元中的射頻電源16及匹配器15分別接地。真空單元包括過濾器20、真空泵19、電阻規17，電阻規17安裝在外電極1上并伸 入內、外2、1電極之間間隙中，過濾器20的進氣管道上安裝有進氣電磁閥YV2，真空泵19的 抽氣管道上安裝有抽氣電磁閥YV3，真空泵19的抽氣管道、過濾器20的送氣管道合為一路 氣路管道18后連接在外電極1上與內、外電極2、1之間的間隙連通。具體實施例一細菌培養瓶、培養皿親水性改善用于醫療的生物耗材，如培養皿、培養瓶等大多數是由合成聚合物材料制成，它們 的表面具有疏水性，不能提供足夠的結合點來使細胞和具有生物活性的分子有效的結合在 它們的表面。通過等離子體處理后可以改變載體，如培養皿、培養瓶表面的化學結構、表面 能及表面電荷，使其內外表面由疏水變為親水，并獲得支持細胞黏附鋪展的能力，提高細胞 繁殖數量和速度，從而更適于細胞培養。使用時，將培養皿或培養瓶均勻放置于高頻電極2圓筒形空腔內，關好密封門， PLC控制程序可以按設定流程完成處理過程首先真空泵開始抽氣，由真空規和附屬電路測量真空室內壓強，當其內壓強為30Pa時關閉抽氣電磁閥YV3，同時開啟射頻源，在外電極和內電極之間產生電容耦合等離 子體放電，由于外電極是接地的，高頻電極上會產生一個負的直流偏壓，利用高頻電極上所 產生的負直流偏壓加速離子使其具有足夠高的能量，并通過高頻電極的空隙向中心擴散， 在整個真空腔體內形成均勻等離子體。射頻源功率為400瓦，放電時間為5分鐘。在處理 過程中若真空室內壓強增大，則抽氣電磁閥YV3打開以維持真空室內恒定的壓強。然后關 閉真空泵和射頻源，開啟進氣電磁閥YV2向真空室進氣，直到真空室達到大氣壓，材料處理 完畢，培養瓶、培養皿表面已由原來的疏水性變為親水性。為了增強處理效果，開始抽真空后當真空度達到IOPa左右時，調整好減壓閥及流 量計或針閥，開啟供氣電磁閥YV1，向真空室內供入氧氣，當真空度達到30Pa時，關閉YV1， 啟動射頻源，此時放電產生富含氧離子和自由基的等離子體，有助于改善材料的親水性。其 它操作步驟如上例。在本實施例中可以將射頻電源和匹配器換成高頻交流開關電源以減少處理設備 的體積和重量，處理時間和功率要做相應調整。具體實施例二 A4紙超疏水表面制備先用氧等離子體對A4紙進行刻蝕，由于氧自由基的作用，A4紙可以獲得很好的粗 糙度；再以一定比例的CF4和H2混合氣體等離子體處理刻蝕后的A4紙，在表面沉積碳氟化 合物膜。通過這種方法可以制得接觸角大于150°，同時具有很小的接觸角滯后性能良好的 超疏水表面。使用時，將A4紙置于高頻電極2圓筒外表面，關好密封門，具體過程如下首先打開真空泵對反應室抽真空。當真空度達到IOPa左右時，調整好減壓閥及流 量計或針閥，開啟供氣電磁閥YV1，向真空室內供入氧氣，當真空度達到30Pa時，關閉YV1， 啟動射頻源，處理時間為3分鐘，此時由于氧自由基的作用，A4紙可以獲得很好的粗糙度。 關掉射頻源，關閉氧氣瓶和針閥。再次將反應室抽真空至IOPa左右。打開CF4以及H2氣瓶，調節減壓閥及流量計， 向反應室輸入CF4和H2, CF4與H2的體積比為2 1。當真空度達到30Pa時，關閉YV1、CF4、 H2氣瓶瓶閥，啟動射頻源，處理時間為3分鐘，此時在在A4紙表面沉積碳氟化合物膜，使其 具有超疏水性。將反應室抽真空至IOPa并持續IOmin。關閉真空泵電源，開啟進氣電磁閥YV2，使反應室壓強達到大氣壓，材料處理完畢。
權利要求一種大面積均勻產生等離子體的裝置，包括有圓筒狀的內、外電極，所述外電極一端為筒口，所述筒口處安裝有密封外電極的密封門，其特征在于外電極套在內電極外部并與內電極同軸設置，所述內、外電極中間有間隙，還包括有供氣單元、射頻電源匹配單元、真空單元，所述供氣單元中有供氣管道連接在所述外電極上與外、內電極之間的間隙相通，所述射頻電源匹配單元中有射頻電極穿過外電極并連接在所述內電極上，所述真空單元中有連接在外電極上的氣路管道與內、外電極之間的間隙連通。
2.根據權利要求1所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述供 氣單元包括多個載氣瓶，每個載氣瓶的輸氣管道上均安裝有流量計或針閥，多個載氣瓶的 輸氣管道合為一路供氣管道后連接在所述外電極上與內、外電極之間的間隙相通，所述供 氣管道上還安裝有供氣電磁閥。
3.根據權利要求1所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述射 頻電源匹配單元包括彼此電連接的射頻電源和匹配器，所述匹配器的電輸出端上連接有射 頻電極，所述射頻電極穿過外電極并電連接在所述內電極上。
4.根據權利要求1所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述真 空單元包括過濾器、真空泵、電阻規，所述電阻規安裝在外電極上并伸入內、外電極之間間 隙中，所述過濾器的進氣管道上安裝有進氣電磁閥，所述真空泵的抽氣管道上安裝有抽氣 電磁閥，所述真空泵的抽氣管道、過濾器的送氣管道合為一路氣路管道后連接在外電極上 與內、外電極之間的間隙連通。
5.根據權利要求1所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述密 封門中心位置開有窗口，窗口中安裝有帶防射頻輻射屏蔽銅網的玻璃觀察窗片。
6.根據權利要求1所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述內、 外電極之間的間隙中還填充有多段彼此分離的聚四氟絕緣塊。
7.根據權利要求1所述的一種大面積均勻產生等離子體的裝置，其特征在于所述外 電極、射頻電源匹配單元中的射頻電源及匹配器分別接地。
專利摘要本實用新型公開了一種大面積均勻產生等離子體的裝置，包括有內、外電極，外電極筒口處安裝有密封門，外電極套在內電極外部，供氣單元中有供氣管道與外、內電極之間的間隙相通，射頻電源匹配單元中有射頻電極連接在內電極上，真空單元中有氣路管道與內、外電極之間的間隙連通。本實用新型可以產生豐富的活性基團，滿足刻蝕和聚合應用的需要；高頻電極上存在自給偏壓，能夠加速離子使其具有足夠高的能量以便為薄膜制備或表面處理等項目工藝所用。
文檔編號H05H1/24GK201766766SQ201020279388
公開日2011年3月16日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者孟月東, 沈潔 申請人:中國科學院等離子體物理研究所