[发明专利]大气压等离子体

说明书

本发明涉及在工艺气体中生成非平衡大气压等离子体的方法，和 用如此生成的非平衡大气压等离子体来等离子体处理表面的方法。

当物质被连续供应能量时，其温度升高且它典型地从固体转变为 液体，然后转变为气态。继续供应能量将引起体系经历状态的进一步 变化，其中通过能量碰撞，使气体中的中性原子或分子断开，产生带 负电荷的电子、带正电荷或负电荷的离子和其他物种。显示出集体行 为的荷电颗粒的这一混合物被称为“等离子体”。由于它们具有电荷， 因此等离子体受到外部电磁场的高度影响，这使得它们容易可控。此 外，它们的高能含量允许它们实现不可能或难以通过其他物质状态例 如液态或气态加工的工艺。

术语“等离子体”覆盖其密度和温度可变化许多数量级的巨大范 围的体系。一些等离子体非常炽热和所有它们的微观物种(离子、电子 等)处于大致的热平衡，输入到体系内的能量通过原子/分子级碰撞宽 泛地分布。然而，其他等离子体，尤其其中碰撞相对不频繁的在低压(例 如100Pa)下的那些等离子体具有在宽泛的不同温度下的组成物种且 被称为“非热平衡”等离子体。在这些非热等离子体中，自由电子非 常炽热，其温度为数千开氏度，而中性和离子物种保持凉冷。由于自 由电子具有几乎可以忽略不计的质量，因此总的体系热量低且等离子 体在接近于室温下操作，从而允许加工温敏材料，例如塑料或聚合物， 且没有对样品强加损坏性热负担。然而，热的电子通过高能碰撞产生 丰富来源的自由基和激发物种，所述自由基和激发物种具有能深刻化 学和物理反应性的高化学电势能。正是低温操作与高反应性的这种结 合使得非热等离子体在技术上重要且是制备和材料加工的非常强有力 的工具，所述制备和材料加工在没有等离子体的情况下如果可以实现 的话，将要求非常高温或有毒和腐蚀性化学品。

非热平衡等离子体对于许多技术应用来说是有效的，例如表面活 化、表面清洁、金属蚀刻和表面涂布。微电子工业开发了低压辉光放 电等离子体到用于半导体、金属和电介质加工的高技术和高投资成本 的工程工具内。相同的低压辉光放电类型的等离子体日益渗透到其他 工业部门，从而提供聚合物表面活化以供增加的粘合性/粘结强度、高 质量的脱脂/清洁和沉积高性能的涂层。

大气压等离子体放电，例如大气压电介质阻挡放电和大气压辉光 放电提供可供替代的均匀等离子体源，它具有真空等离子体方法的许 多优势，同时在大气压下操作。特别地，它们在大气压或接近大气压 下，可提供均一(均匀)、基本上非丝状扩散等离子体放电。EP0790525 公开了大气压辉光放电体系以供在照相应用中促进粘合，其中氦工艺 气体或者单独或者与0.1-8％氮气和/或0.1-8％氧气结合使用。 EP0790525利用这一体系作为表面活化的方式，但没有讨论施加涂层。

在二十世纪八十年代，例如如Kanazawa S.，Kogoma M.，Moriwaki T.，Okazaki S.，J.Phys.D：Appl.Phys.，21，838-840(1988)和 RothJ.R.，Industrial Plasma Engineering，Vol.2 Applications to Nonthermal Plasma Processing，Institute of Physics Publishing，2001，p.37-73中所述，主要开发了使用这种大气压等 离子体放电体系。WO01/59809和WO02/35576公开了一系列的等离子 体生产体系，通过施加50-80kHz的RF电压到隔开约10mm的相对的平 行板电极上，它在环境压力下提供均匀、均一的等离子体。环境压力 和温度确保与开放的周边、连续、在线加工的相容性。

电晕和火焰是其他的等离子体处理体系，但具有显著的局限性。 火焰体系典型地在热平衡下。火焰体系在沉积涂层时极其有效，但在 高温下操作，且仅仅适合于诸如金属和陶瓷之类的基底。电晕体系常 常得到不均匀处理的表面，因为电晕放电是在点和面电极之间生成的 丝状性质的不均匀放电，且基底典型地通过平面电极支持。

美国专利5198724和5369336公开了“冷”或非热平衡大气压等 离子体射流。生产大气压等离子体射流所使用的体系由被外部圆柱形 阳极包围的充当阴极的RF功率的金属针组成。美国专利6429400公开 了生成blown大气压辉光放电的体系。它包括通过电绝缘体管道与外 部电极隔开的中心电极。