[发明专利]基材的等离子体处理

说明书

本发明涉及使用等离子体系统处理基材。具体地讲，本发明涉及通过掺有雾化的表面处理剂的非平衡大气压等离子体在基材上沉积薄膜。

当对物质持续提供能量时，其温度升高并且通常从固态转变为液态，然后变为气态。持续提供能量导致系统经历进一步的状态变化，其中气体的中性原子或分子被有力的碰撞分解，产生带负电的电子、带正电或带负电的离子和其他激发态物质。这种表现出集体行为的带电粒子和其他激发态粒子的混合物称为“等离子体”，是物质的第四种状态。由于等离子体的电荷，它们受外部电磁场的高度影响，这使得它们可易于控制。此外，它们的高能含量使得它们可实现通过其他物质状态（例如通过液体或气体加工）不可能或难以完成的过程。

术语“等离子体”涵盖密度和温度相差许多个数量级的广泛的系统。一些等离子体非常热并且它们的所有微观物质（离子、电子等）接近热平衡，输入该系统的能量通过原子/分子等级的碰撞而广泛分布。然而，其他等离子体的组成物质温度迥异，称为“非热平衡”等离子体。在这些非热等离子体中，自由电子非常热，具有数千开氏度(K)的温度，而中性和离子物质仍然较冷。由于自由电子的质量几乎可以忽略不计，整个系统的热含量较低，并且等离子体在接近室温下运行，从而允许加工温敏材料，例如塑料或聚合物，而不会对样品产生破坏性的热负担。然而，热电子通过高能碰撞形成丰富的自由基和激发态物质源，它们具有高化学势能，能够发生充分的化学和物理反应。这种低温运行加高反应性的组合使得非热等离子体在技术上具有重要意义，并且是用于制造和材料加工的非常强大的工具，能够实现如果完全没有等离子体也可实现的话则需要非常高的温度或有毒和腐蚀性化学物质的过程。

对于等离子体技术的工业应用，便捷的方法是将电磁功率耦合到一定体积的工艺气体。工艺气体可以是能通过施加电磁功率激发到等离子体状态的单一气体或气体与蒸气的混合物。通过如下方式用生成的等离子体处理工件/样品：将工件/样品浸入或通过等离子体本身或由于工艺气体被电离和激发而由等离子体衍生的带电的和/或激发态物质，从而产生可与工件/样品表面反应或相互作用的物质，包括化学自由基、离子以及紫外线辐射。通过正确选择工艺气体组成、驱动功率频率、功率耦合模式、压力和其他控制参数，可根据制造商所需的具体应用定制等离子体工艺。

由于等离子体具有巨大的化学和热范围，因此它们适于许多技术应用。非热平衡等离子体对于表面活化、表面清洁、材料蚀刻和表面涂覆尤其有效。

自20世纪60年代以来，微电子学工业已将低压辉光放电等离子体发展为用于半导体、金属和电介质加工的超高技术和高资本成本工程工具。自20世纪80年代以来，相同的低压辉光放电型等离子体已日益渗透到其他工业领域，提供聚合物表面活化以增强粘附性/粘结强度、高质量的脱脂/清洁和高性能涂料的沉积。在真空和大气压下均可实现辉光放电。在大气压辉光放电的情况下，使用气体如氦气、氩气或氮气作为稀释剂并使用高频（例如>1kHz）电源在大气压下产生均匀的辉光放电，其中相对于通过电子的初级电离，潘宁(Penning)电离机制可能在He/N2混合物中占优势（参见例如Kanazawa et al,J.Phys.D:Appl.Phys.1988,21,838（Kanazawa等人，《物理学杂志D：应用物理》，1988年，第21卷，第838页）；Okazaki et al,Proc.Jpn.Symp.Plasma Chem.1989,2,95（Okazaki等人，《日本等离子体化学研讨会记录》，1989年，第2卷，第95页）；Kanazawa et al,Nuclear Instruments and Methods in Physical Research 1989,B37/38,842（Kanazawa等人，《原子核仪器与物理学研究方法》，1989年，B37/38号，第842页）以及Yokoyama et al.,J.Phys.D:Appl.Phys.1990,23,374（Yokoyama等人，《物理学杂志D：应用物理》，1990年，第23卷，第374页））。