專(zhuān)利名稱(chēng)：一種常壓等離子體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜領(lǐng)域，特別是涉及薄膜沉積、表面清洗、表面改性裝置和技術(shù)。
技術(shù)背景氣體中的游離帶電粒子在電場(chǎng)的加速作用下獲得動(dòng)能，在不斷的碰撞及加速過(guò)程中)l每中性氣體分子離解，產(chǎn)生大量的活性基團(tuán)、電子、離子、uv輻射，形成等離子體。等離子體中的粒子能量高，化學(xué)反應(yīng)活性大，能夠使常規(guī)條件下無(wú)法發(fā)生或速度很慢的化學(xué)反 應(yīng)迅速進(jìn)行。其中離子溫度遠(yuǎn)小于電子溫度時(shí)稱(chēng)為低溫等離子體，即非平衡等離子體，離 子和電子溫度相接近時(shí)為局部熱平衡等離子體，兩者溫度相等時(shí)為熱平衡等離子體。非平 衡等離子體整體的溫度較低，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其對(duì)材料表面改性(活化)、表 面清洗/蝕刻及薄膜沉積特別有效。常壓等離子體不需要配置昂貴的真空設(shè)備，降低了基 本投資和運(yùn)轉(zhuǎn)成本，在開(kāi)放的空間中運(yùn)行更適合大批量連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)。發(fā)明專(zhuān)利01816752. 7公開(kāi)了一種常壓等離子體形成涂層的方法和設(shè)備，然而此方 去 和設(shè)備使用的前驅(qū)物是霧化的液體和/或固體，沒(méi)有經(jīng)過(guò)氣化處理而直接通過(guò)常壓等離子 體區(qū)域，這樣處理存在弊端或局限這些霧化的液體和/或固體很難分散均勻，與常壓等 離子體的相互作用僅僅停留在這些集合體的外表面，而并不是將這些前驅(qū)體進(jìn)行離解，戶萬(wàn) 能產(chǎn)生的活性基團(tuán)以及處理的效果非常有限，并且該發(fā)明沒(méi)有特殊設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)以進(jìn)行 大面積的沉積或處理。發(fā)明專(zhuān)利200710085723. 6則公開(kāi)了一種基板的制造方法及基板處 理裝置，采用的常壓等離子體僅涉及對(duì)含鉬層的基板的生產(chǎn)和處理。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明導(dǎo)入到放電極板區(qū)域的前驅(qū)物都預(yù)先經(jīng)過(guò)氣化并混合均 勻，在放電極板之間直接離解形成常壓的前驅(qū)物等離子體，化學(xué)反應(yīng)的活性基團(tuán)濃度高， 分散均勻，加上特殊設(shè)計(jì)的噴涂式狹縫電極噴頭結(jié)構(gòu)，能夠高效高質(zhì)量沉積大面積薄膜或 對(duì)材料表面進(jìn)行處理。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠大面積處理的常壓等離子體裝置，這種裝置是在大氣 壓或環(huán)境壓強(qiáng)與溫度下，利用高頻電場(chǎng)在平行電極板之間產(chǎn)生常壓低溫等離子體，其中極板根據(jù)需要采用冷卻系統(tǒng)以及介質(zhì)阻擋隔離保護(hù)層，能夠避免放電極板溫度過(guò)高以及導(dǎo)電 極板之間火花或弧光放電的產(chǎn)生，常壓等離子體均勻噴射到物體表面可以進(jìn)行薄膜的沉 積、表面清洗和改性。本發(fā)明的另一目的是提供一種用該大面積處理裝置在線或離線沉積各種薄膜以及對(duì) 各種材料的表面進(jìn)行改性、清洗的方法。根據(jù)前驅(qū)物氣體的不同，所沉積的薄膜可以是與 之相應(yīng)的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物材料，這些材料如摻氟二氧化錫(FTO)、摻鋁氧化鋅(AZO)、 聚氯乙烯(PVC)等，但不局限于此。同時(shí)包括利用不同的前驅(qū)物等離子體進(jìn)行的表面改性、 清洗、消毒等處理。本發(fā)明所提供的大面積常壓等離子體裝置包括高頻電源1、 一對(duì)可選擇使用冷卻系統(tǒng) 降溫的平行放電電極2、 一對(duì)可選的設(shè)置在極板之間的絕緣介質(zhì)阻擋層3、前驅(qū)物氣體混 合系統(tǒng)4、廢氣排放處理系統(tǒng)5。其特征在于(1) 所述常壓等離子體裝置的高頻電源l，其頻率范圍一般在lKHz lGHz之間， 一般工 業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)是13.56MHz，也可以采用其他頻率的高頻電源。本發(fā)明推薦使用13.56MHz的射 頻電源，分別連接到兩個(gè)放電極板2上。同時(shí)該射頻電源應(yīng)該配備或包括阻抗匹配系統(tǒng)。(2) 所述常壓等離子體裝置由相互平行的一對(duì)放電電極2組成狹長(zhǎng)的放電縫隙，電極根 據(jù)需要可以在其后端加載冷卻系統(tǒng)控制極板溫度，即放電電極根據(jù)鍍膜的需要采用冷卻劑 降溫保護(hù)。平行電極可以是平板或曲面等任一平行相對(duì)的形式，例如S型平行曲面電極、 圓柱形同軸平行電極。狹縫寬度根據(jù)放電要求可以在1 50mm之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。前驅(qū)物氣體 等離子體通過(guò)極板狹縫噴出。平行放電電極位于噴頭的末端，緊靠近基板表面上方。平行 放電電極形成狹長(zhǎng)的放電縫隙橫跨過(guò)整個(gè)基板的寬度方向。(3) 所述常壓等離子體裝置的放電極板前端在大功率放電情況下為了避免火花或弧光放 電發(fā)生而加上了可選的絕緣介質(zhì)阻擋保護(hù)層3，介質(zhì)阻擋層表面光滑，采用絕緣耐高溫的 含氧化硅、氧化鋁的耐腐蝕抗沖擊陶瓷或玻璃材料，以及性質(zhì)相近的其他各種材料。(4) 所述常壓等離子體裝置的前驅(qū)物氣體混合系統(tǒng)所用的是氣體，氣體來(lái)自于壓縮氣源 或液體與固體的蒸發(fā)及升華后的氣體形態(tài)物質(zhì)。液態(tài)前驅(qū)體采用載氣鼓泡、超音速噴嘴霧 化蒸發(fā)、薄膜蒸發(fā)器蒸發(fā)等一切有效的形式獲得氣態(tài)前驅(qū)體，包括能夠達(dá)到同樣氣化目的 的各種其他常用方法或手段。前驅(qū)物氣體在進(jìn)入放電區(qū)域前經(jīng)過(guò)預(yù)先混合均勻，并在控制 的壓力差下流動(dòng)至放電極板間而形成常壓前驅(qū)物等離子體。所述氣體壓力制度如下常壓 等離子體區(qū)域的氣體壓力高于廢氣排放系統(tǒng)內(nèi)的壓力，在所形成的壓力差下驅(qū)動(dòng)氣體的流 動(dòng)，方法是增加反應(yīng)腔內(nèi)的壓力或抽走廢氣排放系統(tǒng)的氣體，且這些氣體壓力均在常壓附4近。(5) 所述常壓等離子體裝置的廢氣排放處理系統(tǒng)5位于放電極板的兩側(cè)，前驅(qū)物氣體等 離子體均勻噴涂在物體表面相互作用后在氣壓驅(qū)動(dòng)下從兩側(cè)輸送出去。(6) 所述常壓等離子體裝置能夠設(shè)計(jì)成各種尺寸的平行電極，平行電極形成陣列，能夠 滿足更高要求的快速、大面積鍍膜或表面處理。同時(shí)形成陣列的每對(duì)電極可以獨(dú)立控制， 以滿足鍍膜或表面處理的各種需求，包括狹縫長(zhǎng)度、寬度、放電功率、前驅(qū)物等離子體的 所有參數(shù)。(7) 所述常壓等離子體裝置的具體工作方式?jīng)]有限制，平行電極與基板可以同時(shí)移動(dòng)或 僅某一個(gè)移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)靈活的大面積化高效處理。即可以是固定噴嘴(平行狹縫電極的出 口端)，基板在噴嘴下方移動(dòng)；也可以是基板不動(dòng)，噴嘴以掃描的方式進(jìn)行鍍膜或表面處 理；還可以是噴嘴與基板以設(shè)定好的方式或路徑同時(shí)移動(dòng)。本發(fā)明的另一目的是提供一種采用該大面積處理的常壓等離子體裝置在線或離線沉 積各種薄膜以及對(duì)各種材料的表面進(jìn)行改性、清洗的方法，根據(jù)不同的前驅(qū)體等離子體生 產(chǎn)ln203、 Sn02、 ZnO摻雜系列的透明導(dǎo)電氧化物(TC0)薄膜或其它材料及表面處理， 由于常壓等離子體增強(qiáng)該化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)，具有高濃度高活性的反應(yīng)基團(tuán)， 電子濃度高達(dá)1014 1019個(gè)/立方米，能促使反應(yīng)迅速進(jìn)行，提高了前驅(qū)體化合物的利用 率和薄膜沉積或表面處理的效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在常壓下利用等離子體處理大面積的材料，包括薄膜沉積生長(zhǎng)、表面 清洗、表面改性(包括對(duì)表面的殺菌消毒處理)。特別是該裝置由于采用等離子體增強(qiáng)常 壓化學(xué)氣相沉積，能夠自然形成TCO薄膜的光散射絨面結(jié)構(gòu)，化學(xué)反應(yīng)活性高，能在線 或離線快速生產(chǎn)大面積絨面TCO薄膜或其它材料及表面處理。同時(shí)原料利用率高，工作 方式靈活。與傳統(tǒng)的等離子體裝置相比，其常壓放電更適用于規(guī)?；B續(xù)工業(yè)生產(chǎn)的需要，沒(méi)有 昂貴的真空設(shè)備及維護(hù)，成本大大降低。與傳統(tǒng)的常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)裝置相比， 高濃度高化學(xué)反應(yīng)活性的常壓前驅(qū)物等離子體最大化的提高了原料的利用率，降低了廢氣 的排放和處理量，提高了 APCVD化學(xué)反應(yīng)速度和裝置的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了工作周期并可以 方便的維護(hù)，實(shí)現(xiàn)不間斷的連續(xù)生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明常壓等離子體裝置示意圖。其中，l-電源，2-平行放電電極，3-介質(zhì)阻擋層，4-前驅(qū)物等離子體區(qū)，5-廢氣排放處理系統(tǒng)，6-基板。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體的實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局 限于此，在權(quán)力要求所述的范圍內(nèi)，在結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)方面對(duì)其所作的各種變換或組合，皆應(yīng) 仍屬本發(fā)明專(zhuān)利涵蓋的范圍內(nèi)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明常壓等離子體裝置進(jìn)行說(shuō)明。實(shí)施例一氟摻雜二氧化錫(FTO) TCO玻璃，工業(yè)上普遍采用APCVD的方法生產(chǎn)，包括離 線和在線兩種，其中浮法玻璃在線APCVD生產(chǎn)的是大面積的FTO產(chǎn)品。本例的APCVD 采用常壓等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，反應(yīng)按如下的方式進(jìn)行SnCU + H20 + HF — Sn02:F + HC1 其中HF是摻雜劑，H20是氧化劑，也可以采用02代替H20作為氧化劑。氟摻雜含量在 1.5at^左右，該裝置安裝在超白低鐵浮法玻璃線上，至少安裝兩組噴嘴分別沉積Si02薄 膜作為鈉離子阻擋層以及FTO作為透明導(dǎo)電薄膜。如圖1所示，采用13.56MHz的射頻 電源及配套的自動(dòng)阻抗匹配系統(tǒng)連接在紫銅放電電極上，激發(fā)常壓前驅(qū)物氣體放電，產(chǎn)生 穩(wěn)定、均勻的常壓低溫等離子體。石英玻璃作為介質(zhì)阻擋層將放電電極覆蓋隔離，避免大 功率射頻放電產(chǎn)生火花或弧光。在嚴(yán)格控制的氣體壓力制度的驅(qū)動(dòng)下與40(TC 60(TC的 熱玻璃表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，分別從兩邊極板的后端輸送出去，進(jìn)入廢氣排放處理系統(tǒng)或 循環(huán)系統(tǒng)加以利用，在分別沉積完Si02和FTO薄膜后得到所需的TCO玻璃。實(shí)施例二氧化鋅摻雜系列TCO玻璃由于具有更好的太陽(yáng)光譜透過(guò)性能，非常適合作為硅基薄 膜太陽(yáng)能電池的前電極板，但是目前的磁控濺射物理氣相沉積(PVD)無(wú)法制備具有絨面 的摻鋁氧化鋅，而低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)及金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的 產(chǎn)能和穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。本例由于采用常壓等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，能夠避免上述方 法的不足，摻雜硼的氧化鋅TCO玻璃以B2H6和Zn (C2H5) 2作為前驅(qū)體化學(xué)反應(yīng)物， H20或02作為氧化劑，以浮法在線或離線APCVD的方式生產(chǎn)氧化鋅TCO玻璃，具備與 實(shí)例一相同的諸多優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)實(shí)例的液態(tài)前驅(qū)體均先經(jīng)過(guò)蒸發(fā)氣化混合均勻后進(jìn)入等離子 體放電區(qū)，在熱玻璃表面沉積成TCO薄膜。上述實(shí)施例只是對(duì)于本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，而不是對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，可能做出一些變通的實(shí)施方式，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種常壓等離子體裝置，該裝置包括電源(1)、平行放電電極(2)、介質(zhì)阻擋層(3)、前驅(qū)物等離子體區(qū)(4)、廢氣排放處理系統(tǒng)(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，電源(1)采用頻率范圍在1KHz 1GHz的高頻電源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，平行放電電極(2)后端加載冷卻系統(tǒng)控制 極板溫度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，平行放電電極(2)為任意一種平行相對(duì)的 形式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，平行電極組成陣列，同時(shí)每對(duì)電極能夠獨(dú)立 控制，以滿足鍍膜或表面處理的各種需求。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，平行電極與基板同時(shí)移動(dòng)或僅某一個(gè)移動(dòng)， 以實(shí)現(xiàn)靈活的大面積化高效處理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，介質(zhì)阻擋保護(hù)層(3)采用絕緣耐高溫的含 氧化硅、氧化鋁的陶瓷或玻璃類(lèi)材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 7所述的任意一種裝置，其特征在于，前驅(qū)物等離子體區(qū)(4)所用的 氣體來(lái)自于壓縮氣源或液體與固體的蒸發(fā)及升華后的氣體形態(tài)物質(zhì)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，液態(tài)前驅(qū)體采用載氣鼓泡、超音速噴嘴霧化 蒸發(fā)、薄膜蒸發(fā)器蒸發(fā)的形式獲得氣態(tài)前驅(qū)體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 9所述的任意一種裝置在薄膜沉積生長(zhǎng)、表面清洗、表面改性中的應(yīng) 用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種常壓等離子體裝置，其特征在于，裝置由電源(1)、平行放電電極(2)、介質(zhì)阻擋層(3)、前驅(qū)物等離子體區(qū)(4)、廢氣排放處理系統(tǒng)(5)五部分組成。該裝置采用介質(zhì)阻擋能有效避免極板間的火花絲放電，產(chǎn)生的均勻常壓等離子體流經(jīng)基板表面后處理大面積材料。該裝置由于采用等離子體增強(qiáng)常壓化學(xué)氣相沉積，化學(xué)反應(yīng)活性高，能夠高效高質(zhì)量沉積各種大面積薄膜或?qū)Ω鞣N材料表面進(jìn)行活化、清洗、消毒等處理。
文檔編號(hào)C23C16/50GK101583233SQ200910080140
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者何艾華, 王建強(qiáng), 趙鳳剛, 陳光羽 申請(qǐng)人:新奧光伏能源有限公司