具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體裝置制造方法
【專利摘要】具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體裝置屬于等離子體物理基礎和應用領域。其特征在于包括：真空室、放電系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)；其中放電系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)均裝在真空室內；放電系統(tǒng)包括旋轉陣列電極（2-1）、射頻或高頻電源（2-2）、絕緣塊和等離子體（2-4）；射頻或高頻電源（2-2）的兩輸出端分別連接到旋轉陣列電極端部，絕緣塊（2-3）使旋轉陣列電極（2-1）和真空室（1-1）電隔離；外磁體位于旋轉電極輥上方或下方，和內磁體構成一個閉合磁回路，約束放電產生的等離子體。本發(fā)明實現對電極陣列放電，陣列電極同時也是柔性基體旋轉輥，提高等離子體的密度、增加放電穩(wěn)定性、排除旋轉陣列電極之間放電干擾、減少沉積薄膜對真空室的污染。
【專利說明】具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體物理基礎和應用【技術領域】，特別涉及一種具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體放電裝置。
【背景技術】
[0002]現有技術中，采用卷-對-卷的等離子體化學處理或等離子體化學氣相沉積存在走膜速度慢、彌散放電污染真空室、薄膜沉積速度低和處理效果差等問題。同時，目前所采用的等離子體放電裝置無論是真空狀態(tài)下的輝光型放電，或是大氣狀態(tài)下的電暈型放電，普遍存在等離子體區(qū)中的等離子體密度不高、放電穩(wěn)定性差和沉積薄膜不均勻等問題。如何實現等離子體輔助化學氣相沉積技術在卷-對-卷沉積工藝中達到高速、高性能薄膜制備、減小彌散放電對真空室污染、提聞等尚子體區(qū)內等尚子體的密度，從而提聞等尚子體輔助沉積薄膜的性能和效果，一直是本領域中倍受關注的課題。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體裝置，實現將等離子體約束在旋轉陣列電極之間磁場作用的區(qū)域內，解決了高密度等離子體的產生方法、多電極放電相互干擾、沉積物對真空室壁污染、放電穩(wěn)定和沉積物的高速率沉積的實現等很難解決的重大技術問題。
[0004]具有磁場增強陣列電極的等離子體裝置，其特征在于包括:真空室、放電系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)；其中放 電系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)均裝在真空室內；真空室分為3個室，真空室1-3、真空室
1-2分居于真空室1-1的兩側，
[0005]真空室1-1是沉積室，卷繞系統(tǒng)包括放卷部分、收卷部分和沉積室內的柔性薄膜；
[0006]真空室1-2為卷繞系統(tǒng)的放卷部分提供真空條件，放卷部分包括柔性基體、導向棍、變向棍、放卷；
[0007]真空室1-3為卷繞系統(tǒng)的收卷部分提供真空條件，收卷部分包括柔性基體、張力控制棍、中間棍、糾偏系統(tǒng)和收卷；
[0008]放電系統(tǒng)2包括旋轉陣列電極2-1、射頻或高頻電源2-2、絕緣塊2_3和等離子體
2-4;射頻或高頻電源2-2的兩輸出端分別連接到旋轉陣列電極端部，絕緣塊2-3使旋轉陣列電極2-1和真空室1-1電隔離；每對同樣結構的旋轉陣列電極之間的等離子體2-4由放電氣體2-5，工作氣體2-6共同產生；
[0009]旋轉陣列電極2-1包括6~10對，即上下3~5對同樣結構的旋轉電極輥2-1-1、內磁體2-1-2、外磁體2-1-3、磁導2-1-4和絕緣塊,旋轉電極棍由傳動電機帶動旋轉,旋轉電機輥內引入循環(huán)冷卻水，控制旋轉電極表面溫度；
[0010]外磁體2-1-3位于旋轉電極棍2-1-1上方、或下方,和內磁體2-1-2構成一個閉合磁回路，約束放電產生的等離子體；
[0011]6~10對，即12~20個同樣結構的旋轉電極輥分成上下3~5對構成陣列電極2-1，放電電源2-2輸出兩端分別接到構成磁回路兩個旋轉電極輥上，產生等離子體2-4;每對旋轉陣列電極包括兩個電極棍，相鄰兩對電極的相鄰的電極棍上電壓極性一定相同；
[0012]絕緣塊2-1-3隔離旋轉電極輥和真空室1-1的電連接；冷卻水通入旋轉電極輥2-1內部，循環(huán)流動，保證旋轉電極輥表面溫度恒定；
[0013]傳動電機帶動旋轉電極輥2-1-1轉動使柔性基體3-1-3在旋轉電極輥2_1_1上傳輸；糾偏系統(tǒng)是對柔性基體3-1-3在軸向方向的傳輸偏差進行控制。
[0014]進一步，內外磁體之間的間距應小于5mm。
[0015]具體的:
[0016]放電系統(tǒng)包括旋轉陣列電極2-1、射頻或高頻電源2-2、絕緣塊2-3和等離子體2_4組成。射頻或高頻電源2-2的兩輸出端分別連接到陣列電極端部，絕緣塊2-3使陣列電極
2-1和真空室1-1電隔離。等離子體2-4由放電氣體2-5，工作氣體2-6共同產生(見圖1
(b))。
[0017]圖1 (b)中旋轉陣列電極2-1包括6~10對，即上下3~5對同樣結構的旋轉電極輥2-1-1、內磁體2-1-2、外磁體2-1-3、磁導2-1-4和絕緣塊組成，旋轉電機由外接傳動電機帶動旋轉，旋轉電機輥內引入循環(huán)冷卻水，控制旋轉電極表面溫度。
[0018]外磁體2-1-3位于旋轉電極棍2-1-1上方、或下方,和內磁體2_1_2構成一個閉合磁回路(見圖2(a))，約束放電產生的等離子體；外磁體2-1-3的磁場由一組永磁鐵產生，面向圓柱狀旋轉電極輥表面方向，即旋轉電極的徑向方向，各磁鐵之間連接按照N-S、N-S,或S-N、S-N相互排列(見圖2(b));在旋轉電極的軸向方向，各磁鐵之間連接按照N-S-N-S，或S-N-S-N排列(見 圖2(c))。外磁體只是在靠近旋轉電極輥表面處是采用永磁鐵，其它部分米用厚度相同的磁導2-1-4連接,在一對旋轉電極棍二個電極棍表面的磁極性要相反(見圖 2(a))。
[0019]內磁體2-1-2在旋轉電極輥內部，磁場由兩路永磁鐵產生，兩路磁鐵之間夾角為120度，兩路磁鐵之間有磁導2-1-4連接，其磁極性和對應的外磁鐵相反，如外磁極性為N,則和它對應的內磁鐵的極性一定是S (見圖1(b))。在對著圓柱狀旋轉電極輥側表面，即旋轉電極徑向方向，磁鐵按照N-S、N-S,或S-N、S-N排列(見圖2 (b));在旋轉電極軸向方向，各磁鐵之間連接按照N-S-N-S，或S-N-S-N排列，如圖2 (C)。
[0020]內外磁體之間的間距應小于5mm，磁鐵表面進行抗腐蝕處理。
[0021]6~10對，即12~20個同樣結構的旋轉電極輥由導電良好的金屬材料加工而成，分成上下3~5對構成陣列電極2-1，如圖1(b)所示。放電電源2-2輸出兩端分別接到構成磁回路兩個旋轉電極輥上，提供高壓電源，產生高密度等離子體2-4。相鄰兩對電極，其相鄰輥上電壓極性一定相同，防止陣列電極之間放電干擾(見圖2(b)。
[0022]傳動電機和旋轉電極輥2-1連接，帶動旋轉電極輥轉動；絕緣塊2-1-3隔離旋轉電極輥和真空室1-1的電連接；冷卻水通入旋轉電極輥2-1內部，循環(huán)流動，保證旋轉電極輥表面溫度恒定。傳動電機帶動旋轉電極輥2-1轉動，實現走膜速度為100~300m/min。
[0023]卷繞系統(tǒng)包括放卷室內柔性薄膜、展平輥、張力控制輥、變向輥、傳動電機；沉積室內柔性薄膜、上下各3~5對同樣結構的旋轉電極輥；收卷內柔性薄膜、張力控制輥、變向棍、傳動電機和糾偏系統(tǒng)。
[0024]傳動電機帶動旋轉電極輥2-1-1轉動使柔性基體3-1-3在旋轉電極輥2_1_1上傳輸；糾偏系統(tǒng)是對柔性基體3-1-3在軸向方向的傳輸偏差進行控制；糾偏系統(tǒng)是由激光器檢測開關通過檢測柔性基體單邊的位置，以拾取柔性基體位置偏差信號，再將柔性基體位置偏差信號進行邏輯運算，產生電控制信號，驅動外部執(zhí)行機構，修正卷繞柔性基體運行時的偏差，控制柔性基體在軸向的運動；傳動電機帶動旋轉電極輥2-1旋轉，保證柔性基體3-1-3在6~10對陣列電極2-1之間運行，12~20次經過等離子體2_4放電區(qū)，正反雙面沉積氧化硅薄膜。
[0025]解決的技術問題:
[0026]提供一種具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體裝置，多對電極既可以放電，也可以旋轉傳輸柔性基體，能將等離子體約束在旋轉陣列電極之間的磁場作用區(qū)域內，實現高速卷-對-卷等離子體輔助化學氣相沉積納米薄膜，提高等離子體區(qū)內等離子體的密度、增加放電穩(wěn)定性、排除旋轉陣列電極之間放電干擾、減少沉積薄膜對真空室的污染、提高等離子體化學氣相沉積薄膜的應用性能和效果。
[0027]采用的技術方案:
[0028]具有磁場增強旋轉陣列電極的等離子體裝置基本結構組成，包括旋轉陣列電極2-1、射頻或高頻放電電源2-2、絕緣塊2-3，以及裝在機架上的帶動被等離子體作用的柔性基材連續(xù)通過等離子體區(qū)的卷繞系統(tǒng)。其特征在于:可旋轉的6~10對，即上下3~5對金屬輥，既是柔性基體傳輸的傳輸輥，同時也是產生均勻輝光放電的旋轉陣列電極。它們是金屬棍和由磁鐵組成，在金屬棍的內、外磁體構成閉合磁回路，在放電區(qū)產生垂直于兩電極產生的電場的磁場，約束放電產生的等離子體擴散、增加電子的碰撞頻率、增加等離子體密度、減小等離子體彌散污染真空的放電裝置，實現卷-對-卷納米薄膜的高速沉積或處理。所述磁場增強旋轉陣列電極裝置主要是以永久性磁體組成的磁塊組合體形成封閉的磁回路，永久磁塊固定在相應配套的支架上；支架裝在機架上；磁場增強裝置引入磁場的強度為 10 ~1000mT。
[0029]所述旋轉陣列電極是由6~10對，即上下3~5個同樣結構的、導電良好的金屬材料加工而成圓筒輥。它們既是柔性基體傳輸的傳輸輥，也是產生等離子體的放電電極。射頻或高頻電源2-2輸出兩端分別接到構成磁回路兩個旋轉電極輥上，提供高壓電源，產生高密度等離子體2-4。相鄰兩對電極，其電極輥上電壓極性一定相同，防止陣列電極之間放電干擾。放電電源的頻率為13.56MHz或20kHz。
[0030]有益效果:
[0031]由于放電產生的等離子體被約束在旋轉陣列電極的磁場作用區(qū)域內，因而能提高電子的自由程、等離子體的密度、減少等離子體的擴散、降低沉積物對真空室的污染；6~10對旋轉陣列電極可以實現對基體的多次納米薄膜的沉積，實現等離子體輔助化學氣相沉積的高速率運行；旋轉電極輥同時也是柔性基體傳輸輥，減少了設備的復雜化、縮小設備空間、降低設備成本；同時采用相鄰電極極性相同，防止了旋轉陣列電極之間的放電干擾，實現旋轉電極對的同時均勻輝光放電。等離子體輔助化學氣相沉積設備，以活性單體的氣體組分為工作氣體，旋轉陣列電極同時放電實現了等離子體化學氣相沉積可以高速運行，陣列電極可在基體表面實現高速卷-對-卷沉積、聚合成具有納米級厚度的薄膜；所述納米薄膜致密度高、和基膜附著力大、抗劃痕強、阻隔氣體分子和水汽滲透性能好，抗小分子和添加劑遷移性能強，不易脫落；所述納米薄膜功能優(yōu)異、耐酸堿、透光率高，應用廣泛領域；用于輝光放電裝置，依據等離子體放電裝置，尤其是陣列電極結構和電極對數的不同，放電氣體不同，可用于對柔性基體進行改性處理、表面功能化或表面沉積處理；能提高等離子體的應用性能和效果，并且速度快。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1(a)為具有磁場增強和旋轉陣列電極的等離子體裝置總體結構示意圖。其中，真空室1-1、真空室1-2、真空室1-3、柔性基體3-1-3、放卷3-1-4、收卷3_1_5、導向輥3-1-6、中間轉輥3-1-7、變向輥3-1-8、張力輥3_1_9，旋轉陣列電極、射頻或高頻電源2_2 ； [0033]圖1 (b)為旋轉陣列電極示意圖。旋轉陣列電極2-1、絕緣塊2-3和等離子體2_4組成。射頻或高頻電源2-2的兩端分別連接到陣列電極端部“ + ”和電極，相鄰兩對電極中相鄰的輥的極性一定相同；絕緣塊2-3使陣列電極2-1和真空室1-1電隔離。等離子體2-4由放電氣體2-5，工作氣體2-6共同產生。旋轉陣列電極2-1包括6~10對，即上下3~5對同樣結構的旋轉電極棍2-1-1、內磁體2-1-2、外磁體2-1-3、磁導2_1_4、絕緣塊、傳動電機和循環(huán)冷卻水組成。
[0034]圖2 (a)為內、外磁體構成閉合磁回路立體示意圖。外磁體和內磁體的磁極性一定相反。內磁體之間的夾角為120度。
[0035]圖2(b)沿著旋轉陣列電極軸向方向磁體排列方式，磁塊的N-S兩極以電極的軸延伸而排列結構示意圖，磁體中心軸對稱。其中圖畫中標記4-1為磁塊組、L-磁體長度、m-磁體寬度、S-磁體厚度；
[0036]圖2(c)沿著旋轉陣列電極徑向方向磁體排列方式磁塊。N-S兩極以電極的徑向延伸而排列，磁體為中心軸對稱。其中4-1-磁塊組、L-磁體長度、m-磁體寬度、δ -磁體厚度。
【具體實施方式】
[0037]圖1(a)為本發(fā)明的【具體實施方式】總體結構示意圖。
[0038]所述磁場增強陣列電極的等離子體放電裝置中的內2-1-2、外磁塊2-1-3和磁導2-1-4合體的結構，與相應的陣列電極結構配套對應，如圖1(b)所示。對旋轉電極輥2-1-1的左、右旋轉電極輥2-1-1而言，其配套對應的內2-1-2、外磁塊2-1-3和磁導2_1_4組合體的結構在左、右轉輥電極的上方或下方具有的以旋轉電極輥的軸向延伸而呈帶開口的筒狀體一即外磁塊組合體2-1-3，同時在左、右旋轉電極輥的內腔里磁塊2-1-2具有與外磁塊2-1-3相對應組合體形成閉合的磁回路；
[0039]圖2所示，磁塊組合體中的磁塊排組規(guī)則為，依據磁塊間N、S兩極異性相吸原理緊密吸合、縱列橫行N、S相間式排組在一起。圖2(a)為內、外磁體構成閉合磁回路立體示意圖。外磁體和內磁體的磁極性一定相反。內磁體之間的夾角為120度。圖2(b)所示，各磁塊的N-S、N-S兩極以電極的徑向延伸而縱向排列，縱列中各磁塊等寬m，橫行中各磁塊N-S兩極等長L，各磁塊的厚度為δ ;在軸向如圖2(c)所示，各磁塊的N-S-N-S兩極以電極的軸向延伸而軸向排列，縱列中各磁塊N-S兩極等長L，橫行中各磁塊等寬m，各磁塊的厚度為δ ;各磁塊的厚度δ相等為好，一般磁塊選用規(guī)格為LXmX δ =150 X 30 X 30_。
[0040]如圖1所示，所述具有磁場增強陣列電極的等離子體裝置，為一種真空輝光放電型的等離子體化學氣相沉積裝置，具有放電真空室1-1、放電氣體2-5、工作氣體2-6引入真空室。其特征在于:還具有帶動柔性基體3-1-3連續(xù)卷-對-卷式通過等離子體區(qū)2-4的機構，該機構具有裝在真空室1-1內的承載柔性基體3-1-3的基材旋轉上左旋轉電極輥，薄膜基材3-1-3,經等離子體放電區(qū)域2-4-1,經下左旋轉電極棍拖帶傳輸,通過下左旋轉電極輥2-1-1后進入等離子體區(qū)2-4 ;經上右旋轉電極輥2-1-1，柔性基體3-1-3再次經等離子體放電區(qū)域2-4-2返回并穿過電極陣列2-1，再經下左旋轉電極輥2-1-1-拖帶傳輸，通過下左旋轉電極輥2-1-1后進入等離子體區(qū)2-4，并經右轉輥電極經上右旋轉電極輥2-1-1，柔性基體3-1-3再次經等離子體放電區(qū)域2-4返回并穿過陣列電極2-1。這樣不斷經過左右旋轉電極輥，達到12~20次對承載柔性基體表面的納米薄膜的沉積，最后卷繞在收卷輥3-1-5 h π
[0041]磁場增強裝置中的磁塊組合體，為在左、右轉輥電極2-1-1的上方和域下方具有的以旋轉電極輥軸向延伸而呈帶開口的筒狀體；工作氣體放電氣體2-5、2-6引入機構為，盛放化學單體用的密閉容器裝在真空室1-ι外，并通過引入管與真空室1-1連通；放電載氣2-5則通過間接導管與密閉容器連通；同時還具有引入其他工作氣體的組分如氧氣，所需的直接導管與真空室1-1直接連通；左、右旋轉電極輥2-1-1同時接射頻或高頻驅動電源
2-2的兩個輸出端，也可一個接地，另一個接輸出端。對6~10對旋轉陣列電極，相鄰兩對旋轉電極相鄰輥所接電源極性相同。
[0042]如圖1所示的具有磁場增強陣列電極的等離子體放電裝置中，所述工作氣體為化學單體材料氣化后的氣相組分，還可含有其他組分，如氧氣、氮氣，工作氣體放電后，可在基材表面沉積形成功能性納米保護薄膜，如甲烷、乙炔、有機硅、甲基鋁、氯化鋅、六甲基二硅氧烷(C6H18OSi2)或四甲基二硅氧烷(C4H14OSi4)等單體，可自揮發(fā)式或以載氣攜帶式進入真空室1-1，放電后在柔性基體表面快速沉積聚合而形成具有優(yōu)異功能的金剛石、類金剛石、有機硅、氧化鋁、氧化鋅等納米薄膜，該種薄膜的其厚度為I~lOOOnm，對氧氣的透過率小于3ml/cm2/24h，對水蒸汽的透過率為小于3g/m2/24h ;也可直接使用其他氣體作為工作氣體，沉積具有不同功能特性的納米薄膜，基材通過有效等離子體區(qū)的時間一即放電時間為0.1~200秒；真空室的放電氣壓為0.05~20Pa ;等離子體驅動電源頻率為IKHz~13.56MHz ο
[0043]磁場增強陣列電極的等離子體放電裝置引入的磁場強度一般為10~1000mT。
[0044]載氣一即在等離子體化學氣相沉積裝置中攜帶引入活性單體的氣體組分進入真空室的氣體，如氫氣、氬氣、氦氣、氮氣等。
[0045]采用SG-3-A型數字特斯拉計測量引入磁場的強度，測量位置在兩電極之間的中央區(qū)域和旋轉電極的表面，引入磁場的強度有一定的范圍。磁場強度太弱，不利于將等離子體約束，等離子體密度低、放電穩(wěn)定性差、氣壓高；磁場強度太高，對輥電極有濺射作用，影響沉積薄膜的成分和質量，因此磁場強度需要在一定的磁場區(qū)域內。
[0046]以真空輝光放電裝置為例，普通真空輝放電裝置中，等離子體區(qū)內等離子體的密度為1.0X IO8~1.0X 109/cm3，本發(fā)明的真空輝光放電裝置中，等離子體區(qū)內等離子體的密度為 1.0XlO10 ~1.0X IO1Vcm3。
[0047]所述等離子體區(qū)，是指放電時產生正、負電荷相等的氣體放電區(qū)域。
[0048]所述磁場增強等離子體區(qū)，是指磁場增強陣列電極的裝置的磁力線主要集中作用的等離子體區(qū)，增加電子的運行長度，該區(qū)內氣體放電產生的電子、離子的密度等于或大于
1.0XlO10 ~1.0X10n/cm3。
[0049]所述“約束”，是指磁場將放電產生的正、負電荷在庫倫力作用下約束集中在一定的磁場區(qū)域內，避免或減少等離子體的“外逸”，并對氣體放電中粒子的碰撞次數有增強的作用，從而提高等離子體區(qū)內等離子體的密度。
[0050]所述旋轉電極輥，是指既能主動旋轉輸運柔性基體，又是電極產生等離子體放電。
[0051]所述陣列電極，是指電極對數大于2對以上，能同時產生均勻輝光放電。
[0052]所述放電干擾，是指在電極對數大于2以上，相鄰兩對電極輥之間不產生放電，其電極性相同、 電位相同。
【權利要求】
1.具有磁場增強陣列電極的等離子體裝置，其特征在于包括:真空室、放電系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)；其中放電系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)均裝在真空室內；真空室分為3個室，真空室(1-3)、真空室(1-2)分居于真空室(1-1)的兩側， 真空室(1-1)是沉積室，卷繞系統(tǒng)包括放卷部分、收卷部分和沉積室內的柔性薄膜； 真空室(1-2)為卷繞系統(tǒng)的放卷部分提供真空條件，放卷部分包括柔性基體、導向輥、變向棍、放卷； 真空室(1-3)為卷繞系統(tǒng)的收卷部分提供真空條件，收卷部分包括柔性基體、張力控制輥、中間輥、糾偏系統(tǒng)和收卷； 放電系統(tǒng)包括旋轉陣列電極(2-1)、射頻或高頻電源(2-2)、絕緣塊(2-3)和等離子體(2-4);射頻或高頻電源(2-2)的兩輸出端分別連接到旋轉陣列電極端部，絕緣塊(2-3)使旋轉陣列電極(2-1)和真空室(1-1)電隔離；每對同樣結構的旋轉陣列電極之間的等離子體由放電氣體(2-5)，工作氣體(2-6)共同產生； 旋轉陣列電極包括6~10對，即上下3~5對同樣結構的旋轉電極輥、內磁體、外磁體、磁導和絕緣塊，旋轉電極輥由傳動電機帶動旋轉，旋轉電機輥內引入循環(huán)冷卻水，控制旋轉電極表面溫度； 外磁體位于旋轉電極棍上方或下方，和內磁體構成一個閉合磁回路，約束放電產生的等離子體； 放電電源輸出兩端分別接到構成磁回路兩個旋轉電極輥上，產生等離子體；每對旋轉陣列電極包括兩個電極棍，相鄰兩對電極的相鄰的電極棍上電壓極性一定相同； 傳動電機帶動旋轉電極輥 轉動使柔性基體在旋轉電極輥上傳輸；糾偏系統(tǒng)是對柔性基體在軸向方向的傳輸偏差進行控制。
2.根據權利要求1所述的具有磁場增強陣列電極的等離子體裝置，其特征在于:內外磁體之間的間距應小于5mm。
【文檔編號】C23C16/505GK103643221SQ201310418810
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年9月14日 優(yōu)先權日:2013年9月14日
【發(fā)明者】陳強, 楊麗珍, 劉忠偉, 王正鐸, 桑利軍 申請人:北京印刷學院