專利名稱：一種常壓等離子體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及薄膜領域，特別是涉及薄膜沉積、表面清洗、表面改性裝置和技術。
技術背景氣體中的游離帶電粒子在電場的加速作用下獲得動能，在不斷的碰撞及加速過程中)l每中性氣體分子離解，產生大量的活性基團、電子、離子、uv輻射，形成等離子體。等離子體中的粒子能量高，化學反應活性大，能夠使常規(guī)條件下無法發(fā)生或速度很慢的化學反 應迅速進行。其中離子溫度遠小于電子溫度時稱為低溫等離子體，即非平衡等離子體，離 子和電子溫度相接近時為局部熱平衡等離子體，兩者溫度相等時為熱平衡等離子體。非平 衡等離子體整體的溫度較低，被廣泛應用于工業(yè)領域，尤其對材料表面改性(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備，降低了基 本投資和運轉成本，在開放的空間中運行更適合大批量連續(xù)的工業(yè)生產。發(fā)明專利01816752. 7公開了一種常壓等離子體形成涂層的方法和設備，然而此方 去 和設備使用的前驅物是霧化的液體和/或固體，沒有經過氣化處理而直接通過常壓等離子 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體進行離解，戶萬 能產生的活性基團以及處理的效果非常有限，并且該發(fā)明沒有特殊設計的電極結構以進行 大面積的沉積或處理。發(fā)明專利200710085723. 6則公開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含鉬層的基板的生產和處理。發(fā)明內容針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明導入到放電極板區(qū)域的前驅物都預先經過氣化并混合均 勻，在放電極板之間直接離解形成常壓的前驅物等離子體，化學反應的活性基團濃度高， 分散均勻，加上特殊設計的噴涂式狹縫電極噴頭結構，能夠高效高質量沉積大面積薄膜或 對材料表面進行處理。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)境壓強與溫度下，利用高頻電場在平行電極板之間產生常壓低溫等離子體，其中極板根據需要采用冷卻系統(tǒng)以及介質阻擋隔離保護層，能夠避免放電極板溫度過高以及導電 極板之間火花或弧光放電的產生，常壓等離子體均勻噴射到物體表面可以進行薄膜的沉 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 各種材料的表面進行改性、清洗的方法。根據前驅物氣體的不同，所沉積的薄膜可以是與 之相應的無機物或有機物材料，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。同時包括利用不同的前驅物等離子體進行的表面改性、 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、 一對可選擇使用冷卻系統(tǒng) 降溫的平行放電電極2、 一對可選的設置在極板之間的絕緣介質阻擋層3、前驅物氣體混 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)用標準是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，分別連接到兩個放電極板2上。同時該射頻電源應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放電電極2組成狹長的放電縫隙，電極根 據需要可以在其后端加載冷卻系統(tǒng)控制極板溫度，即放電電極根據鍍膜的需要采用冷卻劑 降溫保護。平行電極可以是平板或曲面等任一平行相對的形式，例如S型平行曲面電極、 圓柱形同軸平行電極。狹縫寬度根據放電要求可以在1 50mm之間進行調節(jié)。前驅物氣體 等離子體通過極板狹縫噴出。平行放電電極位于噴頭的末端，緊靠近基板表面上方。平行 放電電極形成狹長的放電縫隙橫跨過整個基板的寬度方向。(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阻擋保護層3，介質阻擋層表面光滑，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，以及性質相近的其他各種材料。(4) 所述常壓等離子體裝置的前驅物氣體混合系統(tǒng)所用的是氣體，氣體來自于壓縮氣源 或液體與固體的蒸發(fā)及升華后的氣體形態(tài)物質。液態(tài)前驅體采用載氣鼓泡、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)前驅體，包括能夠達到同樣氣化目的 的各種其他常用方法或手段。前驅物氣體在進入放電區(qū)域前經過預先混合均勻，并在控制 的壓力差下流動至放電極板間而形成常壓前驅物等離子體。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)內的壓力，在所形成的壓力差下驅動氣體的流 動，方法是增加反應腔內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，前驅物氣體等 離子體均勻噴涂在物體表面相互作用后在氣壓驅動下從兩側輸送出去。(6) 所述常壓等離子體裝置能夠設計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。同時形成陣列的每對電極可以獨立控制， 以滿足鍍膜或表面處理的各種需求，包括狹縫長度、寬度、放電功率、前驅物等離子體的 所有參數(shù)。(7) 所述常壓等離子體裝置的具體工作方式沒有限制，平行電極與基板可以同時移動或 僅某一個移動，以實現(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；也可以是基板不動，噴嘴以掃描的方式進行鍍膜或表面處 理；還可以是噴嘴與基板以設定好的方式或路徑同時移動。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 積各種薄膜以及對各種材料的表面進行改性、清洗的方法，根據不同的前驅體等離子體生 產ln203、 Sn02、 ZnO摻雜系列的透明導電氧化物(TC0)薄膜或其它材料及表面處理， 由于常壓等離子體增強該化學氣相沉積(CVD)反應，具有高濃度高活性的反應基團， 電子濃度高達1014 1019個/立方米，能促使反應迅速進行，提高了前驅體化合物的利用 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、表面 清洗、表面改性(包括對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常 壓化學氣相沉積，能夠自然形成TCO薄膜的光散射絨面結構，化學反應活性高，能在線 或離線快速生產大面積絨面TCO薄膜或其它材料及表面處理。同時原料利用率高，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)生產的需要，沒有 昂貴的真空設備及維護，成本大大降低。與傳統(tǒng)的常壓化學氣相沉積(APCVD)裝置相比， 高濃度高化學反應活性的常壓前驅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化學反應速度和裝置的穩(wěn)定性，延長了工作周期并可以 方便的維護，實現(xiàn)不間斷的連續(xù)生產。


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-介質阻擋層，4-前驅物等離子體區(qū)，5-廢氣排放處理系統(tǒng)，6-基板。
具體實施方式
下面通過具體的實施例，進一步闡述本發(fā)明的實質性特點，但本發(fā)明的保護范圍不局 限于此，在權力要求所述的范圍內，在結構和細節(jié)方面對其所作的各種變換或組合，皆應 仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內。下面結合附圖對本發(fā)明常壓等離子體裝置進行說明。實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，包括離 線和在線兩種，其中浮法玻璃在線APCVD生產的是大面積的FTO產品。本例的APCVD 采用常壓等離子體增強化學氣相沉積，反應按如下的方式進行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作為透明導電薄膜。如圖1所示，采用13.56MHz的射頻 電源及配套的自動阻抗匹配系統(tǒng)連接在紫銅放電電極上，激發(fā)常壓前驅物氣體放電，產生 穩(wěn)定、均勻的常壓低溫等離子體。石英玻璃作為介質阻擋層將放電電極覆蓋隔離，避免大 功率射頻放電產生火花或弧光。在嚴格控制的氣體壓力制度的驅動下與40(TC 60(TC的 熱玻璃表面發(fā)生化學反應后，分別從兩邊極板的后端輸送出去，進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。實施例二氧化鋅摻雜系列TCO玻璃由于具有更好的太陽光譜透過性能，非常適合作為硅基薄 膜太陽能電池的前電極板，但是目前的磁控濺射物理氣相沉積(PVD)無法制備具有絨面 的摻鋁氧化鋅，而低壓化學氣相沉積(LPCVD)及金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)的 產能和穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。本例由于采用常壓等離子體增強化學氣相沉積，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作為前驅體化學反應物， H20或02作為氧化劑，以浮法在線或離線APCVD的方式生產氧化鋅TCO玻璃，具備與 實例一相同的諸多優(yōu)點。兩個實例的液態(tài)前驅體均先經過蒸發(fā)氣化混合均勻后進入等離子 體放電區(qū)，在熱玻璃表面沉積成TCO薄膜。上述實施例只是對于本發(fā)明進行說明，而不是對本發(fā)明的保護范圍的限制。本領域的 技術人員在本發(fā)明的啟示下，可能做出一些變通的實施方式，均屬于本發(fā)明保護的范圍。
權利要求
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)、介質阻擋層(3)、前驅物等離子體區(qū)(4)、廢氣排放處理系統(tǒng)(5)。
2. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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的 形式。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，平行電極組成陣列，同時每對電極能夠獨立 控制，以滿足鍍膜或表面處理的各種需求。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，平行電極與基板同時移動或僅某一個移動， 以實現(xiàn)靈活的大面積化高效處理。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，介質阻擋保護層(3)采用絕緣耐高溫的含 氧化硅、氧化鋁的陶瓷或玻璃類材料。
8. 根據權利要求1 7所述的任意一種裝置，其特征在于，前驅物等離子體區(qū)(4)所用的 氣體來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。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，液態(tài)前驅體采用載氣鼓泡、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)前驅體。
10. 根據權利要求1 9所述的任意一種裝置在薄膜沉積生長、表面清洗、表面改性中的應 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)、介質阻擋層(3)、前驅物等離子體區(qū)(4)、廢氣排放處理系統(tǒng)(5)五部分組成。該裝置采用介質阻擋能有效避免極板間的火花絲放電，產生的均勻常壓等離子體流經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常壓化學氣相沉積，化學反應活性高，能夠高效高質量沉積各種大面積薄膜或對各種材料表面進行活化、清洗、消毒等處理。
文檔編號C23C16/50GK101583233SQ200910080140
公開日2009年11月18日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權日2009年3月24日
發(fā)明者何艾華, 王建強, 趙鳳剛, 陳光羽 申請人:新奧光伏能源有限公司