大气压等离子体组件
阅读：768发布：2020-05-12
专利汇可以提供大气压等离子体组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且大气 等离子体 组件具有一对平行相间的平面 电极 (36)，其每一个均与介电平板(31)粘接。两个隔板(21)将介电平板(31)分离以形成等离子体区域。具有 喷嘴 的喷射杆用于将 冷却 水 喷射到介电平板(31)和电极(36)上。在理想情况下，介电平板(31)与电极(36)垂直排列。，下面是大气压等离子体组件专利的具体信息内容。
1.一种大气压等离子体组件(2)，包含一对平行相间的平面电极(36)，其间有至少一个介电平板(31)并与一电极(36)相邻，该介电平板(31)与另一个介电平板(31)或电极(36)之间的间隔形成了用于先驱气体的等离子体区域(25)，其特征在于，当电极(36)邻近介电平板(31)时，冷却液体分布系统便被提供用以引导冷却传导液体到电极(36)外部从而覆盖该电极的平面表面。
2.权利要求1中的组件，其中冷却液体覆盖远离介电平板(31)的电极(36)的表面。
3.权利要求1或2中的组件，其中冷却传导液体是水。
4.权利要求3中的组件，其中水含有传导性控制组分。
5.权利要求4中的组件，其中传导性控制组分是金属盐。
6.权利要求4中的组件，其中传导性控制组分是可溶性有机添加剂。
7.前面任何一个权利要求中的组件，其中电极(36)是与介电平板(31)接触的金属电极。
8.前面任何一个权利要求中的组件，其中具有一对每一个均与介电平板(31)接触的金属电极(36)。
9.前面任何一个权利要求中的组件，其中介电平板(31)延伸超出电极(36)的周边，并且冷却液体也被导向跨越介电平板(31)从而覆盖至少与电极(36)的周边接界的那部分介电材料。
10.权利要求9中的组件，其中所有的介电平板(31)均被冷却液体覆盖。
11.前面任何一个权利要求中的组件，其中电极(36)处于金属栅网的形式。
12.前面任何一个权利要求中的组件，其中电极(36)基本上垂直地排列以用于其间工件的接收。
13.权利要求12中的组件，其中绝缘隔离物安装于电极(36)之间。
14.前面任何一个权利要求中的组件，其中电极(36)构成了电极组件的一部分，电极组件包括：防水箱(2)，其具有一个由介电平板(31)形成的侧面，介电平板具有在该箱内部结合到其上的平面电极(36)；液体进口(4)；和液体出口(15)。
15.前面任何一个权利要求中的组件，其中电极(36)构成了电极组件的一部分，电极组件包括：防水箱(26)，其具有两个平行侧面，每一个均由介电平板(31)形成，并且每一个具有在该箱(26)内部结合到其上的一对平面电极中的一个；液体进口(14)；和液体出口(15)。
16.一种组件，包含两个如权利要求14所述的箱(20)。
17.一种组件，包含两个如权利要求14所述的箱(20)且其间安装有一个或更多个如权利要求15所述的箱(26)。
18.权利要求14-17任何一个中的组件(2)，其中各个箱(21，26)一个在另一个的顶部以提供一个扩展的等离子体区域。
19.前面任何一个权利要求中的组件(2)，其中液体分布系统包含冷却器(6)和循环泵(5)。
20.前面任何一个权利要求中的组件(2)，其中冷却液体分布系统包含具有喷嘴(4)的喷射管(40)。
21.一种处理基片的方法，采用了前面任何一个权利要求中所述的组件。
22.一种基片，根据权利要求21的方法而被处理。
大气压等离子体组件
技术领域
背景技术
当物质被不断地供给能量时，其温度上升且其典型地经历从固体到液体并随后到气体状态的转变。不断供给能量还引起该系统经历进一步的物态变化，其中气体的中性原子或分子由于强力的碰撞而击穿，从而产生负荷电的电子、正或负荷电的离子以及其它物质。这种显示集体特性的荷电粒子的混合物称为“等离子体”，第四种物态。由于它们的电荷，等离子体高度地受到外部电磁场的影响，这使得它们容易控制。而且，它们的高能量含量允许其实现通过其它物态，例如通过液体或气体处理的不可能或难以实现的处理过程。
术语“等离子体”涵盖极大范围的系统，其密度和温度相差许多个数量级。一些等离子体非常炽热且其所有的微观物质(离子、电子，等等)都处于接近热平衡的状态，输入到该系统中的能量通过原子/分子水平的碰撞而普遍地分布。然而，其它的等离子体，特别是那些处于碰撞相对稀少的低压(例如100Pa)下的等离子体，其构成物质处于相差很大的温度下并被称为“非热平衡”等离子体。在这些非热平衡等离子体中，自由电子非常炽热，其温度达数千K，可是中性的和离子的物质却仍然是微冷的。因为自由电子具有几乎可以忽略的质量，总体的系统热含量较低且等离子体工作在接近室温的条件下，这样便允许在对温度敏感的材料例如塑料或聚合体的处理过程中不用将破坏性的热负荷强加到样品上。然而，通过高能碰撞，炽热电子产生了丰富的原子基团和活化物质资源，其具有能够发生深刻化学和物理反应的高化学势能量。正是这种低温操作和高反应性的组合使得非热平衡等离子体技术比较重要并且成为一种用于制造和材料处理的非常强大的工具，并能够实现这样的处理过程，其如果完全不用等离子体而实现的话，需要非常高的温度或者有害的和侵蚀性的化学品。
对于等离子体技术的工业应用，一个便利的方法便是将电磁功率耦合到一定量的处理气中，其可能是处理工件/样品浸入或者通过的气体和蒸汽的混合物。气体被电离成等离子体而产生与样品表面反应的化学基团、紫外线和离子。通过正确选择处理气组分、驱动电源频率、电源耦合模式、压力和其它控制参数，等离子体处理能够设计成应制造者需求的特定应用。
由于等离子体巨大的化学和热范围，它们适合于许多种正在不断扩展的工艺应用。非热平衡等离子体对于表面活化、表面清洗、材料蚀刻和表面涂覆特别有效。
聚合材料表面活化是一种广泛使用的工业等离子体技术，其首先被汽车工业采用。因此，例如，多聚烯树脂，诸如由于其可回收性而受青睐的聚乙烯和聚丙烯，具有非极性表面，从而随之发生对涂覆或粘着的不良处理。然而，用氧气等离子体处理会导致能提供高可湿性的表面极性基团的形成，从而随之产生卓越的金属罩、粘合剂和其它涂层的覆盖率和粘着力。所以，例如，等离子体表面工程基本上用于制造机动车仪表板、挡水板、缓冲器等以及玩具等工业的组成部件。许多其它的应用可以在印刷、喷涂、粘合、碾压以及聚合物、塑料、陶瓷/无机物、金属和其它材料的所有几何结构部件的全面涂覆中见到。
环境立法在世界范围内日益增大的普及率及力度对工业产生了重大的压力，使其在制造，尤其对于部件/表面的清洗中减少或消除溶剂和其它湿性化学药品的使用。特别地，基于CFC的去污操作已经大量地被使用氧气、空气和其它无毒气体的等离子体清洗工艺操作所取代。基于水的预清洗和等离子体的组合，允许均匀严重污染的部件被清洗并且所获得的表面质量典型地比用传统方法获得的要优良。任何有机表面污染物都会被室温等离子体快速地清除并转换成能够安全排出的气态CO2和水。
等离子体也能够实现大块材料的蚀刻，也就是去除多余的材料。因此，例如，基于氧气的等离子体可以蚀刻聚合物，一种在电路板等的生产中使用的处理过程。不同材料例如金属、陶瓷和无机物通过仔细选取先驱气体并注意等离子体化学反应而被蚀刻。下至纳米临界尺寸的结构通过等离子体蚀刻工艺现在也能制造。
正在迅速成为主流工业的等离子体工艺是一种等离子体涂层/薄膜沉积工艺。典型地，通过将等离子体应用到单体气体和蒸汽中可实现高水平的聚合。因此，一种致密的、结合牢固的且三维连接的薄膜便能够形成，其对热稳定、化学上非常有抗性且机械上坚固。这种薄膜可以在保证基片低热负荷的温度下共形地沉积在甚至最复杂的表面上。因此，等离子体对于涂覆精密而热敏感的，以及坚固的材料是理想的。等离子体涂层甚至在薄的涂层中也没有微孔。涂层的光学性质，例如颜色，经常能够被定做，且等离子体涂层与甚至非极性材料，例如聚乙烯，以及钢铁(例如金属反射镜上的抗腐蚀薄膜)、陶瓷、半导体、纺织品等粘着良好。
在所有这些处理过程中，等离子体工程可产生针对所期望的应用或产品而设计的表面效果，且对材料总体毫无影响。因此，等离子体处理给厂家提供了一个通用且强大的工具，其允许根据其整体技术和商业性能选择材料，同时提供了独立设计其表面以满足所有不同种需要的自由。因而等离子体工艺使产品的功能性、性能、寿命和质量大大提高，并且给予制造厂商的产品性能以重大的增值。
这些性能对于工业界采用基于等离子体的处理提供了一个强力的推动，且这种运动自20世纪60年代起已被微电子界引发，其将低压辉光放电(Glow Discharge)等离子体发展为用于半导体、金属和介电体处理的超高技术和高资金成本的工程工具。相同低压辉光放电类型的等离子体自20世纪80年代起已日益渗透到其它工业部门，其提供了成本更适中的处理工艺，例如能够获得增大的粘着/结合力、高质量的去污/清洗和高性能的涂层沉积的聚合物表面活化。因此，便有了等离子体工艺的大量采用。
然而，等离子体工艺的采用受到大多数工业用等离子体系统的主要约束，也就是，它们需要在低压下工作的限制。局部真空操作意味着一种封闭周边的、密封反应器系统，其只提供离散工件的离线、批量处理。产量较低或中等且对于真空的需求增加了资本和运营成本。
然而，大气压等离子体给工业提供了开口或周边系统，其提供了工件/腹板(web)在等离子体区域中的自由进入和离开，并且因此提供了大或小面积的腹板或传送带携带的离散工件的在线连续处理。产量较高，其通过从高压操作中获得的高工件流量而增加。许多工业部门，例如纺织、包装、造纸、制药、汽车、航空等，几乎完全依赖连续的、在线的处理，因此大气压下的开口/周边构造等离子体提供了一种新的工业处理能力。
电晕(corona)和火焰(也有等离子体)处理系统已经给工业提供有限形式的大气压等离子体处理能力达大约30年。然而，尽管它们有较高的制造能力，这些系统还是不能与压力较低、只进行浴槽处理的等离子体类型相同程度地渗入市场或被其工业采用。原因是电晕/火焰系统有重大的局限性。它们在提供单一表面活化处理的环境气氛下工作，并对许多材料有可以忽略的影响且对绝大多数材料有微弱的影响。该处理通常不均匀且电晕处理与厚腹板或3D工件不相容，而火焰处理与热敏感的基片不相容。很明显，大气压等离子体技术必须更深入地发展到大气压等离子体频谱中以开发满足工业需要的先进系统。
当前非平衡大气压等离子体制造工艺，也就是电晕处理(coronatreatment)的若干最严重的处理缺陷，起于用于产生电晕等离子体类型的设备的几何结构，并且导致产生的等离子体量相对较小。电晕等离子体类型是通过施加高压于两个大体上对称的并被包含形成等离子体的先驱处理气的间隙分离开的相对电极之间而产生的。电晕产生的关键是电极间的电场分布中的点、线或其它异常的存在，该电极在奇异点产生很高的局部电位梯度并导致先驱气体的局部击穿以及等离子体的形成。这些奇异点是通过急剧局部化的电极几何形状例如点对面、点对点、线/棒对面、线/棒对线/棒而实现的，并且，典型的工业用电晕处理设备的结构为线/棒对平行滚轴。等离子体采用离散等离子体束流阵列的形式，其在最高电位梯度区域中大体上沿着电极之间的电场力线。
所产生的等离子体的量受电场分布控制。如果电场不均匀，那么，根据定义，随着电场强度上升，只有部分场区域能接近和达到产生等离子体所必需的先驱气体击穿电位梯度。剩余的场区域则低于击穿阈值从而没有等离子体产生。因此，所产生的等离子体量受到电场不均匀程度的限制。
就传统的电晕处理而言，电位梯度，也就是电场，在接近产生电场异常的电极处非常高，但是随着与该电极(例如点或线/棒)的距离而迅速下降(反平方或更高次幂)。因此，等离子体的形成被限制在达到先驱气体击穿并转变为等离子体的点的电压梯度区域内。低于气体击穿的电场区域不能够产生和维持等离子体。试图通过提高电压梯度来增加等离子体的产量不能改变电场分布，从而因此等离子体的分布和数量会大致上不受影响，附加功率似乎成为了等离子体束流中的电流。
传统电晕处理中电极的几何形状和等离子体产生的模式于是导致了对能够用单一一组电极产生的等离子体产量的主要限制。如果工业处理过程涉及大量工件的处理，例如移动腹板或用传送带运送物件，尽管沿x-或工件/等离子体宽度方向等离子体产生的范围大体上没有限制，但是沿y-或工件/等离子体长度方向电晕等离子体的范围受到高度限制，在工业用电晕系统中典型地为几十个毫米。这种限制具有如下缺点：1.以恒定线吞吐速度(m/s)移动的工件在等离子体中的驻留时间(s)相对较短且只能通过降低线速度而提高。在等离子体中的驻留时间影响表面活化或清洗的程度以及任何等离子体沉积涂层的厚度。
2.与进入工件的等离子体相偶联的每单位面积上的能量(J/m2)相对较低且只能通过降低线速度和/或增加等离子体功率密度(W/m2)而提高。偶联进的能量影响全部的活化、清洗或涂覆处理过程。
3.工件对离散电晕束流的简短暴露不允许等离子体到达全部的表面区域，从而给定的不均匀处理导致不良的产品性能。
这些缺点推动了用于在扩展的，特别是沿工件/等离子体长度方向扩展的区域内产生较冷的、非热平衡的、大气压等离子体的系统的产生。因此，为了取代大约10米宽×0.02米长电晕等离子体区域，新系统应该能有10米宽×20米长的等离子体区域，沿等离子体路径长度增加至少三个数量等级。该优越性区域如下所示：假设：l＝等离子体路径长度(m)t＝任何工件元件在等离子体中的驻留时间(s)v＝线吞吐速度(m/s)P＝等离子体功率密度(W/m2)E＝偶联进工件的能量/单位面积(J/m2)那么：t＝l/v所以，固定v的条件下，t∝l并且：E＝Pt＝pl/v所以，固定v和P的条件下，E∝l因此，例如，如果l从0.02米增加到20米，则E和t都增加103。选择地，如果E和t保持恒定，线速度v能够增加103而实现相同的处理。
重大进展已经在大气压下的等离子体沉积中取得。相当多的工作致力于大气压辉光放电的稳定性上，据Satiko Okazaki，MasuhiroKogoma，Makoto Uehara和Yoshihisa Kimura，J.Phys.D：Appl.Phys.26(1993)889-892的描述，在大气压下的空气、氩气、氧气和氮气中的稳定辉光放电采用了50Hz的电源。此外，美国专利说明书No.5414324(Roth等人)描述，大气压下稳定状态辉光放电的等离子体产生于一对相隔可达5厘米的绝缘金属板电极与用1-100KHz的1-5KV的rms电势供电的R.F.之间。该专利说明书描述了电绝缘金属板电极的使用。该专利说明书描述了电极板的问题以及在电极边缘阻止电击穿的需要。它还进一步描述了该电极，在这种情况下为铜板，和水冷系统的使用，其通过与电极粘结的流体流动管道供水且这种水并不直接与任何电极表面接触。
在美国专利说明书No.5185132(Horiike等人)中，描述了大气等离子体反应方法，其中板电极以垂直的构型使用。然而，它们以垂直的构型使用只是用来制备等离子体，且随后等离子体定向地从电极之间导出并到达位于垂直排列电极下方的水平表面上。
术语“等离子体”涵盖极大范围的系统，其密度和温度相差许多个数量级。一些等离子体非常炽热且其所有的微观物质(离子、电子，等等)都处于接近热平衡的状态，输入到该系统中的能量通过原子/分子水平的碰撞而普遍地分布。然而，其它的等离子体，特别是那些处于碰撞相对稀少的低压(例如100Pa)下的等离子体，其构成物质处于相差很大的温度下并被称为“非热平衡”等离子体。在这些非热平衡等离子体中，自由电子非常炽热，其温度达数千K，可是中性的和离子的物质却仍然是微冷的。因为自由电子具有几乎可以忽略的质量，总体的系统热含量较低且等离子体工作在接近室温的条件下，这样便允许在对温度敏感的材料例如塑料或聚合体的处理过程中不用将破坏性的热负荷强加到样品上。然而，通过高能碰撞，炽热电子产生了丰富的原子基团和活化物质资源，其具有能够发生深刻化学和物理反应的高化学势能量。正是这种低温操作和高反应性的组合使得非热平衡等离子体技术比较重要并且成为一种用于制造和材料处理的非常强大的工具，并能够实现这样的处理过程，其如果完全不用等离子体而实现的话，需要非常高的温度或者有害的和侵蚀性的化学品。
对于等离子体技术的工业应用，一个便利的方法便是将电磁功率耦合到一定量的处理气中，其可能是处理工件/样品浸入或者通过的气体和蒸汽的混合物。气体被电离成等离子体而产生与样品表面反应的化学基团、紫外线和离子。通过正确选择处理气组分、驱动电源频率、电源耦合模式、压力和其它控制参数，等离子体处理能够设计成应制造者需求的特定应用。
由于等离子体巨大的化学和热范围，它们适合于许多种正在不断扩展的工艺应用。非热平衡等离子体对于表面活化、表面清洗、材料蚀刻和表面涂覆特别有效。
聚合材料表面活化是一种广泛使用的工业等离子体技术，其首先被汽车工业采用。因此，例如，多聚烯树脂，诸如由于其可回收性而受青睐的聚乙烯和聚丙烯，具有非极性表面，从而随之发生对涂覆或粘着的不良处理。然而，用氧气等离子体处理会导致能提供高可湿性的表面极性基团的形成，从而随之产生卓越的金属罩、粘合剂和其它涂层的覆盖率和粘着力。所以，例如，等离子体表面工程基本上用于制造机动车仪表板、挡水板、缓冲器等以及玩具等工业的组成部件。许多其它的应用可以在印刷、喷涂、粘合、碾压以及聚合物、塑料、陶瓷/无机物、金属和其它材料的所有几何结构部件的全面涂覆中见到。
环境立法在世界范围内日益增大的普及率及力度对工业产生了重大的压力，使其在制造，尤其对于部件/表面的清洗中减少或消除溶剂和其它湿性化学药品的使用。特别地，基于CFC的去污操作已经大量地被使用氧气、空气和其它无毒气体的等离子体清洗工艺操作所取代。基于水的预清洗和等离子体的组合，允许均匀严重污染的部件被清洗并且所获得的表面质量典型地比用传统方法获得的要优良。任何有机表面污染物都会被室温等离子体快速地清除并转换成能够安全排出的气态CO2和水。
等离子体也能够实现大块材料的蚀刻，也就是去除多余的材料。因此，例如，基于氧气的等离子体可以蚀刻聚合物，一种在电路板等的生产中使用的处理过程。不同材料例如金属、陶瓷和无机物通过仔细选取先驱气体并注意等离子体化学反应而被蚀刻。下至纳米临界尺寸的结构通过等离子体蚀刻工艺现在也能制造。
正在迅速成为主流工业的等离子体工艺是一种等离子体涂层/薄膜沉积工艺。典型地，通过将等离子体应用到单体气体和蒸汽中可实现高水平的聚合。因此，一种致密的、结合牢固的且三维连接的薄膜便能够形成，其对热稳定、化学上非常有抗性且机械上坚固。这种薄膜可以在保证基片低热负荷的温度下共形地沉积在甚至最复杂的表面上。因此，等离子体对于涂覆精密而热敏感的，以及坚固的材料是理想的。等离子体涂层甚至在薄的涂层中也没有微孔。涂层的光学性质，例如颜色，经常能够被定做，且等离子体涂层与甚至非极性材料，例如聚乙烯，以及钢铁(例如金属反射镜上的抗腐蚀薄膜)、陶瓷、半导体、纺织品等粘着良好。
在所有这些处理过程中，等离子体工程可产生针对所期望的应用或产品而设计的表面效果，且对材料总体毫无影响。因此，等离子体处理给厂家提供了一个通用且强大的工具，其允许根据其整体技术和商业性能选择材料，同时提供了独立设计其表面以满足所有不同种需要的自由。因而等离子体工艺使产品的功能性、性能、寿命和质量大大提高，并且给予制造厂商的产品性能以重大的增值。
这些性能对于工业界采用基于等离子体的处理提供了一个强力的推动，且这种运动自20世纪60年代起已被微电子界引发，其将低压辉光放电(Glow Discharge)等离子体发展为用于半导体、金属和介电体处理的超高技术和高资金成本的工程工具。相同低压辉光放电类型的等离子体自20世纪80年代起已日益渗透到其它工业部门，其提供了成本更适中的处理工艺，例如能够获得增大的粘着/结合力、高质量的去污/清洗和高性能的涂层沉积的聚合物表面活化。因此，便有了等离子体工艺的大量采用。
然而，等离子体工艺的采用受到大多数工业用等离子体系统的主要约束，也就是，它们需要在低压下工作的限制。局部真空操作意味着一种封闭周边的、密封反应器系统，其只提供离散工件的离线、批量处理。产量较低或中等且对于真空的需求增加了资本和运营成本。
然而，大气压等离子体给工业提供了开口或周边系统，其提供了工件/腹板(web)在等离子体区域中的自由进入和离开，并且因此提供了大或小面积的腹板或传送带携带的离散工件的在线连续处理。产量较高，其通过从高压操作中获得的高工件流量而增加。许多工业部门，例如纺织、包装、造纸、制药、汽车、航空等，几乎完全依赖连续的、在线的处理，因此大气压下的开口/周边构造等离子体提供了一种新的工业处理能力。
电晕(corona)和火焰(也有等离子体)处理系统已经给工业提供有限形式的大气压等离子体处理能力达大约30年。然而，尽管它们有较高的制造能力，这些系统还是不能与压力较低、只进行浴槽处理的等离子体类型相同程度地渗入市场或被其工业采用。原因是电晕/火焰系统有重大的局限性。它们在提供单一表面活化处理的环境气氛下工作，并对许多材料有可以忽略的影响且对绝大多数材料有微弱的影响。该处理通常不均匀且电晕处理与厚腹板或3D工件不相容，而火焰处理与热敏感的基片不相容。很明显，大气压等离子体技术必须更深入地发展到大气压等离子体频谱中以开发满足工业需要的先进系统。
当前非平衡大气压等离子体制造工艺，也就是电晕处理(coronatreatment)的若干最严重的处理缺陷，起于用于产生电晕等离子体类型的设备的几何结构，并且导致产生的等离子体量相对较小。电晕等离子体类型是通过施加高压于两个大体上对称的并被包含形成等离子体的先驱处理气的间隙分离开的相对电极之间而产生的。电晕产生的关键是电极间的电场分布中的点、线或其它异常的存在，该电极在奇异点产生很高的局部电位梯度并导致先驱气体的局部击穿以及等离子体的形成。这些奇异点是通过急剧局部化的电极几何形状例如点对面、点对点、线/棒对面、线/棒对线/棒而实现的，并且，典型的工业用电晕处理设备的结构为线/棒对平行滚轴。等离子体采用离散等离子体束流阵列的形式，其在最高电位梯度区域中大体上沿着电极之间的电场力线。
所产生的等离子体的量受电场分布控制。如果电场不均匀，那么，根据定义，随着电场强度上升，只有部分场区域能接近和达到产生等离子体所必需的先驱气体击穿电位梯度。剩余的场区域则低于击穿阈值从而没有等离子体产生。因此，所产生的等离子体量受到电场不均匀程度的限制。
就传统的电晕处理而言，电位梯度，也就是电场，在接近产生电场异常的电极处非常高，但是随着与该电极(例如点或线/棒)的距离而迅速下降(反平方或更高次幂)。因此，等离子体的形成被限制在达到先驱气体击穿并转变为等离子体的点的电压梯度区域内。低于气体击穿的电场区域不能够产生和维持等离子体。试图通过提高电压梯度来增加等离子体的产量不能改变电场分布，从而因此等离子体的分布和数量会大致上不受影响，附加功率似乎成为了等离子体束流中的电流。
传统电晕处理中电极的几何形状和等离子体产生的模式于是导致了对能够用单一一组电极产生的等离子体产量的主要限制。如果工业处理过程涉及大量工件的处理，例如移动腹板或用传送带运送物件，尽管沿x-或工件/等离子体宽度方向等离子体产生的范围大体上没有限制，但是沿y-或工件/等离子体长度方向电晕等离子体的范围受到高度限制，在工业用电晕系统中典型地为几十个毫米。这种限制具有如下缺点：1.以恒定线吞吐速度(m/s)移动的工件在等离子体中的驻留时间(s)相对较短且只能通过降低线速度而提高。在等离子体中的驻留时间影响表面活化或清洗的程度以及任何等离子体沉积涂层的厚度。
2.与进入工件的等离子体相偶联的每单位面积上的能量(J/m2)相对较低且只能通过降低线速度和/或增加等离子体功率密度(W/m2)而提高。偶联进的能量影响全部的活化、清洗或涂覆处理过程。
3.工件对离散电晕束流的简短暴露不允许等离子体到达全部的表面区域，从而给定的不均匀处理导致不良的产品性能。
这些缺点推动了用于在扩展的，特别是沿工件/等离子体长度方向扩展的区域内产生较冷的、非热平衡的、大气压等离子体的系统的产生。因此，为了取代大约10米宽×0.02米长电晕等离子体区域，新系统应该能有10米宽×20米长的等离子体区域，沿等离子体路径长度增加至少三个数量等级。该优越性区域如下所示：假设：l＝等离子体路径长度(m)t＝任何工件元件在等离子体中的驻留时间(s)v＝线吞吐速度(m/s)P＝等离子体功率密度(W/m2)E＝偶联进工件的能量/单位面积(J/m2)那么：t＝l/v所以，固定v的条件下，t∝l并且：E＝Pt＝pl/v所以，固定v和P的条件下，E∝l因此，例如，如果l从0.02米增加到20米，则E和t都增加103。选择地，如果E和t保持恒定，线速度v能够增加103而实现相同的处理。
重大进展已经在大气压下的等离子体沉积中取得。相当多的工作致力于大气压辉光放电的稳定性上，据Satiko Okazaki，MasuhiroKogoma，Makoto Uehara和Yoshihisa Kimura，J.Phys.D：Appl.Phys.26(1993)889-892的描述，在大气压下的空气、氩气、氧气和氮气中的稳定辉光放电采用了50Hz的电源。此外，美国专利说明书No.5414324(Roth等人)描述，大气压下稳定状态辉光放电的等离子体产生于一对相隔可达5厘米的绝缘金属板电极与用1-100KHz的1-5KV的rms电势供电的R.F.之间。该专利说明书描述了电绝缘金属板电极的使用。该专利说明书描述了电极板的问题以及在电极边缘阻止电击穿的需要。它还进一步描述了该电极，在这种情况下为铜板，和水冷系统的使用，其通过与电极粘结的流体流动管道供水且这种水并不直接与任何电极表面接触。
在美国专利说明书No.5185132(Horiike等人)中，描述了大气等离子体反应方法，其中板电极以垂直的构型使用。然而，它们以垂直的构型使用只是用来制备等离子体，且随后等离子体定向地从电极之间导出并到达位于垂直排列电极下方的水平表面上。
发明内容
根据本发明提供了一种大气压等离子体组件，其包含一对平行相间的平面电极，其间有最少一个与一电极相邻的介电平板，该介电平板与另一个平板或电极之间的间隔形成了用于产生先驱气体的等离子体区域，其特征在于当电极邻近介电平板时，便提供冷却液体分布系统用以引导冷却传导液体到电极外表面上从而覆盖该电极的平面表面。这便克服了这种大气压等离子体组件的一个主要问题，保证了一个扩展的尤其是沿工件/等离子体长度方向扩展的区域。此外，以恒定速度移动的等离子体或工件的驻留时间能够均匀地增加，从而提高了靶处理，而无论其是否被活化清洗或涂覆。它具有所有与更长的等离子体区域驻留时间相伴随的优点。
理想情况下，冷却液体覆盖远离介电平板的电极表面。该冷却传导液体是水并且可以包含传导性控制组分例如金属盐或者可溶性有机添加剂。理想情况下，电极为与介电平板接触的金属电极。在一个实施例中就有一对每一个均与介电平板接触的金属电极。根据本发明，水还起到了极其有效的冷却剂的作用并辅助提供高效电极。
理想情况下，介电平板扩展超出电极的周边并且冷却液体也被导向通过该介电平板而覆盖至少部分的电极外周的绝缘边界。优选地，全部的介电平板均被冷却液体覆盖。电极可以处于金属栅网的形式。电极可以基本上垂直地排列。理想情况下，绝缘空间处于电极之间。令人惊奇的是，除了冷却以外，水还起到电钝化任何金属电极的边界、奇异点或不均匀点，例如使用了线栅网电极的边缘、拐角或栅网末端，的作用。水有效地起到了具有有限传导性的电极的作用。此外，通过垂直地排列，电系统较大区域的权重被设定，所以便没有了与不这样做而产生的相同的下弯或扰动或变形。
在本发明的一个实施例中电极构成了电极组件的一部分，包括：防水箱，其具有一个由介电平板形成的侧面，介电平板具有在该箱内部结合到其上的平板电极；液体进口；和液体出口。
其中的两个组合在一起便构成一个组件。这种相似排列的箱允许模块化操作从而成为一种提供电极组件的非常有效的方法。
在本发明的另一个实施例中，电极构成了电极组件的一部分，包括：防水箱，其具有两个平行侧面，每一个均由介电平板形成，且每一个具有在该箱内部结合到其上的一对平面电极中的一个；液体进口；和液体出口。
在后一个实施例中，这种箱根据本发明可以用于与其他箱连接。理想情况下，这些箱一个在另一个的上面以提供扩展的等离子体区域。这便有了相当大的灵活性并且能够允许一种布置即能够以非常小的工厂占地提供非常长的等离子体路径长度。
在本发明的一个实施例中，液体分布系统包括冷却器和循环泵。
在另一个实施例中，冷却液体分布系统包括具有喷射嘴的喷射管。此外，本发明提供了一种用该组件处理基片的方法，因此可以理解，本发明提供了根据该组件或者本发明的方法制造的基片。
附图说明
从随后用举例方法给出的一些实施例的描述中，本发明将被更清晰地了解，其仅参考附图，其中：图1是根据本发明的大气压等离子体系统的前视图，图2是图1所述系统一部分的部分剖析透视图，图3是构成该系统一部分的等离子体组件剖析透视图。
图4是穿过该等离子体组件的典型纵剖面图，图5是等离子体组件另一种结构的剖析图，图6是图5中等离子体组件一部分的类似图3的剖析图，图7是图5中等离子体组件类似图4的截面图，以及图8、9和10是根据本发明构成大气压等离子体系统一部分的等离子体组件各种排列的图解立视图。
理想情况下，冷却液体覆盖远离介电平板的电极表面。该冷却传导液体是水并且可以包含传导性控制组分例如金属盐或者可溶性有机添加剂。理想情况下，电极为与介电平板接触的金属电极。在一个实施例中就有一对每一个均与介电平板接触的金属电极。根据本发明，水还起到了极其有效的冷却剂的作用并辅助提供高效电极。
理想情况下，介电平板扩展超出电极的周边并且冷却液体也被导向通过该介电平板而覆盖至少部分的电极外周的绝缘边界。优选地，全部的介电平板均被冷却液体覆盖。电极可以处于金属栅网的形式。电极可以基本上垂直地排列。理想情况下，绝缘空间处于电极之间。令人惊奇的是，除了冷却以外，水还起到电钝化任何金属电极的边界、奇异点或不均匀点，例如使用了线栅网电极的边缘、拐角或栅网末端，的作用。水有效地起到了具有有限传导性的电极的作用。此外，通过垂直地排列，电系统较大区域的权重被设定，所以便没有了与不这样做而产生的相同的下弯或扰动或变形。
在本发明的一个实施例中电极构成了电极组件的一部分，包括：防水箱，其具有一个由介电平板形成的侧面，介电平板具有在该箱内部结合到其上的平板电极；液体进口；和液体出口。
其中的两个组合在一起便构成一个组件。这种相似排列的箱允许模块化操作从而成为一种提供电极组件的非常有效的方法。
在本发明的另一个实施例中，电极构成了电极组件的一部分，包括：防水箱，其具有两个平行侧面，每一个均由介电平板形成，且每一个具有在该箱内部结合到其上的一对平面电极中的一个；液体进口；和液体出口。
在后一个实施例中，这种箱根据本发明可以用于与其他箱连接。理想情况下，这些箱一个在另一个的上面以提供扩展的等离子体区域。这便有了相当大的灵活性并且能够允许一种布置即能够以非常小的工厂占地提供非常长的等离子体路径长度。
在本发明的一个实施例中，液体分布系统包括冷却器和循环泵。
在另一个实施例中，冷却液体分布系统包括具有喷射嘴的喷射管。此外，本发明提供了一种用该组件处理基片的方法，因此可以理解，本发明提供了根据该组件或者本发明的方法制造的基片。
附图说明
从随后用举例方法给出的一些实施例的描述中，本发明将被更清晰地了解，其仅参考附图，其中：图1是根据本发明的大气压等离子体系统的前视图，图2是图1所述系统一部分的部分剖析透视图，图3是构成该系统一部分的等离子体组件剖析透视图。
图4是穿过该等离子体组件的典型纵剖面图，图5是等离子体组件另一种结构的剖析图，图6是图5中等离子体组件一部分的类似图3的剖析图，图7是图5中等离子体组件类似图4的截面图，以及图8、9和10是根据本发明构成大气压等离子体系统一部分的等离子体组件各种排列的图解立视图。
具体实施方式
参考附图及其中的图1-4，提供了一种总体上如数字1的指代所示的大气压等离子体系统，其包含用电源4通过电缆3供电以及用冷却水组件供水的大气压等离子体组件2，冷却水组件提供了安装于等离子体组件2内的冷却液体分布系统且在后面有更详细的说明。该冷却水组件包含水泵5、处于热交换器6形式的冷却器和主水分布管7。其中一个主水分布管7馈给入口歧管8，入口歧管8依次通过供水软管9和液体入口14而馈给等离子体组件2。回水软管10通过液体出口15与更远处的返回输出歧管11相连，输出歧管11其又与另一个馈给泵5的水分布管7连接。压力释放管13安装于等离子体组件2内。
特别参考图2-4，等离子体组件2包含一对总体上如数字20的指代所示的防水箱，其用处于在防水箱20的开放顶部22和开放底部23之间形成的隔板21形式的垂直绝缘隔件连接。在防水箱20和隔板21之间，限定了等离子体区域25。
每个防水箱20都包含背板30和分离开的前板31，其安装于具有装备着排出口34的横木33的水密封框32上。背板30和前板31均通过垫圈35与水密封框32连接。两组线电极36安装在前板31上的箱20中。背板30、前板31和水密封框32均用适当的介电材料制成。一对用介电材料的管子，例如塑料材料的管子形成的并具有多个喷嘴41的喷射杆40安装在箱20内并与供水软管9连接。
在操作中，工件能够沿着箭头A的方向而引导通过等离子体区域，但是显然它也能够沿着相反的方向被引导并且能够在等离子体区域25中被来回地引导。处理气能够注入到等离子体区域25中，并且适当的功率能够被施加到等离子体区域25中的电极36上。水从入口歧管8通过供水软管9而输送到喷射杆40内，此处水以喷雾的形式离开喷嘴41而输送到线电极36上并同时跨越前板31裸露的内表面。
参考包括图5-7，展示了等离子体组件的一个可选择的构造，在此情况下包含两个与此前描述过的箱20相垂直的箱和基本上与箱20结构相同的第三个箱26，其中与参照先前实施例中描述过的相类似的部分用相同的指代数字标识。箱26与箱20之间唯一的不同是它有效地携带着两个前板31并在每一个前板31上携带有电极36，因为相对于箱20，板31在箱26的任一侧面上均起到了前板的作用。在这一实施例中，喷射杆40的喷嘴41引导水到达全部两个板31上。
图8展示了一种排列，三个箱26在两个外侧箱20之间夹着，其间有如虚线所示腹板路径(web path)。图9展示了一种不同箱一个堆叠在另一个顶部上的排列，而图10展示了一种具有用于水平排列的箱20之间携带物件的传送带式排列。
同时在所描述的实施例中，电极安装于介电平板的外部，可以看出在一定的环境下，它也可以密封在介电平板内。
基本上，本发明依赖于脱离作为等离子体产生机制的不均匀电场而成为均匀电场。
根据本发明，所产生的等离子体量受到电场分布的控制，由于电场是均匀的，因而根据定义，随着电场强度增加，整个场区域将普遍接近和达到产生等离子体所需的先驱体击穿电压梯度。
理想情况下，场区域中没有任何部分会低于击穿阈值，因此等离子体在整个场中均会产生。因此所产生的等离子体量只受电极物理范围限制。
本发明克服了平行板电极的几何结构与对介电材料的需求相结合的问题。
本发明克服了热量管理的问题。对于平行板系统典型的极间间隔处于10毫米的数量级。靶区域能扩展到20米×20米或者甚至更大的面积，且靶等离子体功率密度可以处于10KW/m3的数量级或者更大。因此，这种系统产生的功率能产生足以超过该系统在没有任何强制冷却形式的情况下散发能力的热量。这会逐步地被大多数介电材料在直接接触等离子体时不良的热传导性以及几何构造上相对较长的热路径恶化。本发明克服了这个问题。水是优选的但不是唯一能够使用的冷却液体。
在本发明的一个实施例中，水含有传导性控制组分例如金属盐，包括金属的卤化物、硫酸盐、碳酸盐、有机酸盐和有机碱盐。
在本发明的另一个实施例中，传导性控制组分包括不对合成涂覆产品造成影响的乙二醇和乙醇。
此外，电极的垂直取向和进而的介电平板由于具有很大的面积而特别重要，介电材料相当大的权重又需要相对于相对的板高精度地定位。电极间间隔的不均匀性显示出了对等离子体不均匀性和处理质量的严重影响，因此将电极垂直安装克服了相当数量的这类问题。
根据本发明，合适的绝缘材料例如聚碳酸酯、聚乙烯、玻璃等可被使用，且金属电极能够具有多种类型并可以或者通过粘结或者通过一些对电极金属加热或熔合的措施而结合到介电材料上。类似地，电极可以密封于介电材料中。
在本发明的一个实施例中，介电材料是聚乙烯且使用了典型地为50-120毫米的箱之间的间隔。在该装置中使用处理气的方法理想地如我们相对应的PCT专利公开No.WO01/59809中的描述和要求的保护。据发现在低频RF等离子体激发频率和甚至在跨过电极间间隙的数十千伏的电势差下，如果使用了保证在相反电极性电极的喷射杆之间具有大约21米左右水路径长度的绝缘易曲软管的话，普通自来水即能够用于冷却。如果水路径长度太短，将因为由于缩短了电极之间通过冷却水的长度引起了功率损失而难以或不可能激发等离子体。
令人惊奇地发现，除了冷却，水根据本发明还起到了电钝化任何金属电极的边界、奇异点或不均匀点，例如使用了线栅网电极情况下的边缘、拐角或栅网末端的作用。可以理解，其不经钝化也能够释放电晕或其它等离子体从而引起功率损失且局部加热会导致潜在的击穿。基本上，水本身作为一种具有有限传导性的电极以消除电势差并减少电极箱中不需要的电释放。典型地，由于水的传导性，极间间隙内产生的等离子体能扩展超出该金属电极边缘大约5厘米。
据发现，采用本发明具有相当多的优点。特定的排列允许工件通过的等离子体路径长度较容易地扩展到任何尺寸并且比传统的工业电晕处理大相当多的数量级。以恒定线吞吐速度移动的工件在等离子体中的驻留时间能够被较容易地增加从而提高靶处理，而不论其是否被活化、清洗或涂覆。选择地，对于恒定的驻留时间，线速度也能够增加。并且有可能根据要求改变或更换等离子体功率密度。此外，在等离子体区域中更长的驻留时间具有主要优点，即允许等离子体进入工件表面所有部分从而提高处理的均匀性。这对复杂形式的工件特别重要。据发现，采用本发明有可能维持低电极温度同时具有高等离子体功率密度，从而保证较长的设备寿命并限制过量的热负荷施加到工件上。
垂直电极排列的一个重要优点是其没有了与在采用另外的方式即水平排列系统时会产生的同样的下弯和扰动或者变形。也可以理解，该垂直排列允许以较小的工厂占地产生较长的等离子体路径长度。
在本发明的一个实施例中，构建了一个由三个双面电极和两个单面电极组成的阵列以产生如图8所示的四个边挨边的等离子体路径组成一组的整体构型。这里基本上有八组相对的金属电极，其中每一个金属电极的尺寸为2100毫米宽×400毫米长，从而提供总共3.2米的等离子体路径长度和2.1米的腹板宽度处理能力。采用位于该等离子体组件上下两方的滚轴，腹板被导向通过整个等离子体区域。图9和图10展示了两个可选择的排列。
使用了先驱处理气体例如氦、氧、氩、氮、卤代烃、四氯化硅、硅氧烷等。使用电源并经由匹配的变压器将射频功率以大约40KHz和大约30KW的RF功率施加到电极上。该系统可无故障工作超过1000小时。
在说明书中，术语“由…构成(comprise，comprises，comprised和comprising)”或者任何其变化形式以及术语“包括…(include，includes，included和including)”或任何其变化形式，均可认为完全可以互换并且它们都应该被给予最广泛的可能的解释。
本发明并不限于上文中所描述过的实施例，而是在结构和细节上均可以有变化。
特别参考图2-4，等离子体组件2包含一对总体上如数字20的指代所示的防水箱，其用处于在防水箱20的开放顶部22和开放底部23之间形成的隔板21形式的垂直绝缘隔件连接。在防水箱20和隔板21之间，限定了等离子体区域25。
每个防水箱20都包含背板30和分离开的前板31，其安装于具有装备着排出口34的横木33的水密封框32上。背板30和前板31均通过垫圈35与水密封框32连接。两组线电极36安装在前板31上的箱20中。背板30、前板31和水密封框32均用适当的介电材料制成。一对用介电材料的管子，例如塑料材料的管子形成的并具有多个喷嘴41的喷射杆40安装在箱20内并与供水软管9连接。
在操作中，工件能够沿着箭头A的方向而引导通过等离子体区域，但是显然它也能够沿着相反的方向被引导并且能够在等离子体区域25中被来回地引导。处理气能够注入到等离子体区域25中，并且适当的功率能够被施加到等离子体区域25中的电极36上。水从入口歧管8通过供水软管9而输送到喷射杆40内，此处水以喷雾的形式离开喷嘴41而输送到线电极36上并同时跨越前板31裸露的内表面。
参考包括图5-7，展示了等离子体组件的一个可选择的构造，在此情况下包含两个与此前描述过的箱20相垂直的箱和基本上与箱20结构相同的第三个箱26，其中与参照先前实施例中描述过的相类似的部分用相同的指代数字标识。箱26与箱20之间唯一的不同是它有效地携带着两个前板31并在每一个前板31上携带有电极36，因为相对于箱20，板31在箱26的任一侧面上均起到了前板的作用。在这一实施例中，喷射杆40的喷嘴41引导水到达全部两个板31上。
图8展示了一种排列，三个箱26在两个外侧箱20之间夹着，其间有如虚线所示腹板路径(web path)。图9展示了一种不同箱一个堆叠在另一个顶部上的排列，而图10展示了一种具有用于水平排列的箱20之间携带物件的传送带式排列。
同时在所描述的实施例中，电极安装于介电平板的外部，可以看出在一定的环境下，它也可以密封在介电平板内。
基本上，本发明依赖于脱离作为等离子体产生机制的不均匀电场而成为均匀电场。
根据本发明，所产生的等离子体量受到电场分布的控制，由于电场是均匀的，因而根据定义，随着电场强度增加，整个场区域将普遍接近和达到产生等离子体所需的先驱体击穿电压梯度。
理想情况下，场区域中没有任何部分会低于击穿阈值，因此等离子体在整个场中均会产生。因此所产生的等离子体量只受电极物理范围限制。
本发明克服了平行板电极的几何结构与对介电材料的需求相结合的问题。
本发明克服了热量管理的问题。对于平行板系统典型的极间间隔处于10毫米的数量级。靶区域能扩展到20米×20米或者甚至更大的面积，且靶等离子体功率密度可以处于10KW/m3的数量级或者更大。因此，这种系统产生的功率能产生足以超过该系统在没有任何强制冷却形式的情况下散发能力的热量。这会逐步地被大多数介电材料在直接接触等离子体时不良的热传导性以及几何构造上相对较长的热路径恶化。本发明克服了这个问题。水是优选的但不是唯一能够使用的冷却液体。
在本发明的一个实施例中，水含有传导性控制组分例如金属盐，包括金属的卤化物、硫酸盐、碳酸盐、有机酸盐和有机碱盐。
在本发明的另一个实施例中，传导性控制组分包括不对合成涂覆产品造成影响的乙二醇和乙醇。
此外，电极的垂直取向和进而的介电平板由于具有很大的面积而特别重要，介电材料相当大的权重又需要相对于相对的板高精度地定位。电极间间隔的不均匀性显示出了对等离子体不均匀性和处理质量的严重影响，因此将电极垂直安装克服了相当数量的这类问题。
根据本发明，合适的绝缘材料例如聚碳酸酯、聚乙烯、玻璃等可被使用，且金属电极能够具有多种类型并可以或者通过粘结或者通过一些对电极金属加热或熔合的措施而结合到介电材料上。类似地，电极可以密封于介电材料中。
在本发明的一个实施例中，介电材料是聚乙烯且使用了典型地为50-120毫米的箱之间的间隔。在该装置中使用处理气的方法理想地如我们相对应的PCT专利公开No.WO01/59809中的描述和要求的保护。据发现在低频RF等离子体激发频率和甚至在跨过电极间间隙的数十千伏的电势差下，如果使用了保证在相反电极性电极的喷射杆之间具有大约21米左右水路径长度的绝缘易曲软管的话，普通自来水即能够用于冷却。如果水路径长度太短，将因为由于缩短了电极之间通过冷却水的长度引起了功率损失而难以或不可能激发等离子体。
令人惊奇地发现，除了冷却，水根据本发明还起到了电钝化任何金属电极的边界、奇异点或不均匀点，例如使用了线栅网电极情况下的边缘、拐角或栅网末端的作用。可以理解，其不经钝化也能够释放电晕或其它等离子体从而引起功率损失且局部加热会导致潜在的击穿。基本上，水本身作为一种具有有限传导性的电极以消除电势差并减少电极箱中不需要的电释放。典型地，由于水的传导性，极间间隙内产生的等离子体能扩展超出该金属电极边缘大约5厘米。
据发现，采用本发明具有相当多的优点。特定的排列允许工件通过的等离子体路径长度较容易地扩展到任何尺寸并且比传统的工业电晕处理大相当多的数量级。以恒定线吞吐速度移动的工件在等离子体中的驻留时间能够被较容易地增加从而提高靶处理，而不论其是否被活化、清洗或涂覆。选择地，对于恒定的驻留时间，线速度也能够增加。并且有可能根据要求改变或更换等离子体功率密度。此外，在等离子体区域中更长的驻留时间具有主要优点，即允许等离子体进入工件表面所有部分从而提高处理的均匀性。这对复杂形式的工件特别重要。据发现，采用本发明有可能维持低电极温度同时具有高等离子体功率密度，从而保证较长的设备寿命并限制过量的热负荷施加到工件上。
垂直电极排列的一个重要优点是其没有了与在采用另外的方式即水平排列系统时会产生的同样的下弯和扰动或者变形。也可以理解，该垂直排列允许以较小的工厂占地产生较长的等离子体路径长度。
在本发明的一个实施例中，构建了一个由三个双面电极和两个单面电极组成的阵列以产生如图8所示的四个边挨边的等离子体路径组成一组的整体构型。这里基本上有八组相对的金属电极，其中每一个金属电极的尺寸为2100毫米宽×400毫米长，从而提供总共3.2米的等离子体路径长度和2.1米的腹板宽度处理能力。采用位于该等离子体组件上下两方的滚轴，腹板被导向通过整个等离子体区域。图9和图10展示了两个可选择的排列。
使用了先驱处理气体例如氦、氧、氩、氮、卤代烃、四氯化硅、硅氧烷等。使用电源并经由匹配的变压器将射频功率以大约40KHz和大约30KW的RF功率施加到电极上。该系统可无故障工作超过1000小时。
在说明书中，术语“由…构成(comprise，comprises，comprised和comprising)”或者任何其变化形式以及术语“包括…(include，includes，included和including)”或任何其变化形式，均可认为完全可以互换并且它们都应该被给予最广泛的可能的解释。
本发明并不限于上文中所描述过的实施例，而是在结构和细节上均可以有变化。
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