CN101810060B - 用于表面处理或涂层的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种借助等离子体进行表面处理或涂层的方法。其中，将一种气体载体输送到至少一个在空间上分开的反应室中，并使之与所产生的等离子体射流充分混合，从而使气体载体被活化或产生一种微粒射流，该微粒射流独立于等离子体流而作用到一个待处理或待涂层的工件的表面。

Description

用于表面处理或涂层的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种借助等离子体射流进行表面处理或涂层的方法。本发明还涉及一种适合于实施该方法的设备。
背景技术
在现有技术中，作为等离子体射流，指的就是具有射流或射束形状的等离子体流，它们是从产生这种等离子体流的设备中提取出来，一直延伸到一个与该设备有一定间距地布置的基片或工件的表面。实际的射流形式的等离子体的产生在原理上可按两种方式予以实现：或是介电受阻放电，或是电弧放电。
用于产生等离子体射流的一种设备，是利用介电受阻放电进行工作的，这种放电也称为大气压-辉光放电，这种设备在WO 2005/125286A2中被公开。在该设备中，两个电极是通过一个作为介电势垒发生作用的绝缘套管而彼此分开的。此外，一种气体载体被引导通过该设备。这样，在该设备的自由端的两个电极之间接上交流电压时，便产生等离子体射流。
用于产生等离子体射流的一种设备，其利用直接的电弧放电工作，在EP 0761415中作了介绍。在该设备中，在两个彼此直接对置的电极之间形成一个直接的光弧，其中同样也有一种气体载体被引导通过该设备。
为了对表面进行处理或涂层，在所有已知的设备中都试图将已产生的等离子体射流和一种辅助的、用于表面处理和涂层的工艺气体，直接在等离子体射流从等离子体头中出来之前或直到出来之后，加以混合，以便避免或者至少减少在设备本身的限界壁上或出口喷嘴上产生积淀物。其缺点在于，总是使工艺气体和等离子体射流具有平行的流动方向，从而产生很差的活化。此外，通过从喷嘴中出来的等离子体射流，使环境空气受到激化，从而导致在本来已活化的工艺气体中产生中断过程。
在已提及的WO 2005/125286中所介绍的设备是采用介电受阻放电进行工作的，在该设备中除了形成等离子体的气体载体之外，还有一种工艺气体被通过一个处于内电极中的内管加以供送。其中，等离子体和工艺气体的混合是在离开该设备的出口喷嘴之后才在基片和等离子体头之间的空间区域内实现的。其缺点则是已经述及的工艺气体的不充分活化，这是因为，如所述及的那样，等离子体射流和工艺气体基本上是平行地流到基片上，从而使工艺气体的活化仅仅不充分地进行。
在WO 99/20809中介绍了另一种设备，该设备产生一个等离子体射流，其中，工艺气体的供给是直接在出口喷嘴的前面进行的。这样可以避免电极区域内的化学反应。在等离子体射流和工艺气体之间的接触体积在该设备结构上被限制到最小，以避免在设备的等离子体头中已活化的工艺气体的积淀。
在已知的这些设备中还有一个缺点就是：仅仅不完全地与工艺气体反应的等离子体有很大一部分不受阻碍地作用到待处理的或待涂层的表面上。由于等离子体在UV-范围(紫外范围)内的二次辐射和等离子体与表面的直接物理接触之故，便可能在该处产生非所希望的化学和物理过程。这样就有可能出现聚合物的裂解，以及在表面上出现非所希望的氧的掺入。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，其中，为了进行表面处理或涂层，可以将一个具有等离子体射流形式的等离子体流和至少一种工艺气体尽可能完全地充分混合，并且可尽量实现从等离子体向工艺气体的完全的能量转移，从而使得由气体载体和工艺气体形成的最佳活化的混合物作用到相关的表面上。其中，在等离子体射流和表面之间应当不会有直接的接触。此外，本发明还有一个目的就是提供一种尽可能简单的设备，该设备适合用于实施本发明所提出的方法。
为此，本发明提供一种借助等离子体射流进行表面处理或涂层的方法，其中，通过在两个被施加一电压的电极之间放电，以及在供给一种工艺气体的情况下，在一等离子体头中产生等离子体射流，所述等离子体射流通过一孔口离开所述等离子体头，并流入一在空间上分开的反应室中，其中，在所述反应室中，在排除所产生的等离子体射流周围的大气的条件下，供给一种气体载体，并使之与等离子体射流充分混合，以及，随后气体载体被活化和/或产生一个微粒射流，其特征在于：所述气体载体垂直于等离子体射流的流动方向通过一输入口流入到所述反应室中；被活化的气体载体或微粒射流在形成涡流并与等离子体射流充分混合之后，又垂直于等离子体射流的流动方向通过一输出口从反应室中流出；以及，只有从输出口流出的被活化的气体载体或微粒射流才对准待处理的或待涂层的工件的表面加以定向，而等离子体射流本身则仍被封闭地保留于反应室中。
相应地，本发明还提供一种借助等离子体射流进行表面处理或涂层的设备，其中，设有一个在一等离子体头中用于在供给一种工艺气体的情况下产生等离子体射流的装置，使得该等离子体射流从所述装置的等离子体头中的一孔口流出；其中，还设有一在空间上分开设置的封闭的反应室，该反应室具有用于等离子体射流的一个输入口以及用于气体载体的一个输入口和一个输出口；其特征在于：用于等离子体射流的输入口是垂直于一条由用于气体载体的输入口和相对置的用于气体载体的输出口所形成的线布置的；并且，所述反应室在与用于等离子体射流的输入口对置的那侧是封闭的。
本发明从下述总的发明构思出发，即，将所产生的一种具有等离子体射流形式的等离子体流和至少一种工艺气体，在排除环境空气的条件下，在一单独的空间区域内彼此充分混合。为此，将工艺气体引入到一个配置在已知等离子体射流的出口喷嘴后面的反应室中，其中，在该反应室中，通过合适的射流导引和相应的流动几何形式，来实现等离子体射流和工艺气体的一种尽可能完全的充分混合。然后，以此方式活化的工艺气体才经由一个出口喷嘴直接与待处理工件的表面相接触，借以对该表面进行处理或在其上进行涂层。
根据本发明的一个特别有利的实施形式，等离子体射流的以及工艺气体的流动方向在进入反应室中的时候是彼此垂直的或近似垂直的。这样，使这两种介质达到特别强烈的混合。
根据本发明的另一个有利的实施形式，等离子体射流基本上平行于待处理或待涂层的工件的表面被导入到反应室中，而工艺气体则基本上垂直于该表面被供给。按这一实施形式，两种介质可彼此最佳混合，而不须使等离子体射流本身经过反应室。这一点使得反应室可以具有小的结构尺寸。
根据本发明的另一个有利的实施形式，反应室还配有一个冷却/加热系统，以便能够控制在等离子体射流和工艺气体的混合过程中进行的化学和物理过程。例如还有一个可能性，就是通过反应室的限界壁上的调温通道，引入一种液态的调温介质。也可利用电加热系统来实现调温。
最后，根据本发明的另一个有利的发展，也可以在反应室中设置多个等离子体射流，从而能使多个等离子体射流与工艺气体相混合。
还有一个可能性，就是先后供给不同的工艺气体，为此配置多个反应室，或者也可配置按二级或多级设计的联合式反应室。
本发明的所有实施形式与现有技术相比，具有一系列优点：
首先，等离子体能量几乎可以一次完全转入到工艺气体的活化中，
此外，通过在反应室中排除了空气氧，从而可避免环境空气、等离子体和工艺气体之间的副反应。只有被活化的工艺气体而非等离子体射流本身与待处理或待涂层的工件表面相接触。
由于避免了等离子体和工件表面之间的直接接触，从而可避免二次UV-辐射(紫外线辐射)的有害影响。此外，由于避免了那种直接接触，还可避免等离子体在工件表面上引起的其它后果，如表面张力的变化，将反应性的氧基团带入到该工件表面中，等等。
附图说明
下面将参照附图举例对本发明作更详细的说明。
附图表示：
图1  本发明提出的用于表面处理或涂层的方法的示意流程图；
图2  本发明提出的用于表面处理或涂层的第一种设备；
图3  第二种设备；
图4  第三种设备；
图5  第四种设备；
图6  第五种设备。
具体实施方式
首先对图1中示意地表示出来的方法作比较详细的说明。在该实例中，是从借助介电受阻放电来产生等离子体射流出发谈起的。为此，在通过电介质彼此分开的电极上施加一个电压。按前文已述及的在WO 2005/125286中所介绍的设备中，那是一个绝缘套管，在此按同心构造，在该绝缘套管的内部和外部，配置了电极。其中，产生一种辉光放电；通过供给一种工艺气体一该工艺气体流动通过该设备，从而产生一个等离子体射流，该等离子体从该设备中排出。然后，该等离子体射流在排除环境空气的条件下，与所供给的一种独立的气体载体相混合。该气体载体用于工件表面的处理，或者含有用于以后工件的该表面的涂层的微粒。上述混合是在排除环境空气的条件下，在产生等离子体射流的设备的外面的一个反应区中完成的，在该反应区中可以存在一个相对环境产生的压力。在该反应区中，实现以等离子体射流为一方和以包含在气体载体中的气体及微粒流为另一方的强烈混合。因而，在这一区域中，在等离子体中所含有的能量的绝大部分都被转移到气体流和/或微粒流中。为此，有利的做法是，在反应区中通过合适的技术措施，产生一个相对环境增高的压力，从而防止环境空气进入该区域中。
总之，如所述的那样，在此反应区中，所供给的气体载体被活化，或者产生一个微粒射流。
还有一个可能性，就是将最后绘示的两个方法步骤加以重复，也就是说，先后依次配置多个活化区，对这些活化区既可以分别供给同一种气体载体，也可以供给不同的气体载体。这种采用多个活化区的方法特别适用于既要达到气体载体特别强烈活化的目的，又要产生同多个活化的气体的混合。
下一步就是，使根据至此所说明的方法步骤加以活化的气体载体或微粒射流与待处理的工件的表面相接触，并依此方式对表面进行处理或涂层。
对所说明的本发明提出的方法极其关键的一点是：在独立的一个反应区或在独立的多个反应区中，等离子体射流将等离子体能量的绝大部分转移到气体流和/或微粒流，还有，特别重要的一点是，等离子体射流本身并不或者仅仅极微小的一部分与工件表面直接接触。
此外，在本发明提出的方法中典型的一点就是：由于在反应区中排除了环境空气，所以就避免了在环境空气、等离子体和工艺气体之间的前文已述及的那些非所希望的副反应。
图2表示本发明提出的第一种设备。该设备1用于产生一种等离子体射流，它具有一个介电势垒2，这里就是一个绝缘套管。与之同心地安置了一个外电极3，在其中心延伸着一个内电极4。在其自由端上，该设备1由一个等离子体头5加以封闭。依箭头所示方向，供给一种工艺气体6；随后便产生一个等离子体射流7，该等离子体射流通过等离子体头5中的一个孔口向外排出。与设备1相连的是一个封闭的反应室8，该反应室具有一个用于等离子体射流7的输入口9。特别有利的是，该输入口9是相对等离子体头5的开口加以密封的，借以防止环境空气进入。反应室8还具有另一个输入口10，气体载体11通过该输入口而被吹入到反应室8的内腔12中。此外，反应室8还具有一个输出口13。等离子体射流7通过输入口9一直达到内腔12的内部。在该处，等离子体射流7和气体载体11实现强烈的混合。以这种方式被活化的气体载体14通过输出口13从反应室8中出来，作用到工件15上，并对工件的表面进行处理或涂层。按这种实施形式，一个反应室8具有内混能力，其中，等离子体射流7的进入是垂直于被活化的气体载体14的射流实现的，这一点导致一种特别强烈的混合和特别强烈的能量交换。
特别有利的是，输入口9和输出口13布置在反应室8的相对置的两侧，从而通过用于吹入气体载体11的侧向布置的输入口10，就能实现等离子体射流7的一种涡流和/或从直线的偏转。
图3表示本发明提出的另一种设备，在此设备中，等离子体射流7沿相同方向有所偏移地被导入到反应室8中，活化的气体载体14即依该方向离开反应室。
图4表示另一种设备，其中，侧向配置了两个完全相同的设备1、1a，用于分别产生一个等离子体射流7、7a。在此，反应室8具有两个输入口9、9a，所产生的两个等离子体射流7、7a分别通过这两个输入口而被导入内腔12中。
图5表示另一种设备，其中，通过一个连接件16，所配置的另一个反应室17与反应室8的输出口13相连接。另一种气体载体19可通过另一个输入口20吹入到该另一个反应室17的内腔18中。两种气体载体11和19可以是相同的，或者也可以是不同的。例如可以设定：作为第一种气体载体11是一种等离子体引发剂；作为第二种气体载体19是一种气溶胶，例如包括纳米微粒和/或结合剂。在两个反应室8、17的每一个中，实现分别供给的介质与分别供给的气体载体的混合。
图6表示另一种设备，在此设备中，如同刚才在图5中所做说明那样，配置了一个两级式的反应室。不过按图5中所示的实施例，两个完全相同的反应室8、17是级联式依次相继连接的(当然这种级联布置也可包含多于两个的反应室)，而按现在所说明的实施例，则是配置了一个联合式的反应室20a，该反应室具有一个第一内腔21和一个第二内腔22。在第一内腔21中，进行所供给的等离子体射流7与第一种气体载体11的混合。在第二内腔22中，进行离开第一内腔21的已活化的介质与另一种气体载体19的另一充分混合。
根据本发明的一项有利发展，可以利用电调温或者也可利用液体调温，对反应室8或反应室8、17进行加热或冷却。通过对相关反应室的加热便可避免活化的介质的凝聚。此外，通过这种方式，还可借助调温控制将代替气体载体被供送到有关反应室中的液态介质在该处加以汽化。
通过本设备的朝向待处理或待涂层工件表面的输出口的呈喷嘴形的相应构造，就能够产生一种对工件表面的活化介质的线性射流；同样，在本发明范围内，通过合适的喷嘴设计，也可以实现大致呈扇形或锥形的射流。
此外还可以通过一种喷嘴系统、一种可调节的导流板等，按已知的调节方式，对设备的所有或单个输入口和/或输出口进行调整或关闭。这样，通过对相应输入口和/或输出口的简单的横截面调节，便可调定和改变等离子体流、气体载体流和/或微粒流在相关反应室中的停留时间。
本发明提出的设备可以特别有利地由两个单独的组件组合而成。作为用于产生等离子体射流的第一组件，有利的是，可采用由本申请人制造和经销的设备
Figure GSB00000801033200081
在此设备中，是借助介电受阻的势垒放电产生等离子体射流。第二组件则可以包括一个或多个具有相应的输入口和输出口的反应室。在此，特别有利的是如此匹配一个输入口9，使它能够直接积木式地与设备
Figure GSB00000801033200082
的等离子体头5相适配，从而使得该等离子体头5可以直接地和严密地安装到输入口9上。

Claims (9)

1.借助等离子体射流进行表面处理或涂层的方法，其中，通过在两个被施加一电压的电极之间放电，以及在供给一种工艺气体的情况下，在一等离子体头中产生等离子体射流，所述等离子体射流通过一孔口离开所述等离子体头，并流入一在空间上分开的反应室中，
其中，在所述反应室中，在排除所产生的等离子体射流周围的大气的条件下，供给一种气体载体，并使之与等离子体射流充分混合，
以及，随后气体载体被活化和/或产生一个微粒射流，
其特征在于：
所述气体载体垂直于等离子体射流的流动方向通过一输入口流入到所述反应室中；
被活化的气体载体或微粒射流在形成涡流并与等离子体射流充分混合之后，又垂直于等离子体射流的流动方向通过一输出口从反应室中流出；
以及，只有从输出口流出的被活化的气体载体或微粒射流才对准待处理的或待涂层的工件的表面加以定向，而等离子体射流本身则仍被封闭地保留于反应室中。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于：等离子体射流通过介电受阻的势垒放电而产生。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：使多个彼此独立产生的等离子体射流同时地或先后地与气体载体充分混合。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述等离子体射流先后多次与同一气体载体充分混合。
5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述等离子体射流先后与不同的气体载体充分混合。
6.借助等离子体射流(7)进行表面处理或涂层的设备，其中，设有一个在一等离子体头(5)中用于在供给一种工艺气体(6)的情况下产生等离子体射流(7)的装置，使得该等离子体射流(7)从所述装置的等离子体头中的一孔口流出；
其中，还设有一在空间上分开设置的封闭的反应室(8)，该反应室具有用于等离子体射流(7)的一个输入口(9)以及用于气体载体(11)的一个输入口(10)和一个输出口(13)；
其特征在于：
用于等离子体射流(7)的输入口(9)是垂直于一条由用于气体载体(11)的输入口(10)和相对置的用于气体载体(11)的输出口(13)所形成的线布置的；
并且，所述反应室(8)在与用于等离子体射流(7)的输入口(9)对置的那侧是封闭的。
7.按权利要求6所述的设备，其特征在于：级联式地依次相继设置多个反应室(8、17)，使得第一个反应室(8)的输出口(13)总是与后继的另一反应室(17)的输入口相连接。
8.按权利要求6或7所述的设备，其特征在于：所述反应室(8，17，20a)是可以有针对性地进行调温的，即能被加热或冷却。
9.按权利要求6或7所述的设备，其特征在于：至少一个输入口和/或输出口(9，10，13；20)是可调节的或可关闭的。
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