CN102668721A - Dbd电极的极化方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，该装置包括反应室，反应室包括混合物，混合物的成分使得在接触等离子体后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉积成涂层的化学品种，其中之一带有高压AC的至少两个电极布置在反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间，并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，其中，一直流电源（DC）串联插在次级电路中，使得在等离子体中产生的呈正电离子或负电离子形式的化学品种被靶基体有选择地吸引并且被带有相应电荷的电极排斥，所述靶基进入反应室中并且布置在所述至少两个电极之间。
Description
技术领域
本发明涉及在无机基体上沉积涂层以改变其特性的方法。特别是，本发明的目的是在玻璃板上沉积涂层。在本发明的背景中，基体的表面处理和在基体上沉积涂层具有相同的含义。
本发明还涉及可以应用涉及的方法尤其是连续应用该方法的设备。
背景技术
使用不同方法以在各种基体上沉积薄层保护层。它们的区别特别在于产生能量的方式，用于产生希望的组分和/或连接到希望的组分的载体。
薄层保护层的沉积涉及各种应用，如电子、防腐保护层和摩擦保护层，如耐火材料层（氮化、碳化和氧化钛或铝），具有光学特性的保护层（防反射、防阳光、过滤等），具有其它特殊表面特性的保护层（防微生物、自净、亲水、疏水等），用于各种用途（光伏、LED、OLED、光伏有机物等）的氧化锡导电层。
涉及的基体可以是各种类型的基体：玻璃、钢、陶瓷、有机聚合物、热塑材料等。
主要有四种薄涂层沉积技术可以特别用于玻璃领域：溶胶-凝胶、磁控管、热解喷雾、和汽相化学沉积（CVD）。
CVD是把预先汽化的化学反应剂或前置物（précurseurs）送到热基体上，并且化学反应剂或前置物在与热基体接触后通过热解分解。
该方法通常在生产浮法玻璃时“在线”应用。因此得到（大约几十或几百nm）的薄涂层，特别是氧化物薄涂层。得到的薄涂层致密，高纯度，并且一般化学上和机械上都非常稳定。沉积速度也很高。
但是，能够沉积的材料范围有限，因为很难找到在玻璃可以达到的温度范围内（500-750°C）可挥发并且热解的前置物。一种摆脱基体温度并因此扩大可以在CVD使用的前置物范围并因此扩大可沉积材料范围的可能性是使传统的CVD（如有需要在更低温度）与等离子体装置结合。
可以借助任何等离子体进行PECVD（等离子体强化化学蒸汽沉积）：冷等离子体（失衡）或热等离子体（平衡）。一般优选冷等离子体。等离子体的有效品种（电子、离子、亚稳等）一般具有几个电子伏（eV）的能量，因此能够导致化学前置物的分离或活化。
为了保持等离子体失衡，常常需要在低压下工作。因此，大部分已知的PECVD技术使用低压等离子体。但是，为了将该方法用于工业目的，必须使成本最低。因此工业方面对把低压等离子体技术转向在压力接近大气压的范围运行的等离子体技术有日益增长的兴趣。
另外，在不同状态的等离子体的沉积方法中区别均匀等离子体的状态（名为“辉光放电等离子体”）。它可以非常均匀地沉积，并要求的能量水平比较低。相反，它更慢，必须使其局限于更严格的频率范围，使其保持稳定，因此限制可以进行沉积的化学品种的成分。
如果增加等离子体的能量，则有导致出现电弧的危险。电极之间插入电解质可以保持“辉光放电”与出现电弧之间的中间状态：该状态叫做“丝状（filamentaire）”状态。非常不稳定的“丝状”传递高能量，因此可以缩短处理时间，即加速基体的行进。另外，由于丝状体的随机动作，反常地得到非常均匀的沉积材料分布率。在著作中已经长篇描述了这两种技术的实施，因此是本领域技术人员所熟悉的。
力求使传统CVD处理方法的可能性与大气压下的等离子体方法的可能性结合。申请人的选择在于使用介质阻挡放电（DBD）。实际上，与其它等离子体方法相比，DBD方法具有以下优点：既在低压运行又在大气压运行，并且可以在大面积上进行连续处理，这意味着可以产生大约兆瓦（MegaWatt）的有功功率。
注意到在通过DBD方法形成沉积时沉积是对称的，即沉积在基体和电极上的材料量在单位时间内是相同的。
在电极上的沉积是不希望的，并且对该方法在大容量工业应用中的开发构成很大制约，因为它通过改变电极间空间迅速干扰靶基体上涂层的质量，电极间空间构成保证形成均匀涂层的主要数据。
因此，经常清洗是必不可少的，这导致损失生产率，以及在连续生产方法中涂层沉积设备加倍，以便可以进行交替清洗。
然而，人们发现，等离子体中形成的化学品种是正离子形式或负离子形式。这就是说，参与到在要覆盖的材料上形成涂层的过程中的化学品种不是电中性的。
发明内容
本发明的第一目的是通过高压电极的极化减少甚至消除高压电极上的寄生沉积。
本发明的另一目的是通过在交流半周上增加电压提高涂层沉积方法的效率，在交流半周期间希望的化学品种沉积在基体上。
本发明的第一目标是在无机基体上沉积涂层的方法，其特征在于该方法包括以下操作：
－使基体进入反应室中，或者使基体在反应室中行进，定位在基体的两侧的至少两个电极布置在反应室中，至少一介质阻挡布置在所述至少两个电极之间；
－使幅度和频率稳定的电源运行，所述幅度和频率稳定的电源包括特高压（THT）和高频（HF）变压器，所述特高压和高频变压器包括次级电路，所述至少两个电极与所述次级电路的端子连接；
－在该特高压和高频变压器的次级电路中产生具有稳定高频值的电压，使得具有稳定高频值的电压在反应室中在所述至少两个电极之间产生丝状等离子体，所述丝状等离子体由电子、中性品种（espèces）、正离子和负离子、稳定和激发状态的品种组成；
－使与THT/HF变压器串联布置的直流电源（DC）运行——所述直流电源用于产生与由变压器产生的交流电压重迭的直流电压，以按照交流电压的值增加基体的极性并减小电极的极性，或者反之亦然；
－在反应室中引入混合物，该混合物的成分与等离子体接触后分解并产生能够在基体上大部分或全部沉积成涂层的品种；
－使基体在反应室中保持足够的一时间间隔，以便在其表面的至少一个上得到所需厚度的涂层。
要指出的是，本发明的方法按操作定义，而不是按阶段定义，即一系列操作不是必须按照上面列出的顺序进行。
反应室可以是封闭系统，如在“离线”方法中实施的，或者是开放系统，例如在玻璃基体上的涂层沉积线的“在线”方法。
一般地，电压在1kV至50kV之间。
一般，引入到反应室中的混合物包括以Ti、Si、Zr、Sn和Al为基础的有机金属气体预置物，或它们的混合物，它们能够形成可以沉积以便在基体上形成金属或金属氧化物层的化学品种，但这不是限定性的。混合物还可包括其它物质，如媒介气体，氧化物，水，以Sn、F、Ln等为基础的金属氧化物掺杂剂，根据沉积技术对本领域的技术人员知晓它们使用的比例。
时间间隔一般在1秒至1分钟之间，优选在10秒至50秒之间。得到的涂层的厚度也是可变的，通常在几纳米至几百纳米之间，一般在1纳米至1000纳米之间。
该方法另外包括调节DC电源值的操作，使得交流电压在极性方向之一中达不到起弧的值。
本发明的另一目标是用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，该装置包括反应室，所述反应室包括混合物，混合物的成分使得在接触等离子体后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉积成涂层的品种，其中之一带有高压的至少两个电极布置在反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间；并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，其中，一直流电源（DC）串联插在次级电路中，使得在等离子体中产生的呈正电离子或负电离子形式的化学品种被靶基体有选择地吸引并且被相应电荷的电极排斥，所述靶基体进入反应室中并布置在所述至少两个电极之间。
由于直流电源DC与变压器次级电路的这种串联设置，避免存在AC电压的自隔直流（selfs de blocage）。尤其是这具有简化电安装并因此降低工业规模的实施成本的优点。
串联插在THT/HF变压器次级电路中的DC电源，其DC电压优选在1kV－15kV之间，可以使电极上不希望的沉积减少3%-7%。根据一有利的调节方式，DC电源产生的DC电压在15.1kV－100kV之间，可以使电极上的不希望沉积至少减少7%。
作为特殊的例子，在20kV－100kV之间，更最好在20kV－80kV之间的DC电压使不希望的沉积至少减少15%，特别是至少减少35%。特别是，对20、40、60、80kV的电压，使沉积分别减少15%、25%、30%和35%。
反应室可以是封闭系统，如“离线”方法中实施的，或者是开放系统，如在玻璃上沉积涂层的生产线的“在线”方法中实施的。因此，基体可以穿过反应室行进，或者布置在反应室中。
根据一有利实施方式，借助通过取自THT/HF发生器的一部分HF电压直接供电的整流电路得到DC电源。
装置优选包括转换器，所述转换器能够转换正极和负极，以便使电极相对靶基体正极化或者负极化。
有利地设置极化电压的调节部件，如电位器，使得所述极化电压允许等离子体只能在正的或负的半交流半周上起弧，极化使得等离子体产生在电极具有与负责涂层沉积的化学品种相反的符号时产生负责沉积涂层的化学品种。
DC电源的极性有利地被一电容器短路，该电容器的阻抗比放电元件构成的阻抗小至少1000倍，放电元件的值一般为几百pF。
有利地，该装置包括直接与变压器串联的隔直流电容器，以避免电流的直流分量干扰该THT/HF变压器的运行。该隔直流电容器的值一般为几个μF。
本发明的方法和装置的第一个优点是减少甚至消除高压电极上的寄生沉积，对等离子体的放电水平不产生干扰，如改变介电常数和电极间空间，因此不再需要中断方法，以便进行电极清洗。
本发明方法的另一优点是带有高压的电极的极化可以在交流半周上实施电压增加，在交流半周期间涂层沉积在基体上进行。对于给定的电极间距离，该电压增加可以提高材料的效率以及沉积速度。对于给定的沉积速度或材料效率，该电压增加还可以增加分开电极的空间。
本发明的装置和方法非常有利地适于在基体如浮法玻璃上沉积有机涂层和/或无机涂层，如金属、金属氧化物和聚合物涂层，即如上所述，在生产浮法玻璃时“在线”实施。
本发明还涉及使用用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，该装置包括反应室，反应室包括混合物，混合物的成分使得在接触等离子体后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉积成涂层的品种，其中一个带有高压AC的至少两个电极布置在所述反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间；并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，一直流电源（DC）串联插在次级电路中，以减少或消除带有高压AC的电极上的不希望的沉积。
非常有利的是，DC电源的DC电压在20kV－100kV之间，更优选在20kV－80kV之间，从而导致不希望的沉积减少至少15%，特别是减少至少35%。
本发明另外涉及使用用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，该装置包括反应室，所述反应室包括混合物，所述混合物的成分使得在接触等离子后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉积成涂层的品种，其中一个带有高压AC的至少两个电极布置在反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间；并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，其中，一直流电源（DC）串联插在次级电路中，以通过在交流半周上增加电压提高沉积涂层方法的效率，在所述交流半周期间希望的品种沉积在基体上。
上面确定的装置的优选特征这里也适用于所述装置的使用范围。
附图说明
下面参照附图更详细地描述本发明的这些方面和其它方面，其中：
图1是串联极化模式的简化示意图；
图2是在变压器的次级电路上具有电压提取（prélèvement detension）并整流的极化模式的简化示意图；
图3是示出两个直流电压和交流电压的重迭效应的线图。
附图没有按比例画出。通常，相似的元件在附图中用相似的附图标记表示。
具体实施方式
本发明涉及介质阻挡放电（DBD）装置的元件的直流（DC）极化的方法和装置，介质阻挡放电装置可以减少或消除该元件的电极之一上任何不希望的沉积，例如对在20kV至100kV之间的电压，减少至少15%，特别是减少至少35%。电极用于生成等离子体，该等离子体产生正电离子或负电离子形式的化学品种，这些化学品种在例如是玻璃体积的靶基体上通过沉积形成一涂层。
该功能可以通过电极的DC极化得到改进，这样可以减少或消除所述电极上任何不希望的沉积。实际上，高压电极的极化可以排斥相同符号的电荷，因此减少在该电极上形成不希望的沉积。实际上，在这种情况下，只有具有与电极的符号相反符号的品种，一般为离子化分子被电极吸引，因此可以沉积在电极上，这明显减缓了不希望的沉积。
如图3所示，可以调节极化电压，使得极化电压允许等离子体只能在半交流半周（正的或负的）上起弧。通过施加极化这是可能的，使高压电极与地线之间产生的电压低于等离子体的起弧电压。从此可以避免任何与正的或负的半交流半周有关的沉积。负责沉积涂层的化学品种在被吸引向电极的半周期间不再产生，则寄生沉积几乎被消除。
在THT/HF变压器的次级电路中串联插入优选在2kV-15kV的DC电源并按照15.1kV-100kV的有利调节模式得到该极化模式。作为特殊例子，在20kV-100kV之间，优选在20kV-80kV之间的DC电压值使不希望的沉积减少至少15%，特别是减少至少35%。特别是，对20、40、60、80kV的电压，分别减少15%、25%、30%和35%。
更确切地说，DC电源插在高压变压器的次级电路与自感补偿的“冷”连接和接地的地线之间，如图1所示。在某些情况下，为了避免直流分量干扰THT/HF高压变压器的运行，导致它的铁芯的磁饱和，有利地插入直接与变压器串联布置的隔直流电容器Cc。
具有浮动极的DC电源可以根据不同类型的涂层正极化或负极化。正极和负极可以转换，以便使电极相对靶基体正极化或负极化。DC电源的极被一电容器分流，该电容器的阻抗比放电元件的电容器的阻抗小至少1000倍，它实际上是在其中进行表面处理作业的等离子室的电等值体。在DC电源上并联的电容器具有这样一值，使得其阻抗明显小于放电元件的阻抗，以便不干扰系统电容部分（Cp）和自补偿的感应部分之间通过耦合形成的共振电路的运行。
在需要高生产节奏的大功率设备的情况下，通过提取一部分高频电压产生极化DC电压可能是有利的。如图2所示，借助通过取自THT/HF发生器的一部分THT/HF电压直接供电的整流电路得到DC电源。
对本领域的技术人员，显然本发明不局限于上面示出和描述的例子。本发明包括每个新的特征以及它们的组合。附图标记的存在不应看作是限制性的。术语“包括”的使用不能以任何方式排除上述元件以外的其它元件的存在。冠词“一”的使用用于引入一元件而不排除存在多个这些元件。已经参考特定实施例对本发明进行了描述，这些实施例只具有单纯示例的价值，因此不应认为是限制性的。
Claims (15)
1.用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，所述装置包括反应室，所述反应室包括混合物，所述混合物的成分使得在接触等离子体后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉积成涂层的品种，其中之一带有高压AC的至少两个电极布置在所述反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间；并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，
其特征在于，一直流电源（DC）串联插在所述次级电路中，使得在等离子体中产生的呈正电离子或负电离子形式的化学品种被靶基体有选择地吸引并且被带有相应电荷的电极排斥，所述靶基体进入所述反应室中并布置在所述至少两个电极之间。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，插在THT变压器的HF电路中的DC电源在1kV-15kV之间。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，插在THT变压器的HF电路中的DC电源产生的DC电压在15.1kV-100kV之间。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，由DC电源产生的DC电压在20kV-100kV之间，更优选在20kV-80kV之间。
5.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，借助通过取自THT发生器的一部分THT/HF电压直接供电的整流电路得到DC电源。
6.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括转换器，所述转换器能够转换正极和负极，以便使电极相对所述靶基体或者正极化或者负极化。
7.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括极化电压的调节部件，使得所述极化电压允许等离子体只能在正的或负的半交流半周上起弧，极化使得等离子体产生在电极具有与负责涂层沉积的化学品种相反的符号时产生负责涂层沉积的化学品种。
8.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，DC电源的极性被一电容器短路，该电容器的阻抗比放电元件构成的电容器的阻抗小至少1000倍。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括隔直流电容器，所述隔直流电容器与所述变压器直接串联布置，以避免电流的直流分量干扰所述THT/HF变压器的运行。
10.在无机基体上沉积涂层的方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：
－使基体进入反应室中或使基体在所述反应室中行进，定位在基体的两侧的至少两个电极布置在所述反应室中，至少一介质阻挡布置在所述至少两个电极之间；
－使幅度和频率稳定的电源运行，所述幅度和频率稳定的电源包括特高压（THT）和高频（HF）变压器，所述特高压和高频变压器包括次级电路，所述至少两个电极与所述次级电路的端子连接；
－在所述特高压和高频变压器的次级电路中产生具有稳定高频值的电压，使得具有稳定高频值的电压在所述反应室中在所述至少两个电极之间产生丝状等离子体，所述丝状等离子体由电子、中性品种、正离子和负离子、稳定和激发状态的品种组成；
－使与THT/HF变压器串联布置的直流电源（DC）运行——所述直流电源用于产生与由变压器产生的交流电压重迭的直流电压，以便按照所述交流电压的值增加基体的极性并减小电极的极性，或者反之亦然；
－在所述反应室中引入混合物，所述混合物的成分使得与等离子体接触后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉淀成涂层的品种；
－使基体在所述反应室中保持足够的一时间间隔，以便在其表面的至少一个上得到所希望厚度的涂层。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法另外包括以下操作：
－调节DC电源的值，使得交流电压在极性方向之一中达不到起弧的值。
12.如权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述方法包括使极性相对基体反向。
13.使用用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，所述装置包括反应室，所述反应室包括混合物，所述混合物的成分使得在接触等离子体后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉淀成涂层的品种，其中一个带有高压AC的至少两个电极布置在所述反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间；并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，
其特征在于，一直流电源（DC）串联插在所述次级电路中，以减少或消除带有高压AC的电极上不希望的沉积。
14.如权利要求13所述的使用，其特征在于，所述DC电源的DC电压在20kV-100kV之间，更优选在20kV-80kV之间，导致不希望的沉积减少至少15%，特别是减少至少35%。
15.使用用于通过能够产生丝状等离子体的介质阻挡放电来处理基体的表面的装置，所述装置包括反应室，所述反应室包括混合物，所述混合物的成分使得在接触等离子体后混合物分解并产生能够在基体上大部分或全部沉淀成涂层的品种，其中一个带有高压AC的至少两个电极布置在所述反应室中，所述至少两个电极位于基体的两侧，至少一介质阻挡（DBD）布置在所述至少两个电极之间；并且所述装置包括具有次级电路的THT/HF变压器，
其特征在于，一直流电源（DC）串联插在所述次级电路中，以通过在交流半周上增加电压提高沉积涂层方法的效率，在所述交流半周期间希望的品种沉积在基体上。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Granted publication date: 20150429 |
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