CN104869740B - 一种电容式等离子体电极的上电极 - Google Patents

Abstract

一种电容式等离子体电极的上电极，为轴对称结构，分为上盖及直筒(25)两部分，上盖及直筒(25)焊接为一体。上盖包括两个直径不同金属直筒、两个内外径不同金属圆环及第一绝缘环(7)。上盖中，小直径金属直筒(41)、小内径金属圆环(42)、大直径金属圆筒(51)、大内径金属圆环(52)、第一绝缘环(7)依次上下同轴布置。第一绝缘环(7)固定在大内径金属圆环(52)的底面。在大内径金属圆环(52)与大直径金属直筒(51)焊接的一面，布置有一对管式加热器电源接入端(24)。直筒(25)外壁的下部布置有冷却液进口(23)，上部有冷却液出口(22)，冷却液通过冷却液进口(23)及冷却液出口(22)与外部循环装置连接。

Description

一种电容式等离子体电极的上电极

技术领域

本发明涉及一种等离子体电极，特别涉及一种带有内部加热器的电容式等离子体电极的上电极。

背景技术

等离子体实验研究的起步时期可追溯到19世纪30年代，英国的M.法拉第以及其后的J.J汤姆孙、J.S.E汤森德等人相继研究气体放电现象，1879年英国的W.克鲁克斯使用“物质第四态”这个名词描述气体放电管中的电力气体，到了1928年美国的I.朗缪尔首先引入等离子体这个词。

目前，等离子体的应用已经扩展到许多领域，如机械加工、化工、冶金、表面处理、气动热模拟等等。在新能源领域的太阳能电池制造过程中，等离子体被充分使用，如减反膜、导电膜、各类钝化膜的制备，都需通过等离子体的参与来实现。等离子体的产生主要是通过电荷积累到一定量级后击穿介质产生，用于电荷积累的电极结构基本可分为电感式及电容式两种，在太阳能电池应用方面，大多数采用电容式，其原因是电容式具有较均匀的平行的等离子区域，能制备均匀性更好的薄膜，也就是说电容结构对获得更理想的光学及电学性能具有优先选择性，尤其在解决更大的面积、更均匀的等离子区域、更快的介质(气体)分解速率等问题上，具有突出优势，对其结构设计的改进也一直未停止过。

所述的电容式等离子电极是在真空环境中使用的，其结构为：两具有相近几何形状的相互平行的保持一定间距的金属板/盒；与电源物理连接金属板/盒通常称为上电极，需分解的气体一般由上电极中喷出，以提高沉积薄膜的性能；另一与大地物理连接的通常称为下电极，需沉积薄膜的基片放置于此位置；为获得更好薄膜，会在下电极设置一加热器来提高衬底温度；当气体通入上、下电极之间并施加电源功率后，气体被电离，并在衬底上沉积上薄膜；薄膜的质量与气体电离程度有着直接的关系。

为使气体能够充分被电离，大多数用户采用给气体加热的方法，基本划分成两类。一类是在等离子设备内部的上电极及下电极周边加装加热器，虽会使气体电离得到改善，但也会有不能完全解决及新出现的问题，其一是等离子腔内部会有大量薄膜沉积，造成对地的绝缘发生变化，其二是气体通入后下电极温度会下降，温度回升过程会有大量气体浪费；另一类是在等离子设备外部进气管路上加装加热器，以改善气源温度问题，但也存在问题，进气管路直径较小，在其外部加装加热器后若控温不好，一些易分解气体会在进气管内壁沉积，进而引起阻塞，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是克服现有电容式等离子体电极中的具有气体喷淋功能的上电极的缺点，提出一种新的具有气体加热及离子选择功能的喷淋式上电极。

本发明电容式等离子体电极的上电极为轴对称结构，由上盖及直筒两部分组成，上盖及直筒焊接为一体。

所述的上盖包括两个直径不同金属直筒、两个内外径不同的金属圆环及第一绝缘环。小直径金属直筒的外径与小内径金属圆环的内径相等，小内径金属圆环的外径与大直径金属直筒的内径相等，大直径金属直筒的外径与大内径金属圆环的内径相等。第一绝缘环的外径小于大内径金属圆环的外径，第一绝缘环的内径大于大内径金属圆环的内径。

小直径金属直筒、小内径金属圆环、大直径金属圆筒、大内径金属圆环、第一绝缘环依次上下同轴布置。大直径金属直筒的下端与大内径金属圆环的内圈对应焊接，大直径金属直筒的上端与小内径金属圆环外圈对应焊接。小内径金属圆环的内圈与小直径金属直筒的下端对应焊接，小直径金属直筒的上端开口，用于气体进口。

第一绝缘环用螺钉固定在大内径金属圆环的底面。

在大内径金属圆环与大直径金属直筒焊接的一面布置有一对管式加热器电源接入端。该管式加热器电源接入端位于大内径金属圆环上的一个同心圆周上，此圆周的直径大于大直径金属直筒的外径，小于大内径金属圆环外径。两个管式加热器电源接入端的连线穿过大直径金属直筒的圆心和大内径金属圆环的圆心。管式加热器电源接入端采用卡套结构。大直径金属直筒内腔为小容积空间，第一绝缘环内腔为大容积空间。大容积空间和小容积空间连通，用于气体缓冲。气体由小直径金属直筒一端的气体进口进入小直径金属直筒，然后进入大直径金属直筒内腔，充满由大直径金属直筒内腔形成的小容积空间后，流入第一绝缘环内腔形成的大容积空间，并充满此大容积空间，实现气体流入缓冲。

所述的直筒为金属制作。直筒的外径与上盖的大内径金属圆环的外径相等，直筒的内径大于上盖的第一绝缘环的外径。直筒的筒壁为双层。双层直筒壁的内腔为中空区域，该中空区域为通入冷却液用的冷却液槽，直筒外壁的下部布置有与冷却液槽连通的冷却液进口，直筒外壁的上部布置有与冷却液槽连通的冷却液出口。冷却液通过与该冷却液槽连通的冷却液进口及冷却液出口与外部循环装置连接。

上盖布置有第一绝缘环的一端插入直筒中，与直筒焊接为一整体。

直筒内从上至下依次布置有第一多孔板、管式加热器、第二多孔板和第三多孔板。在第一多孔板、管式加热器、第二多孔板和第三多孔板之间布置有金属环或绝缘环，布置于直筒内所有金属环及绝缘环的内径相等，布置于直筒内所有金属环及绝缘环的外径相等。布置于上盖的第一绝缘环的内径与直筒内所有金属环及绝缘环内径相等，第一绝缘环外径小于直筒内所有金属环及绝缘环外径。直筒内所有金属环及绝缘环用于将第一多孔板、管式加热器、第二多孔板和第三多孔板相互隔离，直筒内部件用螺钉依次固定在直筒内。第一多孔板、第二多孔板和第三多孔板为金属材料制作。第一多孔板外径小于第一绝缘环外径，第一多孔板与直筒壁之间有间隙，该间隙用于管式加热器电源接入端。

第一多孔板布置于第一绝缘环下，用螺钉与第一绝缘环固定。第二绝缘环包裹在第一多孔板的外周。第二绝缘环圆周上开有两个通孔，两个通孔分别与上盖的两个管式加热器电源接入端对应。管式加热器的电源引出端穿过第二绝缘环上的通孔，再穿出上盖的管式加热器的电源接入端，通过电源接入端的卡套固定。

管式加热器布置于第一多孔板下面，管式加热器的两端安装有绝缘材料端子，管式加热器两端的绝缘材料端子分别紧贴第一多孔板和第二多孔板，使管式加热器与第一多孔板及第二多孔板相互绝缘。

第二多孔板布置于管式加热器的下面，第二多孔板的一面紧贴管式加热器的绝缘材料端子，另一面布置有一金属环，金属环下面布置有第三绝缘环。第二多孔板、第三绝缘环及金属环通过螺钉与直筒壁固定。

第三多孔板布置在第三绝缘环的下面，第三多孔板下面布置有第四绝缘环。第三多孔板、第四绝缘环通过螺钉与直筒壁固定。

第五绝缘环布置于第四绝缘环的下面，第六绝缘环布置于第五绝缘环的下面，第五绝缘环、第六绝缘环通过螺钉与直筒壁固定。

附图说明

图1电容式等离子电极结构示意图，图中：1上电极，2下电极，3电源；

图2a本发明上电极方形多孔板结构示意图；

图2b本发明上电极圆形多孔板结构示意图；

图3a本发明上电极圆形管式电加热器示意图

图3b本发明上电极方形管式电加热器示意图；

图4a本发明上电极上盖外形示意图，图中：7第一绝缘环，24管式加热器电源接入端，41小直径金属直筒，42小内径金属圆环，51大直径金属圆筒，52大内径金属圆环；

图4b本发明上电极上盖结构剖视图，图中：4气体进口，5小容积空间，6大容积空间，7第一绝缘环，24管式加热器电源接入端，41小直径金属直筒，42小内径金属圆环，51大直径金属圆筒，52大内径金属圆环；

图5a本发明上电极直筒外形示意图，图中：22冷却液出口，23冷却液进口，25直筒；

图5b本发明上电极直筒结构剖视图，图中：8第一多孔板，9第二绝缘环，10第二多孔板，11第二绝缘环，12金属环，13第三绝缘环，14第四绝缘环，15第五绝缘环，16第六绝缘环，17第三多孔板，18冷却液槽，19管式加热器，20绝缘材料端子，21第二多孔板与第三多孔板间间隙，22冷却液出口，23冷却液进口，25直筒；

图6本发明上电极上盖与直筒装配外形示意图，图中：7第一绝缘环，22冷却液出口，23冷却液进口，24管式加热器电源接入端，25直筒，41小直径金属圆筒，42小内径金属圆环，51大直径金属圆筒，52大内径金属圆环；

图7a本发明上电极上盖及直筒焊接后外形结构示意图，图中：4气体进口，5小容积空间，22冷却液出口，23冷却液进口，24管式加热器电源接入端，25直筒；

图7b本发明上电极上盖及直筒焊接后结构剖视图，图中：4气体进口，5小容积空间，6大容积空间，7第一绝缘环，8第一多孔板，9第二绝缘环，10第二多孔板，11第二绝缘环，12金属环，13第三绝缘环，14第四绝缘环，15第五绝缘环，16第六绝缘环，17第三多孔板，18冷却液槽，19管式加热器，20绝缘材料端子，21第二多孔板与第三多孔板间间隙，22冷却液出口，23冷却液进口，24管式加热器电源接入端，25直筒；

图8本发明上电极直筒内的部件装配顺序示意图，图中：4气体进口，5小容积空间，8第一多孔板，9第二绝缘环，91第二绝缘环上通孔，10第二多孔板，11第二绝缘环，12金属环，13第三绝缘环，14第四绝缘环，15第五绝缘环，16第六绝缘环，17第三多孔板，19管式加热器，22冷却液出口，23冷却液进口，24管式加热器电源接入端，25直筒；

图9本发明上电极管式加热器外接电源引出端与上盖处外接电源接入端连接示意图，图中：24管式加热器电源接入端，26密封垫圈，27管式加热器加热管外壳，28固定螺帽，52大金属圆环；

图10本发明上电极管式电加热器加热管与绝缘材料端子装配示意图，图中：29绝缘材料端子，27管式加热器加热管外壳。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为电容式等离子电极结构示意图，图中：上电极1，下电极2，电源3。上电极1与下电极2相对布置，由电源3供电。

本发明上电极为轴对称结构，分为上盖及直筒25两部分，上盖及直筒25焊接为一体，如图7a及图7b所示。

如图4a和图4b所示，所述的上盖包括两个直径不同金属直筒、两个内外径不同金属圆环及第一绝缘环7。小直径金属直筒41的外径与小内径金属圆环42的内径相等，小内径金属圆环42的外径与大直径金属直筒51的内径相等，大直径金属直筒51的外径与大内径金属圆环52的内径相等。第一绝缘环7的外径小于大内径金属圆环52的外径，第一绝缘环7的内径大于大内径金属圆环52的内径。

上盖中，小直径金属直筒41、小内径金属圆环42、大直径金属圆筒51、大内径金属圆环52、第一绝缘环7依次上下同轴布置。大直径金属直筒51的上端与大内径金属圆环52的内圈对应焊接，大直径金属直筒51的下端与小内径金属圆环42的外圈对应焊接。小内径金属圆环42的内圈与小直径金属直筒41的下端对应焊接，小直径金属直筒41的上端开口，为气体进口4。

第一绝缘环7用螺钉固定在大内径金属圆环52的底面。

在大内径金属圆环52与大直径金属直筒51焊接的一面，布置有一对管式加热器电源接入端24。该管式加热器电源接入端24位于大内径金属圆环52上的一个同心圆周上，此圆周的直径大于大直径金属直筒51的外径，小于大内径金属圆环52外径。两个管式加热器电源接入端24的连线穿过大直径金属直筒51的圆心和大内径金属圆环52的圆心。管式加热器电源接入端24采用卡套结构。大直径金属直筒51的内腔为小容积空间5，第一绝缘环7的内腔为大容积空间6。大容积空间6和小容积空间5连通，用于气体缓冲。气体由气体进口4进入小直径金属直筒41，然后进入大直径金属直筒51的内腔，充满由大直径金属直筒51内腔形成的小容积空间5后，流入第一绝缘环7内腔形成的大容积空间6并充满此大容积空间，实现气体流入缓冲的目的。

如图5a所示，所述的直筒25为金属制作。直筒25外壁的下部布置有冷却液进口23，上部布置有冷却液出口22，冷却液通过冷却液进口23及冷却液出口22与外部循环装置连接。

所述直筒25的内部结构如图5b所示。

直筒25内从上至下依次布置有第一多孔板8、管式加热器19、第二多孔板10和第三多孔板17。在第一多孔板8、管式加热器19、第二多孔板19和第三多孔板17之间布置有金属环或绝缘环。如图8所示，布置于直筒25内所有金属环及绝缘环外径与直筒内径相等，布置于直筒内所有金属环及绝缘环的内径相等，布置于直筒内所有金属环及绝缘环的外径相等，布置于上盖的第一绝缘环7的内径与直筒内所有金属环及绝缘环的内径相等，第一绝缘环7的外径小于直筒内所有金属环及绝缘环的外径。直筒内的金属环及绝缘环用于隔离或连接第一多孔板8、管式加热器19、第二多孔板10和第三多孔板17，直筒内的上述部件用螺钉依次固定在直筒25内壁上。

第一多孔板8、第二多孔板10和第三多孔板17为金属材料制作。

第一多孔板8的外径小于第一绝缘环7的外径，第一多孔板8与直筒壁之间有间隙，该间隙用于引出管式加热器19电源引出端。

如图8所示，第一多孔板8布置于第一绝缘环7下面，通过螺钉与第一绝缘环7固定。第二绝缘环9包裹在第一多孔板8的外周。第二绝缘环9的圆周上开有两个通孔91，两个通孔91分别与上盖的两个管式加热器电源接入端24对应。管式加热器的电源引出端穿过第二绝缘环上的通孔91，再穿出上盖的管式加热器的电源引出端24的端口，通过电源引出端口24的密封垫圈26及固定螺帽28，将管式加热器加热管外壳27固定，如图9所示。

管式加热器19布置于第一多孔板8的下面，管式加热器19的两端安装有绝缘材料端子20，管式加热器两端的绝缘材料端子20分别紧贴第一多孔板8和第二多孔板10，使管式加热器19与第一多孔板8及第二多孔板10相互绝缘，如图5b所示。

第二多孔板10布置于管式加热器19的下面，第二多孔板10的一面紧贴管式加热器的绝缘材料端子20，另一面布置有一金属环12，金属环12的下面布置有第三绝缘环13。第二多孔板10、第三绝缘环13及金属环12通过螺钉与直筒25的内壁固定。

第三多孔板17布置在第三绝缘环13的下面，第三多孔板17的下面布置有第四绝缘环14。第三多孔板17、第四绝缘环14通过螺钉与直筒25的内壁固定。

第二多孔板10与第三多孔板17间有间隙21。

第五绝缘环15布置于第四绝缘环14的下面，第六绝缘环16布置于第五绝缘环15的下面，第五绝缘环15、第六绝缘环16通过螺钉与直筒25的内壁固定。

直筒25的筒壁为双层，双层的直筒壁为中空结构，直筒壁内的中空区域18为一通入冷却液的密闭区域。冷却液通过与该密闭区域连通的冷却液进口23及冷却液出口22与外部循环装置连接。

第三多孔板17上的通孔与第一多孔板8的通孔、第二多孔板10的通孔同心。

如图6所示，上盖布置有第一绝缘环7的一端插入直筒25中，与直筒25焊接为一整体，成为一体的上盖外形如图7a所示。

直筒25的外径与上盖的大内径金属圆环52外径相等，直筒25的内径大于上盖的第一绝缘环7的外径。

本发明电容式等离子体电极的上电极为轴对称结构，上述实施例的外形为圆形，安装在直筒25内的部件，如多孔板设计为圆形，如图2b所示。所述的上电极还可设计成方形，相应的，安装在直筒25内的部件，如多孔板，设计为方形，如图2a所示。相应的，管式加热器也需根据直筒的形状设计为圆形或方形，如图3a及图3b所示。

本发明的工作过程如下：

气体经气体进口4流入，到达小容积空间5后流速减缓，逐渐充满小容积空间5，实现第一次的气体缓冲。然后流入大容积空间6，并逐渐充满大容积空间6，实现第二次的气体缓冲。在两次缓冲过程，一是完成均匀混气，二是完成气体预热过程，即在此过程中气体会吸收来自第一多孔板8辐射的管式加热器19的部分热量。

经过混气及预热后的气体，穿过第一多孔板8上的通孔，到达管式加热器的加热管间隙处，在此间隙处被加热。加热后的气体穿过第二多孔板10，到达第二多孔板10及第三多孔板17之间的间隙21处，加热后的气体在此处被电离，形成等离子体。仅有自由程或能量相近的离子进入第三多孔板17的通孔并均匀喷出，到达下电极，在下电极的基片上形成薄膜。

在上述过程中，冷却液槽18保护上电极不会因温度过高发生变形。

Claims (9)

1.一种电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的上电极为轴对称结构，分为上盖及直筒(25)两部分，上盖及直筒(25)焊接为一体；

所述的上盖包括两个直径不同金属直筒、两个内外径不同金属圆环及第一绝缘环(7)；上盖中，小直径金属直筒(41)、小内径金属圆环(42)、大直径金属圆筒(51)、大内径金属圆环(52)、第一绝缘环(7)依次上下同轴布置；第一绝缘环(7)固定在大内径金属圆环(52)的底面；在大内径金属圆环(52)与大直径金属直筒(51)焊接的一面，布置有一对管式加热器电源接入端(24)；

所述的直筒(25)外壁的下部布置有冷却液进口(23)，上部有冷却液出口(22)，冷却液通过冷却液进口(23)及冷却液出口(22)与外部循环装置连接；

所述的大直径金属直筒(51)的内腔为小容积空间(5)，第一绝缘环(7)的内腔为大容积空间(6)；大容积空间(6)和小容积空间(5)连通，用于气体缓冲；

所述的直筒(25)内从上至下依次布置有第一多孔板(8)、管式加热器(19)、第二多孔板(10)和第三多孔板(17)；在第一多孔板(8)、管式加热器(19)、第二多孔板(19)和第三多孔板(17)之间布置有金属环或绝缘环，所述的金属环及绝缘环用于隔离或连接第一多孔板(8)、管式加热器(19)、第二多孔板(10)和第三多孔板(17)；第一多孔板(8)、管式加热器(19)、第二多孔板(10)、第三多孔板(17)、金属环和绝缘环固定在直筒(25)的内壁上；第三多孔板(17)的通孔与第一多孔板(8)的通孔、第二多孔板(10)的通孔同心。

2.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的金属环及绝缘环的外径与直筒(25)的内径相等；所述的金属环及绝缘环的内径相等，所述的金属环及绝缘环的外径相等；第一绝缘环(7)的内径与所述的金属环及绝缘环的内径相等，第一绝缘环(7)的外径小于所述的金属环及绝缘环的外径。

3.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的第一多孔板8的外径小于第一绝缘环(7)的外径，第一多孔板(8)与直筒壁之间有间隙，该间隙用于引出管式加热器电源引出端。

4.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的第一多孔板(8)布置于第一绝缘环(7)下面，通过螺钉与第一绝缘环(7)固定；第二绝缘环(9)包裹在第一多孔板(8)的外周；第二绝缘环(9)的圆周上开有两个通孔(91)，两个通孔(91)分别与上盖的两个管式加热器电源接入端(24)对应；管式加热器的电源引出端穿过第二绝缘环上的通孔，再穿出上盖的管式加热器的电源引出端(24)的端口，通过电源引出端口的密封垫圈(26)及固定螺帽(28)，将管式加热器加热管外壳(27)固定；

管式加热器(19)布置于第一多孔板(8)的下面，管式加热器(19)的两端安装有绝缘材料端子(20)，管式加热器两端的绝缘材料端子(20)分别紧贴第一多孔板(8)和第二多孔板(10)；

第二多孔板(10)布置于管式加热器(19)的下面；第二多孔板(10)的一面紧贴管式加热器的绝缘材料端子(20)，另一面布置有一金属环(12)；金属环(12)的下面布置有第三绝缘环(13)；第二多孔板(10)、第三绝缘环(13)及金属环(12)固定于直筒(25)的内壁；

第三多孔板(17)布置在第三绝缘环(13)的下面；第三多孔板(17)的下面布置有第四绝缘环(14)；第三多孔板(17)、第四绝缘环(14)固定于直筒25的内壁；

第二多孔板(10)与第三多孔板17间有间隙(21)；

第五绝缘环(15)布置于第四绝缘环(14)的下面，第六绝缘环(16)布置于第五绝缘环(15)的下面，第五绝缘环(15)、第六绝缘环(16)固定于直筒(25)的内壁。

5.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的直筒(25)的筒壁为双层，双层的直筒壁为中空结构；直筒壁内的中空区域(18)为一通入冷却液的密闭区域；冷却液通过与该密闭区域连通的冷却液进口(23)及冷却液出口(22)与外部循环装置连接。

6.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的小直径金属直筒(41)的外径与小内径金属圆环(42)的内径相等，小内径金属圆环(42)的外径与大直径金属直筒(51)的内径相等，大直径金属直筒(51)的外径与大内径金属圆环(52)的内径相等；第一绝缘环(7)的外径小于大内径金属圆环(52)的外径，第一绝缘环(7)的内径大于大内径金属圆环(52)的内径。

7.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的大直径金属直筒(51)的上端与大内径金属圆环(52)的内圈对应焊接，大直径金属直筒(51)的下端与小内径金属圆环(42)的外圈对应焊接；小内径金属圆环(42)的内圈与小直径金属直筒(41)的下端对应焊接，小直径金属直筒(41)的上端开口，为气体进口(4)。

8.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的直筒(25)的外径与上盖的大内径金属圆环(52)外径相等，直筒(25)的内径大于上盖的第一绝缘环(7)的外径；上盖布置有第一绝缘环(7)的一端插入直筒(25)中，与直筒(25)焊接为一整体。

9.按照权利要求1所述的电容式等离子体电极的上电极，其特征在于，所述的管式加热器电源接入端(24)位于大内径金属圆环(52)上的一个同心圆周上，此圆周的直径大于大直径金属直筒(51)的外径，小于大内径金属圆环(52)外径；两个管式加热器电源接入端(24)的连线穿过大直径金属直筒(51)的圆心和大内径金属圆环(52)的圆心；管式加热器电源接入端24采用卡套结构。