TWI382792B - 具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置 - Google Patents

Description

具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置

本發明是有關於一種大氣電漿產生裝置，且特別是有關於一種具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置。

電漿之特性在於其係包括中性粒子、活化粒子、電子及離子等的反應，因而能夠提供非常廣泛的功能。尤其是具有能量的粒子，更是能夠引發許多特殊的化學與物理的反應。也由於如此，目前，電漿已廣泛地應用在各種領域，例如在半導體製造方面，舉凡不同材料薄膜的成長及電路的蝕刻皆普遍由電漿技術達成。在半導封裝方面，則可見使用電漿來清潔及改變材料表面，藉此以達到所需的功能及效果。此外，在環保、醫療與光機電等領域中亦可見電漿之應用。

電漿源的種類係與電漿產生的形式相關，其包括電感式電漿源、微波表面波電漿源、大氣電漿源、電漿浸沒離子佈植及電漿火炬等。大氣電漿源中，由於噴射式大氣電漿的能量集中，可以用於高速處理工件表面以改善表面之親水特性。然而，當應用在金屬材料或是導電材料製作的工件表面時，電漿所引起的電弧卻非常容易會溢散到工件的表面，並損傷工件表面，導致工件不良品的產生，影響到製程良率。

本發明係有關於一種具電弧控制功能之大氣電漿產 生裝置，係透過電弧導引電極與氣流場之設計，將電弧位置控制在裝置內，藉此避免電弧損傷所要處理之工件表面，進而提升製程良率。

根據本發明，提出一種具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置，此裝置包括一外殼、一內電極、一氣流控制機構與至少一電弧導引電極。外殼具有相對之一電極設置端與一電漿出口端。內電極設置在外殼內，並位在電極設置端，其中，內電極連接至一電源供應器。氣流控制機構設置在電極設置端，用以在內電極之周邊產生一渦漩氣流，藉此使內電極產生之電弧集中在外殼內之中央位置，並導引電弧至電漿出口端。電弧導引電極設置在電漿出口端，並連接至電源供應器，其中，電弧導引電極具有一尖端係位凸出電漿出口端之內表面，用以吸引電弧，藉此以控制電弧之位置。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1A、1B圖，第1A圖係依照本發明較佳實施例的一種具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置之示意圖，第1B圖係第1A圖大氣電漿產生裝置於電漿出口側之示意圖。如第1A圖所示，大氣電漿產生裝置100包括一外殼110、一內電極120與一氣流控制機構140等元件，以下逐一說明各元件之配置與作用。

外殼110例如為一中空殼體，其具有相對之一電極設 置端112與一電漿出口端114。外殼110之材質可為金屬或非金屬材料。

內電極120設置在外殼110內，並位在電極設置端112，其中，內電極120連接至一電源供應器200。內電極120例如是一金屬電極，大多使用銅，或是不銹鋼、鎢之類耐高溫金屬或合金。電源供應器200提供之電壓會使內電極120鄰側之氣體產生解離之作用，而形成由自由電子、帶正電的離子與未電離之原子等所構成之電漿氣體。也由於存在帶負電的自由電子和帶正電的離子，因此電漿氣體有很高的電導率，而產生電弧400的作用。

電漿出口端114，其具有一電漿出口132。電漿出口132之形狀並不限定，其大小可依照需求，例如是電漿氣體之出口流速去設定。

氣流控制機構140設置在電極設置端112，用以在內電極120之周邊產生渦漩氣流300，藉此使內電極120產生之電弧400朝外殼110內之中央位置集中，並導引電弧400至電漿出口端114。由於當電弧400被控制在外殼110之腔體中時，流道可以加大以降低電漿氣體流速，因此可初步降低電弧400溢散的機率。

如第1A圖所示，氣流控制機構140例如包括一氣體導引元件142與一氣體供應器(未繪示)。氣體導引元件142具有多個斜向貫穿孔144位在內電極120之周邊，並連通至外殼110內。這些斜向貫穿孔144係可相互平行，此外，斜向貫穿孔144之延伸方向A1較佳地與內電極120 之延伸方向A2呈現歪斜的關係。

氣體供應器(未繪示)所供應之氣體會通過斜向貫穿孔142並進入外殼110中。且當氣體從斜向貫穿孔144灌入外殼110內時，由於斜向貫穿孔144之配置方式，灌入之氣體會繞著內電極120旋轉，因而會在內電極120之週邊產生渦旋氣流300，接著，電弧400便會受到渦旋氣流300之導引移動。如此一來，便可將電弧400控制在外殼110內之中央位置。

噴射式大氣電漿由於能量集中，可以用於高速處理素材表面，改善素材表面的親水特性，但是應用在金屬材料或導體材料表面時，電漿所引起的電弧會溢散到金屬表面，引起金屬表面的損傷。在此，主要是利用電弧導引電極的配置及設計，將電弧400產生的位置導引到外殼110之腔體內側，使得電漿出口不會有溢散的電弧。

較佳地，在大氣電漿產生裝置100中可裝設至少一電弧導引電極，且電弧導引電極較佳是沿著電漿出口端114之徑向插置在電漿出口端114中，而內電極120與電弧導引電極係分別連接至電源供應器200之正極與負極(或接地端)。

本實施例是以四個電弧導引電極150為例做說明，然本發明並不限定於此，大氣電漿產生裝置100之電漿出口端114中亦可僅裝設單個電弧導引電極150或是其他數目之電弧導引電極150。另外，電弧導引電極150可為實心或是中空管，在此先以實心的電弧導引電極150(見第1A 圖)做說明。

電弧導引電極150係等間隔地插置在電漿出口端114中，如第1B圖所示。電弧導引電極150連接至電源供應器200或是一接地端，其中，各電弧導引電極150具有一尖端152係凸出電漿出口端114之內表面。由於尖端152之設計會使電荷集中，因而可產生尖端放電的效果，藉此可吸引電弧400，因而得以控制電弧400在電漿出口端114中之位置，更進一步地避免電弧溢散的問題。

第1B圖之尖端152係為尖點之型式，然本發明並不限定於此。如第2圖所示，電弧導引電極150’之尖端152’也可為一球面之型式，其同樣具有吸引電弧之特點。

由於外殼110之材質可為金屬或非金屬，當外殼110之材質為非金屬時，如第1A圖所示，電弧導引電極150係可透過導線160連接至電源供應器200。

接著請參照第3圖，其係電弧導引電極透過外殼連接至電源供應器之示意圖。如第3圖所示，當外殼110之材質為金屬時，電弧導引電極150實際上可直接透過外殼110連接至電源供應器200。此時，為避免外殼110與內電極120產生電性接觸，較佳可設置隔離元件170在內電極120與外殼110之間，以隔絕內電極120與外殼110。

隔離元件170之材質係可為一介電材料，其例如是石英、陶瓷或高分子材料等。另外，在氣體導引元件142與內電極120之間亦可設置隔離元件170，以適當保持各元件之間的電性絕緣。

請參照第4圖，其係大氣電漿產生裝置加設一開口減縮元件之示意圖。如第4圖所示，開口減縮元件180設置在電漿出口132處，其中，開口減縮元件180之開口182係小於電漿出口132。開口減縮元件180除了可減少電漿氣體之出口幅寬，更可阻擋不必要的電弧溢散，進而輔助控制電弧的位置。較佳地，開口減縮元件180之材質係為絕緣材料。

請參照第5圖，其係電弧導引電極為一中空電極之示意圖。如第5圖所示，電弧導引電極150”具有一貫穿通道152”，而貫穿通道152”係連通至電漿出口端114內，使電漿出口端114內之空間也可透過電弧導引電極150”連通至外部大氣。開口減縮元件180’之開口182’使電漿出口132縮得更小，因此造成電漿出口132之氣體壓力升高，且會使電漿氣體的出口流速增加許多。太高速的電漿氣體具有較強的衝擊力，也容易帶出溢散的電弧，因此容易對所要處理的工件表面造成破壞。

舉例來說，當要以大氣電漿產生裝置100去進行工件表面的鍍膜處理時，氣體壓力會因為電漿出口132其口徑的減縮而上升，造成氣體粒子碰撞的機率增加，因此不利於控制成膜的品質。由於電漿出口端114內之空間可透過電弧導引電極150”之貫穿通道152”連通至外部大氣，在電漿氣體產生時，部分氣體可從貫穿通道152”排至外部空間，因此可以有效降低出口流速，進而減小電漿氣體之衝擊，以保護所要處理之工件。

本發明上述實施例所揭露之具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置，係在鄰近電漿出口的位置設置電弧導引電極用以吸引電弧，以將電弧產生的位置導引到外殼的腔體內側，使電漿出口不會有溢散的電弧，因此可避免電弧接觸到所要處理的工件表面。此外，外殼內會設計出適當的氣流場，以藉由氣流的導引去限制電弧的方向，使電漿產生的位置更接近電漿出口端。再者，當電漿出口的大小被減縮時，可採用空心的電弧導引電極去輔助氣體排出，使電漿出口的流速降低，進而可減少電漿氣體對所要處理工件表面造成破壞。本發明上述實施例所揭露之具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置係實質上可提升工件製作之製程良率，且在大氣電漿領域中的應用更為寬廣。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧大氣電漿產生裝置

110‧‧‧外殼

112‧‧‧電極設置端

114‧‧‧電漿出口端

120‧‧‧內電極

132‧‧‧電漿出口

140‧‧‧氣流控制機構

142‧‧‧氣體導引元件

144‧‧‧斜向貫穿孔

150、150’、150”‧‧‧電弧導引電極

152、152’‧‧‧尖端

152”‧‧‧貫穿通道

160‧‧‧導線

170‧‧‧隔離元件

180、180’‧‧‧開口減縮元件

182、182’‧‧‧開口

200‧‧‧電源供應器

300‧‧‧渦旋氣流

400‧‧‧電弧

500‧‧‧電漿氣體

A1、A2‧‧‧延伸方向

第1A圖係依照本發明較佳實施例的一種具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置之示意圖。

第1B圖係第1A圖大氣電漿產生裝置於電漿出口側之示意圖。

第2圖係電弧導引電極之尖端為一球面之示意圖。

第3圖係電弧導引電極透過外殼連接至電源供應器之示意圖。

第4圖係大氣電漿產生裝置加設一開口減縮元件之示意圖。

第5圖係電弧導引電極為一中空電極之示意圖。

100‧‧‧大氣電漿產生裝置

110‧‧‧外殼

112‧‧‧電極設置端

114‧‧‧電漿出口端

120‧‧‧內電極

132‧‧‧電漿出口

140‧‧‧氣流控制機構

142‧‧‧氣體導引元件

144‧‧‧斜向貫穿孔

150‧‧‧電弧導引電極

160‧‧‧導線

200‧‧‧電源供應器

300‧‧‧渦旋氣流

400‧‧‧電弧

500‧‧‧電漿氣體

A1、A2‧‧‧延伸方向

Claims (15)

1. 一種具電弧控制功能之大氣電漿產生裝置，包括：一外殼，具有相對之一電極設置端與一電漿出口端；一內電極，設置在該外殼內，並位在該電極設置端，其中，該內電極係連接至一電源供應器；一氣流控制機構，設置在該電極設置端，用以在該內電極之周邊產生一渦漩氣流，藉此使該內電極產生之電弧集中在該外殼內之中央位置，並導引電弧至該電漿出口端；以及至少一電弧導引電極，設置在該電漿出口端，並連接至該電源供應器，其中，該至少一電弧導引電極具有一尖端係位凸出該電漿出口端之內表面，用以吸引電弧，藉此以控制電弧之位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該至少一電弧導引電極係沿著該電漿出口端之徑向插置在該電漿噴嘴中。
3. 如申請專利範圍第2項所述之大氣電漿產生裝置，係包括複數個電弧導引電極，該些電弧導引電極係等間隔地插置在該電漿出口端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該內電極連接至該電源供應器之正極，該至少一電弧導引電極係連接至該電源供應器之負極或一接地端。
5. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝 置，其中，該外殼之材質係為金屬，該外殼係連接至該電源供應器，該至少一電弧導引電極係透過該外殼連接至該電源供應器之負極或一接地端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝置，更包括一隔離元件，係設置在該內電極與該外殼之間，用以隔絕該內電極與該外殼。
7. 如申請專利範圍第6項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該隔離元件之材質係一介電材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該介電材料係為陶瓷、石英或高分子材質。
9. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝置，更包括一開口減縮元件，係設置在該電漿出口端，其中，該開口減縮元件具有一開口係小於該電漿出口端之大小。
10. 如申請專利範圍第9項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該開口減縮元件之材質係一絕緣材料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該至少一電弧導引電極之該尖端係具有一尖點或是一球面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該至少一電弧導引電極係一中空電極，並具有一貫穿通道用以連通該電漿出口端之內部空間與該外殼之外部空間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之大氣電漿產生裝 置，其中，該氣流控制機構包括一氣體導引元件，該氣體導引元件具有複數個斜向貫穿孔位在該內電極之周邊，並連通至該外殼內，用以供氣體通過並進入該外殼。
14. 如申請專利範圍第13項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該些斜向貫穿孔係相互平行。
15. 如申請專利範圍第13項所述之大氣電漿產生裝置，其中，該些斜向貫穿孔之延伸方向與該內電極之延伸方向係呈現一歪斜之關係。