大氣壓彌散放電裝置及金屬表面沉積類SiO₂薄膜方法
【專利摘要】本發明涉及一種大氣壓彌散放電裝置及金屬表面沉積類SiO2薄膜方法。一種大氣壓彌散放電裝置，包括：針電極，其豎直放置，所述針電極的頂端連接高壓脈沖電源；金屬基底，設于所述針電極的下方，所述金屬基底接地；混氣室，其設于所述金屬基底的一端上方，所述混氣室一側設有氣體噴口，且所述氣體噴口朝向所述沉積區域；所述混氣室呈圓筒狀或立方體狀，由絕緣材料制成；所述混氣室通過混合氣體輸出管連接氣體鼓泡裝置。本發明裝置簡單、操作方便，可在室溫、大氣環境等相對簡單的條件下在金屬表面獲得范圍較大且較為均勻的放電等離子體，改善了傳統放電形式沉積薄膜范圍小、均勻性差的缺點。
【專利說明】
大氣壓彌散放電裝置及金屬表面沉積類S i O2薄膜方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種大氣壓彌散放電裝置及金屬表面沉積類S12薄膜方法。
【背景技術】
[0002]S12薄膜理化特性突出，具有優異的耐腐蝕、耐摩擦以及電絕緣等特性，在食品包裝、金屬防腐以及微電子生產等領域都有廣泛的應用。此外，S12薄膜還具有大介電常數(3.9左右)和高介電強度(106-10、八111)的特點，在改善導體表面電場分布抑制微放電方面具有突出優勢。因此，在特高壓遠距離直流輸電快速發展的背景下，通過導體表面沉積S12薄膜提高輸變電設備耐壓等級的方法受到科研人員的廣泛關注。然而，現有的S12薄膜沉積方法多體現低氣壓、絕緣材料表面的特點，不再適用于大規模金屬表面S12薄膜沉積。現階段針對金屬表面沉積S12薄膜的研究相對比較匱乏，于是研發一種操作簡單、經濟可行的大氣壓條件下的金屬表面S12薄膜沉積方法成為絕緣領域研究熱點。
[0003]目前，國內外研究S12薄膜沉積方法主要采用物理氣相沉積法(PVD)和化學氣相沉積法(CVD) WVD是在真空條件下，通過電子束蒸發、熱蒸發或等離子體濺射等物理方法將材料源(S12)氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，并通過低氣壓過程在基體表面沉積功能S12薄膜的方法。CVD通常需要較高的溫度為化學反應提供活化能，通過反應氣體(娃源和氧化氣體)和基體表面相互作用使反應氣體中的某些成分分解或發生氣相反應，以實現基體表面沉積固態類似S12結構的膜層。其中，等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)克服了一般CVD方法沉積溫度過高的缺點，由等離子體為化學反應提供激活能量，使原來在高溫條件下才能進行的化學氣相沉積反應，在等離子體中在較低的溫度下也能夠發生。其中，高真空條件下輝光放電激發的低壓PECVD技術成膜質量高且技術成熟，但與PVD—樣受復雜、昂貴的真空設備限制并不適用于大規模工業生產。于是，基于大氣壓非熱等離子體研究而逐漸發展起來的大氣壓PECVD技術由于操作簡單、成本低廉被認為是最有前景的工業化S12薄膜沉積方法。
[0004]目前應用于S12薄膜沉積的大氣壓PECVD方法主要是以絕緣材料為沉積基底而開發。專利CNl351760在室溫、大氣壓條件下，使用RF射頻電源激活氧氣、水蒸汽等氧化氣體和惰性氣體以產生氧原子和游離基，在較低的溫度下實現了硅基底上沉積S12薄膜的目的；專利U.S.5576076利用大氣壓電暈放電的方法激活硅烷、載氣和氧化劑發生氣相反應，并在聚稀經膜上沉積得到了類Si02薄膜;Premkumar在大氣條件下實現了 HMDSO/N2/O2/Ar氛圍中的類輝光DBD放電，在APS-PEN基底上獲得了較為均勻的類S12薄膜(Premkumar P A,Starostin S A，de Vries H，et al.High quality S1O2-1 ike layers by large areaatmospheric pressure plasma enhanced CVD: deposit1n process studies bysurface analysis[J].Plasma Processes and Polymers，2009，6(10):693-702.);Asad等使用大氣壓微波等離子體射流，通過優化氣體流速、放電功率以及沉積間距等參數在單晶娃片上得到了純度較高的類Si02薄膜(Asad S SjLavoute J P,Dublanche-Tixier C，etal.Deposit1n of thin S1x films by direct precursor inject1n in atmosphericpressure microwave torch(TIA)[J].Plasma Processes and Polymers ,2009,6(SI):S508-S513)。綜上所述，雖然針對S12薄膜沉積的大氣壓PECVD方法研究已經取得了長足的進步，但面對金屬表面S12薄膜沉積的需求，這些方法在放電形式、沉積效率上略顯不足，不再滿足應用需求。
[0005]由上述總結可知，雖然目前技術較為成熟的PVD以及低壓PECVD能夠沉積高質量的S12薄膜，但受限于復雜、昂貴的真空設備不能夠大規模應用于工業生產。而大氣壓PECVD受大氣壓等離子體技術研究進程的影響，還未能形成穩定可靠的技術路線。當前開發的大氣壓PECVD方法，其等離子體源主要有介質阻擋放電(DBD )、電暈放電以及射頻、微波放電等形式。其中大氣條件下類輝光DBD放電具有放電均勻、能量密度高的優點，但苛刻的沉積條件導致沉積過程放電穩定性較差，在金屬基底的條件下放電極易發展為細絲模式。放電細絲能量密度大會對基底造成刻蝕，不利于均勻薄膜沉積。而電暈放電能量密度小不能為氣相沉積反應提供充足能量導致沉積效率較低。此外，射頻、微波放電依賴于昂貴的實驗設備，并且操作復雜，另外沉積過程中產生的電磁輻射也會對周圍環境造成危害，因此并不適合工業化生產。然而，應對金屬表面沉積類S12薄膜的需求，大氣壓彌散放電克服了上述放電形式的不足。該放電形式能夠金屬表面產生均勻的、大面積高能量密度低溫等離子體，而且沉積過程中采用經濟性較高的空氣和氬氣作為工作氣體，大大降低了生產成本，因此具有廣闊工業應用前景。

【發明內容】

[0006]為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種大氣壓彌散放電裝置及金屬表面沉積類S12薄膜的方法，本發明所述方法利用大氣壓彌散放電在金屬表面產生均勻的大面積、高能量密度低溫等離子體激活放電區域內的有機硅單體以及氧化氣體，并在金屬表面發生化學氣相沉積反應。
[0007]具體的，本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]一種大氣壓彌散放電裝置，包括:
[0009]針電極，其豎直放置，所述針電極的頂端連接高壓脈沖電源；
[0010]金屬基底，設于所述針電極的下方，且與所述針電極的底端留有間距，所述金屬基底上位于針電極的正下方處為沉積區域，所述針電極與所述金屬基底構成針-板電極;所述金屬基底接地，所述金屬基底既作為類S12薄膜沉積基底，也作為彌散放電地電極；
[0011]混氣室，其設于所述金屬基底的一端上方，所述混氣室一側設有氣體噴口，且所述氣體噴口朝向所述沉積區域，混氣室內攜帶有機硅的工作氣體通過氣體噴口注入沉積區域;所述混氣室呈圓筒狀或立方體狀，由絕緣材料制成;所述混氣室通過混合氣體輸出管連接氣體鼓泡裝置；
[0012]其中，所述氣體鼓泡裝置包括:
[0013]水浴鍋，所述水浴鍋內盛有水；
[0014]洗氣瓶，其設于所述水浴鍋內，且所述洗氣瓶盛有液態有機硅；
[0015]載氣管和有機硅管，所述載氣管的出氣口沒入洗氣瓶內的液態有機硅的液面下，所述有機硅管的入氣口位于所述洗氣瓶內的液態有機硅的液面上方；
[0016]稀釋氣體管，所述稀釋氣體管的出氣口與所述有機硅管的出氣口連通并作為混合氣體輸出管的進氣口。
[0017]進一步的，所述高壓脈沖電源為微秒脈沖電源或納秒脈沖電源，其電壓設置在15kV?20kV之間，頻率設置為1000Hz?2000Hz之間，以能夠產生均勻、穩定的彌散放電為準。
[0018]進一步的，所述載氣管和稀釋氣體管均連有氣體質量流量計。
[0019]進一步的，所述針電極與所述金屬基底的間距為2cm，所述金屬基底可選用銅片或鐵片，優選為邊長4 X 4cm2、厚度0.05mm的銅片。
[0020]進一步的，所述混氣室由石英、有機玻璃或塑料制成，所述圓筒狀的混氣室長為20mm、底邊半徑為5mm。
[0021]進一步的，所述氣體噴口為混氣室側壁上長為20mm、高為2mm的矩形狹縫，且平行于所述金屬基底設置或所述氣體噴口為混氣室側壁上的多孔陣列。
[0022]進一步的，所述針電極為單針電極、多針電極或刀電極，所述單針電極為直徑Imm、長150mm的媽棒。
[0023]利用所述的大氣壓彌散放電裝置進行金屬表面沉積類S12薄膜的方法，包括以下步驟:
[0024]步驟I，根據選取的有機硅設置所述水浴鍋的水溫、載氣管的載氣流量和稀釋氣體管的稀釋氣體流量;對所述金屬基底進行清洗處理；
[0025]步驟2，將清洗后的金屬基底放置于所述彌散放電裝置中并接地，不接通氣體鼓泡裝置，設置所述高壓脈沖電源的電壓及頻率，激發針-板電極彌散放電，在大氣中進行3min彌散放電以提尚銅片表面活性；
[0026]步驟3，接通氣體鼓泡裝置，繼續進行彌散放電1min，完成金屬基底表面類S12薄膜的沉積。
[0027]進一步的，有機硅為六甲基二硅氧烷(HMDSO)、正硅酸乙酯(TEOS)或八甲基環四硅氧烷(OMCTS)。
[0028]進一步的，所述載氣為惰性氣體，所述稀釋氣體為惰性氣體或惰性氣體與空氣或氧氣的混合氣體，所述惰性氣體優選為氬氣或氦氣；所述載氣和稀釋氣體的總流量為700sccm?1200sccm。
[0029]進一步的，步驟I中對所述金屬基底進行清洗處理具體為:首選使用去離子水對金屬基底表面的灰塵進行初步清洗，然后將金屬基底依次放入乙醇和丙酮中進行超聲波清洗以去除金屬基底表面的油污和雜質，最后再經去離子水清洗后放入真空干燥箱中作低溫干燥。
[0030]進一步的，步驟3中，接通氣體鼓泡裝置時，先通載氣，載氣通入洗氣瓶內的液態有機硅液面下，載氣攜帶氣化的有機硅再與稀釋氣體混合，通過混合氣體輸出管送至混氣室。
[0031]本發明的有益效果為:
[0032]本發明所述的利用大氣壓彌散放電輔助金屬表面沉積類S12薄膜的方法，是利用大氣壓彌散放電在金屬表面產生的大面積、高能量密度低溫等離子體作為等離子體源，激活有機硅單體與氧化氣體發生氣相反應，并在金屬表面沉積類S12薄膜。與現有的技術相比，本發明在室溫、大氣環境等相對簡單的條件下在金屬表面獲得了范圍較大且較為均勻的放電等離子體，改善了傳統放電形式沉積薄膜范圍小、均勻性差的缺點。此外，本發明裝置簡單、操作方便，并且采用經濟性較高的空氣和氬氣作為工作氣體，大大降低了生產成本，十分有利于工業轉化。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明所述大氣壓彌散放電裝置的結構示意圖；
[0034]圖2為本發明所述氣體鼓泡裝置的結構示意圖；
[0035]其中，1-高壓脈沖電源，2-混氣室，3-氣體噴口，4-氣體鼓泡裝置，5-金屬基底，6_沉積區域，7-針電極，8-載氣管，9-洗氣瓶，10-水浴鍋，11-水，12-混合氣體輸出管，13-稀釋氣體管，14-液態有機娃，15-有機娃管。
【具體實施方式】
[0036]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0037]—種大氣壓彌散放電裝置，如圖1所示，包括:
[0038]針電極7，為單針電極，其豎直放置，為直徑1_、長150_的鎢棒，所述針電極7的頂端連接高壓脈沖電源I，所述高壓脈沖電源I為微秒脈沖電源或納秒脈沖電源，其電壓設置在15kV?20kV，頻率裝置在1000Hz?2000Hz，以能夠產生均勻、穩定的彌散放電為準。
[0039]金屬基底5，設于所述針電極7的下方，為邊長4X4cm2、厚度0.05mm的銅片，且與所述針電極7的底端留有2cm的間距，所述金屬基底5上位于針電極7的正下方處為沉積區域6，所述針電極7與所述金屬基底5構成針-板電極;沉積區域大小受針-板電極間距、電壓幅值以及電壓頻率的影響，當針-板電極間距設置為2cm時，施加15kV、1500Hz微秒脈沖電壓時，沉積區域為半徑Icm的圓形區域;所述金屬基底5接地；
[0040]混氣室2，其設于所述金屬基底5的一端上方，所述混氣室2呈圓筒狀，長為20mm、底邊半徑為5_，由石英、有機玻璃或塑料制成;所述混氣室2—側設有氣體噴口 3，且所述氣體噴口 3朝向所述沉積區域6;所述氣體噴口 3為混氣室2側壁上長為20mm、高為2mm的矩形狹縫，且平行于所述金屬基底5設置或所述氣體噴口 3為混氣室2側壁上的多孔陣列。所述混氣室2通過混合氣體輸出管12連接氣體鼓泡裝置4 ；
[0041 ]其中，所述氣體鼓泡裝置4包括:
[0042]水浴鍋10，所述水浴鍋10內盛有水11;
[0043]洗氣瓶9，其設于所述水浴鍋10內，且所述洗氣瓶9盛有液態有機硅14;
[0044]載氣管8和有機硅管15，所述載氣管8的出氣口沒入洗氣瓶9內的液態有機硅14的液面下，所述有機硅管15的入氣口位于所述洗氣瓶9內的液態有機硅14的液面上方；
[0045]稀釋氣體管13，所述稀釋氣體管13的出氣口與所述有機硅管15的出氣口連通并作為混合氣體輸出管12的進氣口，所述載氣管8、有機硅管15、稀釋氣體管13和混合氣體輸出管12均連有氣體質量流量計。
[0046]利用所述的大氣壓彌散放電裝置進行金屬表面沉積類S12薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0047]步驟I，根據選取的有機硅設置所述水浴鍋10的水溫、載氣管8的載氣流量和稀釋氣體管13的稀釋氣體流量;有機硅可為六甲基二硅氧烷(HMDSO)、正硅酸乙酯(TEOS)或八甲基環四硅氧烷(OMCTS)t3HMDSO具有較高的飽和蒸氣壓，為避免放電區域內由于有機硅分子濃度過高導致氣相凝核現象發生，實驗時取較小的載氣流量和較低的水浴溫度。而TEOS和OMCTS飽和蒸氣壓較低，為提高放電區域內有機硅分子含量，實驗采取較大的載氣流量和較高的水浴溫度。所述載氣和稀釋氣體的總流量優選為700sccm?1200sccm。本發明中氧化氣體主要使用周圍大氣中的氧氣，而當需要提高放電氣體氛圍內氧氣含量時，可以在稀釋氣體中混合一定流量的空氣或氧氣。對所述金屬基底5進行清洗處理，具體為:首選使用去離子水對金屬基底表面的灰塵進行初步清洗，然后將金屬基底依次放入乙醇和丙酮中進行超聲波清洗以去除金屬基底表面的油污和雜志，最后再經去離子水清洗后放入真空干燥箱中作低溫干燥。
[0048]步驟2，將清洗后的金屬基底5放置于所述彌散放電裝置中并接地，不接通氣體鼓泡裝置4，設置所述高壓脈沖電源I的電壓及頻率，激發針-板電極彌散放電，在大氣中進行3min彌散放電；
[0049]步驟3，接通氣體鼓泡裝置4，先通載氣，載氣通入洗氣瓶9內的液態有機硅14液面下，載氣攜帶氣化的有機硅再與稀釋氣體混合，通過混合氣體輸出管12送至混氣室2，繼續進行彌散放電1min，完成金屬基底表面類S12薄膜的沉積。
[0050]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，包括: 針電極(7)，其豎直放置，所述針電極(7)的頂端連接高壓脈沖電源(I); 金屬基底(5)，設于所述針電極(7)的下方，且與所述針電極(7)的底端留有間距，所述針電極(7)與所述金屬基底(5)構成針-板電極，所述金屬基底(5)上位于針電極(7)的正下方處為沉積區域(6);所述金屬基底(5)接地； 混氣室(2)，其設于所述金屬基底(5)的一端上方，所述混氣室(2)—側設有氣體噴口(3)，且所述氣體噴口(3)朝向所述沉積區域(6);所述混氣室(2)呈圓筒狀或立方體狀，由絕緣材料制成;所述混氣室(2)通過混合氣體輸出管(12)連接氣體鼓泡裝置(4); 其中，所述氣體鼓泡裝置(4)包括: 水浴鍋(10)，所述水浴鍋(10)內盛有水(11); 洗氣瓶(9 )，其設于所述水浴鍋(1)內，且所述洗氣瓶(9)盛有液態有機硅(14); 載氣管(8)和有機硅管(15)，所述載氣管(8)的出氣口沒入洗氣瓶(9)內的液態有機硅(14)的液面下，所述有機硅管(15)的入氣口位于所述洗氣瓶(9)內的液態有機硅(14)的液面上方; 稀釋氣體管(13)，所述稀釋氣體管(13)的出氣口與所述有機硅管(15)的出氣口連通并作為混合氣體輸出管(12)的進氣口。2.根據權利要求1所述的大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，所述高壓脈沖電源(I)為微秒脈沖電源或納秒脈沖電源，其電壓為15kV?20kV，頻率為1000Hz?2000Hz。3.根據權利要求1所述的大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，所述載氣管(8)和稀釋氣體管(13)均連有氣體質量流量計。4.根據權利要求1所述的大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，所述金屬基底(5)為邊長4X 4cm2、厚度0.05mm的銅片，所述針電極(7)與所述金屬基底(5)的間距為2cm。5.根據權利要求1所述的大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，所述混氣室(2)由石英、有機玻璃或塑料制成，所述圓筒狀的混氣室(2)長為20mm、底邊半徑為5mm。6.根據權利要求1所述的大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，所述氣體噴口(3)為混氣室(2)側壁上長為20mm、高為2mm的矩形狹縫，且平行于所述金屬基底(5)設置或所述氣體噴口( 3)為混氣室(2)側壁上的多孔陣列。7.根據權利要求1所述的大氣壓彌散放電裝置，其特征在于，所述針電極(7)為單針電極、多針電極或刀電極，所述單針電極為直徑Imm、長150mm的媽棒。8.利用上述任一項權利要求所述的大氣壓彌散放電裝置進行金屬表面沉積類S12薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，根據選取的有機硅設置所述水浴鍋(10)的水溫、載氣管(8)的載氣流量和稀釋氣體管(13)的稀釋氣體流量;對所述金屬基底(5)進行清洗處理； 步驟2，將清洗后的金屬基底(5)放置于所述彌散放電裝置中并接地，不接通氣體鼓泡裝置(4)，設置所述高壓脈沖電源(I)的電壓及頻率，激發針-板電極彌散放電，在大氣中進行3min彌散放電； 步驟3，接通氣體鼓泡裝置(4)，繼續進行彌散放電lOmin，完成金屬基底表面類S12薄膜的沉積。9.根據權利要求8所述的金屬表面沉積類S12薄膜的方法，其特征在于，所述載氣為惰性氣體，所述稀釋氣體為惰性氣體或惰性氣體與空氣或氧氣的混合氣體;所述載氣和稀釋氣體的總流量為700sccm?1200sccmo10.根據權利要求8所述的金屬表面沉積類S12薄膜的方法，其特征在于，步驟3中，接通氣體鼓泡裝置(4)時，先通載氣，載氣通入洗氣瓶(9)內的液態有機硅(14)液面下，載氣攜帶氣化的有機硅再與稀釋氣體混合，通過混合氣體輸出管(12)送至混氣室(2)。
【文檔編號】C23C16/448GK106011786SQ201610515047
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】邵濤, 李文耀, 王瑞雪, 任成燕, 嚴萍, 章程
【申請人】中國科學院電工研究所