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使用毛细管电极放电等离子体簇射的等离子体处理装置

基本信息

  • 申请号 CN00810343.7 
  • 公开号 CN1362003A 
  • 申请日 2000/06/23 
  • 公开日 2002/07/31 
  • 申请人 普拉斯米奥恩公司  
  • 优先权日期  
  • 发明人 斯蒂芬·金  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 美国新泽西州 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 李晓舒 
  • 有效性 发明公开 
  • 法律状态
  •  

摘要

本发明公开了一种用于工件的等离子体处理装置,包括:金属电极(11);具有第一和第二侧并通过第一侧与金属电极结合的毛细管介电电极(12),其中毛细管介电电极具有至少一个毛细管;包围金属电极和毛细管介电电极第一侧的屏蔽体(13),其中,屏蔽体具有第一和第二端部;以及向金属电极(11)提供气体的气体供给装置(14)。
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权利要求书


1.一种处理工件的等离子体处理装置,包括: 金属电极; 具有第一和第二侧的毛细管介电电极,第一侧与金属电极结合,其中 毛细管介电电极具有至少一个毛细管; 包围金属电极和毛细管介电电极第一侧的屏蔽体,其中,屏蔽体具有 第一和第二端部;以及 向金属电极提供气体的气体供给装置。

2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括在10KHz至200MHz 范围内向金属电极提供射频电压的电源。

3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,屏蔽体的第一端部具有输 运气体的腔室。

4.如权利要求1所述的装置,其特征在于,第二屏蔽体具有圆的形状 或多边形形状。

5.如权利要求1所述的装置,其特征在于,屏蔽体的第一端部包括使 用者握持的把手。

6.如权利要求1所述的装置,其特征在于,屏蔽体包括介电材料。

7.如权利要求1所述的装置,其特征在于,向金属电极加载直流或射 频电压。

8.如权利要求1所述的装置,其特征在于,工件用作反电极。

9.如权利要求1所述的装置,其特征在于,工件包括金属、陶瓷、塑 料和人体中的一种。

10.如权利要求1所述的装置,其特征在于,工件相对于金属电极接 地。

11.如权利要求1所述的装置,其特征在于,屏蔽体抑制了除毛细管介 电电极的第二侧以外的等离子体放电。

12.如权利要求1所述的装置,其特征在于,毛细管介电电极的厚度在 2mm至300mm的范围内变化。

13.如权利要求1所述的装置,其特征在于,至少一个毛细管的直径在 200μm至30mm的范围内变化。

14.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括辅助气体供给装 置,此供给装置将辅助气体供给至毛细管介电电极的第二侧和工件之间的 空间内。

15.如权利要求1所述的装置,其特征在于,金属电极具有圆柱形状。

16.如权利要求1所述的装置,其特征在于,金属电极在表面上具有至 少一个孔,该孔与毛细管介电电极的第一侧接合。

17.如权利要求16所述的装置,其特征在于,至少一个孔基本对准毛 细管介电电极的至少一个毛细管。

18.如权利要求1所述的装置,其特征在于,还包括与屏蔽体第一端部 连接的气管。

19.如权利要求1所述的装置,其特征在于,金属电极具有容纳气体的 空腔。

20.一种处理工件的等离子体处理装置,包括: 金属电极; 被金属电极包围的毛细管,其中毛细管具有第一和第二端部; 包围金属电极和除毛细管第二端部以外的毛细管的屏蔽体;以及 向毛细管的第一端部提供气体的气体供给装置。

21.如权利要求20所述的装置,其特征在于,还包括向金属电极加载 射频电压的电源。

22.如权利要求20所述的装置,其特征在于,屏蔽体具有具圆形形状 或多边形形状并面向工件的第一侧。

23.如权利要求20所述的装置,其特征在于,屏蔽体具有使用者握持 的把手。

24.如权利要求20所述的装置,其特征在于,屏蔽体包括介电材料。

25.如权利要求20所述的装置,其特征在于,向金属电极加载直流或 射频电压。

26.如权利要求20所述的装置,其特征在于,工件用作反电极。

27.如权利要求20所述的装置,其特征在于,工件包括金属、陶瓷、 和塑料中的至少一种。

28.如权利要求20所述的装置,其特征在于,工件相对于金属电极接 地。

29.如权利要求20所述的装置,其特征在于,屏蔽体抑制了除毛细管 第二端部以外的等离子体放电。

30.如权利要求20所述的装置,其特征在于,毛细管的厚度在2mm至 300mm的范围内变化。

31.如权利要求20所述的装置,其特征在于,毛细管的直径在200μm 至30mm的范围内变化。

32.如权利要求20所述的装置,其特征在于,气体通过毛细管的第一 端部供给进毛细管内。

33.一种处理工件的等离子体处理装置,包括: 具有中间部分以及第一和第二端的金属电极; 至少包围金属电极的中间部分和第一端,并从金属电极的中间部分和 第一侧提供等离子体放电的毛细管介电电极;以及 向金属电极的第二端提供气体的气体供给装置。

34.如权利要求33所述的装置,其特征在于,金属电极具有圆柱形形 状。

35.如权利要求33所述的装置,其特征在于,金属电极具有容纳气体 的内部空间。

36.如权利要求33所述的装置,其特征在于,还包括在10KHz至 200MHz范围内向金属电极提供射频电压的电源。

37.如权利要求33所述的装置,其特征在于,向金属电极加载直流或 射频电压。

38.如权利要求33所述的装置,其特征在于,工件用作反电极。

39.如权利要求33所述的装置,其特征在于,工件包括金属、陶瓷和 塑料中的至少一种。

40.如权利要求33所述的装置,其特征在于,工件具有将要通过等离 子体放电处理的内表面。

41.如权利要求33所述的装置,其特征在于,工件相对于金属电极接 地。

42.如权利要求33所述的装置,其特征在于,毛细管介电电极的厚度 在2mm至300mm的范围内变化。

43.如权利要求33所述的装置,其特征在于,毛细管介电电极包括多 个毛细管,每个毛细管的直径在200μm至30mm的范围内变化。

44.一种处理工件的等离子体处理装置,包括: 具有第一、第二和第三侧的介电体; 在介电体第三侧内面向介电体中心的至少一对第一和第二毛细管介电 电极,其中第一和第二毛细管介电电极彼此邻近; 毛细管上的包括介电体第三侧的金属电极;以及 向介电体的第一或第二侧提供气体的气体供给装置。

45.如权利要求44所述的装置,其特征在于,介电体具有圆柱形形状。

46.如权利要求44所述的装置,其特征在于,毛细管的数量与金属电 极的相同。

47.如权利要求44所述的装置,其特征在于,第一和第二毛细管介电 电极分别与电源和地电位相连。

48.如权利要求44所述的装置,其特征在于,向第一毛细管介电电极 加载直流或射频电压。

49.如权利要求44所述的装置,其特征在于,工作件用作反电极。

50.如权利要求44所述的装置,其特征在于,工件包括金属、陶瓷和 塑料中的至少一种。

51.如权利要求44所述的装置,其特征在于,工件相对于金属电极接 地。

52.如权利要求44所述的装置,其特征在于,毛细管介电电极的厚度 在2mm至300mm范围内变化的厚度。

53.如权利要求44所述的装置,其特征在于,毛细管介电电极包括多 个毛细管,每个毛细管的直径在200μm至30mm的范围内变化。
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说明书

                      技术领域 本发明涉及一种等离子体放电装置,更具体地涉及一种使用毛细管电 极放电(CED)等离子体簇射的等离子体处理装置。
虽然本发明适用于大范围 应用,但是本发明特别适用于大气压或高压下对工件的等离子体处理,从 而提供了事实上的无限制应用,而不管工件的大小。
                      背景技术 在许多不同的工业领域中,等离子体放电已经广泛用于处理各种工件 表面。
特别地,在电子工业中已经采用了清洁或刻蚀诸如印刷电路板 (PCB)、引线框、微电子器件和晶片等电子元件的装置(station),因为它提供 了优于传统化学清洁装置的优点。
例如,等离子体加工在封闭系统而非开 放的化学浴槽中进行。
于是,与传统化学加工相比,等离子体加工可以是 低危险和低毒的。
一种现有技术的等离子体加工和装置的一个例子在美国 专利第5,766,404号中得以公开。
现有技术的另一个例子在1987年《应用聚合物科学学报(Joumal of Applied Polymer Science)》第1913至1921页的文章“通过Ar+辐照的聚四 氟乙烯表面改性以改善与其它材料的粘接(Surface Modification of polytetrafluoroethylene by Ar+Irradiation for Improved Adhesion to Other Materials)”中得以公开,其中,等离子体加工用于塑料工件表面,致力于 改善工件的浸润性或粘接性。
然而,所有现有技术的等离子体工艺都必须在处理室内进行,因为现 有技术的等离子体工艺只能在真空条件下进行。
因而,当工件过大以致于 不能在处理室内处理时,就不能用现有技术的等离子体工艺来处理该工 件。
其结果是,现有技术的等离子体工艺在应用中非常受限制。
                      发明内容 因而,本发明的目的是一种使用毛细管电极放电等离子体簇射的等离 子体处理装置,它基本上避免了因现有技术的限制和缺点导致的一个或多 个问题。
本发明的另一个目的是提供一种使用毛细管电极放电等离子体簇射的 等离子体处理装置,该装置可在高压或大气压条件下用于杀菌、清洁、刻 蚀、表面改性,或者薄膜沉积。
本发明的其它目的和优点将在以下说明中部分阐明,并因该描述而将 部分清楚,或者可以通过本发明的实施而得以理解。
本发明的目的和优点 将借助所附权利要求中具体确定的部件及组合而实现并获得。
为了实现目的并与本发明的目标一致,如此处所具体化并广泛描述的 那样,工件的等离子体处理装置包括:金属电极;具有第一和第二侧并通 过第一侧与金属电极结合的毛细管介电电极,其中毛细管介电电极具有至 少一个毛细管;包围金属电极和除毛细管介电电极第二侧以外的毛细管介 电电极的屏蔽体,其中,屏蔽体具有第一和第二端部;以及向金属电极提 供气体的气体供给装置。
在本发明的另一个方面,工件的等离子体处理装置包括:金属电极; 被金属电极包围的毛细管,其中毛细管具有第一和第二端部;包围金属电 极和除毛细管第二端部以外的毛细管的屏蔽体;以及向毛细管的第一端部 提供气体的气体供给装置。
在本发明的另一个方面,工件的等离子体处理装置包括:具有中间部 分以及第一和第二端的金属电极;至少包围金属电极的中间部分和第一 端,并从金属电极的第一和第二侧提供等离子体放电的毛细管介电电极; 以及向金属管的第三侧提供气体的气体供给装置。
在本发明的再一个方面,处理工件的等离子体处理装置包括:具有第 一、第二和第三侧的介电体;在介电体第三侧内面向介电体中心的至少一 对第一和第二毛细管介电电极,其中第一和第二毛细管介电电极彼此邻 近;毛细管上的包括介电体第三侧的金属电极;以及向介电体的第一或第 二侧提供气体的气体供给装置。
将要理解的是,前述一般性描述和以下的详细描述均仅是示例性和说 明性的,并且不是对要求保护的发明的限制。
                      附图说明 被结合并构成此说明书一部分的附图显示了本发明的若干实施例,并 且与描述一起,用于阐述本发明的原理,其中: 图1是示出根据本发明第一实施例的使用毛细管电极放电(CED)等离 子体簇射的等离子体处理装置的示意性剖视图; 图2是示出根据本发明第二实施例的使用CED等离子体簇射的等离子 体处理装置的示意性剖视图; 图3A至3C是本发明各种CED等离子体簇射头的示意图; 图4是示出图1中形成的CED等离子体的照片; 图5是示出图2中形成的CED等离子体的照片; 图6是示出根据本发明第三实施例的使用CED等离子体簇射的等离子 体处理装置的示意性剖视图; 图7A和7B是示出本发明中CED等离子体处理的杀菌能力的一个例 子的照片; 图8A至8C是示出本发明中CED等离子体处理的杀菌能力的另一个 例子的照片;以及 图9是示出人体杀菌中的一种应用的照片。
                    具体实施方式 现在将详细参照本发明的当前优选实施例,其中的例子在附图中得以 示出。
只要可能,在所有附图中,相同的附图标记将用于标识相同或相似 的部件。
图1是示出根据本发明第一实施例的使用CED等离子体簇射的等离子 体处理装置的示意性剖视图。
如图1所示,根据第一实施例的使用CED等 离子体簇射的等离子体处理装置包括金属电极11、毛细管介电电极12、屏 蔽体13、气体供给装置14、电源15、气管18和辅助气体供给装置19。
具体地,金属电极11与电源15结合。
在金属电极上加载DC(直流)或 RF(射频)电压。
在加载RF电压的情形中,优选地在10KHz至200MHz范 围。
毛细管介电电极12具有第一和第二侧,并通过毛细管介电电极12的 第一侧与金属电极11结合。
毛细管介电电极12具有至少一个毛细管。
例 如,毛细管的数量可以在一个至几千个的范围内变化。
毛细管介电电极12 的厚度可以在2mm至300mm范围内变化。
每个毛细管的直径优选地在 200μm至30mm的范围内变化。
金属电极11由底面上具有一个或多个孔的金属圆柱形成,所述孔大致 对准毛细管介电电极12中的毛细管。
毛细管介电电极12的一侧在屏蔽体 13内与金属电极11结合,而毛细管介电电极12的另一侧在屏蔽体13外并 暴露给工件。
使用带孔电介质的灼热等离子体放电装置在美国专利第5,872,426中得 以公开,它在此处被参考引用。
屏蔽体13包围金属电极11和毛细管介电电极12,使得其防止不需要 的区域产生放电。
屏蔽体13由介电材料制造。
可以在屏蔽体13上形成把 手,使得使用者可以方便地握持。
供给金属电极11的气体通过毛细管。
因 为在毛细管介电电极12上维持有高电场,所以在毛细管内产生高密度放电 束。
根据装置的具体应用,气体可以是控制气体或反应气体。
例如,当装 置用于薄膜沉积或刻蚀时,为了所需化学反应而选择适当的反应气体。
于 是,CED等离子体放电16朝工件17形成。
另外,辅助气体供给装置19可以供给至毛细管介电电极12和将被等 离子体放电处理的工件17之间的空间。
将被使用CED等离子体簇射(放电)的等离子体处理装置处理的工件17 可以用作反电极。
于是,可以通过本发明的装置处理用诸如金属、陶瓷和 塑料的几乎任何种类材料制造的工件。
相对于金属电极11,工件17一般位 于地电位。
由金属或介电材料制造的气管18进一步连接至金属电极11,于是气体 供给装置14通过气管18供给气体。
作为一个例子,根据本发明第一实施例产生的CED等离子体的照片示 于图4,其中,该装置具有多个毛细管介电电极。
图2是示出根据本发明第二实施例的使用CED等离子体簇射的等离子 体处理装置的示意性横截面视图。
图2中,根据本发明第二实施例的使用 CED等离子体簇射的等离子体处理装置包括金属电极21、毛细管22、屏蔽 体23、气体供给装置24和电源25。
金属电极21可以加载DC或RF电压,并环绕具有第一和第二端部的 毛细管22的中部。
当施加RF电压时,优选地在10KHz至200MHz的范围 内变化。
毛细管22的第一端部与气体供给装置24结合,而第二端部为CED等 离子体簇射26暴露。
屏蔽体23覆盖金属电极21和除毛细管22的第二端 部以外的毛细管22,使得它抑制了除毛细管22的第二端部以外的放电的发 生。
屏蔽体23可以用介电材料制造。
为了方便,可以在屏蔽体23上形成 把手。
毛细管22的厚度可以在2mm至300mm范围内变化。
毛细管22的 直径优选地在200μm至30mm的范围内变化。
根据装置的具体应用,控制气体或反应气体可以供给该装置。
此外,与第一实施例相似,图2所示的工件27可以充当反电极,并且 相对于金属电极21一般处于地电位。
使用本发明的装置,可以处理由诸如 金属、陶瓷或塑料等材料制造的工件。
从根据第二实施例的装置产生的CED等离子体放电示于图5。
图3A至3C是使用本发明CED等离子体簇射的等离子体处理装置的 各种形状的示意图。
如图3A至3C所示,等离子体处理装置的形状可以根 据工件的形状改变。
例如,图3A所示的圆形装置30可以适用于静止的且 圆形的工件。
另一方面,类似于平板或纸卷的工件33可以用长方形装置41 更适当地处理。
通常,因为此类工件可以同时处理,所以通过如图3B所示 的线性移动机构32使该工件线性移动。
用于网状加工的工件也可以通过长 方形装置用线性移动机构处理。
诸如瓶子的容器可以用图3C所示的圆柱形装置处理。
金属管37在其 除接受气体和连接至电源的部分外的整个表面上具有多个孔。
金属管37上 的孔与毛细管介电电极35内的毛细管匹配。
于是,金属管37用作金属电 极。
毛细管介电电极35包围金属管37并连接到其上,如图3C所示。
毛细 管介电电极35还用作屏蔽体。
结果是,CED等离子体放电从整个表面向要 被处理的工件内壁射出,如图3C所示。
图6是示出使用根据本发明第三实施例的CED等离子体簇射的等离子 体处理装置的示意性剖视图。
在此实施例中,工件的整个表面可以同时处 理,因为CED等离子体放电从环形表面射出,如图6所示。
第三实施例中 的装置包括介电体61、介电体61中的至少一对毛细管62、毛细管62上的 金属电极63和电源64。
介电体61具有圆柱形状,并在其中具有毛细管62。
优选地,介电体 61的厚度在2mm至300mm范围内变化。
此外,毛细管62的直径在200μm 至30mm的范围内变化。
气体供给装置(未示出)可从该装置的任一侧向该装置提供气体。
工件66 位于该装置内侧,使得其整个表面可以同时处理,如图6所示。
当工件充 当反电极时,所有金属电极63用DC或RF电压供给。
在加载RF电压的情 形下,优选地在10KHz至200MHz的范围内变化。
或者,在工件不处于地 电位的情形中,每个相邻金属电极交替地加载地电位和DC/RF电压。
图7A和7B是示出本发明中CED等离子体处理的杀菌能力的一个例 子的照片。
图7A中示出,用本发明的CED等离子体簇射处理的第一样品 不包含细菌的生长。
相反地,在用传统AC(交流)阻挡型等离子体(AC barrier type plasma)处理的第二样品中发现了微生物的生长,如图7B所示。
于是, 在杀菌中,通过本发明的CED等离子体簇射的处理比传统AC阻挡型等离 子体处理更有效。
图8A至8C是示出本发明中CED等离子体处理的杀菌能力的另一个 例子的照片。
在此例子中,三个相同的土壤样品中的每一个悬浮在水中, 并过滤以去除碎石。
样品的孢子染色涂抹并固定在显微镜载片上,以确认 孢子内壁出现在样品中。
其后,用CED等离子体处理第一样品,而用常规 AC阻挡型等离子体处理第二样品,每个均持续6分钟。
第三样品根本不用 等离子体处理。
所有样品被收集到棉签上,并用无菌蒸馏水浸泡。
棉签插 入1ml无菌蒸馏水中。
然后,棉签被划线到LB琼脂板(酵母汁和酪胺)上, 并在37℃培养18小时。
然后,观察每个样品。
用CED等离子体簇射处理 的第一样品显示没有微生物生长的菌苔,仅有单细菌细胞,如图8A所示。
与第一样品不同,第二和第三样品分别包含微生物生长的部分或全部菌 苔,如图8B和8C所示。
图9是示出人体杀菌中的一种应用的照片。
因为由本发明的CED等离 子体簇射产生的等离子体是非热的,所以,它可以直接应用于人体,以在 这些情况下杀菌和清洁。
如上所述,使用毛细管电极放电等离子体簇射的等离子处理装置具有 优于传统等离子体处理装置的以下优点。
本发明的CED簇射可以用于大气压或高压下工件的等离子体处理。
于 是,它提供了基本无限制的应用,而不管工件的尺寸。
此外,在消毒过程中,通过本发明的CED等离子体簇射的处理比传统 AC阻挡型等离子体处理更有效。
对本领域技术人员,将清楚的是,在不背离本发明的范围或宗旨的情 况下,在使用本发明的毛细管电极放电等离子体簇射的处理方法和装置中 可作各种修改和变更。
于是,这意味着,本发明包括本发明的修改和变更, 只要它们在所附权利要求及其等价表达的范围内。
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