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技术交流

等离子表面处理介绍工作原理

发布时间:2018-9-28 8:31:19 | 信息来源:
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概述

气体等离子体占我们宇宙的99%,主要存在于恒星中。虽然地球上很少见,但天然等离子体包括闪电,北极光和圣埃尔莫的火焰。表40.1列出了某些等离子体,并通过粒子密度和温度来表征它们。

等离子体可以通过用足够功率的电磁场电离气体来生产和控制。气体等离子体的一种有用形式是通过将气体引入到反应室中,保持压力在0.1和10托之间,然后施加射频(rf)能量来制造的。一旦电离,被激发的气体与放置在辉光放电中的材料表面发生反应。

等离子体的物理和化学性质取决于许多变量;化学,流量,分布,温度和气体压力。此外,射频激发频率,功率水平,反应器几何形状和电极设计也同样重要。当等离子体的电源关闭时,分解的气体分子迅速重新结合到它们的自然状态。

等离子体的类型

等离子体在宽范围的温度和压力下发生,然而,所有等离子体具有大致相等的正和负电荷载流子浓度,以使它们的净空间电荷接近零。

一般来说,所有等离子体都属于三种分类之一。高压等离子体元素,也称为热等离子体,处于热平衡状态(通常能量> 10,000°C)。表40.1所示的例子1包括恒星内部和热核等离子体。混合等离子体在中温气体(〜100至1000℃)中具有高温电子并且在大气压下形成。电弧焊机和电晕表面处理系统使用混合等离子体。本章重点讨论的冷等离子体不处于热平衡状态。当大量气体处于室温时,离子化气体中自由电子的温度(动能)可以高出10至100倍(高达10,000℃),从而产生一种不寻常的,极其化学反应性的环境环境温度。

有两种类型的冷等离子体,由电极配置决定。 初级等离子体直接由反应室电极之间的射频能量产生。 次级等离子体存在于能量场的下游,由气流和扩散携带。 次级等离子体对表面改性不太理想,因为在rf场下游的待处理部件越远,等离子体反应越少。 一部分可能会屏蔽另一部分,造成不均匀性,并且在所有活性物质局部耗尽之前可以处理较少的表面积,从而降低较大负载下的有效性。

典型的等离子体处理周期

现代等离子处理设备完全自动化。典型的连续处理设备如图40.1所示。

为了准备治疗,过程工程师将设定点输入微处理器控制器。该过程的条件先前已确定为对特定应用有效。钥匙开关锁定设定点,以便操作员不会无意中修改过程。一个过程可以由单个或多个过程步骤组成,每个步骤包含一个完整的等离子体循环。

装载腔室时,机器操作员将部件放置在电极/搁架上。关门后,操作员通过按下开始按钮启动过程。控制器监控和控制过程,直至完成。

控制器采取的第一步是通过打开真空泵的隔离阀来排空反应室。在预定的基础压力下,工艺气体进入腔室。延迟使反应室的压力稳定,然后打开电源,产生等离子体。控制器开始进程计时器。只要射频功率开启,阻抗匹配网络就会不断自动地*小化发生器和腔室之间的功率失配。

该步骤在处理时间结束后或者在达到可选的温度设定点之后结束,此时射频功率和处理气体被关闭。真空泵从腔室中排出工艺气体和副产品,系统重复整个循环以进行下一步骤。如果*后一步已经完成,则腔室排放到大气中,并且控制器向操作员警告过程完成。

等离子化学

冷等离子体的三种性质 - 化学离解,离子加速动能和光化学 - 使这种独特的环境对表面处理有效。

将气体暴露于足够的电磁能量会使其分解,形成化学反应气体,从而快速修改暴露的表面。在原子级别,等离子体包含许多不同能级的离子,电子和各种中性物质。形成的激发物种之一是自由基,其可以直接与有机材料表面反应,导致其化学结构和性质的显着改变。当轰击表面的离子和电子从变化的电磁场获得足够的动能以从表面敲击原子或原子团时,也会发生修饰位点。此外,气相碰撞传递能量 - 形成更多的自由基,原子和离子。

离解的物质组合在光子回到基态时发出光子。这种辉光放电的光谱包括高能量的紫外光子,这些紫外光子将被吸收到基底的顶层表面,从而产生更多的活性位点。辉光放电的颜色取决于等离子体的化学性质,其强度取决于处理变量。

等离子体工艺仅改变几个分子层,因此外观和整体性质通常不受影响。另外,等离子体通过切断(分子长度减小),分支和交联有机材料来改变表面层的分子量。等离子体的化学性质决定了它对聚合物的影响。

等离子表面处理方法

表面处理适用于许多聚合物工艺,等离子体是一种化学工艺。 在处理聚合物中使用三种冷等离子体处理:

1.激活等离子体使用与产物反应的气体或气体来改变其化学性质。 这样的等离子体使用氧气,氨气,空气,卤素和其他气体来清洁表面污染物,对表面进行微结合,并将各种化学基团取代到聚合物链上。

以下讨论激活等离子体。

2.接枝等离子体处理首先通过暴露于化学惰性等离子体来激活表面,然后将表面浸入不饱和单体的蒸气中(不产生等离子体)。 先前在聚合物表面形成的自由基引发与反应性单体的接枝反应。

3.等离子体聚合利用等离子体能量引发气相聚合反应,导致有机物沉积在等离子体室内的表面上。

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