等離子體表面處理儀簡(jiǎn)介

等離子體表面活性儀（Plasma Cleaner）

首先，我們來說一下什么叫做等離子體。

等離子體又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)可以捕捉、移動(dòng)和加速等離子體。等離子體物理的發(fā)展為材料、能源、信息、環(huán)境空間，空間物理，地球物理等科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展提新的技術(shù)和工藝。

等離子清洗機(jī)產(chǎn)生等離子體的裝置是在密封容器中設(shè)置兩個(gè)電極形成電場(chǎng)，用真空泵實(shí)現(xiàn)一定的真空度，隨著氣體愈來愈稀薄，分子間距及分子或離子的自由運(yùn)動(dòng)距離也愈來愈長(zhǎng)，受電場(chǎng)作用，它們發(fā)生碰撞而形成等離子體，這些離子的活性很高，其能量足以破壞幾乎所有的化學(xué)鍵，在任何暴露的表面引起化學(xué)反應(yīng)，不同氣體的等離子體具有不同的化學(xué)性能，如氧氣的等離子體具有很高的氧化性，能氧化光刻膠反應(yīng)生成氣體，從而達(dá)到清洗的效果；腐蝕性氣體的等離子體具有很好的各向異性，這樣就能滿足刻蝕的需要。利用等離子處理時(shí)會(huì)發(fā)出輝光，故稱之為輝光放電處理。

等離子體清洗的機(jī)理，主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。就反應(yīng)機(jī)理來看，等離子體清洗通常包括以下過程：無機(jī)氣體被激發(fā)為等離子態(tài)；氣相物質(zhì)被吸附在固體表面；被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子；產(chǎn)物分子解析形成氣相；反應(yīng)殘余物脫離表面。

等離子體清洗技術(shù)的最大特點(diǎn)是不分處理對(duì)象的基材類型，均可進(jìn)行處理，對(duì)金屬、半導(dǎo)體、氧化物和大多數(shù)高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亞胺、聚氯乙烷、環(huán)氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地處理，并可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。

等離子體清洗還具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：容易采用數(shù)控技術(shù)，自動(dòng)化程度高；具有高精度的控制裝置，時(shí)間控制的精度很高；正確的等離子體清洗不會(huì)在表面產(chǎn)生損傷層，表面質(zhì)量得到保證；由于是在真空中進(jìn)行，不污染環(huán)境，保證清洗表面不被二次污染。

（1）醫(yī)用材料研究，主要為研究和開發(fā)企業(yè)或研究所；

（2）電子領(lǐng)域，應(yīng)用較為廣泛，如電路板等；

（3）生物芯片領(lǐng)域；

（4）高分子材料研究或開發(fā)單位；

（5）高端和精密研究的清洗、除污。保證儀器的正常使用；

（6）光學(xué)材料的開發(fā)和研究；

（7）電化學(xué)單位，進(jìn)行表面處理的單位；

（8）其他主要進(jìn)行表面處理的單位。

大功率等離子體表面處理用脈沖電源

一、等離子體電源的特殊性

用于等離子體表面處理的電源不同于其它一般電源就在于它必須滿足于氣體放電特性及表面處理的特殊工藝要求：

1.氣體放電特性與滅弧

等離子體表面處理工作在異常輝光放電區(qū)。這種狀態(tài)極易過度到弧光放電狀態(tài)?；」夥烹姷陌l(fā)展會(huì)使電流劇增，既對(duì)電源造成威脅，又可能使工件表面燒蝕，必須很快截止。

油垢、銹斑、毛刺及工件吸附氣體到一定溫度后的大量釋放，都會(huì)產(chǎn)生弧光放電。而工藝過程必須經(jīng)歷弧光清洗階段，因?yàn)?，散弧有利于加快處理速度。但大能量的弧光則必須快速截止，這樣，就要求電源自動(dòng)“判別”，利用散弧，截止大弧。

2.空心陰極效應(yīng)與di/dt限制

圓筒狀工件或工件的孔洞便是空心陰極?？招年帢O內(nèi)的電子束彼此匯合，使負(fù)輝光并合在一起，其放電電流密度除正離子轟擊陰極所引起的次極電子發(fā)射的貢獻(xiàn)外，還有電子在陰極間來回振蕩以及亞原子轟擊陰極所引起次級(jí)電子發(fā)射的貢獻(xiàn)。隨著振蕩的延續(xù)，能量不斷積累，電流密度不斷增大（di/dt>0），這樣就會(huì)引起局部超溫，這種現(xiàn)象稱為空心陰極效應(yīng)，必須有效地控制。

3.巴刑（Paschen）曲線與輔助電源

巴刑曲線為一開口向上的曲線。即點(diǎn)燃電壓Ub隨Pd（P壓強(qiáng)，d極間距）變化有一極小值。

工藝處理過程中，必須克服點(diǎn)燃電壓與正常工作電壓可能相差很大的矛盾。

4.功率密度與節(jié)能

要保證所需滲氮表面均勻地被輝光覆蓋，獲得均勻滲氮，必須工作于異常輝光放電區(qū)，而只有當(dāng)離子功率密度≥0.4W/cm2，才能處在異常輝光放電區(qū)。

在連續(xù)的供電下達(dá)到異常輝光放電區(qū)，必須以冷卻水增大熱輻射來帶走熱量以使得工作維持在某一溫度，這種能量損失占的比重非常大！

5.工藝要求與參量控制

連續(xù)供電產(chǎn)生輝光放電，其處理工作的溫度由放電的物理參數(shù)（氣壓、電壓、電流）來控制，某些情況下希望物理參數(shù)取較高值，必然帶來溫度無法控制。

為了解決上述矛盾，八十年代后期國際上發(fā)展了脈沖直流輝光放電技術(shù)，應(yīng)用效果很好，它是等離子體表面處理的一個(gè)重大進(jìn)展。但由于產(chǎn)品售價(jià)高，加上技術(shù)保密，其核心技術(shù)無從考證，至今國內(nèi)大多還采用直流電源來產(chǎn)生輝光放電激發(fā)等離子體。下面介紹我所研制的大功率等離子體表面處理用脈沖電源原理、電路特點(diǎn)和應(yīng)用情況。

二、脈沖輝光放電的特點(diǎn)

(1)脈沖電源進(jìn)行離子滲氮時(shí)，一旦產(chǎn)生弧光立即通過檢測(cè)電路傳給主控，在20μs內(nèi)中斷電流弧光電流來不及發(fā)展便自然熄滅?；」怆娏麟m然集中一點(diǎn)，但能量小，不足以損傷工件。而在轟擊清洗階段，只限制可能發(fā)展成大能量的弧光，利用微弧加快清洗過程，有利提高工效。

PCVD由于常用鹵化物作原料氣，打弧現(xiàn)象更為嚴(yán)重，這時(shí)，利用脈沖電源來激發(fā)等離子體就更有重要作用了。

(2)離子滲氮時(shí)，工件上的小孔、深孔及溝槽部分常會(huì)出現(xiàn)空心陰極效應(yīng)，脈沖電源可使載流子的集聚很快中斷，從而抑制了空心陰極放電的發(fā)展，保證工件不出現(xiàn)局部過溫而導(dǎo)致變形。這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中得到證實(shí)。B.Edenhofer用1kHZ脈沖電源使Φ3×50mm的內(nèi)孔中得到了均勻的擴(kuò)散層。我們?cè)趯?duì)鋁型材熱擠壓模具進(jìn)行離子氮化時(shí)，使0.6×5mm的窄縫中得到了均勻的擴(kuò)散層，同時(shí)解決了機(jī)車曲軸離子氮化時(shí)必須堵油孔和平衡孔問題，大大節(jié)省了輔助工時(shí)。

對(duì)PCVD而言，脈沖電源不僅可以在刃具表面上沉積硬質(zhì)膜，還能在形狀復(fù)雜的模具上獲得均勻的硬質(zhì)涂層，這是一個(gè)極有發(fā)展前途的領(lǐng)域。

(3)節(jié)能，脈沖電源取消了串聯(lián)在主電源回路中的限流電阻（離子氮化爐的供電系統(tǒng)區(qū)別于一般可控硅供電系統(tǒng)的重要一點(diǎn)是工作中出現(xiàn)負(fù)載打弧短路現(xiàn)象。因此，該電路中必須設(shè)有滅弧電路。而且還要設(shè)有較大的限流電阻）?？梢怨?jié)約大量電能。

脈沖電源提供給工件的離子平均功率密度E=E×t/T=DE，（其中D為占空比，E為脈沖功率密度）只要E大于產(chǎn)生異常輝光放電所需的功率密度，脈沖到來就在異常輝光區(qū)，工件受到均勻滲氮，而與熱輻射損失相平衡的是平均功率密度E，如果爐體內(nèi)有良好的隔熱屏，熱損失小，就可以通過減小D來與熱輻射相補(bǔ)償，從而減少能耗，國外資料介紹脈沖電源比直流電源節(jié)約30%-50%的能源。

脈沖電源在D較小的情況下，并不影響滲氮時(shí)間。這被大量的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。理論上，氮?dú)庵忻}沖放電單元子氮的產(chǎn)額大于直流放電的產(chǎn)額，具有更高的活性氮原子濃度。

(4)用脈沖電源進(jìn)行離子滲氮時(shí)，工件升溫、保溫，所需的平均功率由D來控制，使得放電的物理參數(shù)（P、V、I）與控溫參數(shù)D分開，使于工藝參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)。

三、采用IGBT器件的脈沖電源電路結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

等離子體表面處理用脈沖電源有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.斬波頻率較高（對(duì)離子滲氮為1kHZ）。

2.工作電壓高（1kV）。

3.負(fù)載為輝光放電，負(fù)載阻抗在劇烈變化，發(fā)生輝光放電到弧光放電轉(zhuǎn)變時(shí)，呈負(fù)阻特性。

4.要求放電電壓、電流近似方波。

脈沖電源的核心部分是直流斬波器。電路框圖(略)圖二是實(shí)際拍攝的電流、電壓波形當(dāng)D從15%到85%時(shí)（頻率為1kHZ）電流、電壓都近似為矩形波。電壓幅度可以在1kV內(nèi)任意調(diào)節(jié)，最大輸出脈沖峰值電流可達(dá)240A。此外，在電路設(shè)計(jì)上著重解決了以下兩個(gè)問題：

1.串聯(lián)問題 斬波器主開關(guān)器件IGBT是一種新型電力電子器件，由于目前市場(chǎng)上IGBT單個(gè)器件的耐壓在1200-1600V，必須使用兩個(gè)IGBT串聯(lián)工作。如果兩只IGBT不同時(shí)開或不同時(shí)關(guān)，它們各自承受的電壓就不均等，這種不均衡經(jīng)常發(fā)生或某一瞬間嚴(yán)重失衡，將導(dǎo)致其中一只IGBT損壞，如果電路中沒有有效的保護(hù)措施，另一只IGBT也會(huì)緊接著損壞，我們采用了一種特殊的串接方法，并在控制電路中對(duì)兩個(gè)IGBT的工作均衡狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦失衡到不允許值即暫中止工作，恢復(fù)平衡后自動(dòng)重新啟動(dòng)。這種設(shè)計(jì)可使串接的大功率器件能可靠地工作。我們還在驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)計(jì)，以盡量減小驅(qū)動(dòng)帶來的不平衡。

2.保護(hù)測(cè)控 對(duì)弧光、空心陰極效應(yīng)，陰陽極短路等引起的過流，檢測(cè)電路能迅速傳遞信號(hào)，使IGBT在10-20μs內(nèi)截止，既保護(hù)了電源主功率器件，又防止了工件燒蝕和部分過溫變形；運(yùn)用脈沖電源處理工件時(shí)，D和峰值電流對(duì)工藝影響較大，本電源將二者準(zhǔn)確顯示出來；處理工件時(shí)，溫度是非常重要的工藝參量，本電源對(duì)溫度采取PID控制。

脈沖電源在離子滲氮方面已表現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)；如何充分發(fā)揮其易于調(diào)節(jié)工藝參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。

脈沖電源用于PCVD更具優(yōu)越性。K.-T.Rie等人運(yùn)用脈沖電源沉積TiN，在較低的脈沖電壓、適當(dāng)?shù)恼伎毡认拢@得了高硬度（HV2500）、致密的TiN涂層。

電感耦合等離子體發(fā)光光譜分析（ICP）