等离子体表面改性外文翻译资料

 2022-09-04 20:10:25

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2.等离子体表面改性

在过去的五十年时间里，等离子表面改性方面有了巨大的进展，这种进展主要发生在对关于等离子体表面准备与改性代理技术有着更加强烈兴趣的十年中。

在二十一世纪早期，我们已经对高分子材料的表面改性产生了很大的兴趣，如今已经在工业方面广泛应用。例如，提高涂料的粘着力，提高聚合物复合材料内部和表面的纽带，诸如此类。使用这些等离子体技术的关键原则是改变材料的表面性质的同时不改变它的大部分属性，这一原则对于提高材料与新材料产品生产和设计问题的可能性以及应用程序的开发创新是至关重要的。就像有时在常见的工业应用中，遇到生产瓶颈时经常开发新的基质来取代现有的，然后发现存在额外的与现有过程不相容的属性。

等离子体表面改性的新发展过程通常可以克服这些问题，同时可以提供新的材料和工艺设计解决方案的灵感，远远强于那些依赖物理或化学来进行表面改性的方法。这个过程随着时间的推移演变成为一种不使用手动或化学腐蚀性产品，环保高效的在微观水平上相对专业的修改材料表面的低压等离子体技术，利用这种技术，是以一种受控制的方式干净、活跃地腐蚀表面。塑料、金属、纺织品和许多其他材料的表面改性可以实现改善界面结合特征或实现新的特性，我们将对这些低压等离子体所提供的功能以及他们的优缺点进行探讨。

2.1低压等离子体

低压、高密度等离子体放电系统，被广泛的设计了一个系统进行替代，称为容性射频放电系统。系统使用磁学表面腐蚀和沉积的应用程序。

射频系统内的主要缺点之一是，电流和电压引入不同频率时只能独立调整，这种方法导致在电极电压极高时会提供离子排放，创造潜在的衬底表面损伤。处理这个问题，必须利用第二射频电极单独控制离子轰击。

如今低压等离子体源的设计具有的压力水平通常在0.1-10Pa，等离子体放电密度较高，因此等离子体放电相对于电容射频放电具有较高的类似电压。此外，微波或射频功率通常是连接在等离子体的现有介质范围内而不是连接到等离子体的组装放电电极。

理解在弱电离等离子体离子和电子的流动和等离子体的电位和电压的显著差异的重要问题在低压等离子体处理材料表面改性上是至关重要的。等离子体流动的物理原理中描述了电场中带电粒子的速度。

在半导体领域，对于孔有一个类似的参考相，称为“空穴迁移率”，代表半导体电子和空穴迁移率的载流子迁移率是这个行业的术语。低压等离子体电场下导致带电粒子在材料中的电迁移，电子迁移的速度称为漂移速度，单位为平方厘米/伏秒。由于它们在迁移的过程中不可避免的会与其它粒子发生碰撞且概率增加，因此这些电子将无法达到高水平的速度，最终获得稳定水平的平均漂移速度。这种影响是很容易理解的，因为：

①在低压弱点等离子体中排放因此主要与指控物种进行中性色碰撞；

②漂移速度与电场成正比；

③由于它们间的质量差异，大多数的能量从电场离子转移到电子身上。

2.1.1表面腐蚀

从根本上来讲，低压等离子体表面腐蚀是指以动态的物理或化学过程连续的去除材料表面。低压等离子体蚀刻表面放电是通过发出激烈的活性物种，使他们与衬底表面发生反应，挥发原子水平的底物来很好地实现。在腐蚀过程中，放电产生激活离子和中性色。低压等离子体室是创建一个温度、压力、反应气体流量以及能量都受控制的环境去最有效的处理条件所需的表面反应。低压等离子体环境中的表面腐蚀和反应过程可以分为四个不同的关键阶段：

·激活活性气体种类：规定气体混合物送入低压等离子体室，部分电离成离子和中性色。

·衬底表面活性物种加速：电压和电磁场在生成的等离子体中创建激活物种和带电粒子，并驱动和扩散到衬底表面。

·表面反应：气体前期吸附在衬底表面，发生一个规定的反应，然后解吸等表面层次的污染和散装材料。这个过程的主要物理腐蚀机制依赖于能源对衬底表面离子的影响，当然，也存在化学腐蚀机制的中性侵犯和与衬底表面间额的反应。

·解吸材料的转移：在低压等离子体放电内，产品（腐蚀剂）表面挥发过程撞击后形成吸附层。这些产物被真空抽运机制系统进行排除。

因此表面腐蚀机理总的来说就是当电子和离子逃脱时，低压等离子体辉光放电失去能量，但电磁功率支持放电系统，使能量回馈到等离子体以维持等离子体平衡。综上所述，加速电子与中性色碰撞的必要条件是与离子配对形成可持续的动能。由于质量与流动性之间的区别，电子承担大部分的碰撞能量。我们已经证明了衬底表面是由加速物种导致随后的蚀刻和激活。

2.2微波系统

低压微波系统是典型的利用直流或交流电在较低功率比时以电离气体设计无线电频率系统。而且这样进行的特点是波长小得多。这就意味着等离子比一个射频等离子体放电更加具有均匀性，他们在规模和输出潜力上更加不容易提升，除了不均匀性处理之外，微波等离子体还会加热目标底物。

在微博系统的频谱中，他们的放电可以是小量的、局部放电、也可以是以不适合处理材料的温度来处理热等离子体。因此微波等离子体技术最常用于低压（真空）环境作为下游加工技术，因为等离子体放电离里的分子物种相对于射频等离子体系统具有更高的速度。暴露在微波辐射下也是一个需要特别注意和警惕的安全问题。

低压等离子体和其他类型的化学表面改性技术相比较，过程上具有明显的优势。这是一个利用中间气体和其他低压系统的干燥过程，没有雨其他相关过程那样使用毒、湿化学反应的重大安全或处理问题。作为另一个箱体过程，表面处理发生在真空环境，是可控的，所以通常不会发生结果的变化。

微波等离子体放电产生的低压有许多的工业应用，尤其是在半导体油墨轴锟组建过程中，这些等离子刻蚀和沉积由于比标准的射频技术化学反应活性高、相对干净，而且在运营能力上有较低的操作温度和更少的物理离子轰击，在使用导管或高温敏感电子原件的基片集成中可以导致更高的的收益水平。从应用程序的角度来讲，微波等离子体系统在降级执行以下功能时是有用的：

·去处有机污染的极高的净化水平

·通过化学功能交联进行表面改性

·薄膜沉积的功能性涂料，如硅烷、硅氧烷、聚对二甲苯

最近有微波放电等离子体在大气压下的研究和商业发展。一些设计使用喷气机配置，可以应用在一个广泛的频率，如0.896GHz，2.45GHz，和10GHz。他们通常利用波导式涂布，允许在大气压力下生成微波等离子体射流。由于喷嘴之间的有力电场和涂布，微波等离子体将在外腔形成。像其他真空和大气等离子体系统可以使用气体和混合气体，如氮、氩、氦、二氧化碳等。在使用氩气时值得注意的是，已经测定到在微波的功率范围内，它的放电仅发生在外加的氮气上。这被解释为类似于潘宁效应，即一种惰性气体与另一种气体混合一段时间的混合物相对于主成分气体来说电离产生较低电压。人们已经发现这种类型的混合物在大气压力下，氮组分气体越多，微波放电产生的辐射强度越强。

微波等离子体射流技术已应用于高温金属焊接与切割等工业应用,和高熔化温度基质和纤维的形成。也将被用于缓解环境污染气体例如氮基氧化物（NOx）和含氯氟烃等排放的汽车和工业设施,和沉淀电磁涂料。

大气微波等离子体领域内的其他新发展涉及到2.45 GHz频率的构造系统使用一个低击穿电压组成气体,如氦以及旋转微波场与三电极配置。氦等离子体运作的微波输入功率150瓦和1500毫升的最低气体流量。高度对称的等离子体放电形成在低场强。通常情况下,三角环形等离子体是对引进的式样造成中心开放而产生的。实现了电子密度7.5 x 1014 cm-3。

2.3物理气相沉积系统

正如前面建立的,低压等离子体环境下,电子和离子存在于大量可以有导电性的地方。沉积通常涉及低压(真空)等离子体环境下薄膜或涂层的沉积。这些沉积的规模通常被理解为在分子或原子水平。这些类型的低施压的过程被称为物理气相沉积(PVDs)或化学气相沉积(CVDs)。

当创建一个真空室,沉积的过程是通过为等离子体中的离子和原子碰撞增加“平均自由程”。这个平均自由程的定义是讲原子,分子,或另一个粒子之间的碰撞将修改其方向而移动的平均距离,利用能源、或其他粒子的属性,和降低污染水平的气体过程[9]。建立了低压真空等离子体时,室气体压力是建立的整体密度粒子(带电和不带电的)的关键,从而导致低压等离子体粒子能量密度。可以加速离子和电子高度活跃在维持电磁场能量水平是建立一个理想的等离子体的条件。

机械设计技术生成表面沉积使整个过程完善。沉积系统的关键组件包括沉积室的夹具设计的基质涂层、泵疏散蒸汽从真空室和过程气体。低压系统的建立原则上需要1）蒸发原子物种来延长平均自由路径，从而阻止生成本地化的热力学“萌芽”或污染物种的沉积，以及2）依靠所需涂层可以在衬底表面沉积来减少等离子污染。

夹具定位的基质沉积期间控制的运动相对于蒸发过程还将确保涂层的均匀性。加工周期是由气体压力,衬底几何和夹具的运动所影响的。真空沉积技术要求精确控制和维护实践,以确保一致和产物的高质量的沉积。

薄膜和涂层口供,室设备设计和涂料本身随着时间继续改善。决定应用低压沉积过程是由价值决定的,来自于过程本身,耐用涂层应用的过程,和环境优势与口供包含在房间。现在的前沿研究和发展来实现包括水分和氧气阻隔灵活(清晰)聚合物基片上组件的涂料和刚性(清晰)包装食品,高耐磨涂料,汽车应用程序,和清晰的耐蚀金属制品的沉积。

2.3.1物理气相沉积过程

称为动态活动过程,物理气相沉积(PVD)采用高能离子溅射供体材料作为表面材料的来源用于涂层的衬底表面。物理溅射过程是一个涉及离子和原子物种供体材料之间的动量交换。这种高能离子轰击表面等离子体还可以修改属性。此外,PVD等离子体用于激励气体和蒸气前体或引入催化剂作为元素来活跃沉积过程,以及用化学气相沉积(CVDs)进一步撕裂蒸汽前体,本部分将在稍后讨论。一旦供体材料(液态或固态)蒸汽是在反式-低压等离子体环境中移植,最终凝结在衬底基片上。

汽化了的PVD材料可以基本元素材料、合金或化合物。一般来说,物理气相沉积过程是利用沉积薄膜厚度从几纳米到成千上万的纳米,以及形成多层沉积对表面性能属性进行改善。反应机制之间的气体(或气体混合物)用于室内和供体材料(或材料)还可以创建功能高度独特的化合物涂层沉积。

物理气相沉积的一种类型的过程是基于真空蒸发，凭借材料是汽化了的以及和目标基底间的立刻反应而不存在与反应材料与基底之间的等离子气体分子碰撞产生的冲力。因此,汽化的材料被规定在靶衬间距的可视范围内。达到适当的水平的汽相淀积,反应材料通常必须达到一个最低的蒸汽压至10mTorr伴随着10^-5到10^-9Torr之间的箱内等离子气体压力。反应材料不同坩埚、船只和钢丝线，当材料蒸发温度在不到1500摄氏度时就被加热成气态。其他方法包括在材料的表面反应进行聚焦电子束扫描。一般来说,真空蒸发过程被认为是最便宜的物理气相沉积过程。它还提供了这些额外的主要优点:

物理气相沉积（PVDs）的原则与真空蒸发以及部分以前讲过的，凭借高能气体基底离子生成等离子体或聚焦的发光源来反映材料表面的非热能的和物理喷溅是“溅射沉积”有关。过程通常是托管在一个真空室,或低压气体环境,所以粒子到达衬底表面之前不遭遇碰撞以及发生离子的动能传递加速。这种沉积过程也可以在低于15mTorr的高压下进行，导致这些溅射的粒子与基底表面高速碰撞而产生热提高。磁场通常用来限制目标基底附近的等离子体溅射,以及加速等离子体离子向衬底运动。这些部分是由磁控管产生,也可以修改(不平衡)导致电子逃避等离子体,被重新定位到一个远离目标底物的区域。应该注意的是,目标底物可以“中毒”,如果得到允许的话,反应活性气体的过程中会形成不良表面化合物。低辐射能源过程中,溅射沉积在处理上提供了许多的优点:

·蒸发反应材料可以是一个自由形态的固体和任何纯度水平。

·沉积速率可以很容易地进行控制和监控。

·有图案的沉积物通过遮掩可以被使用。

真空蒸发过程的有一些明显的缺点。前面提到的视线轨迹的沉积通常会提供限制性和低水平的沉积薄膜均匀性和一致性较大或高度波状外形的表面区域覆盖。需要特殊的定位和旋转的目标底物来克服这个问题。蒸发也有有限数量的化合物可以很容易地沉积。此外,将会造成大型资本支出和利用巨大的真空室来提供源反应材料和基材之间的必要距离。因此真空蒸发过程最有效地使用更简单的应用程序,如软包装金属化高分子障碍,使用提供大范围折射性能的反映材料为需要导电性的高分子膜提供光学镀膜,以简单的小的几何图形的反应材料对基质沉积各种光学涂层提供了一个广泛的折射特性。

·广泛的化合物,合金和元件可以沉积物溅射。

·反应材料的外形可以在几何以及圆柱表面进行变化。

·反应材料可以与目标底物保持一个较近的距离,减少对燃烧室体积的要求。

·沉积可以在某些系统设计,利用规定的反应分子类型在一个活化的真空等离子体内部发生。

任何过程中,都有固有的缺点。对溅射沉积来讲,沉积材料的溅射均匀性很低。这需要积极的和预期的定位和控制薄膜沉积均匀性的最大化。如果被溅射的反应物质是低质量的,沉积薄膜可以导致低应用程序性能。位置溅射相对于真空蒸发来说周期较长。正如上面提到的,等离子体气体混合物必须被控制的避免毒害目标底物。然而溅射是一个对于半复合沉积应用非常合适的过程,如应用在半导体材料和玻璃导电涂料,在灵活的网和硬质塑料反光涂料,应用工具的耐磨涂料。

另一个物理气相沉积增值变体是“汽相淀积弧”,反应物质在通常由一个阳极熔化或阴极基底弧下的环境中。蒸发沉积的来源是在真空环境中蒸发任何一个阴极或阳极低压电弧,尽管大多数结构涉及到电弧穿过阴极界限表面是形成的阴极基底电弧蒸发。阳极基底弧结构,反应物质存在的残酷环境由电弧熔化和暴露在激发并指控其离子电弧等离子体环境下的蒸汽。电弧气相沉积的主要优点是:

·任何类型的导电反应物质依靠过程抵抗老化。

·电弧等离子体对于反应材料离子和等离子体气体的有效沉积来说是高效的。

·阴极

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