PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL BUP 12/10. PIOTR KAZIMIERSKI, Łódź, PL JACEK TYCZKOWSKI, Łódź, PL JAKUB ZIELIŃSKI, Łódź, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H05H 1/36 ( ) H01L 21/30 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Elektrodowy reaktor mikroplazmowy do obróbki powierzchni za pomocą nierównowagowej, niskotemperaturowej plazmy generowanej przy ciśnieniu atmosferycznym (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 12/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/12 (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR KAZIMIERSKI, Łódź, PL JACEK TYCZKOWSKI, Łódź, PL JAKUB ZIELIŃSKI, Łódź, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Ewa Kaczur-Kaczyńska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest elektrodowy reaktor mikroplazmowy do obróbki powierzchni za pomocą nierównowagowej, niskotemperaturowej plazmy generowanej przy ciśnieniu atmosferycznym. Dynamiczny rozwój technik plazmowych oraz postęp w badaniach wywołał znaczne zainteresowanie przemysłu technologią plazmową. Zastosowanie plazmy pozwoliło na realizację wielu procesów oraz na eliminację niedogodnych czynników obniżających efektywność i opłacalność procesów chemicznych. Nierównowagowa, niskotemperaturowa plazma, generowana z reguły w reaktorach o niskim ciśnieniu (rzędu paskali), jest od lat stosowana do polepszania właściwości powierzchni, czyszczenia oraz nakładania cienkich warstw o różnych właściwościach. Różnorodność wytwarzanych plazmowo warstw oraz bogactwo zastosowań plazmowej obróbki powierzchni przyczynia się do projektowania reaktorów o różnym przeznaczeniu i konstrukcji, których cechą wspólną jest komora próżniowa, w której dokonuje się generowania plazmy - książka Cienkie warstwy polimerów plazmowych wyd. WNT, Warszawa 1990, opis patentowy PL nr Rosnące zapotrzebowanie na obróbkę czy nakładanie warstw na dużych powierzchniach wymusza stosowanie komór próżniowych o coraz większych rozmiarach, co pociąga za sobą coraz większe koszty oraz niedogodności w prowadzeniu procesu. Z tego powodu zwrócono uwagę na źródła plazmy pracujące pod ciśnieniem atmosferycznym - czasopisma IEEE Transactions on Plasma Science 26 (1998) s , Plasma Sources Science and Technology 7 (1998) s oraz Większość atmosferycznych źródeł plazmy stosowanych w przemyśle generuje plazmę w wyładowaniu koronowym lub barierowym. Wyładowania takie wymagają na ogół wysokich napięć doprowadzanych do urządzenia, a konstrukcje muszą być wyposażone w elektrodę uziemioną, która jest umieszczona najczęściej pod obrabianym materiałem. Rozmiar i właściwości materiału mają więc bardzo istotny wpływ na przebieg procesu generowania plazmy. Ze względu na liczne ograniczenia i niedogodności stosowania powyższych wyładowań o większych rozmiarach zwrócono uwagę na atmosferyczne mikrogeneratory plazmy, w których odległość pomiędzy elektrodami jest rzędu 1 mm. Aby obróbka plazmowa za pomocą takich urządzeń stała się efektywna, nieodzowne staje się rozwinięcie powierzchni plazmy działającej na próbkę. W tym celu stosuje się matryce mikrogeneratorów obrabiające powierzchnie mikro wyładowaniami na obszarze od kilkudziesięciu do kilkuset cm 2 - czasopismo International Journal of Mass Spectrometry 248 (2006) s Z czasopism Journal of Applied Physics 39 (2006) s oraz Journal of Applied Physics 98 (2005) s jest znany mikrogenerator plazmy pracujący przy ciśnieniu atmosferycznym, w postaci igły plazmowej, która wytwarza nierównowagową plazmę o średnicy rzędu kilku milimetrów. Plazma jest wytwarzana w okolicy wierzchołka (elektrody zasilanej) przez wysoki gradient pola elektrycznego w tym miejscu. Znane są także, z czasopisma Thin Solid Films (2006) s , mikrogeneratory plazmy w postaci szeregu igieł. Znane jest także stosowanie jednej igły skanującej całą powierzchnię materiału obrabianego. Rozwiązania te okazują się być bardzo niewygodne z punktu widzenia technologii i nie zapewniają równomiernej obróbki powierzchni. W wyniku poszukiwania nowych rozwiązań mikrogeneratorów generujących plazmę pod ciśnieniem atmosferycznym powstało szereg konstrukcji mikrogeneratorów wytwarzających plazmę w postaci cienkiej wiązki (o szerokości rzędu mm), równoległej do obrabianej powierzchni. W ten sposób łatwa i szybka staje się obróbka dużych powierzchni, ponieważ skanowanie odbywa się na dużo większej szerokości niż ma to miejsce na przykład w przypadku igły plazmowej. Jednak w generatorach tych w ogromnej większości wykorzystuje się wyładowania barierowe, co pociąga za sobą rozmaite niedogodności związane z tego typu wyładowaniami. I tak z czasopisma Surface and Coatings Technology 171 (2003) s jest znany mikrogenerator plazmy, w którym wykorzystuje się wyładowanie barierowe o częstotliwości radiowej (r.f.) otrzymywane między rurką będącą elektrodą uziemioną a drutem pokrytym izolatorem jako elektrodą gorącą. Obie elektrody są umieszczone względem siebie równolegle niewspółosiowo, przy czym drut jest zlokalizowany w sąsiedztwie wzdłużnej szczeliny rurki. W rurce płynie gaz poddawany jonizacji, plazma wydobywa się przez wzdłużną szczelinę rurki. Niedogodnością tego urządzenia jest wysoka

3 PL B1 3 temperatura wytwarzanej plazmy C w zależności od przyłożonej mocy, co powoduje, że ten makrogenerator nie jest preferowany w obróbce powierzchni wrażliwych na działanie temperatury. Z czasopisma Surface and Coatings Technology 201 (2007) s jest znany generator do czyszczenia plazmowego pracujący pod ciśnieniem atmosferycznym, w którym jako gaz roboczy wykorzystuje się powietrze wdmuchiwane w 2-milimetrową szczelinę, w której zachodzi wyładowanie. Elektrodę gorącą stanowi bateria czterech kwarcowych cylindrów o średnicy 4,8 cm pokrytych aluminium. Próbka jest umieszczona na elektrodzie uziemionej niecałe 2 milimetry pod zestawem elektrod. Reaktor jest zasilany prądem o częstotliwości 500 Hz i napięciu 9 kv przy objętościowym natężeniu przepływu powietrza 50 dm 3 /min. Reaktor ten przetestowano pod względem usuwania zanieczyszczeń organicznych z materiału stosowanego w optoelektronice. Niedogodnością tego reaktora jest stosowanie bardzo wysokiego napięcia. W czasopiśmie Surface and Coatings Technology 171 (2003) s opisano generator, w którym wyładowanie barierowe jest inicjowane w układzie dwóch płaskich elektrod, w którym elektrodą gorącą jest siatka druciana, pod którą znajduje się wolna przestrzeń (4 mm), gdzie jest wprowadzany obrabiany materiał, poniżej znajduje się warstwa aluminy, zaś na spodzie jest umieszczona miedziana elektroda uziemiona. Reaktor ten, stosowany do usuwania cienkich warstw zanieczyszczeń organicznych z płytek stosowanych do produkcji obwodów drukowanych, jest zasilany prądem o częstotliwości od 500 do 800 Hz i napięciu 18 lub 27 kv. Znikoma ilość miejsca na próbkę oraz stosowanie wysokiego napięcia stanowią niedogodności tego reaktora. Z czasopisma Applied Surface Science 223 (2004) s jest znany generator, w którym plazmę pod ciśnieniem atmosferycznym generuje się w szczelinie o wymiarach 25 x 2 mm, wykonanej w aluminiowej masywnej elektrodzie pokrytej tlenkiem aluminium. Elektrodę uziemioną stanowi miedziany stolik, na którym umieszcza się obrabiany materiał. Reaktor jest zasilany prądem zmiennym o częstotliwości r.f. 13,56 MHz. Moc dostarczana do reaktora wynosi 60 W, zaś natężenie przepływu gazów roboczych (He/Ar) 2 dm 3 /min. Reaktor ten jest stosowany do trawienia powierzchni, odkażania jej oraz do depozycji powłok z tlenku tytanu i krzemu. W odpowiednich warunkach podczas wyładowania otrzymuje się fulereny C 60. Temperatura plazmy wynosi 100 C. Kolejnym przykładem generatora plazmy atmosferycznej jest generator do czyszczenia powierzchni płytek PCB (Printed Circuit Board - płytka z połączeniami do montażu podzespołów elektronicznych), który składa się z dwóch elektrod umieszczonych w odległości od siebie od 1 do 10 mm. Palnik zasilany jest prądem zmiennym o częstotliwości MHz, moc można zmieniać w zakresie W. Elektroda gorąca składa się z 500 mniejszych elementów o rozmiarze szczeliny 500 m. Elektrodę uziemioną stanowi miedziana płytka. Generator ten jest opisany w czasopiśmie Surface and Coatings Technology 171 (2003) s Znany z czasopisma Thin Solid Films (2006) s oraz 515 (2007) s liniowy generator plazmy atmosferycznej składa się z 3 płytek umieszczonych równolegle względem siebie w odległości 1-4 mm z możliwością regulacji, z których środkowa stanowi elektrodę gorącą a dwie zewnętrzne są pokryte cienką warstwą izolatora od strony elektrody centralnej. Płytki zewnętrzne oraz metalowy stolik na obrabiany materiał są uziemione. Odległość pomiędzy palnikiem i obrabianym materiałem wynosi 4 mm. Plazma generowana jest w strumieniu helu i argonu przy szybkości przepływu 10 dm 3 /min. za pomocą zmiennego napięcia o częstotliwości 13,56 MHz i mocy do 200 W. Temperatura plazmy waha się w zakresie C. Urządzenie przeznaczone jest do zmiany zwilżalności powierzchni i trawienia plazmowego. Do mikrogeneratorów wytwarzających plazmę w postaci cienkiej wiązki, oprócz rozwiązań wykorzystujących wyładowania barierowe, zaliczyć można również generator, w którym wykorzystuje się wyładowania łukowe, opisany w czasopiśmie Vacuum 80 (2006) s oraz generator, w którym wykorzystuje się typowe wyładowania jarzeniowe, które powstają przy ciśnieniu atmosferycznym przy bardzo niewielkiej odległości między elektrodami (rzędu mikrometrów), znany z czasopisma Surface and Coatings Technology (2001) s Tego typu generatory mają jednak bardzo ograniczoną możliwość zastosowania. Z opisu patentowego JP jest znany mikrogenerator plazmowy do obróbki powierzchni, zawierający trzy układy elektrod zasilanych z trzech odrębnych źródeł prądu. W generatorze tym, w wyniku wyładowania jarzeniowego pod ciśnieniem atmosferycznym jest wytwarzana plazma o charakterze punktowym (mikropalnik). Konstrukcja tego generatora uniemożliwia wytworzenie liniowej wiązki plazmy.

4 4 PL B1 Natomiast z opisu patentowego JP jest znany makrogenerator przeznaczony do wytwarzania plazmy o dużej gęstości pod ciśnieniem atmosferycznym. W generatorze tym do uzyskania plazmy stosuje się dwa źródła zasilania, jedno źródło zasila dwie elektrody, między którymi jest generowana plazma, zaś drugie jest połączone z jedną z elektrod i obrabianym podłożem, co świadczy o tym, że generator ten jest przeznaczony do obróbki powierzchni tylko przewodników elektrycznych. Strumień plazmy generowany w krótkiej szczelinie między dwoma elektrodami ma w przekroju kształt eliptyczny. Konstrukcja także tego generatora uniemożliwia wytworzenie liniowej wiązki plazmy. W znanych reaktorach pracujących pod obniżonym ciśnieniem niedogodność stanowi komora próżniowa i znaczne zapotrzebowanie energii na zapewnienie odpowiednich warunków pracy. W znanych reaktorach generujących mikroplazmę pod ciśnieniem atmosferycznym konieczne jest stosowanie wysokich mocy, co przekłada się na wysoką temperaturę plazmy, której nie można stosować do obróbki materiałów wrażliwych na wysoką temperaturę. Elektrodowy reaktor mikroplazmowy do obróbki powierzchni za pomocą nierównowagowej, niskotemperaturowej plazmy generowanej przy ciśnieniu atmosferycznym, wyposażony w elektrodę gorącą w postaci usytuowanej pionowo płytki, zaopatrzoną w przewód do połączenia z generatorem prądu zmiennego, zamocowaną między dwiema elektrodami uziemionymi w postaci płytek usytuowanych pionowo, równolegle względem siebie, których dolne końce są zbieżne, zaś krawędzie górne i boczne są złączone płytami izolatora i w płycie izolatora łączącej górne krawędzie elektrod uziemionych jest króciec do doprowadzania gazu roboczego oraz otwór do mocowania przewodu zasilającego elektrody gorącej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dolna krawędź elektrody gorącej jest krawędzią ostrą, a nadto dolne krawędzie elektrody gorącej oraz elektrod uziemionych mają kształt obrysu obrabianej powierzchni. Elektroda gorąca jest złączona ze źródłem prądu korzystnie w postaci generatora prądu zmiennego o częstotliwości akustycznej lub radiowej czyli o częstotliwości a.f. lub r.f. W reaktorze według wynalazku jako gaz roboczy korzystnie stosuje się gaz szlachetny ewentualnie zmieszany z gazem reaktywnym jak wodór, azot, tlen, tlenek węgla, ditlenek węgla, amoniak, tetrafluorometan. Dookoła ostrza elektrody gorącej, umieszczonej pomiędzy dwiema równoległymi elektrodami uziemionymi, wytwarza się wysoki gradient pola elektrycznego powodujący zagenerowanie wzdłuż ostrza wiązki plazmy. Zastosowanie elektrody gorącej o ostrej krawędzi umożliwia zapalenie plazmy nierównowagowej o temperaturze nieznacznie wyższej od temperatury pokojowej przy ciśnieniu atmosferycznym przy zastosowaniu niewielkiej mocy zasilania elektrody gorącej. Minimalna moc inicjująca wyładowanie wynosi W, zaś objętościowe natężenie przepływu gazu roboczego od 0,5 dm 3 /min. na centymetr bieżący szczeliny. Elektrody uziemione oraz płyty izolatora otaczające elektrodę gorącą umożliwiają prowadzenie procesu obróbki w atmosferze odpowiedniego gazu, niezbędnej do utrzymania wyładowania. Proces obróbki za pomocą reaktora według wynalazku jest prowadzony praktycznie w temperaturze pokojowej. Temperatura procesu obróbki jest więc na tyle niska, że nie powoduje oparzeń skóry. W reaktorze według wynalazku wyeliminowano niebezpieczeństwo drastycznego podwyższenia temperatury gazu roboczego, a tym samym niebezpieczeństwo uszkodzenia obrabianej powierzchni. Nadto reaktor ten nie wymaga stosowania podłoża o dobrym przewodnictwie. Reaktor według wynalazku znajduje zastosowanie do obróbki powierzchni izolatorów, półprzewodników i przewodników oraz ich kompozytów, zarówno nieorganicznych jak i organicznych, w tym materiałów podatnych na uszkodzenia termiczne. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia reaktor mikroplazmowy w przekroju poprzecznym, fig. 2 przedstawia reaktor w rzucie ukośnym, fig. 3 przedstawia reaktor w widoku z boku, fig. 4 przedstawia reaktor w przekroju wzdłużnym, fig. 5a-c przedstawiają elektrody gorące reaktora, o różnym kształcie krawędzi ostrej. Reaktor przedstawiony na fig. 1 i 2 jest wyposażony w elektrodę gorącą 1 w postaci usytuowanej pionowo prostokątnej płytki, zaopatrzoną w przewód 2 do połączenia z generatorem prądu zmiennego o częstotliwości r.f. Dolna, prostoliniowa krawędź elektrody gorącej 1 jest krawędzią ostrą. Elektroda 1 jest usytuowana między dwiema uziemionymi elektrodami 3 i 4 w postaci prostokątnych płytek o jednakowych wymiarach, usytuowanych pionowo, równolegle względem siebie, których dolne końce są zbieżne. Elektrody 1, 3 i 4 są wykonane ze stali nierdzewnej. Długość krawędzi ostrej elektrody 1 jest równa 32 mm, zaś odległość między ostrzem elektrody gorącej 1 i każdą z uziemionych elektrod 3

5 PL B1 5 i 4 jest równa 1 mm. Krawędzie górne i boczne uziemionych elektrod 3 i 4 są złączone płytami 5 z teflonu. Elektroda gorąca 1 jest zamocowana w spasowanych z nią wpustach płyt 5 łączących boczne krawędzie elektrod 3 i 4. W płycie 5 z teflonu łączącej górne krawędzie elektrod 3 i 4 jest króciec 6 do doprowadzania gazu roboczego oraz otwór 7 do mocowania przewodu zasilającego 2 gorącej elektrody 1. Reaktor ten zastosowano do obróbki powierzchni elastomeru typu Finapren 435 (69% butadien, 31% styren) stosowanego w przemyśle obuwniczym. Jako gaz roboczy, doprowadzany króćcem 6 do przestrzeni między elektrodą 1 i elektrodami 3 i 4, stosowano hel przepływający z szybkością 2,5 dm 3 /min. Elektrodę 1 zasilano z generatora o częstotliwości 13,56 MHz. Pobór mocy wskazywany przez generator wynosił 20 W. Płytki z Finaprenu, umieszczone w odległości około 2 mm od ostrza elektrody 1, przesuwano z szybkością 0,2 cm/s pod ostrzem elektrody 1 (pod żyletką plazmową ), gdzie poddane zostały działaniu cienkiej wiązki plazmy o średnicy przekroju około 2 mm zagenerowanej wzdłuż tego ostrza. Obróbka próbek Finaprenu 435 za pomocą żyletki plazmowej zwiększyła 5-krotnie wytrzymałość klejenia tego tworzywa ze skórą. Wytrzymałość skleiny tak obrobionego Finaprenu ze skórą była około 2-krotnie wyższa niż wytrzymałość skleiny ze skórą Finaprenu, którego powierzchnię aktywowano metodą klasyczną, polegającą na trawieniu trującymi czynnikami chlorującymi rozpuszczonymi w łatwopalnych rozpuszczalnikach organicznych. Stosując suchą i wygodną obróbkę za pomocą żyletki plazmowej wyeliminowano więc użycie szkodliwych i łatwopalnych cieczy oraz znacznie skrócono czas trwania obróbki. Reaktor przedstawiony na fig. 3 i 4 jest wyposażony w gorącą elektrodę 1 w postaci usytuowanej pionowo płytki o kształcie kołowym, zaopatrzoną w przewód 2 do połączenia z generatorem prądu zmiennego. Elektroda 1 jest zamocowana w perforowanym pierścieniu 10 z teflonu, osadzonym między dwiema uziemionymi elektrodami 3 i 4. Elektrody 3 i 4 stanowią usytuowane pionowo, równolegle względem siebie płytki o kształcie lejkowym, o jednakowej średnicy, zbieżne w kierunku gorącej elektrody 1. W każdej z elektrod 1, 3 i 4 jest wykonany przelotowy, osiowy otwór 8 o kształcie kołowym, o średnicy równej 4 cm, przy czym otwory 8 w elektrodach 1, 3 i 4 są współśrodkowe. Krawędź otworu 8 w elektrodzie gorącej 1 jest ostra. Elektrody 1, 3 i 4 są wykonane ze stali nierdzewnej. Odległość między elektrodą gorącą 1 i każdą z uziemionych elektrod 3 i 4, w okolicy otworu 8, jest równa 1 mm. Krawędzie uziemionych elektrod 3 i 4 są złączone odcinkiem przewodu rurowego 9 z teflonu, o długości 3,5 cm. W ściankach przewodu rurowego 9 są zamocowane, rozmieszczone radialnie, cztery króćce 6 do doprowadzania gazu roboczego oraz jest otwór 7 do mocowania przewodu 2 zasilającego elektrodę gorącą 1. Reaktor ten zastosowano do obróbki powierzchni rurki z polipropylenu. Jako gaz roboczy, doprowadzany króćcem 6 do przestrzeni między elektrodą 1 i elektrodami 3 i 4, stosowano mieszaninę helu i tlenu, przy czym hel przepływał z szybkością 3,5 dm 3 /min., zaś tlen z szybkością 0,010 dm 3 /min. Gorącą elektrodę 1 zasilano z generatora o częstotliwości 13,56 MHz. Rurkę ciągnięto przez obszar wyładowania w odległości 1-2 mm od ostrza elektrody 1 z szybkością 0,2 cm/s i zaraz za obszarem działania plazmy nanoszono na nią farbę. Adhezja farby do rurki obrobionej w ten sposób była wyższa od adhezji farby do rurki, której powierzchnię poddano mokrej obróbce chemicznej. Na fig. 5a przedstawiono elektrodę gorącą 1 w postaci prostokątnej płytki, której dolna, ostra krawędź jest prostoliniowa, na fig. 5b przedstawiono elektrodę gorącą 1 w postaci prostokątnej płytki, której dolna, ostra krawędź ma kształt półkola, zaś na fig. 5c przedstawiono elektrodę gorącą 1 w postaci płytki o kształcie kolistym, z osiowym, przelotowym, kolistym otworem o ostrej krawędzi. Zastrzeżenia patentowe 1. Elektrodowy reaktor mikroplazmowy do obróbki powierzchni za pomocą nierównowagowej, niskotemperaturowej plazmy generowanej przy ciśnieniu atmosferycznym, wyposażony w elektrodę gorącą w postaci usytuowanej pionowo płytki, zaopatrzoną w przewód do połączenia z generatorem prądu zmiennego, zamocowaną między dwiema elektrodami uziemionymi w postaci płytek usytuowanych pionowo, równolegle względem siebie, których dolne końce są zbieżne, zaś krawędzie górne i boczne są złączone płytami izolatora i w płycie izolatora łączącej górne krawędzie elektrod uziemionych jest króciec do doprowadzania gazu roboczego oraz otwór do mocowania przewodu zasilającego elektrody gorącej, znamienny tym, że dolna krawędź elektrody gorącej (1) jest krawędzią ostrą,

6 6 PL B1 a nadto dolne krawędzie elektrody gorącej (1) oraz elektrod uziemionych (3, 4) mają kształt obrysu obrabianej powierzchni. 2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda gorąca (1) jest złączona ze źródłem prądu korzystnie w postaci generatora prądu zmiennego o częstotliwości akustycznej lub radiowej. Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1

9 PL B1 9

10 10 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)