常 壓 電 漿 原 理 技 術 與 應 用 1. 徐 逸 明 經 理 馗 鼎 奈 米 科 技 股 份 有 限 公 司 2. 游 閔 盛 研 發 工 程 師 馗 鼎 奈 米 科 技 股 份 有 限 公 司 3. 郭 有 斌 高 級 工 程 師 台 灣 凸 版 國 際 彩 光 股 份 有 限 公 司 4. 黃 傑 博 士 班 研 究 生 國 立 成 功 大 學 化 學 工 程 系 5. 洪 昭 南 教 授 國 立 成 功 大 學 化 學 工 程 系 通 訊 作 者 : 洪 昭 南 hong@mail.ncku.edu.tw Tel:(06)275-7575 x62662 Fax:(06)2385423 徐 逸 明 YMHsu@creating-nanotech.com Tel:(06)232-3927 Fax:(06)301-3155 關 鍵 詞 常 壓 電 漿 (Atmospheric-pressure plasma) 噴 射 式 電 漿 (Plasma jet) 介 電 質 放 電 (Dielectric barrier discharge,dbd) 表 面 清 潔 / 改 質 / 活 化 (Surface clean/modification/activation) 平 面 顯 示 器 (Flat panel display,fpd) 發 光 二 極 體 (Light-emitting diode,led) 觸 控 面 板 (Touch panel)
引 言 目 前 電 漿 技 術 已 廣 泛 應 用 於 各 產 業 上, 如 : 光 電 與 半 導 體 產 業 3C 與 汽 車 零 組 件 產 業 民 生 與 食 品 化 工 業 生 醫 材 料 產 業 烤 漆 與 黏 著 前 處 理 產 業 空 氣 與 水 汙 染 處 理 產 業 等 但 現 今 發 展 最 為 成 熟 的 電 漿 技 術 多 在 真 空 製 程 下 進 行, 而 有 諸 多 缺 點, 如 抽 真 空 耗 費 時 間 真 空 設 備 與 維 護 費 昂 貴 物 品 尺 寸 受 限 於 腔 體 大 小 無 法 進 行 線 上 連 續 製 程 等 由 於 常 壓 電 漿 技 術 無 上 述 限 制, 設 備 與 操 作 成 本 低 操 作 速 度 快 可 適 用 於 連 續 式 的 製 程 操 作, 因 此 容 易 與 其 他 連 續 式 的 設 備 相 結 合 而 大 幅 提 升 生 產 效 率, 目 前 已 是 產 學 界 積 極 研 究 的 題 目 之 一 此 外, 常 壓 電 漿 對 當 紅 的 液 晶 顯 示 器 發 光 二 極 體 觸 控 面 板 及 太 陽 能 電 池 製 程 已 有 相 當 大 的 助 益, 本 文 將 針 對 目 前 常 壓 電 漿 技 術 之 原 理 發 展 與 應 用 做 一 深 入 探 討 電 漿 簡 介 電 漿 態 (plasma) 是 人 類 繼 固 液 氣 三 態 之 外 發 現 的 物 質 第 四 態, 主 要 是 藉 由 氣 體 在 高 電 磁 場 下 離 子 化 後, 形 成 一 個 包 括 電 子 ( 帶 負 電 荷 ) 正 離 子 ( 偶 有 負 離 子 ) 活 性 自 由 基 與 中 性 氣 體 分 子 所 組 成 的 高 活 性 氣 體 團, 通 常 會 自 行 發 光 在 正 常 狀 況 下, 電 漿 中 的 正 電 荷 總 數 約 略 等 於 負 電 荷 總 數, 而 具 有 近 似 電 中 性 (Quasi-neutral) 的 特 性, 故 大 陸 地 區 的 科 學 家 又 稱 之 為 等 離 子 體 常 見 的 電 漿 現 象 包 括 : 太 陽 閃 電 極 光 日 光 燈 及 霓 虹 燈 等
電 漿 原 理 [1] 電 漿 為 氣 體 物 質 在 電 磁 場 中 被 解 離 成 正 負 粒 子 的 狀 態 基 本 上 電 漿 含 有 陰 陽 離 子 電 子 高 反 應 性 的 自 由 基 和 中 性 粒 子 在 電 場 中, 由 於 電 子 的 平 均 自 由 徑 (mean free path) 較 陽 離 子 大 很 多, 因 此 電 子 可 被 急 劇 加 速, 累 積 至 極 高 能 量 ( 數 十 ev), 此 高 能 電 子 和 原 子 或 分 子 碰 撞, 將 可 打 斷 分 子 內 的 鍵 結 而 形 成 高 反 應 性 的 自 由 基 (Reactive free radical), 或 使 原 子 分 子 產 生 解 離 (Ionization) 而 進 行 分 解 反 應 解 離 所 產 生 的 電 子 再 受 電 場 加 速, 與 原 子 分 子 碰 撞, 產 生 更 多 的 電 子 離 子 或 自 由 基..., 形 成 連 鎖 反 應 (Chain reaction), 最 後 形 成 具 高 能 電 子 高 反 應 性 自 由 基 的 電 漿 狀 態 電 漿 的 產 生 是 靠 碰 撞, 當 電 子 在 電 場 中 加 速 時 將 獲 得 極 高 的 動 能, 而 加 速 過 程 中 若 碰 撞 到 氣 體 分 子 或 原 子 時 把 能 量 傳 遞 過 去 因 為 電 子 遠 較 氣 體 分 子 或 原 子 小, 所 以 碰 撞 造 成 的 結 果 不 是 增 加 氣 體 的 動 能, 而 是 提 高 其 位 能 從 原 子 的 角 度 來 看, 位 能 的 提 高 將 造 成 原 子 內 電 子 的 遷 移, 如 果 達 到 足 夠 的 能 量 甚 至 會 跳 離 原 子, 產 生 一 顆 離 子 和 一 顆 電 子, 這 是 一 個 如 下 式 的 解 離 反 應 : e - + Ar Ar + + 2e - 產 生 的 兩 顆 電 子 再 經 電 場 加 速 到 足 夠 的 動 能 進 行 下 一 次 的 解 離, 於 是 由 一 顆 電 子 產 生 兩 顆, 兩 顆 到 四 顆, 如 此 以 等 比 級 數 增 加, 最 後 造 成 全 面 性 的 解 離 崩 潰 而 產 生 穩 定 的 電 漿 已 知 電 漿 是 由 電 子 正 負 電 荷 離 子 中 性 氣 體 分 子 與 活 性 自 由 基 所 組 成 的, 因 此 電 漿 中 氣 相 反 應 包 含 的 物 理 現 象 與 化 學 反 應 極 為
繁 雜 而 衍 生 出 多 項 應 用, 如 : 電 漿 改 質 / 活 化 電 漿 蝕 刻 與 電 漿 鍍 膜 以 下 為 其 中 可 能 的 幾 項 碰 撞 反 應 式 [2]: 1. 離 子 化 : 電 子 撞 擊 中 性 粒 子 而 產 生 電 子 - 離 子 對 e - + M M + + 2e - ( Electron-impact ionization ) hν + M M + + e - ( Photo-impact ionization ) M * + A M + A + + e - ( Penning ionization ) 2. 激 發 : 中 性 物 種 吸 收 能 量 而 由 基 態 要 遷 至 激 發 態 e - + M M * e - + M + hν ( Excitation ) 3. 再 結 合 : 正 電 荷 與 負 電 荷 中 和 並 釋 放 能 量 M + + A - MA ( Ion-Ion recombination ) M + + e - M ( Electron-Ion recombination ) M + + e - M + hν ( Radiative recombination ) 4. 解 離 : 電 子 將 分 子 鍵 結 打 斷 e - + MA M + A + e - ( Electron-impact dissociation ) M * + AB M + A + B ( Penning dissociation ) e - + MA M + + A + 2e - ( Dissociative ionization ) 5. 電 荷 轉 移 A + + B A + B + ( Charge exchange )
6. 彈 性 散 射 e - + M e - + M ( Elastic scattering ) A + + B A + + B ( Elastic scattering ) 7. 化 學 反 應 AB + C A + BC ( Chemical reaction ) 在 電 場 中, 由 於 電 漿 中 的 電 子 遠 較 離 子 容 易 吸 收 能 量 ( 電 子 的 平 均 自 由 徑 非 常 大 ), 因 此 在 電 漿 系 統 中 電 子 的 溫 度 可 高 達 幾 萬 或 幾 十 萬, 而 其 他 粒 子 的 溫 度 則 在 室 溫 左 右 ( 通 常 只 有 幾 十 ) 因 為 高 溫 電 子 的 反 應 性 極 強, 對 各 種 分 子 鍵 結 的 破 壞 效 率 極 高, 故 此 高 反 應 性 的 電 漿, 可 使 得 一 般 在 1000 以 上 才 可 發 生 的 氣 相 反 應, 在 略 高 於 室 溫 下 即 可 進 行 利 用 這 種 低 溫 裂 解 氣 體 的 特 性, 電 漿 在 工 業 上 的 應 用 包 括 電 漿 化 學 氣 相 蒸 鍍 法 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 成 長 薄 膜 半 導 體 製 程 的 電 漿 乾 蝕 刻 (Plasma Etching), 電 漿 聚 合 反 應 (Plasma Polymerization) 及 污 染 物 的 裂 解... 等 常 壓 電 漿 的 優 勢 在 一 大 氣 壓 下 產 生 電 漿 是 最 經 濟 最 有 效 率 的 一 種 方 式 一 般 電 漿 製 程 為 使 電 漿 穩 定 的 產 生, 系 統 必 須 操 作 在 低 壓 下 因 此 需 要
真 空 腔 體 和 真 空 幫 浦 來 維 持 低 壓 的 環 境, 不 但 成 本 提 高 單 位 時 間 處 理 量 大 減, 而 且 設 備 維 護 費 用 也 高 比 如 說, 真 空 幫 浦 一 般 怕 強 酸 強 鹼 也 怕 微 粒, 極 易 受 損 因 此 若 能 在 常 壓 下 產 生 穩 定 的 電 漿 就 不 再 需 要 上 述 的 真 空 設 備, 裝 置 簡 化, 操 作 及 維 修 費 用 大 大 降 低, 此 外 其 工 件 可 不 受 真 空 腔 體 大 小 的 限 制, 而 且 製 程 容 易 以 連 續 式 操 作, 可 處 理 量 也 大 幅 提 昇 故 常 壓 電 漿 相 較 於 傳 統 的 低 壓 電 漿, 大 大 拓 展 了 電 漿 的 應 用 領 域, 如 下 圖 一 所 示 其 中 噴 射 式 電 漿 系 統 (Plasma Jet) 與 介 電 質 放 電 系 統 (DBD) 因 具 有 非 熱 電 漿 的 特 性 且 易 整 合 於 製 作 產 線 中 而 備 受 矚 目 圖 一 常 壓 電 漿 應 用 範 圍 示 意 圖 [3] 此 外, 由 於 常 壓 電 漿 具 有 下 述 優 點, 可 在 室 溫 下 將 污 染 物 質 分 解 成 無 污 染 性 之 氣 體, 因 此 應 用 於 氣 相 與 液 相 環 境 污 染 物 之 分 解 上 最 具 潛 力 1. 去 除 效 率 高 : 較 一 般 的 焚 化 或 觸 媒 反 應 法 之 反 應 性 皆 高, 可 使 原
先 不 易 發 生 的 反 應 快 速 進 行 2. 設 置 成 本 低 廉 : 主 要 設 備 為 高 頻 率 電 源 供 應 器, 無 須 加 熱 系 統, 安 裝 容 易 3. 節 省 能 源 : 能 源 消 耗 少, 利 用 效 率 高 電 漿 在 低 氣 體 溫 度 即 可 產 生, 而 電 漿 化 學 反 應 在 近 於 室 溫 下 即 可 進 行, 無 須 加 熱 氣 體 即 可 使 反 應 完 全, 因 此 可 節 省 能 量 甚 巨 電 漿 能 量 效 率 較 傳 統 的 化 學 反 應 效 率 高 出 甚 多, 是 因 為 傳 統 或 觸 媒 反 應 乃 利 用 氣 體 加 熱 來 提 高 氣 體 分 子 的 動 能, 分 子 在 經 相 互 碰 撞 後 才 將 一 小 部 份 的 動 能 轉 成 位 能 來 破 壞 分 子 的 鍵 結 如 此, 大 部 份 外 加 的 能 量 皆 在 提 高 氣 體 的 溫 度, 而 非 用 在 鍵 能 的 破 壞 但 電 漿 的 能 量 是 直 接 加 在 電 子 上, 而 高 能 電 子 的 破 壞 鍵 結 效 率 非 常 高, 電 子 的 能 量 可 以 百 分 之 百 的 轉 成 破 壞 分 子 的 位 能, 而 完 全 不 需 提 高 分 子 的 動 能 因 此, 電 漿 可 以 將 能 量 直 接 用 在 分 子 的 鍵 結 破 壞, 而 不 需 浪 費 能 量 來 提 高 氣 體 的 溫 度 尤 其 是 氣 體 的 熱 傳 效 率 相 當 差, 電 漿 在 氣 體 低 溫 時 即 可 破 壞 鍵 結 的 能 力, 可 大 大 的 節 省 能 源 4. 操 作 成 本 低 廉 且 可 避 免 二 次 污 染 : 不 需 要 吸 收 劑 或 吸 附 劑 等 化 學 藥 品, 也 毋 需 觸 媒 或 燃 料, 可 同 時 節 省 操 作 費 用, 和 避 免 二 次 污 染 5. 操 作 維 修 容 易 : 電 漿 系 統 簡 單, 操 作 簡 便, 且 反 應 器 內 並 無 設 備 需 經 常 更 換, 因 此, 不 需 經 常 維 修 6. 設 備 體 積 小 : 電 漿 反 應 器 較 吸 收 塔 吸 附 塔 或 焚 化 爐 小, 不 佔 空 間, 非 常 適 合 既 有 工 廠 空 氣 污 染 之 改 善 7. 可 處 理 低 濃 度 污 染 氣 體 : 能 夠 處 理 濃 度 範 圍 為 ppb 至 ppm 之 惡 臭 氣 體, 和 吸 附 法 相 當, 較 吸 收 法 及 焚 化 法 為 佳 8. 開 機 時 間 短 : 不 像 焚 化 爐 操 作 上 需 要 一 段 時 間 使 得 溫 度 達 到 所 需 的 高 溫 才 能 進 行 分 解 ; 電 漿 反 應 器 不 需 要 熱 機, 因 此 不 會 消 耗 能 源 在 升 溫 上
常 壓 電 漿 的 瓶 頸 與 挑 戰 電 漿 的 產 生 需 利 用 電 磁 場 來 提 供 能 量 以 加 速 電 子, 因 此 電 子 在 電 場 中 吸 收 能 量, 若 能 量 累 積 夠 高 時, 將 足 以 使 被 碰 撞 的 氣 體 分 子 產 生 解 離 (ionization), 使 電 子 數 目 增 加, 而 新 生 電 子 與 原 先 電 子 再 進 一 步 吸 收 能 量, 產 生 更 多 的 電 子, 形 成 連 鎖 反 應 (chain reaction) 所 以, 電 子 需 在 電 場 中 吸 收 能 量 並 累 積 到 足 以 使 氣 體 解 離 時 才 能 產 生 電 漿 電 子 最 高 動 能 = 電 場 對 電 子 所 做 功 之 累 積 = F d = q ε λ F: 作 用 力,d: 距 離, q: 電 子 電 荷 量,ε: 電 場 強 度,λ: 電 子 的 平 均 自 由 途 徑 低 壓 電 漿 因 電 子 的 平 均 自 由 途 徑 較 其 他 粒 子 長 許 多, 因 而 可 獲 得 足 夠 解 離 其 他 氣 體 的 能 量, 但 在 壓 力 為 一 大 氣 壓 時 下, 由 於 氣 體 分 子 碰 撞 頻 繁 而 平 均 自 由 途 徑 非 常 的 短, 故 電 子 難 以 累 積 足 夠 的 能 量 來 解 離 氣 體 分 子, 因 而 無 法 啟 動 電 漿 此 時, 要 產 生 電 漿 的 方 式 有 二 種 :( 一 ) 提 高 外 加 電 源 的 電 位 至 幾 千 伏 特 以 上, 使 電 子 在 兩 次 碰 撞 間 的 有 限 的 距 離 累 積 內 獲 得 足 夠 的 能 量, 以 進 行 離 子 化 反 應 產 生 電 漿 ;( 二 ) 提 供 大 量 電 流 加 熱 氣 體 分 子, 形 成 高 溫 電 漿 此 外, 常 壓 電 漿 相 較 於 低 壓 電 漿, 常 會 遇 到 特 有 的 各 種 放 電 不 穩 定 問 題, 也 就 是 說 常 壓 電 漿 容 易 侷 限 在 特 定 的 局 部 區 域,
因 而 必 須 使 用 昂 貴 但 容 易 放 電 的 氰 氣 或 氦 氣 做 為 製 程 氣 體 加 以 克 服 如 何 建 立 便 宜 大 面 積 且 高 效 率 的 常 壓 電 漿 技 術 仍 為 全 世 界 正 在 努 力 解 決 的 問 題, 也 是 業 界 最 難 突 破 的 技 術 瓶 頸 常 見 之 常 壓 電 漿 分 類 常 壓 大 氣 電 漿 電 漿 依 照 放 電 形 式 與 結 構 的 不 同 可 以 分 為 四 大 類 : (1) 利 用 金 屬 電 極 直 接 放 電 的 低 電 流 噴 射 式 電 漿 (Plasma Jet),(2) 使 用 高 電 壓 電 源 並 在 電 極 間 加 入 絕 緣 板 以 穩 定 電 漿 的 介 電 質 放 電 (Dielectric barrier discharge, 以 下 稱 DBD),(3) 利 用 非 均 勻 性 電 極 結 構 產 生 的 電 暈 放 電 (Corona discharge),(4) 利 用 高 電 流 電 源 產 生 的 高 溫 電 漿 炬 (Plasma torch) 以 下 將 針 對 其 設 計 結 構 特 性 與 相 關 應 用 做 一 說 明 1. 噴 射 式 電 漿 (plasma jet) 由 一 圓 管 狀 金 屬 電 極 包 圍 另 一 金 屬 電 極 於 管 中 央, 兩 電 極 一 端 接 電 源 供 應 器 一 端 接 地, 利 用 尖 端 放 電 後, 藉 由 高 流 速 氣 體 流 經 圓 管 內 將 電 弧 噴 出 產 生 穩 定 電 漿 其 特 色 為 電 漿 面 積 小 能 量 集 中 處 理 效 率 高 產 生 的 臭 氧 濃 度 較 低 靜 電 累 積 較 小 其 應 用 效 果 是 大 氣 電 漿 中 最 好 者, 但 受 限 於 處 理 面 積 狹 小, 通 常 可 多 支 並 聯 成 一 寬 幅 式 處 理 系 統, 如 下 圖 二 所 示 目 前 的 應 用 包 括 了 : 表 面 改 質 光 阻 去 除 電 漿 蝕 刻 液 晶 面 板 晶 片 貼 合 捲 帶 式 載 板 製 程 清 潔 手 機 組 裝 貼 合 生 醫 材 料 殺 菌 及 塗 佈 / 印 刷 前 處 理
50mm 圖 二 馗 鼎 奈 米 科 技 公 司 自 行 研 發 之 多 支 並 聯 式 寬 幅 電 漿 系 統 2. 介 電 質 放 電 (dielectric barrier discharge,dbd) DBD(dielectric barrier discharge) 是 採 用 介 電 質 障 壁 放 電 方 式 進 行 大 面 積 均 勻 放 電, 在 兩 電 極 ( 平 板 型 或 圓 柱 型 ) 間 加 入 至 少 一 層 之 介 電 材 料 ( 石 英 或 氧 化 鋁 ), 並 因 為 介 電 質 的 存 在 而 只 能 使 用 交 流 式 電 源 供 應 器 High voltage electrode Gas gap with microdischarge Dielectric barrier (surface) Ground electrode 圖 三 (A): 介 電 質 放 電 示 意 圖 [4]
(a) (b) (c) (d) t t t c c d 1 d 2 d 1 e e 圖 三 (B):DBD 各 種 放 置 絕 緣 物 的 方 式 [5] 如 圖 三 所 示, 兩 電 極 板 中 至 少 有 一 個 電 極 需 以 絕 緣 物 質 包 覆, 但 大 多 是 兩 電 極 皆 包 以 絕 緣 物, 且 通 以 高 頻 率 高 電 壓 的 電 位 如 此 則 可 在 二 電 極 間 看 到 週 期 性 的 絲 狀 放 電 利 用 此 絲 狀 (filamentary) 的 微 放 電 (microdischarge) 將 流 過 的 氣 體 活 化 分 解 之 這 種 放 電 方 式 結 合 了 能 常 壓 下 操 作 的 優 點 及 低 壓 下 輝 光 放 電 可 大 量 活 化 分 解 氣 體 的 特 性 有 許 多 的 研 究 者 將 其 應 用 在 產 生 臭 氧 鍍 膜 及 處 理 廢 棄 物 上 但 此 方 法 的 缺 點 為 : 絲 狀 的 微 放 電 之 電 流 集 中 於 一 些 小 點, 容 易 損 壞 電 極 板 上 做 表 面 處 理 的 材 料, 電 漿 反 應 的 效 率 也 低 文 獻 研 究 指 出,DBD 約 有 92% 能 源 損 耗 在 熱 能 的 產 生 一 般 而 言 介 電 質 放 電 (DBD) 為 絲 狀 放 電 (filamentary discharge silent discharge), 為 不 均 勻 的 絲 狀 電 漿, 可 大 面 積 放 電, 但 因 形 成 絲 狀 放 電, 電 漿 密 度 低, 電 漿 清 除 效 率 不 高 由 於 在 大 氣 環 境 中 氣 體 碰 撞 頻 率 過 高, 電 漿 的 產 生 與 維 持 十 分 困 難 因 此 需 要 特 殊 設 計 之 高 電 壓 / 高 頻 電 源 供 應 器 及 特 殊 氣 體 在 一 般 常 見 的 應 用 中, 操 作 頻 率 介 於 1~40kHz, 峰 對 峰 電 壓 由 數 千 伏 到 3 萬 伏 亦 有 使 用 脈 衝 式 電 源 供 應 器, 但 因 高 成 本 及 穩 定 性 較 差, 在 工 業 界 較 為 少 見 DBD 操 作 電 壓 很 高, 通 常 在 20KV 左 右 的 高 電 壓, 如 此 一 來,
即 可 在 兩 電 極 間 觀 察 到 絲 狀 或 輝 光 放 電 介 電 質 放 電 一 直 以 來 都 受 到 注 意, 由 於 放 電 的 氣 體 溫 度 接 近 於 室 溫, 屬 於 冷 電 漿 形 式, 不 會 浪 費 能 量 於 氣 體 溫 度 的 上 升, 且 放 電 的 均 勻 性 高 DBD 最 早 應 用 於 工 業 用 臭 氧 產 生 器 / 廢 水 處 理 / 滅 菌, 但 近 期 之 研 究 與 應 用 主 要 則 以 大 面 積 基 板 清 潔 活 化 用 途 為 主 DBD 最 大 的 優 勢 為 可 大 面 積 化, 因 此 大 面 積 的 常 壓 電 漿 系 統 通 常 以 DBD 方 式 來 製 作, 但 其 缺 點 為 其 電 漿 密 度 較 噴 射 式 電 漿 密 度 低 甚 多, 因 此 需 可 針 對 不 同 的 應 用 設 計 出 不 同 的 DBD 電 極 結 構, 以 提 昇 電 漿 處 理 效 率, 因 此 專 業 知 識 與 技 術 創 新 相 當 重 要, 才 能 有 最 佳 之 設 計 例 圖 五 為 馗 鼎 奈 米 科 技 公 司 自 行 研 發 之 寬 幅 式 常 壓 DBD 電 漿 (Remote 型 式 ), 有 別 於 點 狀 式 電 漿 (Arc-Jet), 電 漿 幅 寬 可 針 對 不 同 尺 寸 (G1~G8 LCD) 需 求 做 最 佳 化, 並 使 用 廉 價 之 N2/CDA 作 為 反 應 氣 體, 設 備 Running cost 為 一 般 UV-Ozone clean 之 1/5 以 下 例 圖 五 為 大 面 積 ITO 玻 璃 經 DBD 電 漿 設 備 ( 圖 四 ) 處 理 完 後 水 滴 角 測 試 結 果, 可 發 現 大 氣 電 漿 處 理 後, 基 板 表 面 之 潔 淨 度 / 潤 溼 性 均 有 明 顯 之 提 昇, 因 此 對 於 後 續 貼 合 / 鍍 膜 / 溼 式 清 潔 / 溼 式 蝕 刻 / 電 鍍 藥 液 交 換 製 程, 有 決 定 性 之 助 益 近 年 來 有 部 份 學 者 宣 稱 可 將 DBD 的 絲 狀 放 電 改 良, 利 用 放 電 參 數 的 控 制 可 得 到 和 低 壓 輝 光 放 電 (glow discharge) 一 樣 穩 定 的 均 勻 常 壓 電 漿 (one atmospheric uniform glow discharge plasma) 由 於 這 種 常 壓 輝 光 放 電 電 漿 非 常 均 勻, 沒 有 絲 狀 放 電 因 電 漿 不 均 勻 而 形 成 的 電 絲, 因
此 不 會 破 壞 脆 弱 的 材 料 表 面 但 必 須 要 在 特 殊 氣 體 環 境 下 才 能 產 生 均 勻 電 漿, 需 使 用 如 He Ne 之 類 昂 貴 的 惰 性 氣 體, 而 且 需 高 頻 率 高 電 壓 的 電 源, 其 製 作 困 難 壽 命 有 限 且 難 以 再 現, 因 此 一 直 未 被 工 業 界 正 式 採 用 DBD 電 漿 之 分 類 DBD 電 漿 之 放 電 形 式 和 放 電 效 能 與 電 極 之 設 計 有 絕 對 密 切 之 關 係, 一 般 要 依 產 品 的 類 型 / 生 產 機 構 / 處 理 區 域, 選 擇 對 應 的 產 品 來 設 計 電 極 就 被 處 理 物 與 電 漿 放 電 空 間 的 相 對 位 置 上,DBD 電 漿 可 區 分 為 直 接 式 電 漿 與 間 接 式 電 漿 所 謂 直 接 式 電 漿 (Direct-type Plasma) 是 指 產 品 暴 露 於 電 場 之 中, 試 片 本 身 直 接 與 電 漿 接 觸 ( 詳 見 圖 六 ), 雖 有 較 好 的 處 理 效 果, 但 電 漿 中 的 高 電 場 及 電 流 可 能 對 IC 產 品 造 成 損 傷, 因 此 直 接 式 電 漿 主 要 用 於 無 元 件 / 不 易 變 質 之 基 材, 例 如 銅 / 塑 膠 / 紡 織 例 圖 七 為 TFT-LCD 玻 璃 以 直 接 式 電 漿 處 理 後 之 實 例, 發 現 面 板 線 路 因 電 弧 之 局 部 高 電 壓 / 高 電 流 / 高 熱 / 高 靜 電, 對 於 元 件 造 成 無 法 預 期 之 損 傷, 嚴 重 影 響 生 產 之 良 率! 為 了 改 善 直 接 式 電 漿 之 缺 憾, 遠 距 式 電 漿 (Remote-type) 之 發 展 研 究 變 得 不 可 缺, 主 要 的 差 異 是 以 接 地 金 屬 將 電 漿 中 的 電 場 / 電 流 屏 蔽, 再 利 用 氣 流 趨 動, 將 電 漿 裡 的 中 性 自 由 基 氣 體 吹 出, 接 觸 試 片 並 進 行 表 面 清 潔 活 化, 因 此 沒 有 直 接 式 電 漿 損 傷 元 件 的 疑 慮 目 前
主 要 應 用 領 域 為 含 有 元 件 之 精 密 電 子 產 品, 例 如 IC 封 裝 製 程 LCD 前 段 製 程 LED 元 件 太 陽 能 電 池 觸 控 面 板 等 圖 四 馗 鼎 奈 米 科 技 自 行 研 發 之 寬 幅 式 常 壓 電 漿 ( 遠 距 式 ) 圖 五 ITO 玻 璃 經 DBD 電 漿 處 理 前 後 之 水 滴 角 變 化
圖 六 直 接 式 與 遠 距 式 DBD 電 漿 示 意 圖 圖 七 直 接 式 電 漿 對 TFT-LCD 基 板 所 造 成 的 損 壞 3. 電 暈 放 電 (corona discharge) 電 暈 放 電 係 採 用 尖 端 放 電 方 式, 利 用 在 尖 端 處 形 成 集 中 電 場, 因 而 引 發 氣 體 的 崩 潰 (Breakdown) 效 應 產 生 解 離 反 應, 典 型 的 電 暈 放 電 設 備 如 圖 八 所 示, 基 本 上 由 一 邊 針 狀 電 極 及 另 一 平 板 電 極 所 構 成, 在 兩 電 極 間 施 加 電 壓 則 會 在 電 極 間 距 形 成 放 電
Positive Corona Negative Corona Burst Pulse Corona Streamer Corona Glow Corona Spark Trichel Pulse Corona Pulseless Corona Spark 圖 八 電 暈 放 電 設 備 示 意 圖 [5] 所 以, 尖 端 放 電 一 般 為 針 狀 或 線 狀 電 極 對 平 板 或 管 狀 電 極 放 電, 由 於 放 電 通 常 集 中 於 尖 端 細 線 及 金 屬 板 邊 緣 而 活 化 區 域 較 小, 如 圖 九 所 示 由 於 會 對 待 處 理 物 產 生 不 規 則 的 電 弧 放 電, 易 使 待 處 理 物 產 生 缺 隙 而 在 應 用 上 造 成 了 限 制 不 過 所 需 要 的 電 壓 較 低 反 應 器 設 計 簡 單 而 維 修 容 易, 也 是 常 用 的 常 壓 電 漿 系 統 目 前 的 應 用 包 括 了 : 表 面 改 質 靜 電 集 塵 器 靜 電 消 除 器 空 氣 清 新 機 廢 氣 污 染 處 理 及 生 醫 材 料 殺 菌 圖 九 電 暈 放 電 表 面 處 理 系 統 [6]
A. 電 暈 放 電 之 優 點 : 1. 低 溫 製 程 電 暈 放 電 並 非 提 高 氣 體 溫 度, 而 是 提 供 局 部 的 高 電 場 以 加 速 電 子, 進 行 解 離, 所 以 消 耗 的 能 約 幾 乎 全 部 拿 來 解 離 氣 體, 需 要 的 能 源 小 ; 符 合 經 濟 效 益 2. 使 用 電 源 較 普 遍 電 暈 放 電 是 以 電 極 形 狀 造 成 局 部 高 電 壓, 而 且 DC 或 AC 電 源 皆 可 使 用, 一 般 採 AC 電 源 以 避 免 電 漿 的 不 穩 定 情 形 發 生, 並 避 免 電 極 溫 度 太 高, 而 供 給 的 電 壓 不 必 如 DBD 那 麼 高, 對 於 操 作 人 員 較 為 安 全 3. 設 備 簡 單 基 本 的 設 備 如 圖 九 所 示, 為 針 狀 或 線 狀 對 平 板 狀 電 極, 然 後 通 以 側 向 氣 體 B. 電 暈 放 電 之 缺 點 : 1. 處 理 效 果 弱 由 電 暈 放 電 性 質 知 道, 電 漿 分 佈 會 集 中 在 電 場 最 大 點 的 附 近, 不 像 低 壓 電 漿 是 均 勻 分 佈 整 個 電 極, 而 DBD 雖 然 也 會 造 成 放 電 集 中, 但 至 少 是 整 個 電 極 均 勻 分 佈 微 小 放 電 採 線 狀 電 極 雖 然 有 使 處 理 量 擴 大, 但 其 改 善 效 果 有 限 2. 易 造 成 電 極 破 壞 由 於 電 漿 的 集 中, 亦 造 成 針 狀 或 線 狀 電 極 需 承 受 高 溫, 故 多 採 耐 火 材 料 如 鎢 (W), 但 鎢 高 溫 易 與 碳 結 合 而 脆 化 ( 碳 化 ), 在 常 壓 下 壽 命 不 長 ; 另 一 平 面 電 極 亦 易 於 受 局 部 集 中 電 場 而 造 成 破 壞 ( 如 放 電 加 工 原 理 )
4. 電 漿 炬 (plasma torch) 常 見 的 Plasma torch 電 極 設 計 如 圖 十 所 示, 通 以 高 電 流 的 DC 或 RF 電 源 ( 數 十 伏 特 電 壓, 數 百 安 培 電 流 ), 並 經 由 側 向 通 入 氣 體, 在 電 極 間 產 生 高 速 氣 流 旋 轉, 將 電 漿 穩 定 下 來 並 推 向 出 口, 產 生 極 高 溫 度 的 電 漿 炬, 其 火 焰 中 心 溫 度 可 高 達 數 萬 K, 利 用 此 法 可 有 效 分 解 有 害 氣 體 廢 棄 物 但 因 為 這 是 提 高 氣 體 溫 度 產 生 解 離, 類 似 於 熱 裂 解 方 式, 其 雖 然 沒 有 後 續 的 一 些 問 題 如 反 應 器 壽 命 等, 而 且 設 備 更 為 簡 單, 但 是 消 耗 能 源 頗 巨, 不 是 一 個 符 合 經 濟 效 應 的 方 式 目 前 的 應 用 包 括 了 : 材 料 加 工 與 熔 接 廢 氣 處 理 污 染 物 減 量 有 機 物 去 除 及 電 漿 噴 塗... 等, 如 圖 十 一 所 示 絕 緣 限 流 電 阻 物 氣 體 陰 極 ( 鎢 ) 直 流 電 源 冷 卻 水 陽 極 電 漿 炬 ( 銅 ) 圖 十 電 漿 炬 示 意 圖 [7] 圖 十 一 電 漿 噴 塗 用 之 電 漿 炬 系 統 TexFlo [8]
A. 電 弧 放 電 (Tubular Torch 及 Arc Jet) 之 優 點 : 1. 氣 體 解 離 率 高, 電 漿 容 易 維 持 : 電 弧 放 電 解 離 率 極 高, 甚 至 可 達 100%, 這 是 因 為 電 子 集 中 在 電 極 弧 根 往 外 發 射, 此 高 動 能 電 子 與 氣 體 分 子 碰 撞 解 離, 形 成 的 氣 體 離 子 會 在 被 電 場 吸 引 再 撞 回 電 極 而 產 生 更 多 的 電 子, 如 此 生 生 不 息 的 循 環 造 成 極 大 解 離 率 2. 氣 體 處 理 量 大 : 電 弧 放 電 操 作 範 圍 寬 廣, 可 由 真 空 到 一 大 氣 壓 以 上 壓 力 範 圍 皆 可 操 作, 處 理 量 則 視 操 作 範 圍 及 電 源 功 率 而 定 3. 設 備 簡 單, 維 修 容 易 : 只 需 要 使 用 直 流 電 源, 電 極 裝 置 亦 簡 單, 整 個 系 統 所 需 的 設 備 成 本 低, 維 修 容 易 B. 電 弧 放 電 的 缺 點 : 1. 電 漿 氣 體 溫 度 極 高, 易 傷 及 被 處 理 物, 且 能 源 損 耗 非 常 大 : 電 弧 放 電 消 耗 許 多 能 量 在 溫 度 的 提 高, 局 部 的 電 極 溫 度 需 提 高 到 電 極 放 射 出 熱 電 子, 甚 至 造 成 電 極 昇 華, 因 而 整 個 能 源 利 用 效 率 並 不 高 但 對 某 一 些 製 程, 極 高 溫 度 ( 數 千 度 C) 的 電 漿 氣 體 反 而 是 優 勢 2. 電 極 壽 命 短 : 整 個 操 作 時 間 的 限 制 會 操 縱 在 電 極 使 用 壽 命 上, 一 般 電 弧 設 備 電 極 壽 命 在 數 小 時, 如 採 用 Tubular Torch 則 可 延 長 到 數 十 到 數 百 小 時 左 右
常 壓 電 漿 的 在 產 業 界 的 應 用 實 例 1. 常 壓 電 漿 在 液 晶 顯 示 器 業 界 之 應 用 : (1) Array 段 : 鍍 膜 前 清 除 玻 璃 表 面 的 有 機 物 去 除 乾 蝕 刻 後 的 變 性 光 阻 去 除 玻 璃 表 面 光 阻 剝 離 後 的 有 機 殘 留 物 分 解 氟 化 合 物 (PFCs), 如 圖 十 二 所 示 (2) Cell 段 :PI 塗 佈 前 的 基 板 清 潔 (3) Color Filter 段 : 提 昇 色 阻 及 over coat 與 基 板 間 的 附 著 力 ITO 濺 鍍 前 的 基 板 清 潔 (4) Module 段 : 提 昇 ACF 與 面 板 端 子 間 的 附 著 力, 如 圖 十 三 及 圖 十 四 所 示
圖 十 二 常 壓 電 漿 應 用 於 Array 段 之 示 意 圖 圖 十 三 常 壓 電 漿 應 用 於 Module 段 之 示 意 圖
圖 十 四 常 壓 電 漿 應 用 於 LCM 之 ITO 端 子 清 潔 ( 取 自 馗 鼎 奈 米 科 技 ) 2. 常 壓 電 漿 在 印 刷 電 路 板 業 界 之 應 用 : (1) 2L-FCCL 3L-FCCL,pi 面 於 鍍 銅 前 壓 合 前 出 貨 前 清 潔, 如 圖 十 五 所 示 (2) 防 焊 綠 漆 製 程 前 之 清 潔 (3) 軟 性 印 刷 電 路 板 之 表 面 清 潔 活 化 改 質 或 去 殘 膠, 如 圖 十 六 所 示 圖 十 五 常 壓 電 漿 於 FCCL 之 應 用
水 滴 角 度 140 120 100 80 常 壓 電 漿 清 潔 效 果 未 處 理 角 度 電 漿 處 理 後 60 40 20 0 0.8 1.65 3.3 處 理 速 度 (M/s) 圖 十 六 常 壓 電 漿 應 用 於 印 刷 電 路 板 與 其 清 潔 效 果 3. 常 壓 電 漿 在 汽 車 業 界 之 應 用 : (1) 增 加 車 燈 組 裝 時 之 附 著 力, 如 圖 十 七 所 示 (2) 隔 音 橡 膠 條 黏 貼 前 之 表 面 處 理, 如 圖 十 八 所 示 (3) 靜 電 噴 塗 前 之 表 面 處 理 圖 十 七 常 壓 電 漿 應 用 於 車 燈 組 裝 黏 合 圖 十 八 常 壓 電 漿 應 用 於 隔 音 橡 膠 條 黏 貼 前 之 表 面 處 理
4. 常 壓 電 漿 在 發 光 二 極 體 業 界 之 應 用 : (1) LED 導 線 架 之 清 潔 還 原, 如 圖 十 九 所 示 (2) 提 升 Wire bond 金 線 之 拉 力 測 試 值, 如 圖 二 十 所 示 氧 化 基 板 常 壓 電 漿 還 原 後 圖 十 九 常 壓 電 漿 應 用 於 發 光 二 極 體 之 導 線 架 清 潔 圖 二 十 常 壓 電 漿 應 用 於 SMT 打 線 前 清 潔 應 用 例
5. 常 壓 電 漿 在 塑 膠 與 紡 織 業 界 之 應 用 : (1) 塑 膠 鍍 膜 塗 裝 或 黏 著 前 之 表 面 粗 化 與 改 質, 如 圖 二 十 一 圖 二 十 二 圖 二 十 三 所 示 (2) 提 升 塑 膠 紙 盒 玻 璃 及 鍍 鋅 鐵 皮... 等 容 器 之 標 籤 黏 著 力 (3) 增 加 纖 維 表 面 親 水 性 而 易 於 染 整 圖 二 十 一 PET 基 材 經 過 常 壓 電 漿 處 理 達 到 表 面 粗 化 之 效 果 圖 二 十 二 PMMA 基 材 經 過 常 壓 電 漿 處 理 達 到 表 面 改 質 之 效 果
圖 二 十 三 常 壓 電 漿 清 潔 提 升 PMMA 之 粗 糙 度 及 表 面 能, 使 得 鍍 膜 之 附 著 力 能 通 過 百 格 測 試 6. 常 壓 電 漿 在 觸 控 面 板 業 界 之 應 用 : (1) 各 種 基 材 如 ITO/Nb 2 O 5 /Bare glass, 於 鍍 膜 網 印 塗 裝 或 黏 著 前 的 表 面 清 潔 與 改 質, 如 圖 二 十 四 所 示 (2) 提 升 觸 控 面 板 製 程 良 率, 增 加 SM 層 銀 膠 之 附 著 力 (3) 觸 控 面 板 銀 線 氧 化 層 之 還 原
圖 二 十 四 常 壓 電 漿 清 潔 提 升 ITO 玻 璃 之 表 面 清 潔 度 與 表 面 能 表 1 常 壓 電 漿 之 應 用 實 例 整 理 [9] 電 漿 型 式 噴 射 式 電 漿 介 電 質 放 電 電 暈 放 電 電 漿 炬 示 意 圖 清 潔 ( 鋁 箔 金 屬 焊 清 潔 塑 料 活 化 清 潔 塑 料 活 化 陶 瓷 與 金 屬 切 割 接 前 ) 塑 料 活 化 臭 氧 製 造 礦 石 靜 塑 膠 薄 膜 印 刷 前 處 燃 燒 焊 接 (MIG 蝕 刻 (SiO 2 W 電 篩 選 分 解 靜 電 理 塑 膠 瓶 內 部 消 TIG) 礦 物 還 原 為 Ta) 去 光 阻 平 面 集 塵 塑 膠 薄 膜 印 毒 光 學 鏡 片 鍍 膜 金 屬 金 屬 熔 解 純 顯 示 器 玻 璃 基 板 清 刷 前 處 理 塑 膠 薄 前 處 理 臭 氧 製 化 噴 塗 (Al Zn 潔 可 撓 式 基 板 清 膜 印 刷 前 處 理 有 造 食 品 藥 物 表 面 Al 2 O 3 CoCrAlY 應 用 實 例 潔 3C 零 組 件 清 潔 ( 電 路 板 電 氣 接 毒 廢 氣 與 揮 發 性 溶 劑 分 解 UV 光 源 殺 菌 黏 貼 標 籤 前 處 理 ZrO 2 -Y 2 O 3 ) 有 機 揮 發 性 溶 劑 分 解 ( 三 點 燈 管 電 極 ) 包 裝 薄 膜 材 料 處 氯 乙 烯 丙 酮 氟 電 漿 化 學 輔 助 沉 積 理 鍍 膜 處 理 黏 碳 化 物 氟 氯 碳 化 薄 膜 ( 類 鑽 膜 高 分 貼 標 籤 前 處 理 ( 塑 物 ) 焚 化 爐 粉 塵 子 SiO 2 TiO 2 ) 膠 玻 璃 馬 口 玻 璃 化 無 機 事 業 消 毒 ( 炭 疽 熱 芥 鐵 紙 製 容 器 ) 廢 棄 物 熔 解 與 減 量 氣 ) 滅 菌 光 譜 分 鋁 陽 極 氧 化 Ni 表 ( 石 棉 ) 超 細 粉 末 合 析 含 氟 廢 氣 處 面 鍍 奈 米 碳 管 石 成 ( 金 屬 : 銀
理 黏 貼 標 籤 前 處 理 塑 膠 機 殼 塗 裝 前 處 理 ( 手 機 筆 記 型 電 腦 ) 汽 車 工 業 ( 防 撞 桿 / 行 李 箱 塗 裝 車 燈 組 裝 防 水 塑 膠 封 條 黏 貼 前 處 理 ) 英 表 面 鍍 碳 膜 PVC 血 液 導 管 內 徑 鍍 抗 沾 黏 薄 膜 CF 2 滅 菌 LCD Touch Panel LED 銅 ; 陶 瓷 : 氮 化 物 碳 化 物 ) 氧 化 鋁 顆 粒 與 石 英 玻 璃 纖 維 製 造 低 輻 射 物 質 分 解 醫 學 廢 棄 物 高 溫 分 解 廢 氣 分 解 (NOx SOx CO CO 2 ) 鑽 石 鍍 膜 結 語 由 於 常 壓 電 漿 具 有 低 設 備 成 本 操 作 簡 易 高 產 能... 等 優 勢, 目 前 已 可 取 代 部 份 的 低 壓 電 漿 設 備 應 用 於 光 電 半 導 體 民 生 汽 車 及 生 醫 材 料 產 業, 對 降 低 製 造 成 本 與 提 升 產 品 性 能 有 著 莫 大 的 助 益 現 階 段 國 內 常 壓 電 漿 主 要 用 於 表 面 清 潔 與 活 化 改 質 之 製 程, 未 來 將 朝 向 常 壓 電 漿 蝕 刻 與 鍍 膜 技 術 繼 續 努 力 善 用 常 壓 電 漿 低 價 及 量 產 性 之 優 勢 並 結 合 其 他 的 先 端 技 術 共 同 來 克 服 各 式 製 程 問 題 參 考 文 獻 [1] 洪 昭 南 郭 有 斌, 電 漿 反 應 器 與 原 理, 化 工 技 術, 第 9 卷, 第 10 期, pp. 156-176 (2001) [2] B. Eliasson U. Kogelschatz, Non Equilibrium Volume Plasma Chemical Processing, IEEE transaction on plasma science, vol 19, n6, pp. 1063-1077 (1991) [3] G.S. Selwyn et.al, Materials Processing Using an Atmospheric Pressure,RF-Generated Plasma Source, Contrib. Plasma Phys.
vol.6, p610 (2001) [4] U. Reitz J. G. H. Salage and R. Schwarz, Pulsed barrier discharges for thin film production at atmospheric pressure, Surface and Coatings Technology,vol. 59, pp. 144-147 (1993) [5] J. S. Chang P. A. Lawless and T. Yamamoto, Corona Discharge Process, IEEE transactions on plasma science, vol. 19, no. 6, p1152 (1991) [6] http://www.flickr.com/photos/impulselabs/3446644378/ [7] 洪 昭 南, 電 漿 反 應 器, 化 工 技 術, 第 3 卷, 第 3 期, pp. 124-135 (1995) [8] http://www.texflo.ca/pages/thermal.html [9] 羅 萬 中 林 昭 憲 高 于 迦 蔣 啟 明, 電 機 月 刊, 第 17 卷, 第 11 期, pp.140-149 (2007)