｜應用於大氣電漿之高壓電源研製

摘要：軟板表面清潔技術一直是軟性電子產品生產中主導良率重要之環節，現有軟板清潔製程主要採用電漿清潔製程設備，但真空電漿設備成本昂貴，因此目前技術開發多朝大氣電漿技術邁進。大氣電漿設備其關鍵為高壓電源之開發，本研究利用換流器相移技術來進行功率控制，換流器操作頻率為28 kHz ~ 40 kHz間，並製作一電壓可達13.5 kV之高壓變壓器，其鐵心採用並聯的方式，並以多級串聯的方式升壓，應用於6 kW高功率電源上，效率高達96 %，本文將針對高壓電源關鍵技術之操作原理和分析做一詳盡介紹。

Abstract: Surface clean technique for flexible substrates is the key issue in the fabrication of flexible associated products. Currently, the plasma equipment is popularly used in cleaning flexible substrates. Many researchers develop the atmospheric pressure plasma technique forits low cast comparing with the vacuum plasma equipments. The high voltage power supply is the major part in atmospheric pressure plasma equipments. In this paper, the power was controlled through the phase shift of a full bridge inverter. The inverting frequency range is 28 kHz ~ 40 kHz. The high-voltage of 13.5 kV power transformer was generated in parallel connection of cores. The efficiency is up to 96% in a 6kW prototype high power supply. The operational principle and analysis of high voltage power supply is presented and verified.

關鍵詞：大氣電漿、高壓電源、換流器

Keywords：Atmospheric pressure plasma, High voltage power supply, Inverter

前言
隨著科技日新月異，大多數產品走向輕、薄、短、小、可攜性及多元應用潮流趨勢下，傳統玻璃基板製品已逐漸被質量輕及可塑性高之軟性塑膠基板取代，因此軟性相關產品在未來將具有非常大的市場前景。製作軟性相關產品時，其軟板表面清潔一直是主導良率至關重要的一個環節，傳統軟板清潔多採用EUV燈管清潔技術，但由於使用EUV光燈管有壽命之問題，約每一千小時就要更換，且於操作期間燈管之性能也會隨時間增長而降低，難以維持製程穩定性，因此目前多採用電漿清洗技術來取代EUV燈管技術，雖然初始建構成本較高，但其可克服更換頻繁及性能波動變化等缺點，且其製程性能十分穩定，維護成本也相較便宜，因此電漿清洗技術是目前軟性基板清潔最佳之選擇。

真空電漿自70年代即開始應用於半導體元件製造與各種工業材料之處理，但是由於產生真空輝光電漿技術需要昂貴的真空設備，因此各國均在研發無需真空環境之大氣輝光電漿，以求降低成本，但欲在大氣壓下產生大面積且均勻之輝光電漿，除了其電極結構、放電氣體外，電源的穩定性也是一個關鍵因素，早期電暈放電（Corona Discharge ）與介電屏式湯生放電（Dielectric Barrier Townsend Discharges）等兩種放電產生之電漿雖然可產生電漿並達到低溫的需求，但其最大的缺點為電漿密度較低與電漿之空間分佈均勻度不佳，故無法處理不同產品處理需求。在1988年時，電漿密度高且具良好均勻性之大氣輝光放電電漿第一次被成熟開發直到現在。目前國際間最成熟且市場上已有商業產品之大氣輝光電漿分為兩大類；其一為介電屏蔽板式大氣輝光電漿（Atmospheric Pressure Glow Discharge Plasmas, APGD），其二為噴射式大氣輝光電漿（Atmospheric Pressure Glow Discharge Plasma Jet, APPJ）。其中，噴射式大氣輝光電漿之氣體消耗量大且處理面積較小，而介電屏蔽板式大氣輝光電漿之電漿處理面積大，非常適合大面積物品如軟性基板或高分子材料之表面改質，因此現今於軟性基板之大氣電漿型態多屬於大氣輝光電漿型態。

大氣輝光電漿採用介電屏蔽板式之結構，如圖1所示，其具有兩個電極平板，其中一個電極平板需接至大地，介質層的設計使其不會在低壓即放電，兩電極的電位差需達到一定的值才會放電產生輝光電漿，並有可通入惰性氣體的管路，必要時還要有水冷的管路幫助散熱。電極所黏貼之介電屏蔽板為其第一項關鍵性結構，由於大氣壓下之氣體密度比真空（<0.1 Torr）高出約10,000倍，因此其電子、離子與氣體碰撞之機率很高，導致其平均自由路徑很短，其二次發射電子（Secondary Emission Electrons）游離氣體所產生之連鎖反應，導致極短時間內產生大量之電子團（Avalanche），在電極間形成導電通道而產生電弧放電。而若兩電極之間有介電屏蔽板，則其二次發射之電子團將在正電極之介電屏蔽板上累積且均勻分散，這些電子團與移動緩慢而聚集在負電極附近之離子團產生一空間電荷電場，因其方向與外加電場相反，而抵銷了大部分的外加電場，因而降低了電極間之電場，也降低短時間大量湧至之電子數目，因此能防止電弧放電。

產生穩定之大氣輝光電漿之第二個條件為需採用惰性氣體如氦氣、氖氣或氬氣等。由於在相同電極間距下，氦氣的崩潰電壓（Breakdown voltage）比非惰性氣體（如氮氣與空氣）低很多，較低之崩潰電壓可使電漿源在較低電壓進行操作，而低電壓所產生之電子增殖（multiplication）也較小，因此可避免產生電弧放電；此外，氦亞穩態分子（He Metastables）之壽命較長，可暫存放電之能量後再以較長時間慢慢釋放，因此氦之亞穩態分子亦可避免全部能量在極短時間放出而造成電弧放電。由於氦氣具有能量較高（~20 eV）的氦亞穩態能階，能儲存更多之放電能量，故更能避免短時間電流太大而產生的電弧放電，通入之惰性氣體通常是氮氣（N2）和乾燥空氣（CDA）的混合物，當氮氣（N2）和乾燥空氣（CDA）混合率在1000:1~200:1時氧自由基活性是最高的，在這範圍內是理想的N2:CDA混合比率，足以有效的產生氧離子，其清潔過後之物體表面親水性明顯大幅度的增加，進而可證明其對表面之清潔有所功效[1]。

產生穩定之大氣輝光電漿之第三個條件為穩定的高壓交流電源，目前應用於大氣輝光電漿腔體之高壓電源正處於研發階段，隨著軟性電子產品慢慢導入市場，軟性基板清潔技術需求增加，全球已有諸多廠商投入研發能量進行此技術之開發，其中領先國家為韓國及日本，其都能配合產品需求提供客製化設計，反觀台灣於高壓電源的部分主要為外購，現有廠商開發皆小於6 kW電源，變壓器之電壓亦無法有效提升，因此若實際應用在實際產品製程端，將處處受到限制。有鑑於此，工研院南分院雷射中心自行研發大氣電漿高壓電源，其主要目的為提供國內廠商在開發高壓電源參考之依據，並可配合廠商於產品端作客製化之設計。本文將針對此高壓電源相關技術之原理及設計做一詳細之介紹。