專利名稱：環(huán)形低場活性氣體和具有絕緣真空容器的等離子體源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及等離子體產(chǎn)生和處理裝置，尤其涉及用于等離子體點火和等離子體容器冷卻的方法和裝置。
背景技術：
等離子體放電可用來分離氣體以生成包含離子、自由基、原子和分子的活性化氣體?；钚詺怏w可用于許多工業(yè)和科學應用，包括處理諸如半導體晶片、粉末和其它氣體的材料。等離子體的參數(shù)和等離子體照射所處理材料的條件取決于應用而有很大的變化。
例如，某些應用需要使用低動能(即幾個電子伏特)的離子，因為所處理材料對損害敏感，或者因為需要對一種材料作相對于另一種材料的選擇性蝕刻。其它應用，諸如各向異性蝕刻或平面絕緣沉積，需要使用高動能的離子。
某些應用需要所處理材料直接高密度的等離子體。這樣的應用包括激活離子的化學反應以及將材料蝕刻并沉識成高長寬比的結構。其它應用需要將所處理材料與等離子體屏蔽開，因為該材料對離子造成的損害敏感，或因為該處理具有較高的選擇性要求。
等離子體可用各種方法生成，包括直流(DC)放電、射頻(RF)放電、以及微波放電。DC放電通過在氣體中兩個電極之間施加電勢來獲得。RF放電通過電容性地或電感性地將電源的能量耦合到等離子體來獲得。
平行板可用來電容性地將能量耦合到等離子體。感應線圈可用來將電流感應到等離子體。微波放電可通過將微波能量源耦合到包含氣體的放電室來生成。
等離子體放電可以這樣的方式生成，從而構成等離子體的充電核素以及可由等離子體激活的中性核素都與所處理的材料緊密接觸?；蛘?，等離子體放電可遠離所處理材料生成，從而相對較少的充電核素會與所處理材料接觸，而中性核素則仍然能接觸它。
這樣的等離子體放電通常稱為遠程或下游等離子體放電。取決于其結構、相對于所處理材料的位置、以及操作條件(氣體核素、壓力、流速、以及注入等離子體的功率)，等離子體源可具有這兩種基本類型之一或兩者都有的特征。
現(xiàn)有的遠程等離子體源一般利用RF或微波功率來生成等離子體。盡管現(xiàn)有的源成功支持了許多應用，這些源的實際使用仍然具有若干技術限制。
基于微波的遠程等離子體源一般比RF源昂貴，因為微波功率通常產(chǎn)生、傳遞、并與負載相匹配更化錢。微波源和功率傳遞系統(tǒng)通常也比RF源龐大，并需要周期性地替換生成微波功率的管。
具有一定程度電容性以及電感性耦合的RF遠程等離子體源可比相應的微波源便宜一些并小一些。然而，有助于等離子體點火處理的電容性耦合也會因等離子體所產(chǎn)生的具有能量的離子對等離子體容器的受照射的壁的轟擊而導致這些受照射的壁的退化。利用電感性RF耦合而最小化相關聯(lián)電容性耦合的RF遠程等離子體源，可顯示較小的離子所導致的等離子體容器表面的退化。然而，電容性耦合的減少或消除可使得等離子體點火更難獲得，特別是在大范圍處理條件下。
現(xiàn)有的遠程等離子體源的第二個困難是去除在等離子體內(nèi)產(chǎn)生的并傳到等離子體容器壁上的熱量。特別是在等離子體容器具有復雜的形狀時，且它由絕緣材料組成時的情形，用與絕緣容器接觸的大量流體直接冷卻是不需要或不實用的。這具有限制能可靠地耦合到等離子體的功率的效果。
例如，現(xiàn)有的環(huán)形等離子體系統(tǒng)可用使RF能量與等離子體耦合的方式來高度地感應。例如，等離子體可通過電容耦合的RF點火放電或通過紫外線輻射來點燃。等離子體系統(tǒng)可根據(jù)特定的氣體核素、壓力和流速要求來要求各個等離子體點火步驟。特定的要求可因操作條件要求而不同。這些約束會在結合等離子體系統(tǒng)使用的真空和氣體處理系統(tǒng)的元件中增加復雜性，并增加用于處理所需的全部時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明表征為能部分地提供容器內(nèi)等離子體的可靠點火，并提供容器的有效和可靠的冷卻的裝置和方法。結果，本發(fā)明表征為比現(xiàn)有等離子體系統(tǒng)更大的區(qū)域和/或更長的點火電極，在點火期間將輸入空氣旁通到等離子體容器中，在等離子體容器的空氣輸入端附近點火，以及布置在散熱片和容器之間的散熱結構。本發(fā)明的特征使先前等離子體系統(tǒng)中不可用的有了應用范圍。
本發(fā)明各特征的某些實現(xiàn)包括絕緣容器。絕緣容器可使各表面浸潤在具有更高純度的等離子體中，該等離子體向諸如O、N、H、F、Cl和Br的活性中性核素提供比從金屬容器或包鍍金屬容器中可獲得的更低的復合率。
本發(fā)明可在比例如先前環(huán)形等離子體系統(tǒng)中可用的更大處理范圍上提供等離子體的點火。填充容器中通道的比先前系統(tǒng)更大的體積部分的電容性放電可在較大范圍的氣體參數(shù)上(例如氣體類型、流速、以及氣體壓力)提供點火。經(jīng)改進的點火可支持比例如具有更困難和/或更多點火步驟的先前系統(tǒng)更多的可重復處理以及更短的處理結果。
本發(fā)明部分地提供填充大部分等離子體容器體積以幫助點火的分布式電容性放電。較簡便的點火可支持更快和更穩(wěn)定的點火處理。在操作條件上或接近操作條件地點燃等離子體的能力對例如具有諸如原子層沉積(ALD)的較短周期的處理是有利的。
本發(fā)明某些實施例表征為與容器相鄰的較大的和/或空間分布的電容性耦合電極，以提供分布式電容性放電。電極可通過在容器內(nèi)的大部分通道上施加電離電場來點燃等離子體。因而可在氣體核素中以某些先前等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)中不可用的流速獲得點火。點火電極可以是冷卻外殼和絕緣容器之間的冷卻組件和/或熱界面組件的一部分。
本發(fā)明某些實現(xiàn)包括位于和/或接近于容器的一個或多個輸入端的一個或多個點火電極。這些電極可單獨或結合其它電極和/或其它點火裝置放電，用電離核素使容器中氣體活化(seed)以點燃等離子體。
本發(fā)明可在高達100千瓦的功率級和以上水平提供絕緣容器的冷卻，而無需鼓風機或絕緣容器的直接流體冷卻。冷卻外殼形式的散熱片可接近容器放置，其間有包含熱傳導和/或可變形材料的間隙，這些材料包括例如金屬、聚合體、和/或合成或片狀材料。
填充間隙的材料在冷卻外殼和絕緣容器之間提供一熱傳導路徑。該材料可具有變化的彈性，且冷卻外殼可裝有緊密接觸絕緣容器的外面和冷卻外殼的表面的填充間隙材料。這可有助于確保絕緣容器、填充間隙材料和冷卻外殼之間的良好熱接觸。
在一優(yōu)選實現(xiàn)中，環(huán)形低場活性氣體源用絕緣材料構成的真空容器來構建。該容器的冷卻在廣泛的負載功率范圍上提供可靠的操作。該源的應用包括半導體處理和處理室清洗。其它應用包括，例如，提供化學處理中的活化氣體核素，并從排出氣流中轉換或移除有害或不需要的氣體核素。
在某些優(yōu)選實施例中，本發(fā)明表征為被冷卻外殼包圍的環(huán)形絕緣容器。冷卻外殼可由諸如上述填充間隙材料的熱界面與容器分隔開，該熱界面提供熱感應尺寸變化的機械調(diào)節(jié)。
該熱界面可包括一種或多種具有彈性和/或可塑性機械屬性的材料，以吸收因冷卻外殼和絕緣容器之間熱-機械配合不當所引起的尺寸變化。該熱界面可限定容器和外殼之間很小的間隙。
在某些實施例中，冷卻外殼通過裝有彈簧的裝置被有效地壓在絕緣容器的外表面上，以保持熱界面緊密接觸絕緣容器和冷卻外殼的外面。與裝有彈簧的裝置彼此相連的具有多個分段的冷卻外殼可支持使用具有諸如環(huán)形的復雜形狀容器，并可提供調(diào)節(jié)容器和外殼之間熱失配應力的自承重冷卻結構。
在本發(fā)明某些實施例中，絕緣真空容器的外表面可涂上一層，該層阻止由等離子體產(chǎn)生的紫外線通過絕緣容器進入間隙，在那里它可導致熱界面材料的退化和/或產(chǎn)生臭氧。該涂層可以是不太透明的，和/或具有反射和/或吸收屬性。外部涂層可作為放熱層，因而有助于冷卻絕緣真空容器。
在某些實施例中，真空容器的內(nèi)表面加以涂層，以抵抗高能粒子或活性中性核素的轟擊。涂層可提供降低的等離子體組分復合率。內(nèi)部涂層的示例包括氮化硅、二氧化硅、氧化鋁、氮化鋁、鉆石以及聚合體材料。
根據(jù)本發(fā)明原理，等離子體源和系統(tǒng)對例如處理諸如固體表面、粉塵和氣體等的許多材料是有用的。該系統(tǒng)還對清洗諸如薄膜式沉積和蝕刻系統(tǒng)的半導體(加工設備)中的凈化處理室有用。等離子體源還可用于為離子注入和離子銑削系統(tǒng)提供離子。
此外，等離子體源可支持用來制造半導體器件的蝕刻系統(tǒng)(以蝕刻例如硅、二氧化硅、氮化硅、鋁、鉬、鎢以及諸如光致抗蝕劑的有機材料、聚酰亞胺以及其它聚合體材料)。等離子體源還可支持由例如鉆石、二氧化硅、氮化硅、以及氮化鋁構成的薄膜材料的等離子體增強沉積。高介電常數(shù)材料和低介電常數(shù)材料以及導電和半導電材料可通過等離子體增強沉積來沉積。
該系統(tǒng)還可用于產(chǎn)生活性氣體，諸如原子氟、原子氯、原子溴、原子氫、原子氮、以及原子氧。這樣的活性氣體可用于還原、轉換、安定或鈍化各種半導體材料，諸如硅、鍺和砷化鎵、以及諸如二氧化硅、氧化鉭、二氧化鉿、氧化錫、氧化鋅、氧化釕以及銦錫氧化物。應用包括無焊劑焊接、從硅表面去除二氧化硅、在晶片處理之前鈍化硅表面、以及沉積或蝕刻各種材料。
其它應用包括更改聚合體、金屬、陶瓷和紙張的表面屬性。系統(tǒng)還可支持消除有害或不合環(huán)境需要的氣體，包括諸如CF4、NF3、C2F6、CHF3、SF6的含氟化合物、諸如二氧(雜)芑和呋喃的有機化合物、以及其它易揮發(fā)的有機化合物。系統(tǒng)可產(chǎn)生用于殺菌的高流量的原子氧、原子氯、或原子氟。系統(tǒng)可支持大氣壓力下放電。
因此，在第一方面，本發(fā)明表征為等離子體點燃裝置。該裝置包括一容器和與該容器相鄰的至少一個點火電極。該電極具有與容器所包圍通道的相鄰部分對準的尺寸。至少一個點火電極的總長度大于通道長度的10％該至少一個點火電極可對通道內(nèi)氣體施加一電場以啟動氣體的等離子體放電。
該裝置可包括結合點火電極工作的參考電極。該參考電極和/或點火電極還可作為從容器去熱的散熱片。
在第二方面中，本發(fā)明表征為包括至少一個點火電極的等離子體點火裝置，該點火電極具有比容器的總外表面面積大1％的面積。該裝置可包括一參考電極，其中該參考電極和至少一個點火電極的總表面面積在容器總的外表面面積的2％～100％范圍內(nèi)。涉及這些特征的某些實施例包括絕緣等離子體容器；其它實施例包括金屬等離子體容器，且至少一個點火電極具有比該金屬容器的總外表面面積大10％的面積。
在第三方面中，本發(fā)明表征為包括至少三個點火電極的等離子體點火裝置。
在第四方面中，本發(fā)明表征為等離子體點火裝置，包括具有氣體輸入端和氣體輸出端的容器，以及與氣體輸入端相鄰的點火電極，用于對接近容器輸入端的流動氣體施加電場。該點火電極可位于氣體輸入端的上游。
在第五方面中，本發(fā)明表征為等離子體裝置。該裝置包括由絕緣材料、與容器相鄰的散熱片、以及熱界面構成的環(huán)形容器。該熱界面置于容器和散熱片之間并與其具有機械連接。熱界面限定散熱片和容器之間的間隙，該間隙響應熱感應尺寸變化而調(diào)節(jié)熱界面、散熱片、和/或容器的移動。散熱片可包括一個以上部分，且各部分可通過裝有彈簧的裝置來連接，以調(diào)節(jié)容器的形狀和尺寸變化。
可在容器的外表面加一涂層以阻擋等離子體中產(chǎn)生的紫外線進入散熱片和容器之間的空隙。該涂層還可有助于絕緣容器的冷卻。
在第六方面中，本發(fā)明表征為用于點燃等離子體的方法。該方法包括提供具有氣體輸入端和輸出端的一容器，通過輸入端使氣體流入通道，并在氣體流入通道時通過對接近氣體輸入端的氣體施加電離電場來點燃通道中的氣體。
在第七方面中，本發(fā)明表征為用于點燃等離子體的方法。該方法包括提供具有流速和壓力的氣體，并將氣體流速的一部分引入容器通道。氣體在通道中點燃，同時流速的至少一部分被引離通道。部分或全部的流速可在點燃氣體之后被引入通道。


本發(fā)明用所附權利要求書中的特殊性來進行描述。本發(fā)明的以上和其它優(yōu)點可通過以下參閱附圖的描述得到更好的理解，其中圖1是環(huán)形等離子體系統(tǒng)的實施例橫截面視圖。
圖2A是等離子體系統(tǒng)一部分的實施例的橫截面的頂視圖。
圖2B是圖2A的那部分等離子體系統(tǒng)的實施例的橫截面的側視圖。
圖3是等離子體系統(tǒng)一部分的實施例的橫截面的頂視圖。
圖4A、4B和4C分別是等離子體系統(tǒng)一部分的實施例的頂視圖、橫截面(沿平面B)的側視圖、以及橫截面(沿平面C)的端視圖。
圖5A、5B、5C和5D是等離子體系統(tǒng)一部分的四個實施例的頂視圖。
圖6是包括類似于圖5所示的容器的系統(tǒng)實施例的一部分橫截面視圖。
圖7是用于分離氣體的方法實施例的流程圖。
圖8是包括具有氣體輸入端和氣體輸出端的直線形狀容器的等離子體系統(tǒng)的圖9是包括具有氣體輸入端和氣體輸出端的環(huán)形容器的等離子體系統(tǒng)的實施例的頂視圖。
圖10是用于分離氣體的方法實施例的流程圖。
圖11是可實現(xiàn)圖10方法的等離子體系統(tǒng)的實施例的框圖。
圖12是包括有助于等離子體容器散熱的組件的實施例的一部分橫截面視圖。
圖13是圖12容器和冷卻相關組件的分解圖。
圖14A和14B是可包括在熱界面的彈性部分中的彈性體實施例的側視圖。
圖14C是可用作熱界面彈性部分的彈簧部分實施例的斜三維視圖。
圖15是包括正方形橫截面容器和四個通過裝有彈簧的裝置彼此相連的散熱部分的等離子體系統(tǒng)的實施例的一部分橫截面視圖。
圖16是等離子體處理系統(tǒng)的實施例的框圖。
圖17A和17B是進氣口噴頭實施例的平面視圖。
圖18A和18B是等離子體系統(tǒng)的點火電極和相鄰部分的實施例的橫截面視圖。
具體實施例方式
定義-“等離子體系統(tǒng)”是包括等離子體發(fā)生組件的裝置，并可包括材料處理組件。等離子體系統(tǒng)可包括一個或多個容器、電源組件、測量組件、控制組件和其它組件。處理可在一個或多個容器中和/或在與一個或多個容器相連的一個或多個處理室中進行。等離子體系統(tǒng)可以是等離子體或在等離子體中產(chǎn)生的活性氣體核素的源，或者可以是一種完全處理工具。
“容器”是包含氣體和/或等離子體的容器或容器的一部分，且在其中可點燃和/或維護等離子體。環(huán)形容器包括至少一個絕緣部分，或者完全由絕緣材料構成。容器還可稱為等離子體。容器可與諸如功率產(chǎn)生和冷卻組件的其它組件組合來構成等離子體處理系統(tǒng)。容器可限定具有各種形狀的通道。例如，通道可具有直線形狀，或可具有環(huán)形形狀(例如，以支持環(huán)形等離子體)。
“通道”是容器所限定和包圍的體積。通道可包含氣體和/或等離子體，并可與容器的一個或多個輸入端和一個或多個輸出端相連，用于收放氣體和等離子體核素。等離子體系統(tǒng)可包括在通道內(nèi)施加DC或振蕩電場的裝置。該電場可在通道內(nèi)維護等離子體，并可獨立地或結合其它裝置點燃通道內(nèi)的等離子體。
“通道長度”是等離子體可駐留的總路徑長度。對于環(huán)形通道，長度可定義為圍繞通道一圈的距離。因而，圓形通道具有等于與通道中心相關聯(lián)的圓的周長的長度。
“等離子體”是包括與氣體相關的帶電粒子集合的物態(tài)。當在此使用時，等離子體可包括中性原子和/或與電離核素相關聯(lián)的分子。容器內(nèi)的物質(zhì)在點火后在此被泛指為等離子體，而并非旨在將這種物質(zhì)限于完全由等離子態(tài)中的核素組成。
“環(huán)形等離子體”是閉合回路形式的等離子體，且在該閉合回路中有等離子流在其中循環(huán)。環(huán)形等離子體可駐留于由“環(huán)形容器”所包圍的“環(huán)形通道”中。
“點火”是導致氣體中的初始分解以形成等離子體的過程。
“點火電極”是與容器電容性耦合的電極，并可對其施加用于點火容器中氣體的電壓。點火電壓可在例如點火電極和參考電極之間或在點火電極和容器的導電部分之間施加。一個或多個點火電極可與容器的內(nèi)或外表面相鄰(在此所述的說明性實施例包括與外表面相鄰的點火電極)。
術語“參考電極”取決于此處的上下文應當被廣泛解釋為結合一個或多個點火電極動作的一個或多個電極和/或容器的一個或多個導電部分。
“惰性氣體”是在許多環(huán)境中非活性的或具有較低活性率的氣體，包括氬氣或其它稀有氣體。
“稀有氣體”是一組包括氦、氖、氬、氪、氙、以及有時包括氡的呈現(xiàn)化學穩(wěn)定性和低活性率的稀有氣體。
“活性氣體”是包含傾向于參與一個或多個化學反應的某些核素的氣體。活性氣體包括不是惰性氣體的氣體。
“活化氣體”包括離子、自由基、中性活性原子以及分子的任一種。
“散熱片”是包括用于吸收、消散和/或去除熱的一個或多個部分和/或組件的結構。散熱片還可以是例如點火電極和參考電極的電極。
本發(fā)明的上述和其它特征將在首先參照圖1和2描述環(huán)形等離子體系統(tǒng)的某些結構和操作方面之后進行更詳細的描述。
圖1是環(huán)形等離子體系統(tǒng)100的實施例的一部分橫截面視圖。該部分包括限定通道114、磁芯102、104、106和108、氣體進口118、出口119、以及配合面116的容器110。
容器110可完全由一種或多種絕緣材料構成，或可由導電和絕緣材料構成。適當?shù)膶щ姴牧习ㄖT如鋁、銅、鎳和鋼的金屬。容器100還可由加涂層的材料構成，諸如陽極氧化鋁或鍍鎳鋁。在本發(fā)明某些實施例中，如下詳述，容器110由絕緣材料構成，并且用散熱材料環(huán)繞以有助于絕緣材料的散熱。
容器110包括在例如配合面116上的至少一個絕緣區(qū)域，它電隔離容器110的一部分，使得容器110周圍的電連續(xù)性得以間斷。如果容器完全由絕緣材料構成，則容器110可由不具有結合面的單片材料構成，因而也不包括配合面116。
容器110的結合面可提供高真空密封。該密封可包括橡膠密封墊或可以是諸如銅焊的永久密封。
如圖所示，磁芯102、104、106和108圍繞容器110的各個部分，即通道114的各個部分。磁芯102、104、106和108與變壓器的主線圈(未示出)一起導致與通道114對齊的電場和電流，如在Smith等人的專利號為6,150,628的美國專利中所述。通道114中的等離子體完成變壓器的次級電路。
變壓器可包括構成附加次級電路的附加磁芯和導電主線圈。主線圈可由具有在例如小于10千赫到大于20兆赫的范圍內(nèi)頻率的AC電源來提供電源。頻率的選擇可取決于所需功率和要施加到等離子體上的電壓。
最優(yōu)工作頻率的選擇可取決于應用、AC電源、以及磁芯材料。例如具有1～10乇范圍壓力的諸如氧和氮的氣體，可在從50千赫到14兆赫的頻率上使用具有特定優(yōu)點。
磁芯102、104、106和108可具有可調(diào)的主繞組。這可允許例如最優(yōu)化施加于等離子體上的電壓和電流，用于點火和特定的處理操作條件(例如用于特定壓力、流速和氣體核素條件)。
電子組件可在AC電源的輸出以及磁芯102、104、106和108之間的電路路徑中。這些組件可包括電阻器、電容器和/或電感器。例如，一系列電感器可用來平緩施加在等離子體上的電壓波形，從而提高等離子體的穩(wěn)定性。
組件可以是固定或可變的，其可變性通過例如電子或機械裝置來控制。各組件可形成阻抗可變電路或阻抗匹配網(wǎng)路。
AC電源輸出端或內(nèi)置于AC電源的諧振電路可用來增大點火電壓和用于點火目的的回路電壓(即通道上的電壓降)。諧振電路還可減小因AC線路波動引起的等離子體的不穩(wěn)定性。
與AC電源輸入端相連的DC電源可通過整流和過濾AC線電壓來獲取。DC電源電壓可通過其它電路來調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定施加在等離子體上的電壓，并提供與AC線電壓的可變性相關的調(diào)節(jié)。DC電源電壓和電流也可用來控制傳遞給等離子體的功率。
需要監(jiān)視各個參數(shù)，諸如功率、電流和電壓。傳遞給等離子體的功率可通過例如測量由DC電源輸出的功率來估算。功率測量可通過測量或估算置于DC電源輸出端和等離子體之間的電子元件的電損耗來改進。功率也可在例如AC電源的輸出端上測量。
傳遞給等離子體的功率可通過若干手段控制，例如通過改變DC電源電壓的幅度；施加在等離子體上的峰值電流；施加在等離子體上的AC電源的負載周期；施加在等離子體上的AC電壓的幅度；以及施加在等離子體上的AC電源的頻率。可改變在AC電源的輸出端和等離子體之間的功率傳送效率，來改變施加在等離子體上的功率。
為了降低成本并減少等離子源及其AC電源和控制系統(tǒng)的復雜性，這些組件可集合到單個外殼內(nèi)?；蛘?，為了增加靈活性，等離子體源可與以下任一個分離AC電源、DC電源、以及控制系統(tǒng)。絕緣等離子體容器和相關的冷卻和安裝組件可獨立于其它組件以有助于組件在場內(nèi)的移位。
容器110的形狀可更改。例如，容器110可以是正方形的環(huán)狀(如圖所示)、長方形的環(huán)狀、圓形環(huán)狀等。
在操作中，送進氣流進入氣體入口118。氣體可注入通道114中，直到達到例如0.001乇和1000乇之間的壓力。氣體可包括惰性氣體、活性氣體、或至少一種惰性氣體和至少一種活性氣體的混合物。氣體化合物可例如通過提供用于點火的一種化合物以及用于處理操作條件的第二種化合物而變化。等離子體的各部分可通過出口119從通道114傳遞。
在某些實施例中，等離子體系統(tǒng)被配置成使很少或沒有電離核素離開等離子體容器。在其它實施例中，某些電離核素從容器中傳遞以例如有助于在與容器相連的腔室中進行處理。在另外的實施例中，容器結合有處理腔室使得等離子體可在腔室內(nèi)生成。
一旦氣體被電離，等離子體形成并完成變壓器的次級電路。等離子體中的電場可在小于1伏/厘米到大于100伏/厘米的范圍內(nèi)。如果在容器110中僅存在稀有氣體，則等離子體中的電場會低到1伏/厘米甚至更低。然而，如果在該腔室中出現(xiàn)了電負性氣體，則等離子體中的電場可比1伏/厘米大許多。
因為等離子體和腔室之間的低電勢差可降低因高能離子導致的腔室腐蝕和所處理材料的相關污染，操作在通道114中具有較低電場的容器110是有利的。
容器110可包括用于提供點燃容器110內(nèi)等離子體的初始電離事件的自由電荷的裝置。初始電離事件可以是施加在等離子體腔室上的短暫的高壓脈沖。該脈沖可具有約500～20,000伏的電壓，并可持續(xù)約0.1～10微秒。初始電離事件也可利用持續(xù)時間較長(約10微秒～3秒)的高壓脈沖(可能是RF脈沖)來產(chǎn)生。諸如氬氣的惰性氣體可注入通道以降低點燃等離子體所需的電壓。紫外線也可用來在容器110中生成自由電荷，該自由電荷提供在容器110中點燃等離子體的初始電離事件。
在一實現(xiàn)中，短暫的高壓電脈沖被施加在磁芯的主線圈上以提供初始電離事件。在另一實現(xiàn)中，短暫的高壓電脈沖被施加在位于容器110之中或之上的電極上。點火參照本發(fā)明的其它說明性實施例進行如二更詳細地描述。
現(xiàn)在參照圖2A和2B，在此所述的大多數(shù)實施例都涉及對稱的環(huán)狀絕緣容器，盡管本發(fā)明的各原理可應用于具有各種容器配置和材料組件的等離子體系統(tǒng)。因此，各說明性實施例不應解釋為將本發(fā)明的實現(xiàn)限制在對稱的或包括環(huán)狀容器的系統(tǒng)，或限制于具有完全由絕緣材料構成的容器的系統(tǒng)。
圖2A和2B分別是等離子體系統(tǒng)200一部分的實施例的橫截面的頂視圖和側視圖。系統(tǒng)200包括容器210和磁芯220d(三個可任選磁芯220a、220b和220c用虛線示出)。圖2B示出通過磁芯220d和容器210的部分。系統(tǒng)200的可選實施例包括兩個、三個、或四個以上磁芯。
容器210圍住通道215，該通道215具有正方形的橫截面形狀，且在容器內(nèi)可維護等離子體。容器210可由單件絕緣材料構成。絕緣材料可以是例如石英、蘭寶石、氧化鋁、氮化鋁或其它陶瓷材料。用來構成容器210的材料可基于系統(tǒng)200的計劃應用來選擇。例如，可基于計劃的操作功率、等離子體核素和/或所需純度來選擇材料。
容器210支持環(huán)形等離子體，并具有正方形橫截面的圓環(huán)狀。支持環(huán)形等離子體的其它容器可具有各種形狀。這種形狀包括例如以下輪廓形狀的任一種橢圓形環(huán)狀、正方形環(huán)狀、長方形環(huán)狀、以及多邊形環(huán)狀，并可具有圓形橫截面或橢圓橫截面。
容器210可包括一個或多個氣體入口端以及一個或多個出口端。可包括多個端口在容器210中對等離子體提供其它控制。氣流的控制，特別是在點火期間的控制如下進行更詳細地描述。
現(xiàn)在參看圖3到圖11，描述了涉及改進的點火裝置和方法的本發(fā)明的各方面。圖3是等離子系統(tǒng)300實施例的一部分的頂視圖。該系統(tǒng)300包括容器310(所示部分)和與容器310相鄰的點火電極330。
在系統(tǒng)300的不同實現(xiàn)中，容器310的形狀可定形以限定例如直線通道或環(huán)形通道。系統(tǒng)300可包括其它點火電極330(如虛線所畫電極330所示)，并可包括向電極330提供電壓的互連331。以下描述可應用于具有一個點火電極330或一個以上電極330的系統(tǒng)300。
電極330具有與限定于容器310內(nèi)的通道對齊的尺寸D(由虛線示出)。電極330的尺寸D具有長度。在圖3示例中，電極330具有長度與通道對齊的長方形形狀。因而，在該示例中，電極330的尺寸D的長度與長方形的長度相等。當包括一個以上電極330時，與通道對齊的尺寸的總長度在此被理解為每個電極330的組合尺寸長度。
可想像比圖3所示更為復雜的點火電極的分布。例如，除圖3的線性分布之外，點火電極可并列或交錯放置。因而，點火電極的尺寸的總長度對應于由一個或多個點火電極覆蓋的通道的長度。
電壓施加在電極330上以點燃通道中的氣體或支持其點燃。系統(tǒng)300可包括結合點火電極330使用的參考電極，以對通道中的氣體施加電場。該參考電極可以是接地電極?；蛘?，點火電極330可以是接地電極，而電壓施加在參考電極上。該參考電極可包括一個或多個部分。在容器內(nèi)包括導電部分的實現(xiàn)可利用容器的導電部分，作為參考電極或點火電極。
點火電極330可具有提供與以前等離子體系統(tǒng)中所用相關的改進的點火的形狀、尺寸和/或位置。電極330支持電容性點火放電，它沿著容器310限定的通道分布。長電極330和/或多個電極330可沿著通道同時點燃連續(xù)或接近連續(xù)的等離子體。
該一個或多個電極330沿著通道具有例如約大于通道長度的5％的總長度。點火性能可通過增大總長度來改進。例如，大于10％的總長度可提供改進的點火。
本發(fā)明的某些優(yōu)選實現(xiàn)包括點火電極尺寸在總長度的10％～80％或更多的范圍內(nèi)。總長度可以是容器長度的100％(在環(huán)形容器的情形中，只要點火電極具有至少一個電中斷點，總長度就可以是容器長度的100％，即容器中間通道的圓周)。對本領域技術人員而言，電極長度與通道長度之比取決于對通道長度的選是顯然的。為了方便，通道長度在此被選定為與最大電極長度相對應。顯然，通道長度無需選定為與中間通道相對應，且電極可置于中間通道上的任何地方?；蛘?，根據(jù)本發(fā)明原理，點火電極可根據(jù)面積來限定(在此點火電極的面積被理解為面向容器的電極表面的面積)。
因此，一個或多個點火電極330可具有與容器310的尺寸相關的較大總面積。點火電極330的面積與容器尺寸之間的關系可被表達為例如電極330的總面積與容器310的外或內(nèi)表面的總面積之比。
在大多數(shù)實現(xiàn)中，點火電極330的總面積可以是容器310的外表面的總面積最多100％。然而，顯然本發(fā)明的各個原理可用不與容器外表面相鄰地駐留的點火電極部分來實現(xiàn)，從而使得面積比大于100％。此外，例如，具有不規(guī)則表面的點火電極可提供大于100％的面積比。
通常并不需要用點火電極完全覆蓋容器310，因為有點火電極面積和參考電極面積的最佳比例。因此，點火電極330的總面積可小于容器310的外表面面積的50％，同時仍然用電極覆蓋容器310的大部分。在某些實現(xiàn)中，點火和參考電極的總面積在容器310內(nèi)表面的總面積的1％～99％的范圍內(nèi)。
在系統(tǒng)300的某些優(yōu)選實現(xiàn)中，點火電極330和參考電極的組合總面積在相鄰容器的內(nèi)表面面積的3％～75％的范圍內(nèi)。總之，點火電極330面積和/或參考電極面積中的增大可增大系統(tǒng)300的點火階段的操作范圍。
根據(jù)本發(fā)明各原理，優(yōu)點可通過包括盡可能多的兩個、三個、或多個點火電極330來提供。電極330可沿著容器的長度分布，并可沿容器310均勻間隔。
在某些實現(xiàn)中，RF電壓或脈沖電壓被施加在點火電極330上以點燃通道中的氣體。較大點火電極330的面積可增加電容性耦合度，以提供初始等離子體分解的較大密度，并通過等離子體容器的較大部分提供初始等離子分解，從而簡化環(huán)形等離子體的形成。
施加在電極330的峰值電壓可在500伏到2萬伏的范圍內(nèi)，或為較低或較高的電壓。因而，容器310的操作可從電容性耦合放電開始，隨后是由一個或多個磁芯施加的電感性耦合放電。
點火步驟期間的通道壓力可在從0.001乇到1000乇的范圍內(nèi)。紫外線(UV)可通過創(chuàng)建與容器310的內(nèi)表面相鄰的光電子來幫助點火。
容器310可具有各種配置。某些可選配置的示例參照圖4到6中所示的本發(fā)明各實施例來描述。
圖4A、4B和4C分別是等離子體系統(tǒng)400的一部分的實施例的頂視圖、橫截面?zhèn)纫晥D(通過平面B的橫截面)、以及橫截面端視圖(通過平面C的橫截面)。系統(tǒng)400包括限定通道415的容器410，以及與容器410相鄰的一個或多個點火電極430。容器410具有氣體輸入端441和輸出端442。
容器410具有直線形狀并限定直線形通道415。電極430具有正方形形狀。根據(jù)本發(fā)明各原理的系統(tǒng)的可選實施例可包括混合尺寸、形狀、和/或沿容器間隔的點火電極。
然后描述包括環(huán)形容器的等離子體系統(tǒng)的某些實現(xiàn)。圖5A、5B、5C和5D是等離子體系統(tǒng)500A、500B、500C和500D的各部分的四個實施例的頂視圖。如圖所示，每個系統(tǒng)500A、500B、500C和500D包括容器510a、510b、510c、510d以及與容器510a、510b、510c、510d相鄰的至少一個點火電極530a、530b、530c、530d。容器510a、510b、510c、510d具有限定環(huán)形等離子體的圓形通道的圓形形狀。容器510a、510b、510c、510d可完全由絕緣材料構成，以獲得例如上述優(yōu)點。
點火電極530a、530b、530c、530d具有與通道對齊的尺寸D，如以上圖3所述。這些實施例中點火電極530a、530b、530c、530d的形狀遵從圓形通道的曲率。因此，每個點火電極530a、530b、530c、530d的尺寸D如圖所示遵從其關聯(lián)電極530a、530b、530c、530d的曲率。因此，尺寸D的長度沿著尺寸D的彎曲路徑被測量。
系統(tǒng)500A、500B、500C和500D在每一情形中可包括一個以上點火電極530a、530b、530c、530d，由虛線所示。如上所述，點火電極530a、530b、530c、530d的面積、數(shù)量和分布的增加可改進系統(tǒng)500A、500B、500C和500D的點火性能。
圖6是系統(tǒng)600實施例的一部分橫截面的示意圖，該系統(tǒng)600包括與圖5中所示相似的容器610。系統(tǒng)600還包括與容器610的上表面相鄰的點火電極630，以及與容器610的下表面和側面相鄰的參考電極640。電壓V在點火電極630和參考電極640之間施加，以啟動容器610中氣體的放電。因而，在點火期間，電離電場在點火電極630和參考電極640之間出現(xiàn)(由電場線650所示)。
點火電極630可由例如金屬薄片構成，并置于與容器610相鄰的位置上?；蛘?，電極630可例如通過厚膜或薄膜沉積技術在容器610上構成。
參考電極640可包括在容器610的下表面、內(nèi)表面和外表面上的獨立部分。或者，各部分可相連(參見虛線部分)以提供包圍在容器610外面的單個部分。參考電極640具有位于容器610周圍的一個或多個斷點，如上述相同原因為點火電極所需。
在系統(tǒng)的可選實施例中，一個或多個點火電極可放置為與正方形橫截面的環(huán)狀容器的側面相鄰。類似地，參考電極可在該容器的上或下表面附近放置。
根據(jù)本發(fā)明各原理，使用較大的點火電極可改進點火電極和等離子體之間的耦合效率，因而可提供更為強烈的初始氣體分解。如下所述，改進的初始氣體分解對各種處理都有利。
等離子體在大多數(shù)情形中都呈現(xiàn)負阻抗，即等離子體的阻抗隨著等離子體密度和電子溫度的增加而下降。增加的初始等離子體密度和電子溫度可降低構成和/或維護等離子體所需的感應電場的電平。在具有線性或環(huán)狀的較大或較長等離子通道的等離子體容器中，沿等離子體通道創(chuàng)建強烈的基本連續(xù)的初始分解可簡化主等離子體的形成。本發(fā)明的點火優(yōu)點在點燃諸如氟或氧的帶負電氣體時有幫助，其中由于電子附于氣體分子而使電子的損耗較為嚴重。
容器表面的等離子體轟擊可通過形成主要感應等離子體之后快速移除對電容性耦合點火電極的功率來減少。為此，根據(jù)本發(fā)明各原理的系統(tǒng)的某些實施例包括一啟動等離子體就從點火電極移除功率的控制電路。表面腐蝕可因點燃等離子體之后，而在移除點火電極的電壓之前的高能離子的轟擊而導致。因而，控制電路包括為通過測量例如電源的電壓和/或電流波形或測量從等離子體的光線發(fā)射來檢測等離子體的點燃。然后控制電路在等離子體形成之后移除點火電極的功率，以限制表面腐蝕。
諸如電極630的點火電極，可由沉積或層壓在絕緣等離子體容器的表面的金屬膜構成。該金屬膜可包括例如銅或鋁，或者在關注金屬擴散或電遷移時，可由耐熱材料制成，諸如鈦、鉭、或鎢、或者諸如TiN的合金或化合物導電材料。
圖7是用于點燃氣體中放電的可啟動等離子體的方法實施例的流程圖。該方法包括提供具有氣體輸入端和輸出端的容器(步驟710)。該容器限定用于包含氣體的通道。該方法包括通過輸入端使氣體流入通道(步驟720)，并通過將電離電場施加在接近氣體輸入端的氣體而點燃通道中的氣體，同時該氣體流入通道(步驟730)。
參照圖8和9，描述了可實現(xiàn)方法700的說明性裝置。
圖8是包括線性形狀容器810的等離子體系統(tǒng)800的一個實施例，該容器800限定用于包含氣體的通道并具有氣體輸入端841和輸出端842。系統(tǒng)800包括與容器810的輸入端相連的流體中的上游部分880。系統(tǒng)800還包括與氣體輸入端841相鄰的至少一個點火電極890，以將電場施加于接近容器810的輸入端841的流動氣體上(點火電極890的兩個可選位置由虛線示出)。
如圖所示，點火電極890可接近容器810的表面或接近上游部分880的表面放置。該上游部分880可以是例如用于配合氣體傳送管的法蘭。該上游部分880和容器810可由單片材料構成，例如單片熔化石英。
一個或多個點火電極890可在輸入端841的上游或下游，或與輸入端841交迭。用系統(tǒng)800實現(xiàn)的方法700可提供經(jīng)改進的點火。與氣體輸入端841相鄰的點火電極890可點燃在容器810的氣體入口處附近的流動氣體。點火處結合電離組件的流動，可有助于沿整個通道來活化等離子。
圖9是包括具有氣體入口端941和輸出端942的容器910的系統(tǒng)900的一個實施例。容器910限定用于包含氣體的通道。該系統(tǒng)包括與氣體的輸入端941相連的流體中的上游部分980。系統(tǒng)900還包括與氣體輸入端941相鄰的至少一個點火電極990，以將電場施加于接近容器910的輸入端941的流動氣體上。
系統(tǒng)900具有與系統(tǒng)800相似的特征，但是用環(huán)形容器910替代了線性容器810。系統(tǒng)900可實現(xiàn)方法700，并提供參照圖8所述的優(yōu)點。
如上所述，上游點火處可將電子播撒到輸入氣流中。然后電子可與氣體一起沿通道流動，并有助于例如等離子體的感應式點燃。方法700和系統(tǒng)800、900可提供等離子體系統(tǒng)制造成本的降低、較簡便的現(xiàn)場服務，并提供對容器810、910內(nèi)表面的減少腐蝕。
現(xiàn)在參看圖10和11，描述了涉及因等離子體系統(tǒng)的氣體旁路而便于點火的本發(fā)明各方面。
圖10是用于點燃氣體以啟動等離子體的方法1000的一個實施例的流程圖。方法1000包括提供限定封閉通道的容器(步驟1010)，在通道外提供具有流動速率和壓力的氣體(步驟1020)，將氣體流速的一部分引入通道(步驟1030)，并在通道中點燃氣體，同時將流速的剩余部分引離通道(步驟1040)。
在點火期間一部分氣流的旁路可擴展能成功點燃的流速和壓力的范圍。點燃通道中的氣體通過限制在點火期間進入通道的流速部分來簡化。例如，該流速部分可小至零(即通道中不流動的氣體)。
同時，通道中的壓力可與通道外的氣體壓力相同。例如，壓力可以是點燃等離子體后所需的操作壓力。
方法1000可包括在點燃氣體之前使得流速固定為一個值，用于操作容器(步驟1025)。將流速設置為在通道中形成等離子體后操作所需的流速可提供改進的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因而，例如，在點火之前，由氣源提供的氣體流速可在使用條件下穩(wěn)定，且使用壓力也可在通道內(nèi)穩(wěn)定。
方法1000還可包括在點燃通道中的氣體之后，將流速的增加部分或全部引入通道(步驟1050)。因而，與以前方法相比，從點火到操作等離子體條件的轉換可以是快速并穩(wěn)定的。
圖11是可實現(xiàn)方法1000的等離子體系統(tǒng)1100的一個實施例的框圖。系統(tǒng)110包括氣體輸入管1151、控制流經(jīng)管1151的氣流的旁路閥1171、以及旁路氣管1152。為了實現(xiàn)方法1000，旁路閥1171可例如將氣體流速的部分或全部從輸入管1151引入旁路氣管1152。
輸入管1151可與容器1110流體相連。系統(tǒng)1100可包括處理室1190，以及與容器1110和室1190相連的等離子體產(chǎn)出管1153。
系統(tǒng)1100可包括限制瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)氣流的孔1173。該孔1173可有助于將旁路管1152中的一部分氣流重新導入氣體輸入管1151。
系統(tǒng)可包括旁路管1152中的閥1172。該旁路管1152可與等離子體產(chǎn)出管1153、室1190和/或排氣管的流體相連。
對本領域技術人員而言，顯然可使用各種數(shù)量、類型以及位置的閥和孔來實現(xiàn)方法1000。例如，與系統(tǒng)1100相關的可選實現(xiàn)可包括單個旁路閥、單個旁路閥和一個孔、兩個旁路閥、以及兩個旁路閥和一個孔。
方法1000可提供當氣體輸入管1151正在傳送例如高流速和高壓力使用條件下的處理氣體時的點火。例如，氣體輸入管可提供壓力為2乇的氣體，其中該氣體包括O2和N2的混合體，O2為6slm(標準升每分鐘)和N2為0.6slm的混合流速。方法1000可提供在例如這些條件下的可靠點火。
參照圖12到14，接著描述用于等離子體系統(tǒng)的改進冷卻的方法和裝置(諸如以上所述)。根據(jù)本發(fā)明各原理的冷卻特征，在應用于絕緣等離子體容器時特別有利。
圖12是包括有助于從等離子體容器中散熱的各組件的系統(tǒng)1200的一個實施例的一部分橫截面示圖。系統(tǒng)1200包括容器1210、與容器1210相鄰的散熱片1220、以及置于容器1210和散熱片1220之間的熱界面1230(在此也稱為機械調(diào)節(jié)層)。散熱片1220還可用作電極，例如點火電極630和/或參考電極640(參見圖6)。散熱片可通過流經(jīng)散熱片(或附近)的冷卻液來冷卻，諸如水、油或空氣。
系統(tǒng)1200可任選地包括裝有彈簧的裝置1290，它可控制地將壓力施加在散熱片1220上。裝有彈簧的裝置1290的某些實現(xiàn)如下所述。
熱界面1230可包括具有均勻含量的材料。例如，熱界面1230的材料可以是單一材料或混合材料，例如合成或層壓材料。熱界面1230可以是不連續(xù)的，或可均勻地填充散熱片1220和容器1210之間的空隙。在某些可選實施例中，一個或多個通路可包括在熱界面1230中，以提供與位于熱界面1230和容器1210之間的點火電極的電接觸途經(jīng)。
熱界面1230具有一個或多個機械屬性，這些屬性可允許熱界面調(diào)節(jié)由散熱片1220施加的壓力以及壓力中的變化。屬性可包括彈性和塑性變形性能。該熱界面1230可具有變化的彈性和靈活性程度。例如，熱界面1230是可變形的?？勺冃涡阅芸蓭椭{(diào)節(jié)系統(tǒng)1200的熱感應尺寸變化。
熱界面1230可以是包括具有不同熱和機械性能的材料的合成物或層壓物。例如，熱界面1230可包括聚合體和金屬成分，以獲取例如前者的變形性能和后者的熱傳導性能。
在系統(tǒng)1200的某些可選實施例中，熱界面1230包括一個以上層。在這樣的實施例中，熱界面1230包括在多個接觸點與散熱片1220和容器1210機械聯(lián)系的可變形部分1231?？勺冃尾糠?231剛性或彎曲的，并且可彈性或塑性變形。例如，可變形部分1231可變形以幫助調(diào)節(jié)組裝件和/或調(diào)節(jié)因例如熱效應引起的系統(tǒng)1200的尺寸變化。
熱界面1230可包括其它部分1232、1233、1234，它們可部分地作為可變形部分1230和散熱片1220和/或容器1210之間的中間接觸。以下描述其它部分1232、1233、1234的某些實現(xiàn)。
熱界面1230、散熱片1220以及容器1210的彈性部分限定散熱片1220和容器1210之間的間隙。該間隙可調(diào)節(jié)因熱效應引起的組件移動。該間隙可增強熱界面1230的彈性部分的變形范圍。
參照圖13和14，可變形部分1231可包括各種材料和結構。圖13是圖12的等離子體系統(tǒng)1200的更詳細實現(xiàn)的容器1220和冷卻相關組件的部分分解圖。在該實現(xiàn)中，可變形層1231是橡膠層1231a。橡膠層包括橡膠材料的間隔部分或者，可變形層1231可以是依從相鄰材料表面的適應層。
熱界面1230還可包括擋光層1234a，以阻擋例如由等離子體發(fā)射的UV線抵達并破壞橡膠材料。UV線還可引起不需要的臭氧的形成。擋光層1234a還可有助于冷卻容器1210。
擋光層1234a可以是例如一薄片材料，或可以是施加在例如容器1210上的薄層。擋光層1234a可由諸如銅的金屬或其它適當材料來構成。
橡膠材料可部分地用陶瓷或金屬材料來填充。這樣的材料可包括例如氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、鉆石、以及石墨，它們可更改橡膠材料的熱和機械屬性。
橡膠層1231a的配置可允許響應于張力、壓力和/或剪切應力而變形。橡膠層1231a可有選擇地包括裂縫和/或空洞。
橡膠層1231a可得自薄片材料，或可由密封化合物來構成。橡膠層1231a的厚度可在25微米或小于2毫米的范圍(或更大)內(nèi)。在優(yōu)選實現(xiàn)中，橡膠層1231a覆蓋了容器1210的外表面面積的約25％～100％。
在圖12的系統(tǒng)1200的另一個實現(xiàn)中，熱界面1230包括諸如銅絲絨的纖維、燒結金屬、壓花金屬、和/或彈簧。金屬材料可提供比許多橡膠材料更大的熱傳導性和更大的溫度額定值。
參照圖14A、14B和14C，描述可由金屬構成的彈性部分1231的某些實現(xiàn)。
圖14A和14B是可包括在熱界面1230的可變形部分1231內(nèi)的彈性體1300a、1300b的實施例的側視圖。如圖所示或各種其它形狀的彈性體1300a、1300b，可響應于所述的熱感應組件移動而彎曲。彈性體1300a、1300b可由金屬材料構成。
圖14C是可用作熱界面1230的可變形部分1231的彈簧部分1231b的一個實施例的三維側視圖。部分1231b包括多個懸臂指。這些懸臂指可由例如銅或鈹銅構成。這些懸臂指可通過例如電化學蝕刻形成，隨后懸臂指塑性變形來給出最后的形狀?？勺冃尾糠?231的塑性變形可在最后裝到容器1210期間進行。彈簧部分1231b可以銅焊或焊接或粘結到散熱片1220和/或容器1210上，以例如有助于傳熱。在某些實現(xiàn)中，部分1231b提供約為0.25到25毫米的間隙厚度。
或者，熱界面1230可包括橡膠和金屬成分。例如，其它部分1232、1233的任一個或全部可以是橡膠層，它們被包括為中間媒介來傳遞可變形部分1230和散熱片1220和容器1210之間的接觸。這種配置可提供至少兩個優(yōu)點(1)某些金屬材料的熱傳導性和高溫耐受力；以及(2)某些橡膠材料的柔性、彈性和界面屬性。
熱界面1230還可用作墊片，以在容器1210和散熱片1220之間提供具有可控厚度的間隙。該間隙可用氣體(例如空氣或氦)來填充。氣體可支持例如通過小于約100微米的厚度的熱傳遞。進一步的改進可得小于25微米甚至小于12微米的厚度?；蛘?，該間隙可用液體或半液體(諸如油脂)來填充，以幫助熱傳遞，液體的量因較小的間隙厚度而較小。
散熱片1220(這里也稱為冷卻外殼)可緊鄰于容器1210，并可通過循環(huán)液體直接冷卻和/或通過另一熱界面冷卻傳導到另一冷卻表面。散熱片1220也可由空氣冷卻。散熱片1220可由例如金屬、陶瓷和合成材料的任何組合(例如銅、鋁、黃銅、氮化鋁、硅鋁合金碳化物、以及金屬基質(zhì)陶瓷合成物)來構成。
如果散熱片1220由電傳導材料構成，則在散熱片1220中應存在至少一個絕緣間隙用于環(huán)容器1210。散熱片1220中的多個絕緣間隙可被包括為降低絕緣間隙上的電場峰值。由于散熱片和等離子體容器1210之間的物理接近，散熱片間隙上的電場可耦合到等離子體容器1210，并造成等離子體容器1210內(nèi)局部高電場，以及相應的等離子體破壞。使用具有一個以上電間隙的散熱片1220可將感應電場分布到多個間隙上，從而降低峰值電場并減少等離子體的破壞。由多個散熱片部分構成多個散熱片部分1220還可簡化等離子體系統(tǒng)1200的組裝。
散熱片1220可由多個剛性分段構成?；蛘撸崞捎啥鄠€柔性部分構成，以進一步有助于調(diào)節(jié)尺寸和形狀的熱感應變化。
散熱片1220最好包括基本上包圍容器1210的全部的至少兩個分割的部分。散熱片1220的分段可幫助組裝系統(tǒng)1200，該系統(tǒng)包括具有諸如環(huán)形的復雜形狀的容器1210。對于環(huán)形絕緣容器，兩個部分可以是“C”形，以在組裝后的散熱片1220中提供間隙。散熱片1220可由諸如銅或鋁的電傳導材料制成。對于具有正方形橫截面的環(huán)形容器，示例如圖6所示，散熱片1220最好包括16個部分，即環(huán)形的四個“表面”(即環(huán)形的上、下、內(nèi)和外部分)的每一個有4個部分。
再參看圖12，并如上所述，系統(tǒng)1200可包括裝有彈簧的裝置1290，以維持壓在等離子體容器1210外面的散熱片1220和熱界面1230。裝有彈簧的裝置1290可包括諸如螺絲釘或夾鉗的散熱觸點1291、以及彈簧1292。
彈簧1292通過觸點1291將壓力加到散熱片1220上。所施加的壓力可進行選擇以維持并控制容器1210、熱界面1230和散熱片1220之間的機械和熱交互?？墒褂靡粋€或多個夾鉗或螺絲釘。
一個或多個彈簧1292調(diào)節(jié)因熱效應引起的尺寸變化。因而，所施加的壓力可在溫度變化期間維持在有效恒定水平。裝有彈簧的裝置1290可拉緊以獲得所需力，該力然后由一個或多個彈簧1292的作用來保持。
裝有彈簧的裝置1290能夠可控制地將壓力施加在例如絕緣環(huán)形容器和散熱片1220之間的熱界面1230上。該熱界面1230由裝有彈簧的裝置1290活動壓縮，以維持容器1210和散熱片1220之間的熱接觸。
環(huán)形絕緣等離子體容器具有相對復雜的幾何形狀，并可具有較薄的壁以促進散熱。絕緣等離子體容器還可由不具有與散熱材料兼容的熱-機械屬性的材料制成。包括這種容器的等離子體系統(tǒng)1200的實現(xiàn)可有利地包括分段的散熱片1220，如上所述。
在系統(tǒng)1200的一個優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)1200具有分段的并覆蓋容器1210的大部分或全部表面的散熱片1220，該容器1210在該實現(xiàn)中由絕緣材料構成；散熱片1220用使用裝有彈簧的裝置1290控制的力量壓在容器1210上；熱界面1230依從容器1210。系統(tǒng)1200的該實現(xiàn)提供具有絕緣等離子體容器的可靠的環(huán)形等離子體源。
圖15是等離子體系統(tǒng)1500a的實施例的一部分橫截面示圖。系統(tǒng)1500a包括正方形橫截面的容器1501a以及通過裝有彈簧的裝置1290a彼此相連的四個散熱分段1530a。裝有彈簧的裝置1290a包括擰入分段1520a之一的螺絲釘1291a，以及位于螺絲釘1291a的頭部和相鄰部分1530a之間的彈簧1292a。裝有彈簧的裝置1290a的可選配置對相關領域的技術人員而言是顯然的。
散熱部分1530a和裝有彈簧的裝置1290a的組合提供了自承重的冷卻外殼。該自承重的冷卻外殼支持容器1501a的有效冷卻，同時調(diào)節(jié)組合的容器1501a和冷卻外殼的熱錯配感應的尺寸變化。
圖16是包括所述的本發(fā)明結構特征并可實現(xiàn)方法1000的等離子體處理系統(tǒng)1500的一個實施例的框圖。系統(tǒng)1500包括由至少一個磁芯1520圍繞的絕緣容器1510，該磁芯1520與AC電源1560有電連接。該絕緣容器1510具有氣體輸入端1541和輸出端1542。16個散熱分段1530位于絕緣容器1510四周，并可用作電極，例如點火和/或參考電極?；蛘?，點火和/或參考電極可駐留于各分段1530和容器1510之間。
一個或多個磁芯1520具有用作變壓器主線圈的線圈，以導致與絕緣容器1510所限定的通道對齊的電場和等離子流。通道中的等離子體完成了變壓器的次級電路?？芍С汁h(huán)形等離子體的磁芯和相關聯(lián)AC電源的某些實現(xiàn)在Smith等人的專利號為6,150,628的美國專利中描述。
容器1510具有正方形橫截面，且四個散熱部分1530與容器1510所限定的四個表面(即上、下、內(nèi)和外表面)的每一個相鄰。散熱片的分段有助于組裝和調(diào)節(jié)熱感應的尺寸變化。
系統(tǒng)1500還包括與輸入端1541相連的氣體輸入管1551、旁路氣管1552、旁路閥1571、以及限定與絕緣容器1510的輸出端1542相連的處理室的處理容器1590。為了實現(xiàn)方法1000，在等離子體點火期間，旁路閥1571可將氣流的一部分或全部從輸入管1551引入旁路氣管1552。系統(tǒng)1500可包括在輸入端1541中或附近的氣體噴頭，以調(diào)節(jié)從管道1151進入輸入端1541的氣流。
包括氣體噴頭1551可改進等離子體的穩(wěn)定性，以及熱分布到容器內(nèi)表面的均勻性。氣體噴頭1551可改進經(jīng)輸入端1541引入環(huán)形通道的氣體的分布。
圖17A和17B示出被配置成主要沿等離子體容器的表面引導氣流的氣體噴頭的各個示例。圖17A示出可用作例如圖16的系統(tǒng)1500的噴頭1553的氣體噴頭1553a的一個實施例。該噴頭1553a限定成排的孔1610a在較小和/或較少的孔1620a的兩側。大多數(shù)進入氣體通過成排的孔1610a，并沿著在或接近氣體入口端1541的容器的上下內(nèi)表面通行。
圖17B示出可結合例如具有圓形橫截面的容器使用的氣體噴頭1553B的一個實施例。噴頭1553b限定在較小和/或較少的孔1620b周圍的一圈孔1610b。大多數(shù)進入氣體通過該圈孔1610b并沿著容器的內(nèi)表面通行。由一個或多個氣體噴頭提供的改進氣體分布可提供等離子體的改進穩(wěn)定性以及容器內(nèi)的更均勻功率分布。限制湍流產(chǎn)生的噴頭可減少容器壁的腐蝕。
感應電場在電感性耦合的環(huán)形等離子體容器的內(nèi)徑上最大，導致內(nèi)徑壁上較高的熱分布。因為等離子體可傾向于留在環(huán)形等離子體通道的中央，將進入氣體沿著等離子體通道的側壁注入可減少等離子體向內(nèi)徑壁的移位。在環(huán)形等離子體周圍使進入氣體流向內(nèi)徑壁還可使等離子體從內(nèi)表面上提升，導致在壁表面上更均勻的熱分布，并減少等離子體容器表面上的峰值功率消散。
當?shù)入x子體系統(tǒng)1500包括熔融的石英容器時，系統(tǒng)1500最好在將石英等離子體容器內(nèi)部的最高溫度限制在約900～1000℃(例如小于950℃)的條件下操作。在相對較高的溫度上，包括破壞的極小變化可在石英的內(nèi)表面上顯現(xiàn)。這樣的極小變化可導致不需要的極小微粒和其它污染。
容器的加熱在當進入氣體嘗試將等離子體推向容器的內(nèi)表面時最大。此外，等離子體與內(nèi)表面的更大交互可加劇熱相關的表面破壞。因此，需要使這些位置保持比容器上其它位置更低的溫度。例如，需要將這些重要的壁表面保持在小于950℃的溫度，而其它壁表面可達接近或大于950℃的溫度。
現(xiàn)在參看圖18A和18B，點火電極的可選實現(xiàn)可改進熱層1230的性能。圖18A示出等離子體系統(tǒng)的實施例的一部分橫截面示圖。該系統(tǒng)包括容器表面上或接近于容器表面的點火電極630a、熱界面1230b、散熱片1530b、以及電極墊片632。墊片632可填充由電極630a在熱界面1230b和容器表面之間創(chuàng)建的間隙。
圖18B示出等離子體系統(tǒng)的一個實施例的一部分橫截面示圖。該系統(tǒng)包括陶瓷基層635上的點火電極630b。組合的電極630b和陶瓷基層635置于容器表面上或與其相鄰。該系統(tǒng)可包括置于散熱片1530b和陶瓷基層635之間的熱界面1230b。第二個熱界面1230b可置于容器表面和陶瓷基層635之間。第二個熱界面1230b可具有柔性屬性，以允許第二個熱界面1230b適合組合的點火電極630b和陶瓷基層635的表面。
點火電極630b可以是沉積或層壓在陶瓷基層635上的金屬膜。具有較高熱傳導性的陶瓷材料，諸如AlN或AL2O3，被優(yōu)選為基層材料。熱傳導陶瓷基層635可降低絕緣等離子體容器和散熱片1530b之間的熱梯度，同時提供電極630b和散熱片1530b之間的電絕緣。陶瓷基層635也可例如改進熱界面1230b的可靠性。
本發(fā)明的另一實現(xiàn)表征為包括等離子體源部分、具有絕緣環(huán)形容器以及單板AC電源的集成式環(huán)形等離子體系統(tǒng)；該等離子體源可從裝置中分離。等離子體容器以及相關聯(lián)的冷卻結構被配置成允許從裝置底板中移除，而不拆卸單板電源。這就允許等離子體容器能夠在系統(tǒng)用戶的現(xiàn)場更換系統(tǒng)的消耗組件。
盡管本發(fā)明已參照特定優(yōu)選實施例特別示出并描述，本領域技術人員應理解，可在形式和細節(jié)中作各種變化，而不背離由所附權利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍。例如，系統(tǒng)可包括任意尺寸的兩個或多個點火電極，而不是特定尺寸或長度的點火電極，并沿著容器相間放置以有效地支持分布式點火。各電極可這樣間隔放置，例如，一個電極的邊緣到相鄰電極的邊緣之間的最大間距不大于五厘米。
權利要求
1.一種等離子體點火裝置，所述裝置包括限定封閉通道的容器；以及至少一個點火電極，與所述容器相鄰并具有與所述通道的相鄰部分對齊的尺寸，所述至少一個點火電極的尺寸的總長度比所述通道的長度大10％，其中所述至少一個點火電極可將電場施加到所述通道中的氣體，以啟動所述氣體的等離子體放電。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述通道限定為環(huán)形，且所述通道的總長度是繞所述環(huán)形一周的長度。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個點火電極的尺寸的總長度比所述通道的長度大20％。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器由絕緣材料組成。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器包括至少一個金屬部分，以及填充所述金屬部分中間隙的至少一個絕緣部分。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個點火電極包括彼此分開的至少兩個點火電極。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述至少兩個點火電極沿所述通道分隔。
8.如權利要求7所述的裝置，還包括被配置成在點燃所述容器中等離子體之后移除所述電場的點火控制電路。
9.如權利要求1所述的裝置，還包括與所述容器相鄰的參考電極，其中所述至少一個點火電極和所述參考電極合作，將電場施加到所述通道中的氣體以啟動所述氣體的等離子體放電。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述參考電極與所述容器熱連接，以有效地限制所述容器的溫度。
11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述容器具有至少四個表面，術參考電極覆蓋所述四個表面中三個表面的至少一部分，而所述點火電極覆蓋所述容器的四個表面中剩余表面的至少一部分。
12.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器的橫截面具有直線部分。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述容器的橫截面具有長方形形狀。
14.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述容器具有至少一個扁平外表面，且所述點火電極覆蓋所述扁平外表面的一部分。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述扁平外表面具有環(huán)形形狀。
16.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器的橫截面具有彎曲部分。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述容器的橫截面具有橢圓形狀。
18.如權利要求1所述的裝置，還包括至少一個磁芯，所述至少一個磁芯至少部分地包圍所述容器的一部分以支持振蕩電場在所述通道內(nèi)形成。
19.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述容器限定為線性形狀，并具有近端和遠端。
20.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少一個點火電極包括陶瓷基層和在所述陶瓷基層上形成的導電膜。
21.一種等離子體點火裝置，包括限定封閉通道的容器；以及與所述容器相鄰的至少一個點火電極，用于將電場施加在所述通道中的氣體中，所述至少一個點火電極具有比所述容器的外表面總面積大1％的面積。
22.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述至少一個點火電極的總面積比所述容器的外表面總面積大5％。
23.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述至少一個點火電極的總面積比所述容器的外表面總面積大10％。
24.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述容器由絕緣材料組成。
25.如權利要求21所述的裝置，還包括一參考電極，其中所述參考電極和所述至少一個點火電極在所述容器的內(nèi)表面總面積的2％～100％的范圍內(nèi)。
26.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述容器包括至少一個金屬部分，以及填充所述金屬部分中間隙的至少一個絕緣部分。
27.如權利要求21所述的裝置，其特征在于，所述通道限定為一環(huán)形。
28.一種等離子體點火裝置，包括限定封閉通道的容器；以及與所述容器相鄰的至少三個點火電極，其中所述多個點火電極可將電場施加到所述通道中的氣體，以啟動所述等離子體。
29.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述通道限定為一環(huán)形，且所述至少三個點火電極圍繞所述環(huán)形分布。
30.如權利要求28所述的裝置，其特征在于，所述至少三個點火電極沿著所述容器分布。
31.一種等離子體點火裝置，包括一容器，具有氣體輸入端和氣體輸出端，并限定用于包含氣體的通道；以及與所述氣體輸入端相鄰的一點火電極，用于將電場施加在接近所述容器輸入端的流動氣體。
32.如權利要求31所述的裝置，其特征在于，所述通道限定為一環(huán)形。
33.如權利要求31所述的裝置，其特征在于，所述點火電極置于所述氣體輸入端的上游。
34.一種等離子體裝置，包括容器，包括絕緣材料和限定用于包含氣體的通道；與所述容器相鄰的散熱片；以及熱界面，置于所述容器和所述散熱片之間并與其有機械連接，其中所述熱界面限定所述散熱片和所述容器之間的間隙，所述間隙響應于熱感應的尺寸變化來調(diào)節(jié)熱界面、散熱片、以及容器的至少之一的移動。
35.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述通道具有環(huán)形形狀。
36.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述散熱片包括基本上圍繞所述容器的至少兩個部分，并通過至少一個裝有彈簧的裝置來連接在一起。
37.如權利要求36所述的裝置，其特征在于，所述容器具有環(huán)形形狀，且所述散熱片包括由至少兩個裝有彈簧的裝置連接的至少四個部分，以將所述至少四個部分壓向所述容器，以調(diào)節(jié)所述容器和散熱片之間的熱錯配。
38.如權利要求36所述的裝置，其特征在于，所述散熱片和所述至少一個裝有彈簧的裝置限定一自承重冷卻外殼。
39.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述熱界面包括合成材料、纖維材料和層壓材料的至少之一。
40.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述熱界面包括多個懸臂指。
41.如權利要求40所述的裝置，其特征在于，所述多個懸臂指包括銅和鈹?shù)闹辽僦弧?br> 42.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述容器由所述絕緣材料組成。
43.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述熱界面包括多個線圈。
44.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述熱界面包括柔性材料。
45.如權利要求44所述的裝置，其特征在于，所述柔性材料覆蓋所述容器的外表面面積的25％～100％。
46.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述間隙用氣體填充，用于從所述容器熱傳遞到所述散熱片，且所述間隙具有厚度小于100微米的厚度。
47.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述間隙的厚度小于25微米。
48.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述間隙的厚度小于12微米。
49.如權利要求34所述的裝置，還包括置于所述容器和所述熱界面之間的紫外線擋光層。
50.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，所述熱界面包括一柔性層和一彈簧層，且所述柔性層具有與所述散熱片和所述容器之一接觸的第一面，以及與所述彈簧層接觸的第二面。
51.如權利要求34所述的裝置，還包括一氣體入口噴頭，所述噴頭置于與所述容器的進口相鄰，并限定沿所述容器的內(nèi)表面引入大部分進入氣流的孔。
52.一種等離子體處理裝置，包括絕緣環(huán)形容器，限定封閉通道；至少一個點火電極，與所述容器相鄰并具有與所述通道的相鄰部分對齊的尺寸，其中所述至少一個點火電極的尺寸的總長度比所述通道的長度大10％，從而所述至少一個點火電極可將電場施加到所述通道中的氣體，以啟動所述氣體的等離子體放電；變壓器，包括一磁芯和圍繞所述容器一部分的主線圈；AC電源，向主線圈提供電源以在所述環(huán)形容器中保持等離子體；以及處理容器，限定從所述容器中接收活性氣體核素的處理室。
53.一種用于點燃等離子體的方法，所述方法包括提供一容器，具有氣體輸入端和氣體輸出端，并限定通道；通過所述輸入端使氣體流入所述通道；以及通過將電離電場施加在接近所述氣體輸入端的氣體來點燃所述氣體，同時所述氣體流入所述通道。
54.如權利要求53所述的方法，其特征在于，所述通道限定為一環(huán)形。
55.如權利要求53所述的方法，其特征在于，點火所述通道中的氣體包括在所述氣體輸入端的上游施加所述電離電場。
56.一種用于點火等離子體的方法，所述方法包括提供限定封閉通道的容器；在所述通道外面提供具有流速和壓力的氣體；將所述氣體的流速的一部分引入所述通道；以及點燃所述通道中的氣體，同時將所述流速的剩余部分引離所述通道。
57.如權利要求56所述的方法，還包括在點燃所述氣體之前將所述流速固定為所述容器的操作值。
58.如權利要求56所述的方法，其特征在于，所述流速與所述容器的操作流速相關聯(lián)。
59.如權利要求56所述的方法，還包括在點燃所述通道中的氣體之后，將所述流速的全部引入所述通道。
60.如權利要求56所述的方法，其特征在于，將所述流速的一部分引入所述通道包括，在所述通道中提供至少與連接到所述容器的輸出的處理室中壓力相同的氣壓。
61.如權利要求60所述的方法，其特征在于，所述通道中的氣壓大于0.01乇。
62.如權利要求56所述的方法，其特征在于，將所述流速的剩余部分引離所述通道包括從所述通道中引離所述流速的全部。
63.一種用于等離子體處理的方法，所述方法包括提供限定封閉通道的環(huán)形容器；提供至少一個點火電極，與所述容器相鄰并具有與所述通道的相鄰部分對齊的尺寸，其中所述至少一個點火電極的尺寸的總長度比所述通道的長度大10％；通過將電壓施加到所述至少一個點火電極，來啟動所述通道中氣體的等離子體放電；提供一變壓器，包括一磁芯和圍繞所述容器一部分的主線圈；從AC電源向主線圈提供電源，以在所述環(huán)形容器中保持等離子體；以及將活性氣體核素從所述環(huán)形容器引入由處理容器限定的處理室。
64.如權利要求63所述的方法，其特征在于，點火包括當所述氣體基本上沒有氬氣時點燃所述等離子體。
65.如權利要求63所述的方法，其特征在于，點火包括當所述氣體基本上具有處理壓力和流速時點燃所述等離子體。
66.一種用于等離子體處理的方法，所述方法包括提供一環(huán)形容器，所述容器基本上由絕緣材料組成并限定封閉通道；提供與所述容器相鄰的散熱片；提供熱界面，置于所述容器和所述散熱片之間并與其有機械連接，其中所述熱界面限定所述散熱片和所述容器之間的間隙，所述間隙響應于熱感應的尺寸變化來調(diào)節(jié)熱界面、散熱片、以及容器的至少之一的移動。提供一變壓器，包括一磁芯和圍繞所述容器一部分的主線圈；從AC電源向主線圈提供電源，以在所述環(huán)形容器中保持等離子體；以及將活性氣體核素從所述環(huán)形容器引入由處理容器限定的處理室。
67.如權利要求66所述的方法，其特征在于，所述散熱片包括至少兩個部分，并通過用裝有彈簧的裝置來連接所述至少兩個部分來將所述至少兩個部分壓到所述容器上。
68.如權利要求66所述的方法，還包括將所述容器的溫度保持在950℃以下。
全文摘要
描述了用于等離子體系統(tǒng)的等離子體點火和冷卻裝置和方法。裝置(300)包括容器(390)以及與該容器相鄰的至少一個點火電極(330)。該至少一個點火電極的尺寸(D)的總長度大于容器通道長度的10％。該裝置可包括絕緣環(huán)形容器、具有由裝有彈簧的裝置壓向容器的多個部分的散熱片、以及在容器和散熱片之間的熱界面。方法可包括提供具有流速和壓力的氣體，并將氣體流速的一部分引入容器通道。該氣體在通道中點燃，同時流速的剩余部分被引離該通道。
文檔編號H01J37/32GK1774787SQ200480010066
公開日2006年5月17日 申請日期2004年4月12日 優(yōu)先權日2003年4月16日
發(fā)明者W·M·霍爾伯, 陳星 , A·B·考韋, M·M·貝森, 小R·W·柯林斯, S·C·特魯利, 邵壽潛 申請人:Mks儀器股份有限公司