專利名稱：等離子體排放裝置中的介電部件的熱控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體涉及等離子體排放裝置，并且更具體地講，涉及等離子體排放裝置中的介電材料的熱控制和保護。
背景技術：
在等離子體排放裝置的工程中的持久性的挑戰(zhàn)是控制和去除由等離子體產生的熱量。材料暴露至等離子體以承受排放的熱學環(huán)境的能力經常顯著地限制了等離子體裝置的性能、范圍、可靠性或其它操作特性。熱控制問題的難點尤其在于特別出于結構性的目的，裝置具有鄰近等離子體的介電材料，由于大多數介電體較差的導熱性。盡管諸如陶瓷的特定的介電材料可容忍大幅度提高的溫度，但是由于非均勻冷卻所導致的熱點(hot spots)由于不同的熱膨脹可在介電部件中導致內應力。對于這些熱量引起的應力而言，通常導致介電材料中的裂縫，這反過來導致等離子體裝置的過早失效。
介電等離子體約束容器可利用保形套或護皮被冷卻，其中所述保形套或護皮允許冷卻流體流經介電等離子體容器的表面，例如美國專利No.5200595中所述。然而，對于一些應用而言，這種方法具有不可接受的危險，即在等離子體室中或其下游出現(xiàn)破裂或裂縫以及災難性的污染過程的情況中，冷卻流體可進入等離子體室中。保形冷卻套還可阻止提供電磁能量感應耦合進入等離子體中的能力，除非冷卻套組件本身以及其中的冷卻流體它們自己是介電體。
冷卻感應耦合的等離子體裝置的介電室的一個方法是提供金屬冷卻管鄰近室的外側表面的布置結構，例如繞筒形室共軸線地安置的螺旋形冷卻盤管。金屬冷卻管是商業(yè)可購的，并且提供了一種高效的吸熱路徑，其安放成與室本體接觸。然而，甚至在等離子體室具有諸如筒形的相對簡單的幾何形狀的情況中，提供一種金屬冷卻盤管，其精確地符合室的表面，這是一種生產的挑戰(zhàn)。例如，容易組裝這樣的冷卻盤管，其被預制成具有大于等離子體室的外徑的主體內徑，但是必須存在于盤管與室壁之間的間隙將破壞熱量從室本體傳遞至冷卻介質的均勻性與抵抗性。在另一方面，具有對于外側室壁幾乎零容差的預制的盤管將很難配合室，并且物體的強制組裝可仍導致盤管沿室的長度的聚集或間隙以及對于室壁的損害。如果盤管并不是被預制而是繞等離子體管被卷繞就位，則有缺點的接觸不可避免地出現(xiàn)，這是由于盤管的卷繞和張弛的偏心率。甚至，由于這些制造缺陷所造成的小間隙導致了介電室的不均勻冷卻，并且因此導致了室壁中的熱點，其限制了裝置的性能以及可靠性。這種工藝還可在制造過程中裂化或損害室。
在美國專利No.6156667中，公開了一種從介電等離子體室中去除熱量的方法，其利用了室與冷卻設備之間的熱緩和材料(heat moderating material)。在該方法中，熱緩和材料緩和介電體與冷卻設備之間的熱傳遞，以提供通過介電材料的溫度梯度，其最小化諸如由熱應力所導致的損壞的失效。熱緩和材料還可用作為散熱器，其將介電體的表面保持在較低并更加均勻的溫度。需要一種裝置，以在物體組裝的過程中，以期望的厚度將熱緩和材料插在室與冷卻設備之間。
已經提出了其它的問題，即利用位于介電限制室內的冷卻式或非冷卻式介電護罩或薄壁金屬冷卻結構在介電等離子體室中的溫度控制。期望的是，改進從等離子體排放裝置的介電部件的吸熱的效率以及均勻性，并且因而改進裝置的性能和可靠性，同時保持簡單、堅固以及從成本低廉的結構的優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種等離子體排放裝置，其具有改進所述裝置中的介電材料的熱控制和保護的結構。本發(fā)明大體包括等離子體約束室，其至少部分由介電材料構成。冷卻設備安置成與室的外側介電表面接觸，以便大致均勻的吸熱。通過以下方式，在介電表面與冷卻設備之間形成大致直接和均勻的接觸，即借助于機械、液壓、熱學或其它方式在室與冷卻設備之間形成臨時物理間隙，然后皺縮所述間隙，從而穩(wěn)固地將所述冷卻設備的吸熱表面連接至所述室的外側表面。
在本發(fā)明的一個實施例中，等離子體源設備包括筒形等離子體排放管，在其中限定有等離子體。由方形金屬管構成的螺旋形盤管繞介電排放管的外側表面共軸線地安置。螺旋形盤管的面向內的平坦表面與介電排放管的外側表面大致直接并且均勻的接觸。冷卻流體流經螺旋形盤管，以吸收從所述排放管傳遞至所述金屬盤管的熱量。所述盤管的各繞圈間隔開，并且導電連接至RF能量源，因而允許冷卻盤管還用作為感應繞組，其將RF能量耦合進入排放管中的等離子體中。
為了將冷卻盤管組裝至介電排放管，在盤管與排放管之間形成臨時物理間隙。在一個實施例中，螺旋形冷卻盤管被制造成具有這樣的主體內徑，其稍微小于介電排放室的外徑。冷卻盤管被安置在夾具中，其允許所述盤管由于機械力而擴展，直至其主體內徑稍微大于介電排放管的外徑。在盤管擴展時，排放管被插入盤管內的空間中。盤管然后被松弛，同時使得盤管的面向內的平坦表面緊固地壓縮接觸排放管的外側表面。在本發(fā)明的其它實施例中，螺旋形冷卻盤管被盤曲在筒形介電等離子體管的本體上，這是通過沿螺旋形的繞圈的方向施加扭矩而實現(xiàn)的。在盤管的全長已經被盤曲在等離子體管上時，扭矩被釋放，同時使得盤管緊固地裝配至等離子體管表面?？蛇x地，通過加壓冷卻盤管，或者通過差異地加熱盤管和/或冷卻介電管，在盤管與排放管之間形成臨時物理間隙。
在本發(fā)明的另一方面中，等離子體排放裝置的冷卻設備嵌入包封材料中，其改進了從介電等離子體室中吸熱的均勻性。包封材料優(yōu)選具有較低的粘度，從而移位介電室與冷卻設備之間的殘留氣眼，還具有合適的導熱性，其有助于從所述室吸熱。
通過改進從等離子體排放室的介電室吸熱的均勻性，本發(fā)明減少了在操作過程中室壁內的熱點，其中所述熱點限制了裝置的性能和可靠性。結果，本發(fā)明的結構允許等離子體排放裝置以顯著提高的能量級別的安全和可靠的操作。


圖1示出了根據本發(fā)明一個實施例的等離子體源裝置；圖2示出了根據本發(fā)明一個實施例的等離子體源裝置的盤管與排放管的組裝；圖3示出了根據本發(fā)明另一方面的包封材料的使用。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發(fā)明一個實施例的等離子體源裝置。等離子體源100包括筒形排放管102，其中容納有等離子體。排放管102大致是由諸如石英、氧化鋁、氮化鋁或適于管內的排放環(huán)境的化學特性的其它結構性介電體構成。排放管102在兩端104開口，以例如在串列式氣體處理應用中允許氣體進入和排出?？蛇x地，等離子體管可被構造為密封的真空室，其具有計量入口和出口，以便供應和處理氣體。并未示出通?？杀话ㄔ诘入x子體處理裝置中的其它結構，例如真空泵送歧管、氣體輸送連接件或歧管、等離子體點火電極或其它裝置；并且未示出用于工件安裝、傳遞或電偏置的機構。
由方形銅管構成的螺旋形金屬冷卻盤管110繞排放管102共軸線地設置。在圖1所示的實施例中，盤管110用作為冷卻設備以及感應繞組，其將RF能量耦合進入排放管102中的等離子體中。RF能量發(fā)生器(未示出)經由附著至盤管110的電接頭112將交流電能提供至盤管110。在由RF能量源供能時，等離子體源100以如下方式操作，空芯變壓器與盤管110作為主回路，而排放管102中的等離子體作為附屬的回路。絕緣間隙114保持在盤管110的各繞組之間，并且接頭112設置成提供變壓器-耦合源的主回路上所期望的繞圈比。盤管110還設有接頭116，其用于盤管連接至冷卻流體的源(未示出)。
圖2示出了盤管110在排放管102上的組裝。盤管110被構造成具有在其放松狀態(tài)中的主體內徑118，其小于筒形排放管102的外徑106。盤管110安置在盤管擴展夾具140中，在此，盤管的接頭端部120接合并且暫時地緊固在夾具140的上側板142與下側板144中的配合凹槽中。扭矩利用夾具把手146被施加，其徑向擴展盤管，直至盤管的主體內徑118稍微大于排放管的外徑106。盡管盤管被擴展，但是排放管102被插入盤管中的擴展空間122中。把手146上的扭矩被釋放，并且盤管徑向收縮，同時使得盤管110的面向內的平坦表面緊固地與排放管102的外側表面壓縮接觸。在其組裝的狀態(tài)中，盤管因而將殘余壓力作用在排放管102的外側表面上。在優(yōu)選的實施例中，盤管118在其松弛的狀態(tài)中的主體內徑小于介電排放管102的外徑大約0.5至1.0％，其被保持為+/-0.001英寸的容差。這些尺寸被設置成，在介電排放管與冷卻盤管之間大致提供直接接觸，而沒有管上的不適當的壓應力。
盤管的方形管的平坦的面124提供了盤管繞組的每圈與排放管102之間的充分的接觸?？蛇x地，盤管由具有任何橫截面形狀的管構成，其中所述管提供了盤管與排放管之間的大致直接和均勻的接觸，同時允許冷卻劑在盤管內流動。來自排放管102的熱量被引導通過冷卻盤管110的接觸部分，并且被引導進入其中所流動的流體冷卻劑中。優(yōu)選地，盤管110是由銅或其它金屬制成，但還可由導熱且導電的、且不由于熱應力而易于破裂或疲勞的任何彈性材料構成。
圖3示出了根據本發(fā)明另一方面的包封材料的使用。在一個實施例中，筒形殼體150繞排放管102與等離子體源100的保形冷卻盤管110共軸線地被安置。優(yōu)選地，殼體150是由聚碳酸酯或柔性且視覺透明以便容易制造的其它聚合材料制成。位于管102的每個端部處的凸緣152密封殼體150與管102之間的共軸線空間。借助于殼體中的窗或其它開口或者凸緣，包封材料154被引入共軸線空間中，并且嵌入冷卻盤管110。在其液相中，包封材料154具有足夠低的粘度，以實際上去除共軸線空間中的所有氣隙，其中所述氣隙包括在冷卻盤管110的各繞圈與可存在于盤管110與介電管102之間的任何殘余間隙之間。優(yōu)選地，真空封裝(vacuum potting)技術被使用，以有助于氣眼的去除。包封材料154然后被固化成堅硬或固體狀態(tài)，在此時，殼體150可被留下就位或取出。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，包封材料154具有特性的獨特的組合。材料必須是介電的，以保持盤管110的繞組之間的介電隔離，應該很好地結合至排放管102的介電表面，并且應該是柔性的并在其固化狀態(tài)中具有最小的收縮。優(yōu)選地，材料具有較高的導熱性，以有助于排放管與盤管的熱交換。更重要的是，材料在其液體(預固化)狀態(tài)中必須具有足夠低的粘度，從而移去在冷卻盤管與排放管之間的任何小間隙中所捕獲的空氣，其將阻止在這些重要空間中的熱交換。在本發(fā)明優(yōu)選的實施例中，一種兩部件式熱固化的硅酮粘合劑被用作為包封材料。
在本發(fā)明的可選實施例中，螺旋形盤管被盤曲在筒形介電等離子體管的本體上，這是通過沿螺旋形繞圈的方向施加扭矩而實現(xiàn)的。在盤管的全長已經被盤曲在等離子體管上時，扭矩被釋放，同時使得盤管緊固地配合在等離子體管的表面上?？蛇x地，通過液壓或熱學方式，在冷卻盤管與排放管之間形成臨時組裝間隙。在一個實施例中，流體在升高的靜壓下被噴射進入盤管中，這將沿徑向擴展盤管。在另一實施例中，冷卻盤管被加熱，使得其擴展，或排放管被冷卻，使得其收縮。在每種情況中，在機械、液壓或者熱組裝力的釋放之后，各部件返回至它們的松弛狀態(tài)，并且盤管緊固地配合至排放管的外側表面。
盡管在此已經示出和說明了操作的特定結構以及細節(jié)，但是應該理解的是，這些說明是示意性的，并且在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本領域技術人員可容易地完成可選的實施例以及等價物。因此，本發(fā)明將包含所有落入權利要求書的精神和范圍內的這些可選實施例以及等價物。
權利要求
1.一種等離子體排放裝置，包括a)用于容納等離子體的排放室，所述排放室包含介電材料，其暴露于由所述等離子體所產生的熱量；以及b)RF能量源，其借助于繞所述排放室安置的感應盤管而將RF能量耦合進入所述等離子體中，所述感應盤管還被設置為與所述介電材料的表面接觸的冷卻設備，以便大致均勻地從所述介電材料的表面吸熱。
2.根據權利要求1所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述排放室完全由介電材料構成。
3.根據權利要求1所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述排放室是圓筒形的。
4.根據權利要求3所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述感應盤管是螺旋形的，并且共軸線地配合至所述圓筒形的排放室的外側表面。
5.根據權利要求1所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述感應盤管被安置成大致直接與所述介電材料的表面接觸。
6.根據權利要求5所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述感應盤管將殘余壓力施加在所述排放室上。
7.根據權利要求5所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述盤管是由金屬管構成。
8.根據權利要求6所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述金屬管具有與所述介電材料的表面接觸的平坦表面。
9.根據權利要求6所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述金屬管容納冷卻流體。
10.根據權利要求1所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述感應盤管是被嵌入包封材料中。
11.根據權利要求10所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述包封材料是硅酮粘合劑。
12.根據權利要求10所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述排放室是筒形的，并且所述包封材料充滿所述筒形的排放室與繞所述筒形的排放室共軸線地設置的筒形殼體之間的空間。
13.根據權利要求10所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述感應盤管被安置成大致直接與所述介電材料的表面接觸。
14.根據權利要求13所述的等離子體排放裝置，其特征在于，所述包封材料充滿所述感應盤管與所述介電材料的表面之間的殘留間隙。
15.一種操作等離子體排放裝置的方法，包括a)提供等離子體排放裝置，其包括用于容納等離子體的排放室，其中所述排放室具有至少一個介電表面，其暴露于由所述等離子體所產生的熱量；以及感應盤管，其繞所述排放室被安置，并且與所述至少一個介電表面接觸；b)借助于所述感應盤管將RF能量耦合至所述等離子體；并且c)利用所述感應盤管從所述至少一個介電表面大致均勻地吸熱。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述排放室是圓筒形的。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述感應盤管是螺旋形的，并且共軸線地配合至所述圓筒形的排放室的外側表面。
18.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述感應盤管安置成大致直接與所述至少一個介電表面接觸。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述感應盤管嵌入包封材料中。
20.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟，將冷卻流體流經所述感應盤管，以從所述感應盤管吸收熱量。
21.一種構造等離子體排放裝置的方法，包括a)提供用于容納等離子體的排放室，其大致包含介電材料；b)提供螺旋形感應盤管，其具有由所述感應盤管的面向內的表面約束的內部空間；c)施加力，以在所述感應盤管的面向內的表面與所述排放室的外側表面之間產生臨時物理間隙；d)將所述排放室插入所述感應盤管的內部空間中；并且e)去除所述力，并且因而使得所述感應盤管的面向內的表面緊固地接觸所述排放室的外側表面。
22.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述臨時物理間隙是通過擴展所述感應盤管的內部空間而形成的。
23.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述力是機械力、液壓力或熱力。
24.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述排放室是圓筒形的。
25.根據權利要去21所述的方法，其特征在于，所述感應盤管是由金屬管構成。
26.根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述感應盤管金屬的面向內的表面包括所述金屬管的平坦表面。
27.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，所述金屬管安置成容納冷卻流體。
28.根據權利要求21所述的方法，其特征在于，還包括將所述感應盤管嵌入包封材料中的步驟。
29.根據權利要求28所述的方法，其特征在于，還包括真空封裝所述包封材料以去除氣眼的步驟。
全文摘要
提供了一種等離子體排放裝置，其具有改進所述裝置中的介電材料的熱控制和保護的結構。本發(fā)明大體包括等離子體約束室，其至少部分地由介電材料構成，而冷卻設備安置成與所述室的介電表面接觸，以便大致均勻的散熱。所述冷卻設備可被嵌入包封材料中，其改進了從介電等離子體室吸熱的均勻性。通過改進從等離子體排放裝置的介電室吸熱的均勻性，本發(fā)明允許了等離子體排放裝置在顯著提高的能量級別上的可靠的操作。
文檔編號C23C16/00GK101057319SQ200580038869
公開日2007年10月17日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權日2004年10月15日
發(fā)明者賈斯廷·莫克, 史蒂夫·狄龍, 胡安·何塞·岡薩雷斯, 安德魯·沙巴林 申請人:先進能源工業(yè)公司