專(zhuān)利名稱(chēng)：高效小型電容耦合等離子反應(yīng)器/生成器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體電離裝置及方法，尤其涉及與電容耦合氣體等離子反應(yīng)器及方法。
背景技術(shù)：
電容耦合等離子反應(yīng)器通常由一對(duì)互相面對(duì)的平行板電極構(gòu)成，它們的位置平行，放置于一個(gè)真空室內(nèi)。極性相反的電極上施加有外部電場(chǎng)(直流或者交流)。在處于低壓條件下，并且電極位置適當(dāng)時(shí)，初次電離會(huì)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子區(qū)，然后在氣流中產(chǎn)生輝光放電?？梢詫⒍鄬?duì)極性交替變化的平行板分開(kāi)放置，并且(或者)將它們疊加在一起構(gòu)成多處可以產(chǎn)生等離子放電的區(qū)域。這種電容耦合等離子反應(yīng)器在工業(yè)上有著非常廣泛地應(yīng)用，如基片蝕刻、基片清洗、基片薄膜沉積、氣體凈化、離子束源以及各種化學(xué)反應(yīng)等等。
正如“電容耦合等離子體”的名字所表示的那樣，電極構(gòu)成一個(gè)電容器，通常是平行板類(lèi)型的電容。最基本的類(lèi)型就是兩個(gè)電極性相反的平板，常被稱(chēng)作“平面二極管”。它的電極可以放置為多種幾何形狀，包括帶有曲面的形狀，如同心平行柱面或有平行切線(xiàn)的同心球。通常在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，極性交替變化的電極表面的間隔相等，從而保持了平行板關(guān)系。在這種結(jié)構(gòu)中，電極表示之間的幾何規(guī)則性和對(duì)稱(chēng)性對(duì)于產(chǎn)生均勻電場(chǎng)，進(jìn)而生成更均勻的電離層是非常有利的。凹凸平板電極對(duì)常用于增強(qiáng)或減弱某特定區(qū)域的等離子層濃度，以適應(yīng)一些特殊應(yīng)用，如聚焦噴鍍、聚焦蝕刻或者提供聚焦離子源。美國(guó)專(zhuān)利“Method and System for Vapor Extraction FromGases”(專(zhuān)利號(hào)4 735633)中講述了現(xiàn)有技術(shù)中的一些具有不同幾何形狀的電容耦合平行板電極設(shè)計(jì)，該發(fā)明已經(jīng)被授予專(zhuān)利權(quán)給本發(fā)明的發(fā)明人，并已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。專(zhuān)利‘633中講授的電極結(jié)構(gòu)為小型等離子發(fā)生器提供了較大的表面積與容積之比。采用專(zhuān)利‘633所述電極結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器已經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)中，其反應(yīng)效率可以大于99％。
除了電極距離之外，在電容耦合等離子反應(yīng)器中產(chǎn)生并維持等離子體的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是工作壓力。壓力較低時(shí)，可以更有效、更容易地維持穩(wěn)定的輝光放電等離子體。這是因?yàn)榈入x子體的產(chǎn)生和維持決定于反應(yīng)器中氣體分子的電離，以產(chǎn)生足夠的二次電子參與到級(jí)聯(lián)碰撞電離過(guò)程中去，用以補(bǔ)償和平衡消失在電極表面的電子(和離子)。平均自由程，也就是初級(jí)電子與一個(gè)分子碰撞產(chǎn)生次級(jí)電子之前，在反應(yīng)器中走過(guò)的平均路程。平均自由程決定于工作壓力。一般來(lái)說(shuō)，壓力越高、平均自由程的值越小。在電極電場(chǎng)勢(shì)能的作用下，初級(jí)電子在一定距離內(nèi)加速，獲得推動(dòng)電離過(guò)程所需的電離勢(shì)能。而平均自由程的大小限制了這一距離。因此，平均自由程的值越小，在給定工作電勢(shì)能的條件下，一個(gè)電子在與氣體分子碰撞前獲得的電離勢(shì)能越小，從而發(fā)生的次級(jí)電離也越少。
在給定工作壓力下，電極距離決定了一個(gè)電子在達(dá)到并消失在電極表面前，所遇到的平均自由程電離碰撞次數(shù)。當(dāng)電子距離很短時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生并維持輝光放電。這一空間就是人們熟悉的暗區(qū)。一旦在反應(yīng)器中激發(fā)等離子體后，等離子體自身就會(huì)變成一個(gè)相當(dāng)于電極的導(dǎo)電薄板。在等離子體和電極之間總存在一個(gè)空間隙，其中不會(huì)發(fā)生輝光放電電離。離子和電子僅在這一縫隙中加速而不會(huì)進(jìn)一步輝光電離放電，這一空間就是人們熟悉的“暗區(qū)屏蔽層”。暗區(qū)屏蔽層的厚度也決定于壓力。
因此，氣體分子分解，生成并維持穩(wěn)定的輝光放電等離子體的條件決定于外加電場(chǎng)、擊空電壓、電極距離和工作壓力之間的關(guān)系。帕邢通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擊穿電壓(V)隨壓力P(單位Torr)和電極距離d(單位cm)的乘積變化。帕邢發(fā)現(xiàn)的關(guān)系就是人們熟悉的輝光放電定律，圖1所示的“帕邢曲線(xiàn)”反映了這一定律。圖1給出了在幾種不同氣體中的帕邢曲線(xiàn)10。電容耦合、平行板等離子體反應(yīng)器的電極設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足帕邢曲線(xiàn)的要求。
圖1的帕邢曲線(xiàn)10顯示當(dāng)pd近似為1Torr-cm時(shí)，也就是在點(diǎn)15處，對(duì)于各種氣體都有一個(gè)最小擊穿電壓(V)。因此，在實(shí)際條件中，如果平行板電極之間的距離固定為1cm，那么在壓力約為1Torr時(shí)，在真空中激發(fā)電離并使氣體分解所需的電極外加電壓最小。由帕形曲線(xiàn)10可以看出，對(duì)于給定電極距離d，當(dāng)壓力P增大時(shí)，為滿(mǎn)足1Torr-cm擊穿參數(shù)所需的最小外加電壓也緩慢增加。但是，當(dāng)壓力減弱時(shí)，所需最小電壓會(huì)急劇增大(與Pd成線(xiàn)性比例關(guān)系)。例如，在氖燈中，假設(shè)一個(gè)給定電源可以提供的最大電壓為1000V，電極距離固定為約1cm的反應(yīng)器對(duì)于氖氣的最大工作壓力可達(dá)約300Torr。但是當(dāng)壓力低于0.1Torr時(shí)，如果電極距離不成倍增大，使帕邢曲線(xiàn)10的擊穿電壓15處的Pd值低于1000V的最大電源限制，那么相同的1000V電源將不足以在氖氣中生成和維持等離子體。
因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)額定電源和工作壓力范圍給定時(shí)，帕邢曲線(xiàn)10所示的關(guān)系決定了反應(yīng)器的最小電極距離，進(jìn)而決定了其最小尺寸。在多數(shù)應(yīng)用中，無(wú)論是直流還是交流，都希望采用低電壓電源，而不是高電壓電源，這是因?yàn)榈碗妷弘娫垂逃械牡秃奶匦?。另外還希望電極之間的距離較小，這樣可以使反應(yīng)器更小。但是，當(dāng)工作電壓低于0.5Torr時(shí)(在很多半導(dǎo)體處理之類(lèi)的特定應(yīng)用中都要求這種條件)，必須將電極距離增大到幾厘米，甚至更多，從而會(huì)使反應(yīng)器尺寸變大，否則就需要采用非常昂貴的高電壓電源。盡管可以采用附加磁場(chǎng)源將等離子體限制在低壓力應(yīng)用中，但這種方法非常昂貴，還會(huì)使干擾電容耦合，使之復(fù)雜化，另外還會(huì)耗散等離子體能量，并引入更多的邊緣效應(yīng)。
前述‘633號(hào)專(zhuān)利講述了以特定方式使給定尺寸的反應(yīng)器中電極的表面積最大，以提高反應(yīng)效率，從而使反應(yīng)器的效率最高。盡管‘633號(hào)專(zhuān)利主要用于半導(dǎo)體制造中有害廢氣的分解與處理，但該專(zhuān)利中描述的等離子體處理過(guò)程也提供了一種處理材料的有效方法，如利用濺射、蝕刻、沉積、表面處理等等。它還提供了一種生成期望副產(chǎn)品的有效氣體化學(xué)反應(yīng)方法，如化學(xué)合成、聚合物形成、化學(xué)分解等等。這種等離子體處理方法相對(duì)于其它化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)包括實(shí)際降低能量損耗，在較低溫度下提高反應(yīng)效率等?！?33號(hào)專(zhuān)利中所講述的等離子反應(yīng)器已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，其商標(biāo)為DryScrub，并由本發(fā)明的代理銷(xiāo)售。如‘633專(zhuān)利中所講述的那樣，DryScrub反應(yīng)器的電極表面積與等離子體積之比較大。它利用這一點(diǎn)以及較長(zhǎng)的氣流路徑來(lái)增強(qiáng)電極表面的化學(xué)反應(yīng)。與氣流自身內(nèi)部的氣相反應(yīng)相比，這一方式使得反應(yīng)速度和反應(yīng)效率達(dá)到最大。
因此，如‘633專(zhuān)利所述，對(duì)于一對(duì)平行板電極來(lái)說(shuō)，各電極一個(gè)表面的面積為A，一對(duì)電極相對(duì)面的總表面積為2A。當(dāng)電極之間的距離固定時(shí)，兩個(gè)表面之間的容積為2Ad。在低壓情況下，由于前述原因，必須增大電極距離d。等離子量也隨著電極距離d的增大而增大，因而，表面積與體積比也隨著距離d的增大而反比減小。因此，如果工作壓力下降，而電極的表面積不能設(shè)法增大，那么就會(huì)喪失表面反應(yīng)的部分或者全部?jī)?yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，增大電極表面積的一個(gè)方法是增大反應(yīng)器以及電極的大小。但是，由于費(fèi)用、應(yīng)用限制或設(shè)計(jì)限制等各種原因，通常不希望這樣做，或者這樣做根本就是不可行的。因此，為了低電壓應(yīng)用，有必要找到一種新的方法來(lái)增大反應(yīng)器中電極的表面積，而不用增大反應(yīng)器的大小。
本發(fā)明為解決這一問(wèn)題提出了一種新穎獨(dú)特的電極設(shè)計(jì)。新電極設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在不增大反應(yīng)器體積大小的前提下增大電極的表面積。在電容耦合平行板等離子體反應(yīng)器中，采用‘633號(hào)專(zhuān)利所述方法，在大范圍工作參數(shù)條件下，新型電極能夠提供高效電極表面反應(yīng)，而沒(méi)有顯著增大反應(yīng)器的尺寸。同樣地，這種新型電極設(shè)計(jì)還極大地增大了這種反應(yīng)器及方法的應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
如‘633專(zhuān)利所說(shuō)明的那樣，傳統(tǒng)思想是將平行板電極對(duì)的相對(duì)面向側(cè)向延伸，不能伸入電極相對(duì)面或相鄰面之間的開(kāi)放區(qū)域。人們不希望有任何表面伸入到電極之間的空間內(nèi)，因?yàn)槟菢訒?huì)減小在這些點(diǎn)處的電極之間的距離。非常擔(dān)心那樣會(huì)生成短路路徑，導(dǎo)致電極之間產(chǎn)生放電弧。因此，人們認(rèn)為電極設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使它們的相對(duì)表面盡可能平、曲線(xiàn)盡可能平滑，以避免這一問(wèn)題。而且，由于前面所討論的要滿(mǎn)足帕邢曲線(xiàn)的原因，還存在一種擔(dān)心，那就是縮短電極之間的距離會(huì)影響輝光放電等離子體的生成、維持和質(zhì)量。這已成為電極設(shè)計(jì)和構(gòu)造的常規(guī)知識(shí)。
本發(fā)明同與電極設(shè)計(jì)和構(gòu)造的這一常識(shí)相矛盾。在本發(fā)明中，一對(duì)極性交變的電極由很多“L”形和“7”形的翼片構(gòu)成所謂的“L7”形電極結(jié)構(gòu)。該翼片伸到相鄰相對(duì)電極中間的開(kāi)闊區(qū)域，并以交錯(cuò)形式放置。帶有交錯(cuò)翼片的電極構(gòu)成近似為方形的“L7”通道，在一個(gè)或多個(gè)對(duì)角中有一個(gè)或多個(gè)空隙。另一種更易擴(kuò)展的實(shí)施例采用柵格形設(shè)計(jì)，其中有很多對(duì)極性相反的電極，每個(gè)電極都有翼，它們被疊在一起，使得翼片交錯(cuò)于電極之間。帶有交錯(cuò)翼片的“L7”型保持了電極對(duì)平行相對(duì)面之間的電極距離d，在給定體積下使電極表面積增大了四倍甚至更多。可以應(yīng)用包括連續(xù)曲面或“W”型表面在內(nèi)的多種形狀，它們可能會(huì)在單位體積內(nèi)提供更多的表面。
應(yīng)用本發(fā)明“L7”形設(shè)計(jì)的等離子體反應(yīng)器/生成器裝置及方法包括一個(gè)帶有開(kāi)放內(nèi)部空間的反應(yīng)器主體。反應(yīng)器主體包括一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出所口。電極裝置最好設(shè)置為一個(gè)整體組合，它可以作為一個(gè)單元插入反應(yīng)器的內(nèi)部，或者從中移出。電極裝置通常與反應(yīng)器主體絕緣。在開(kāi)放系統(tǒng)中，電極裝置封裝于反應(yīng)器主體的內(nèi)部，限定了進(jìn)氣口與出氣口之間的多個(gè)子路徑。在靜止或封閉系統(tǒng)中，電極裝置將氣體體積分成很多單元，其依據(jù)可能是某種所希望的模式。與電極裝置連在一起的電源在相鄰的極性相對(duì)的電極對(duì)上產(chǎn)生電壓差，它足以在反應(yīng)器中選定的待處理氣體中激發(fā)并維持等離子體。在本發(fā)明的另一方面，以選定壓力、流率和溫度向進(jìn)氣口引入一個(gè)氣流，該氣流經(jīng)過(guò)與電極表面相連的子氣流路徑到達(dá)出氣口?？梢陨捎卸鄠€(gè)獨(dú)立區(qū)域的等離子體，它們之間最好有部分是相通的。從而使電極表面的氣體進(jìn)行高效、完全的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)器利用這種氣體，或者對(duì)于這種氣體執(zhí)行選定過(guò)程。在本發(fā)明的另一方面，等離子生成器是一個(gè)包含某種氣體的封閉系統(tǒng)。在這種氣體中形成等離子體，用于發(fā)光等。在這一方面，本發(fā)明是一個(gè)等離子體生成器。


圖1是一些典型氣體的帕邢曲線(xiàn)的圖示說(shuō)明。
圖2用圖示說(shuō)明了傳統(tǒng)電容耦合并行板等離子反應(yīng)器中傳統(tǒng)電容耦合平行板電極對(duì)的一部分。
圖3用圖示說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)較佳“L7”結(jié)構(gòu)的電容耦合平行板電極對(duì)的一部分。
圖4是圖3所示“L7”電極對(duì)的后視圖。
圖5是“L7”電極對(duì)堆疊柵格的側(cè)面剖視圖，該電極對(duì)的交錯(cuò)翼片包括本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例。
圖6是第一電極的較佳實(shí)施例的部分平視圖，它與圖7中的第二電極構(gòu)成一個(gè)“L7”電極對(duì)，用于圖5所示的“L7”電極對(duì)堆疊柵格中。
圖7是第二電極的較佳實(shí)施例的部分平視圖，它與圖6中的第一電極構(gòu)成一個(gè)“L7”電極對(duì)，用于圖5所示的“L7”電極對(duì)堆疊柵格中。
圖8是包括圖6、圖7電極的較佳“L7”電極對(duì)的剖面平視圖。
圖9是包括圖6至圖8中“L7”電極對(duì)堆疊柵格的較佳電極的側(cè)面正視圖。
圖10是圖9較佳電極不同側(cè)面的另一個(gè)正視圖。
圖11是應(yīng)用本發(fā)明的一個(gè)電容耦合平行板氣體等離子體反應(yīng)器較佳實(shí)施例的側(cè)面正視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將借助附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
圖2圖示說(shuō)明了傳統(tǒng)電容耦合平行板電極對(duì)20，當(dāng)今幾乎所有傳統(tǒng)等離子體反應(yīng)器的設(shè)計(jì)都采用此類(lèi)型電極對(duì)。電極對(duì)20包括第一平板電極22和第二平板電極24。第一、第二平板電極22和24分別有第一、第二表面，每個(gè)表面的面積為A。第一、第二電極22和24的兩個(gè)相對(duì)面之間的距離為固定值d。平板電極包括一個(gè)平行板電容的兩個(gè)極板，它們的電極分別與電源26的相反電極相連，該電源可能為交流，也可能為直流。因此，在任意給定時(shí)間，電極22和24的極性相反。它們之間存在著一個(gè)電壓(V)，能夠在兩個(gè)電極之間的氣流中激發(fā)并維持輝光放電等離子體。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以證明，與兩電極之間的開(kāi)放空間相鄰的總電極表面積為2A，兩電極之間的空間體積為Ad。因此，電極表面積與容積的比為2/dcm-1，電極距離通常約為1cm，單位體積的表面積比約為2。
現(xiàn)有技術(shù)‘633號(hào)專(zhuān)利中所講述的表面反應(yīng)原理的基礎(chǔ)是在低壓環(huán)境下，可以很容易地維持穩(wěn)定的輝光放電。使反應(yīng)器中單位等離子體體積的電極表面積最大就可以使電極表面反應(yīng)最強(qiáng)。大表面積為氣體在表面反應(yīng)提供了大的反應(yīng)位置。吸附氣體分子與被吸附氣體分子可以很容易的在表面上找到位置和總有效范圍，以保證當(dāng)離子或電子打到表面時(shí)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性非常大。如圖1中的帕邢曲線(xiàn)所示，輝光放電的激發(fā)和維持決定于工作壓力和電極距離。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)于一個(gè)平行板電極，當(dāng)陽(yáng)極和陰極之間的距離d(cm)與工作電壓P(Torr)的乘積，也就是Pd Torr-cm，約為1Torr-cm時(shí)，對(duì)于絕大多數(shù)氣體來(lái)說(shuō)，當(dāng)電極電壓約為250-350V之間時(shí)，發(fā)生最小擊穿電壓或等離子體激發(fā)電壓。
例如，當(dāng)工作壓力在500-1000mTorr之間時(shí)，平行板電極之間的最優(yōu)距離約為1cm。如果工作壓力大于這個(gè)范圍，那么維持最優(yōu)擊穿或等離子體激發(fā)電壓的范圍會(huì)稍微變窄。但是，如果電壓低于這個(gè)范圍，距離d必須急劇增大才能維持最優(yōu)擊穿電壓。換而言之，當(dāng)所需工作壓力變化時(shí)，如果希望擊穿電壓或激發(fā)電壓盡可能接近于最小值，就必須改變距離d以保持乘積pd盡可能接近于單位1。否則，當(dāng)壓力很低時(shí)，電源必須提供遠(yuǎn)高于1000V的高電壓。
因此，增大電極距離d是近年來(lái)工業(yè)上使用的典型方法。例如，用于等離子體蝕刻基片(如半導(dǎo)體)的活性離子蝕刻(RIE)方法，采用電容耦合電極，其工作壓力的范圍為10至100mTorr。在商用反應(yīng)器中，電極距離在5cm至15cm之間。這樣可以維持相對(duì)較低的擊穿電壓，并使自感應(yīng)偏差最小。這一偏差可能會(huì)對(duì)由高能量電子和離子沖擊進(jìn)行蝕刻的基片產(chǎn)生不良輻射損傷。
根據(jù)帕邢關(guān)系，采用較大的電極距離d可以克服激發(fā)氣體電離、等離子體激發(fā)及維持的困難。但較大的電極距離產(chǎn)生等離子體積增大的不良影響，那樣會(huì)需要更多的反應(yīng)器空間和更大的電極表面積，從而會(huì)極大是增大成本。為構(gòu)造一個(gè)具有相同表面積、工作于低壓條件的電極，電極距離及體積必須成倍增大。但是如果設(shè)計(jì)反應(yīng)器使其電極具有較大的表面積，可能會(huì)排除實(shí)際應(yīng)用中的高壓范圍，因?yàn)槌朔ePd將會(huì)增大到帕邢曲線(xiàn)的高壓頂端。
當(dāng)今幾乎所有的實(shí)用平行板等離子體反應(yīng)器的設(shè)計(jì)都是基于前述原理。例如，如果電極距離d約為1cm，幾乎對(duì)于所有的可用氣體來(lái)說(shuō)，在壓力約為1Torr時(shí)，可以相對(duì)容易地產(chǎn)生并維持輝光放電等離子體。與此類(lèi)似，如果距離為2cm，最優(yōu)工作壓力將為0.5Torr。由帕邢曲線(xiàn)還可以看出，對(duì)于固定電極距離d，當(dāng)工作壓力增大時(shí)，發(fā)生并維持等離子體的將會(huì)慢慢變得困難，最低擊穿電壓也將會(huì)隨著電壓的升高而緩慢增大。反過(guò)來(lái)，當(dāng)工作壓力降低時(shí)，激發(fā)等離子體的最低擊穿電壓將會(huì)急劇升高，生成并維持等離子體會(huì)變得非常困難。最低擊穿電壓會(huì)隨著工作壓力的增大而增大，其物理解釋為工作壓力越高，電極之間的氣體分子、原子、電離離子和電極之間的平均自由程會(huì)更短。因此，在到達(dá)電極之前，被激發(fā)的分子、原子、離子和電子之間會(huì)有多次碰撞。在每次碰撞中，被激發(fā)粒子會(huì)失去能量，由高能態(tài)跳遷至低能態(tài)。因此，一定時(shí)間后，能量足以激發(fā)二次電離的粒子會(huì)變得越來(lái)越少，二次離子和電子的生成會(huì)變得局部化，并更為困難。在這種情況下，需要較高的外部工作電壓來(lái)產(chǎn)生并維持電離擊穿過(guò)程，以維持等離子體。
工作電壓較低時(shí)，較長(zhǎng)的平均自由程降低了電極間被激發(fā)粒子的碰撞次數(shù)。在這種情況下，初級(jí)電子從外部施加電壓(直流或交流)吸收能量，在電極間被加速，在與氣體分子碰撞，使中性粒子電離生成更多二次電子之前，具有較多的機(jī)會(huì)與電極碰撞。初級(jí)電子消失的速度很快，再加上生成的二次電子數(shù)也很少，這就要求外加電源提供較高的電壓，以產(chǎn)生更強(qiáng)的電場(chǎng)和高能量電子，進(jìn)而保證激發(fā)電離過(guò)程，并維持等離子體。但較高的電壓會(huì)使電子的速度加快，從而縮短它們?cè)谙У诫姌O之前的時(shí)間，從而降低了產(chǎn)生二次電子的碰撞次數(shù)。結(jié)果，當(dāng)工作壓力降低時(shí)，激發(fā)并維持等離子體所需的最小擊穿電壓會(huì)急劇增大。
在當(dāng)今的許多等離子體反應(yīng)器應(yīng)用中，例如半導(dǎo)體制造應(yīng)用中，要求等離子體反應(yīng)器的工作壓力低于100mTorr。為了在如此低的壓力下工作，必須增大反應(yīng)器中電極的距離，以便在低于約1000V的合理電壓下產(chǎn)生并維持等離子體。即便如此，高電壓等離子生成器的成本也要比低電壓生成器的成本高得多。而且，為了消耗相同的功率P＝IV，高工作電壓就意味著等離子體中消耗的電流會(huì)較低。因?yàn)樗婕暗幕瘜W(xué)反應(yīng)需要電子交換，低電流意味著化學(xué)反應(yīng)速率降低。因此，為了提高等離子體反應(yīng)器的效率，采用低電壓、高電流等離子體更好一些。
同時(shí)，也希望保留‘633專(zhuān)利中所述的反應(yīng)器的成功特點(diǎn)，如平行板設(shè)計(jì)、最優(yōu)電極距離、高表面積/體積比、長(zhǎng)流動(dòng)路徑以及短軌跡等等。
圖3和圖4圖示說(shuō)明了基本“L7“平行板電極的構(gòu)造。它包括本發(fā)明的基本較佳實(shí)施例。下面將會(huì)說(shuō)明，這種“L7“電極設(shè)置克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，同時(shí)保留了‘633專(zhuān)利所述的現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的成功特色。
“L7”設(shè)計(jì)包括第一平行板電極32和第二平行板電極34，它們按習(xí)慣方式相對(duì)設(shè)置。電極32和34分別與電源36的相對(duì)電極相連。該電源可以為交流，也可以為直流，都適用于電容耦合平行板等離子反應(yīng)器。因此，電極32和34的極性相反。每個(gè)電極有第一表面33a、35a和第二表面33b、35b。盡管構(gòu)造與角度關(guān)系都是可預(yù)知的，但在較佳實(shí)施例中，第一和第二表面為一個(gè)整體，并成直角。表面33a與35a之間的距離固定為d，它們的相對(duì)面互相平行。與此類(lèi)似，表面33b和35b之間的距離也固定為d，它們的相對(duì)面也互相平行。表面33b和35b延伸到平行表面33a和35b之間的開(kāi)放空間內(nèi)，使得表面33b的末端到達(dá)表面35a，表面35b的末端到達(dá)表面33a。因此，所述“L7”電極對(duì)設(shè)置構(gòu)成一個(gè)近似的方形，并將一個(gè)通道分成各個(gè)單元。較佳地的，通?；騿卧皇峭耆忾]的。在一個(gè)或多個(gè)喇叭落提供較小的縫隙，使電極分離，其距離為表面33b的末端與表面35a和表面35b的末端與表面33a之間的距離d’。表面33a、33b、35a和35b各自的面積約為A。
在這種方式下，較佳“L7”電極設(shè)置極大地增大了表面積與等離子體積之間的比，同時(shí)保持電極的距離仍為d。例如，方形通道或單元的四個(gè)表面的總面積為4A?？傮w積保持為Ad，與圖2中的傳統(tǒng)平行板電極設(shè)置相同。因此，“L7”電極對(duì)設(shè)置的表面積與體積比約為4/dcm-1，即傳統(tǒng)平等板電極對(duì)組合的兩倍。
這種“L7”電極對(duì)布置與平行板電極對(duì)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)思想對(duì)立。傳統(tǒng)思想反對(duì)表面33b和35a伸入到平行表面33a和35a之間，當(dāng)然更不會(huì)如此接近這些表面了。這種傳統(tǒng)思想是因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中采用高電壓時(shí)，會(huì)在相鄰電極之間產(chǎn)生電弧放電。但是，通過(guò)重新研究、深入理解圖1中帕邢曲線(xiàn)的意義，“L7”電極設(shè)計(jì)的發(fā)明者確定了可以應(yīng)用“L7”電極的低壓范圍。位于角落的相對(duì)極性的電極32和34之間的空隙d可以做得足夠小，使得在所供電源稍高于擊穿電壓時(shí)，乘積Pd’只能在空隙中產(chǎn)生并維持等離子體。因此，在這些條件下，空隙中不存在等離子體。另外，在這些情況下也避免了電弧放電和短路的發(fā)生，因?yàn)榭障毒嚯xd’太小，電子的加速距離不足以使它引起電離。只有連續(xù)發(fā)生電離，在電極之間產(chǎn)生導(dǎo)電路徑(就像雷電放電路徑)后，才可能發(fā)生電弧或短路現(xiàn)象。在“L7”電極主要應(yīng)用的低壓工作范圍內(nèi)，實(shí)際上不會(huì)滿(mǎn)足這些條件。例如，空隙距離d＝0.5cm，電極距離d＝2時(shí)，電源電壓低于1000V時(shí)，電極的工作壓力可以低于0.1Torr。當(dāng)工作壓力升高到一個(gè)較高值，如2Torr時(shí)，仍然可以在空隙區(qū)域內(nèi)生成并維持合適的等離子體，只要空隙d’保持足夠小，就不會(huì)在空隙中發(fā)生電弧放電或短路現(xiàn)象。
使發(fā)明者確信在空隙距離d’內(nèi)不會(huì)發(fā)生電弧放電和短路的另一個(gè)原因是電弧放電的關(guān)鍵要求是放電應(yīng)集中于一點(diǎn)，從而使放電點(diǎn)與相對(duì)電極之間生成一個(gè)高電流導(dǎo)電路徑。在“L7”電極對(duì)設(shè)計(jì)中，電極構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)電線(xiàn)，它們之間的放電將會(huì)分布在整個(gè)導(dǎo)線(xiàn)上(而不是在一點(diǎn))。因此，在預(yù)期工作條件下，電極上的任一給定點(diǎn)之間不會(huì)建立起足以激發(fā)場(chǎng)輻射的高電壓，使得電子的電勢(shì)能高于擊穿電勢(shì)能，足以電離電極之間的整個(gè)導(dǎo)電路徑。換而言之，因?yàn)椤癓7”型電極之間生成的等離子體很好地分布在電極的表面上，在任意給定點(diǎn)，包括與電極非常接近的角落中，都不會(huì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的勢(shì)能，所以不會(huì)在電極之間電離生成完整的導(dǎo)電路徑，從而導(dǎo)致電弧放電。因此不必像傳統(tǒng)思想中那樣考慮電弧放電和短路問(wèn)題。
“L7”電極設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以使電極對(duì)的較佳垂直表面之間的距離可變。有效距離可以由空隙距離d’變化到電極相對(duì)平行表面(即表面33a和35a，或33b和35b)之間的距離d。事實(shí)上，在一個(gè)電極的封閉端角落到另一電極的封閉端角落的對(duì)角線(xiàn)上，也就是從表面33a與表面33b的交點(diǎn)到表面35a與表面35b的交點(diǎn)的連線(xiàn)上，電極之間的距離可以更大。因此，這一新型設(shè)計(jì)使電極之間的距離可變，從而可以在各種壓力下達(dá)到最優(yōu)操作。這一電極設(shè)計(jì)可以在大范圍的工作條件下簡(jiǎn)單而有效地激發(fā)并維持等離子。而且，后面將會(huì)更詳細(xì)地看到，這一設(shè)計(jì)特色可以進(jìn)一步擴(kuò)展。例如，采用具有開(kāi)放端的喇叭形電極設(shè)計(jì)，(開(kāi)放端的橫截面大于閉合端)，可以使距離變動(dòng)范圍更大，因此，它可以使等離子體在工作條件下選擇最優(yōu)距離，從而可以很容易地激發(fā)等離子體。
“L7”設(shè)計(jì)的可變電極距離，以及其擴(kuò)展形式是一個(gè)顯著特色。一旦等離子體被激發(fā)后，它就變?yōu)橐粋€(gè)導(dǎo)電層，其自身相當(dāng)于一個(gè)有很多傳導(dǎo)電子的電極。因此，等離子體自身是一個(gè)附加電子源，可以用來(lái)補(bǔ)充損失到電極的電子。因此，易于激發(fā)的等離子體就易于維持，這就意味著“L7”型電極可以在大范圍工作條件下，容易而有效地激發(fā)并維持等離子體。
圖5圖示說(shuō)明了基本“L7”電極對(duì)設(shè)計(jì)擴(kuò)展為堆疊電極對(duì)的結(jié)構(gòu)形式。因此，圖5顯示四個(gè)電極52、54、56和58以垂直結(jié)構(gòu)堆疊。每個(gè)電極有兩個(gè)相對(duì)表面，即電極52有相對(duì)表面52a和52b，電極54有相對(duì)表面54a和54b，電極56有相對(duì)表面56a和56b，電極58有相對(duì)表面58a和58b。這些電極堆疊在一起，使得它們的表面互相平行，即表面52a、52b、54a、54b、56a、56b、58a和58b都互相平行。電極52、56通常與適當(dāng)交流或直流電源60的一極相連，電極54和58與電源60的另一極相連。堆疊結(jié)構(gòu)中相鄰電極的極性交替變化，使得堆疊電極的各個(gè)相鄰對(duì)構(gòu)成極性相反的電極對(duì)。即電極52和54構(gòu)成一個(gè)極性相反對(duì)，電極54和56構(gòu)成另一對(duì)，電極56和58構(gòu)成另一對(duì)。值得注意的是，這種結(jié)構(gòu)同時(shí)應(yīng)用了電極(如電極54)的兩個(gè)相對(duì)面(如54a和54b)，這樣就極大地增大了反應(yīng)器中用于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的電極表面積。與基本“L7”設(shè)計(jì)思想相一致，每個(gè)電極都有很多翼片伸展到相鄰電極之間，并與相對(duì)表面成直角。因此，翼片64由電極52的表面52b向外伸展，翼片64由相鄰電極54的相對(duì)表面54a向外伸展，它們都伸展到相鄰電極之間的開(kāi)放空間，并非常接近于相鄰電極。如圖所示，由于各種原因，這些翼片以交錯(cuò)形式布置于電極對(duì)的相鄰電極之上會(huì)更好一些。其中一個(gè)原因是，這樣有助于等離子體分布于每個(gè)電極對(duì)的相鄰電極上。這樣又有助于保證不存在導(dǎo)致電極之間發(fā)生電弧放電或短路的點(diǎn)電離源。下面將會(huì)進(jìn)一步解釋?zhuān)€有助于分隔等離子體，使得等離子體的質(zhì)量更好，從而提高反應(yīng)效率。還有，它還保證反應(yīng)器中有一個(gè)長(zhǎng)而連續(xù)的氣體流動(dòng)路徑，這也有助于提高反應(yīng)效率。
相對(duì)于現(xiàn)有平行板電極結(jié)構(gòu)，基本“L7”電極設(shè)計(jì)的這一擴(kuò)展仍然提高了表面積與等離子體體積之比，并且通過(guò)在反應(yīng)器內(nèi)堆疊電極對(duì)使之加倍提高。假定同一電極(如電極52)的相鄰翼片64之間的距離為d。一個(gè)電極對(duì)的相鄰電極相對(duì)表面(如電極52的表面52b和電極54的表面54a)之間的距離也是d。還假設(shè)每個(gè)電極在相鄰翼片之間的表面積為A，每個(gè)翼片表面積也近似為A。在由一個(gè)電極(如電極52)的相鄰翼片和各電極對(duì)相鄰電極的相對(duì)平行表面(如表面52b和54a)圍成的各個(gè)“小室”內(nèi)，電極總面積為4A。和傳統(tǒng)平行板電極設(shè)計(jì)一樣，電極距離仍然為d，因此，對(duì)于等離子體來(lái)說(shuō)，每個(gè)小室或通道的電極表面積與等離子體積之比約為4/dcm-1。
“L7”設(shè)計(jì)思想可以進(jìn)一步擴(kuò)展，以提供更高的表面積體積比。其方法是通過(guò)增加附加翼片組件將近似方形的“L7”通道進(jìn)一步分為間隔約等于d的立體小室。其結(jié)果是每個(gè)近似立體分隔中的表面積和體積比近似為6/dcm-1。
盡管圖5中以橫截面形式給出了堆疊“L7”電極的設(shè)置，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解電極52-58可以為各種形狀。例如，如下面所描述的那樣，各電極可以是圓形。類(lèi)似地，盡管翼片64也是以橫截面形式給出，但該翼片可以是各種形狀，包括平面、曲面、“U”形、“V”形、“W”形和喇叭形。而且還有，電極不必是連續(xù)表面，而是可以包括一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，以方便氣體流動(dòng)。與此類(lèi)似，翼片64也不必是連續(xù)表面，也可以包括多個(gè)開(kāi)口以方便氣體流動(dòng)和等離子體交流。
而且，小室的大小和幾何形狀可以改變，以調(diào)節(jié)等離子體。例如，可以根據(jù)所希望的模式調(diào)節(jié)小室內(nèi)的等離體密度?？梢援a(chǎn)生等離子體聚焦和分散的面積。還可以生成等離子體柵格和象元?？梢灾芷谛缘剡M(jìn)行這種調(diào)節(jié)，也可以根據(jù)其它所希望的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。
與基本“L7”設(shè)計(jì)相類(lèi)似，相鄰電極(如電極52和54)的翼片64非常接近于電極對(duì)的相對(duì)表面(如表面52b和54a)，但保持空隙距離為d’。和前面對(duì)基本“L7”電極設(shè)計(jì)討論的原因相同，如果空隙距離d’足夠小，就不用考慮電極之間的電弧放電和短路。
圖6-8是翼片組件的一種較佳結(jié)構(gòu)的示例，參考該圖可以說(shuō)明電極和電極布置。圖6是相對(duì)極性電極對(duì)(如圖5中的電極52)中電極一部分的平面圖。圖6所示電極52的表面是表面52b。電極52的較佳形式為圓形，如圖8所示。翼片64為向外伸展的平面，它與表面52b成直角。圖7是另一較佳翼片形狀的頂視圖，其開(kāi)放端為“喇叭”形。圖7所示的喇叭形翼片由圖5中電極54的表面54a向外伸展。如圖8所示，電極54上的表面54a有很多這種喇叭形翼片64，使得由電極52的表面52b向外伸展的翼片64插入到喇叭形翼片的兩側(cè)，它圍繞于相鄰電極52和54的整個(gè)表面。圖8通過(guò)一個(gè)剖面圖說(shuō)明了圓形電極(如電極52和54)相鄰時(shí)，直翼片64和喇叭形翼片64如何插入。圖8還說(shuō)明，每個(gè)電極對(duì)中至少有一個(gè)電極(在本例中為電極52)的較佳形式有一個(gè)中心開(kāi)口80，用于通過(guò)氣流。圖8中進(jìn)一步顯示了另一電極54的直徑略小于電極52的直徑，從而允許氣流通過(guò)電極的邊緣到達(dá)下一個(gè)堆疊電極對(duì)。
在電極之間插入附加翼片表面積，提高了電極表面積與等離子體積之比。除此之外，這些翼片還通過(guò)將電極之間的平面較寬路徑轉(zhuǎn)換為多個(gè)較窄路徑，極大地增大了氣流的流動(dòng)路徑。前面曾經(jīng)提及，如果愿意，可以通過(guò)在“L7”形通道內(nèi)插入附加翼片組件將通道進(jìn)一步分為近似為立體形的小室。對(duì)寬路徑的這種分割極大地提高了氣流在反應(yīng)器中流動(dòng)時(shí)所遇到的電極表面積，而沒(méi)有提高了反應(yīng)器的體積或尺寸。
這一點(diǎn)可由圖9和圖10中從不同側(cè)面看到。圖9和圖10是圖5-8所說(shuō)明的堆疊“L7”電極類(lèi)型的兩側(cè)視圖。在圖9和圖10中可以看出，堆疊電極包括一串交錯(cuò)堆疊電極92和94。如圖5所示，電極92通常與適當(dāng)電源(沒(méi)有給出)的一極相連，電極94與電源的另一極相連，所以相鄰的堆疊電極92和94的極性相反。各電極92為盤(pán)形，其中心有一個(gè)開(kāi)口，允許氣體由堆疊的一層流向別一層。各個(gè)電極94也是盤(pán)形，但是沒(méi)有中心開(kāi)口。電極95的較佳直徑稍小于電極92的直徑，允許氣體通過(guò)電極94的外邊緣由堆疊的一層流向別一層。顯然，電極92通過(guò)絕緣隔離物之類(lèi)的裝置與電極94電絕緣。電極92上裝有翼片64，它由各個(gè)電極92的各面向外正交伸出，接近于各電極92相鄰的電極94，但不與之相交。與此類(lèi)似，電級(jí)94上安裝有“喇叭”型翼片64，它由各電極94的各面向外正交伸出，接近于與各電極94相鄰的電極92，但不與之相交。而且，直翼片64和喇叭形翼片應(yīng)較佳地交錯(cuò)放置，使得它們交錯(cuò)于相鄰電極92和94之間的空間內(nèi)。采用這種結(jié)構(gòu)后，進(jìn)入第一電極92的中心開(kāi)口96的氣流在通過(guò)第一電極94的外緣到達(dá)堆棧的下一層之前，必須首先沿著第一電極92和第一電極94之間交錯(cuò)翼片中的曲折路徑流動(dòng)。在下一層，氣體流入相鄰第二電極92和94之間交錯(cuò)翼片中的多個(gè)曲折路徑，到達(dá)第二電極92的中心開(kāi)口。由該處進(jìn)入堆棧的下一層，然后在堆棧的各層內(nèi)重復(fù)相同的曲折路徑，直到遍歷完最后一層。
電極92和94可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的適當(dāng)導(dǎo)電材料組成，這些材料在過(guò)去已經(jīng)應(yīng)用于等離子反應(yīng)器中。圖9和圖10中說(shuō)明的電極92和94用不銹鋼制成，其成本較低。當(dāng)電源為射頻電源時(shí)，也可以在導(dǎo)電芯之間夾入絕緣材料。
本發(fā)明較佳堆疊“L7”電極的另一優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電極之間的空間進(jìn)行分割，提高了等離子體的質(zhì)量，從而提高了反應(yīng)器的反應(yīng)效率。概念性的突破是傳統(tǒng)平行板電極對(duì)可以看作兩個(gè)長(zhǎng)平行導(dǎo)線(xiàn)。通常，等離子體在電極之間的空間的中心區(qū)域構(gòu)成一個(gè)“層”，并在電極附件有顯著的“盲區(qū)”。用翼片組件將電極之間的空間進(jìn)行分割就分裂了平行板盲區(qū)。為此，分割電極之間空間的翼片組件可以是兩個(gè)與陰極或陽(yáng)極電子有相同電位的相反極板，兩個(gè)L形和兩個(gè)7型極板像“L7”相對(duì)極板那樣互相面對(duì)。這種“L7”型極板的組合使得通道中心的等離子體將整個(gè)空間看到電極的表面，即使等離子體生成并維持于通道的中心也是如此。這是因?yàn)樵谕ǖ乐行纳傻碾x子和電子輻射到由電極和各“小室”或分區(qū)的分割翼片組件構(gòu)成的封閉通道內(nèi)，從而引起化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)效率因此得到極大提高。
此外，在擴(kuò)展平行板電極反應(yīng)器中，生成并維持的等離子體相當(dāng)于電極相對(duì)表面之間的一個(gè)側(cè)面層。這使得在兩個(gè)電極之間且于電極平等的空間內(nèi)，等離子體進(jìn)行顯著的附加化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)檫@種化學(xué)反應(yīng)以氣相進(jìn)行，所以它們?nèi)菀仔纬煞Q(chēng)為“等離子體灰塵”的分子群和凝結(jié)粒子。它們肯定會(huì)凝結(jié)于氣流中并與氣流一起存在于反應(yīng)器。這會(huì)對(duì)于某些裝置(如下游的泵)產(chǎn)生嚴(yán)重的問(wèn)題，特別是這些“等離子體”具有腐蝕性時(shí)。通過(guò)將等離子體“層”分別為各個(gè)小室或小段，本發(fā)明極大地提高了對(duì)生成等離子體灰塵的附加化學(xué)反應(yīng)的控制。事實(shí)上，“L7”設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)者相對(duì)容易地控制流動(dòng)路徑的長(zhǎng)度和分區(qū)的數(shù)目，這樣可以更好地控制預(yù)期表面反應(yīng)與氣相反應(yīng)之間的平衡。
然而，有時(shí)可能希望在相鄰小室或區(qū)段之間的等離子體之間有一些交流。例如，因?yàn)橹圃煺`差或其它的原因，相鄰分區(qū)大小的變化或者其它因素可能會(huì)使一個(gè)小室或分區(qū)內(nèi)形成的等離子體弱于相鄰小區(qū)或分區(qū)。允許相鄰小室或分區(qū)之間等離子體的某些交流，就可以使有較強(qiáng)等離子體的相鄰小室或分區(qū)增強(qiáng)較弱小室和分區(qū)的等離子體，從而達(dá)到平衡效果。這種交流可以部分和完全通過(guò)圖4所示的中心縫隙或圖5所示的翼片64與電極52-58之間相鄰表面之間的縫隙完成。如果希望得到更多的交流，可以在其它多個(gè)翼片或者全部翼片的表面上提供多個(gè)交流孔。這些孔的大小當(dāng)然決定于應(yīng)用、翼片和電極自身的大小，以及所期望的工作參數(shù)。
本發(fā)明的較佳“L7”電極結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于材料強(qiáng)度因素。等離子體的形成和維持會(huì)產(chǎn)生熱。而且，電極的表面極越大、工作電壓越高，就會(huì)產(chǎn)生越多的熱。因此，電極必須隨熱變形應(yīng)力。傳統(tǒng)平行板電極包括有相對(duì)較大的連續(xù)金屬薄片，會(huì)積聚很多熱應(yīng)力，所以易于引起結(jié)構(gòu)變形。這種變形會(huì)改變電極距離，進(jìn)而改變電容、電特性和等離子體性質(zhì)。在一些嚴(yán)重情況下，結(jié)構(gòu)變形會(huì)導(dǎo)致短路。在選擇電極材料時(shí)必須考慮這些因素。相反，在“L7”電極結(jié)構(gòu)中，特別是堆疊“L7”電極設(shè)置結(jié)構(gòu)中，包括有多個(gè)小表面和互相成角度連接的平面，相對(duì)于大型平面層來(lái)說(shuō)，它們提高了結(jié)構(gòu)的支持能力和穩(wěn)定性。另外，因?yàn)榈入x子體被分割為小的部分，從而降低了對(duì)結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力累積。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的這一提高使得在相同工作參數(shù)和條件下，制造電極的金屬片可以薄于傳統(tǒng)平行板反應(yīng)器設(shè)計(jì)中所用的金屬片。這樣又使得反應(yīng)器內(nèi)部的空間增大，從而在給定小型體積內(nèi)可以放置更多的表面面積，從而達(dá)到更好的性能。
圖10是一個(gè)電容耦合平行板電極等離子反應(yīng)器的側(cè)視圖，它含有本發(fā)明的一個(gè)較佳“L7”電極結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器110有一個(gè)圍有內(nèi)部空間(沒(méi)有給出)的小室，圖9和圖10所示的電極安裝在它的內(nèi)部。反應(yīng)器小室可以采用傳統(tǒng)方法打開(kāi)或閉合。如果需要，這個(gè)小室還可以提供一個(gè)冷卻面用于空氣冷卻。提供一個(gè)傳統(tǒng)進(jìn)氣口115接收要處理的氣流。還提供一個(gè)出氣口120用于使處理過(guò)的氣流流出反應(yīng)器。還提供外部電極(沒(méi)有給出)，用于連接適當(dāng)電源的電極與反應(yīng)器的內(nèi)部電極，如圖5所示。
圖10和圖11說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明組裝的一個(gè)氣體等離子體反應(yīng)器。如組裝的形式，反應(yīng)器有一個(gè)小室限定了柱形內(nèi)部空間。此反應(yīng)器的外部高度約為420mm，直徑約為290mm。內(nèi)部高度約為305mm，直徑約為254mm。該小室由鋁制成，限定了大約為15-436平方厘米的內(nèi)部空間。如圖10所示，一個(gè)由316L不銹鋼制成的電極包括6個(gè)盤(pán)狀陽(yáng)極-陰極對(duì)。在反應(yīng)器進(jìn)氣口的附近，相鄰陽(yáng)極和陰極之間的距離約為1英寸。略低于反應(yīng)器出氣口附近的尺寸，這樣可以提高氣流通過(guò)入口和出口之間電極時(shí)的處理效率。電極的外部尺寸略小于254mm，約300mm高。陽(yáng)極盤(pán)上有一個(gè)中心孔，陰極盤(pán)的外部尺寸略小于陽(yáng)極盤(pán)，從而提供了相鄰陽(yáng)極-陰極對(duì)之間的曲折氣流路徑。16個(gè)喇叭形翼片組件均勻分布在各陰極的各表面周?chē)?6個(gè)平面型翼片組件均勻分布于各陽(yáng)極的各表面周?chē)Ｆ矫嫘我砥诲e(cuò)于各喇叭形翼片和各喇叭形翼片的各腿之間(見(jiàn)圖8)。喇叭形翼片和平面型翼片的位置和尺寸使相鄰正極和負(fù)極之間氣流區(qū)段的大小約為一立方英寸。反應(yīng)器內(nèi)部空間內(nèi)的總電極面積約為27 700平方厘米，電極表面積與體積之比約為1.8。
在一定的壓力和電壓范圍內(nèi)，對(duì)前述反應(yīng)器進(jìn)行了空氣中激發(fā)并維持等離子體的試驗(yàn)。這樣試驗(yàn)采用一個(gè)高級(jí)能量工業(yè)模型2500E型電源，對(duì)其進(jìn)行了改動(dòng)，使其工作于100Khz。改動(dòng)后，電源的額定負(fù)載約為1500W。測(cè)試中，若電壓約為1000V，負(fù)載阻抗約為100歐，當(dāng)壓力達(dá)到500Torr時(shí)，反應(yīng)器即可成功地在空氣中激發(fā)并維持等離子體。若電壓約為1400V，阻載阻抗約為1000歐，壓力升到約18mTorr。
對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的前述說(shuō)明是希望解釋本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，而不是進(jìn)行限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)明白可以對(duì)此較佳實(shí)施例進(jìn)行各種變化和修改，而不會(huì)偏離本發(fā)明的思想。例如，各說(shuō)明尺寸可以變化，可以采用各種合適的不同材料。電極、反應(yīng)器小室、翼片組件及類(lèi)似裝置可以選擇不同的幾何形狀，如“U”型、“V”型、“W”型，甚至是柱形、球形或錐形。因此，本發(fā)明不限于前述電極幾何形狀和設(shè)計(jì)。工作參數(shù)也可以改變。較佳具體實(shí)施例并不限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由本發(fā)明的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于氣體等離子體反應(yīng)器的電極裝置，其包括一個(gè)陽(yáng)極和一個(gè)陰極，該陽(yáng)極和該陰極各包括一個(gè)對(duì)面，它們互相分離，為氣體限定了一個(gè)流動(dòng)路徑；多個(gè)分別與前述陽(yáng)極和前述陰極相連的導(dǎo)電翼片組件，其伸展到前述陽(yáng)極和前述陰極之間，將前述流動(dòng)路徑分為多個(gè)小室。
2.如權(quán)利要求1所述電極裝置，其中前述多個(gè)翼片組件設(shè)置為有多個(gè)相對(duì)而分離的表面，從而提高了前述陽(yáng)極和前述陰極之間的電極表面積。
3.如權(quán)利要求2所述電極裝置，其中與前述陽(yáng)極相連的前述多個(gè)翼片組件和與前述陰極相連的翼片組件互相交錯(cuò)。
4.如權(quán)利要求3所述電極裝置，其中與前述陽(yáng)極和前述陰極之一相連的前述多個(gè)翼片組件可以近似為“U”型、“V”型或“W”型。
5.如權(quán)利要求4所述電極裝置，其中前述陽(yáng)極和前述陰極為盤(pán)狀。
6.如權(quán)利要求1所述電極裝置，其中前述多個(gè)翼片組件分別以一定角度由前述陽(yáng)極和前述陰極伸出。
7.一種用于氣體等離子體反應(yīng)器的電極裝置，其包括一個(gè)具有第一表面的陽(yáng)極；一個(gè)具有第二表面的陰極，該第二表面與前述第一表面相對(duì)，互相分離且平行；一個(gè)與前述陽(yáng)極相連的第一導(dǎo)電翼片組件，它具有第三表面，該第一翼片組件由前述陽(yáng)極向外伸向前述陰極；一個(gè)與前述陽(yáng)極相連的第二導(dǎo)電翼片組件，它具有第四表面，該第二翼片組件由前述陰極向外伸向前述陽(yáng)極，該第四表面與第三表面相對(duì)，并互相分離；前述第一、第二、第三、第四表面之間的空間限定了待處理等離子體氣流的流動(dòng)路徑，其中前述第一和第二翼片組件實(shí)質(zhì)上提高了前述氣流遇到的電極表面積與前述陽(yáng)極和陰極之間的空間體積之比，但沒(méi)有改變前述陽(yáng)極和前述陰極之間的距離。
8.如權(quán)利要求7所述電極裝置，其中前述陽(yáng)極和前述陰極實(shí)質(zhì)上為盤(pán)狀。
9.如權(quán)利要求8所述電極裝置，其包括多個(gè)前述第一和第二翼片組件。
10.如權(quán)利要求8所述電極裝置，其中前述多個(gè)第一和第二翼片組件分別散布于前述陽(yáng)極和前述陰極周?chē)?br> 11.如權(quán)利要求10所述電極裝置，其中前述多個(gè)第一和第二翼片組件互相交錯(cuò)。
12.如權(quán)利要求11所述電極裝置，其中前述多個(gè)第一翼片組件各包括多個(gè)由前述第三表面構(gòu)成的伸展翼片表面，前述伸展翼片表面一端互相連接，另一端開(kāi)放，構(gòu)成了相鄰平面之間的空間；前述多個(gè)第二翼片組件各包括一個(gè)伸展翼片表面；前述多個(gè)第二翼片組件的第二翼片組件插入到前述多個(gè)第一翼片組件相鄰平面的前述空間。
13.一種用于氣體等離子反應(yīng)器的電極裝置，其包括多個(gè)交替陽(yáng)極和陰極，各相鄰陽(yáng)極和陰極有一個(gè)相對(duì)面，并互相分離，限定了氣體的曲折流動(dòng)路徑，前述多個(gè)陽(yáng)極互相電連接，前述多個(gè)陰極互相電連接；多個(gè)分別與前述陽(yáng)極和前述陰極的前述相對(duì)面連接的多個(gè)導(dǎo)電翼片組件，插入到前述陽(yáng)極和前述陰極的前述相對(duì)面之間的空間，從而將前述曲折流動(dòng)路徑分為多個(gè)小室。
14.如權(quán)利要求13所述電極裝置，其中前述多個(gè)翼片組件布置為具有多個(gè)相對(duì)且分離的表面，從而提高了各相鄰陽(yáng)極和陰極之間的電極表面積。
15.如權(quán)利要求14所述電極裝置，其中與各前述陽(yáng)極相連的前述多個(gè)翼片組件和與前述陰極相連的前述多個(gè)翼片組件互相交錯(cuò)。
16.如權(quán)利要求15所述電極裝置，其中與前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陰極分別相連的前述多個(gè)翼片組件近似為“U”形、“V”形或“W”型。
17.如權(quán)利要求16所述電極裝置，其中前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陰極近似為盤(pán)狀。
18.如權(quán)利要求17所述電極裝置，其中或者前述多個(gè)陽(yáng)極，或者前述多個(gè)陰極上在前述相對(duì)面上有一個(gè)開(kāi)口，以便于氣體在相鄰陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)。
19.如權(quán)利要求18所述電極裝置，其中，或者前述多個(gè)陽(yáng)極，或者前述多個(gè)陽(yáng)極的直徑小于另一個(gè)電極的直徑，以便于氣體在相鄰陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)。
20.如權(quán)利要求13所述電極裝置，其中前述多個(gè)翼片組件分別以一定角度由前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陰極向外伸展。
21.一種氣體等離子體反應(yīng)器，其包括一個(gè)限定了內(nèi)部空間的反應(yīng)器小室，并且有一個(gè)進(jìn)氣口和出氣口；一個(gè)電極裝置，與前述進(jìn)氣口和前述出氣口一起置于前述空間中，該電極裝置適合于由前述進(jìn)氣口向前述出氣口輸入氣流，前述電極裝置包括多個(gè)交替陽(yáng)極和陰極，各相鄰陽(yáng)極和陰極有一個(gè)互相分離的相對(duì)面，限定了氣流流動(dòng)的曲折路徑，前述多個(gè)陽(yáng)極互相電連接，前述多個(gè)陰極互相電連接；多個(gè)分別與前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陰極的前述相對(duì)在相連的導(dǎo)電翼片組件，插入到前述陽(yáng)極和前述陰極的前述表面之間的空間內(nèi)，從而將前述曲折路徑分為多個(gè)小室；一種將電源與前述電極裝置連接在一起的電連接器。
22.如權(quán)利要求21所述氣體等離子體反應(yīng)器，其中前述多個(gè)翼片組件布置為具有多個(gè)互相隔離的相對(duì)面，從而增大了各相鄰陽(yáng)極和陰極之間的電極表面積。
23.如權(quán)利要求22所述氣體等離子體反應(yīng)器，其中與各前述陽(yáng)極相連的前述多個(gè)翼片組件和與前述各陰極相連的前述多個(gè)翼片互相交錯(cuò)。
24.如權(quán)利要求23所述氣體反應(yīng)器，其中與前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陽(yáng)極中的一個(gè)相連的前述多個(gè)翼片組件近似為“U”形、“V”形或“W”形。
25.如權(quán)利要求24所述氣體等離子體反應(yīng)器，其中前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陽(yáng)極近似為盤(pán)形，其中前述反應(yīng)器小室限定的內(nèi)部空間近似為柱形。
26.如權(quán)利要求25所述氣體等離子體反應(yīng)器，其中，或者前述多個(gè)陽(yáng)極，或者前述多個(gè)陰極上在前述相對(duì)面上有一個(gè)開(kāi)口，以便于氣體在相鄰陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)。
27.如權(quán)利要求26所述氣體等離子反應(yīng)器，其中，或者前述多個(gè)陽(yáng)極，或者前述多個(gè)陽(yáng)極的直徑小于另一個(gè)電極的直徑，以便于氣體在相鄰陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)。
28.如權(quán)利要求21所述氣體等離子體反應(yīng)器，其中前述多個(gè)翼片組件分別以一定角度由前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陰極向外伸展。
29.一種氣體等離子生成器，其包括一個(gè)限定內(nèi)部空間的生成器小室；一個(gè)位于前述空間的陽(yáng)極和一個(gè)陰極，它們適于置于氣體之間，該陽(yáng)極和陰極各有一個(gè)互相分離的相對(duì)面，從而定義前述氣體的空間；多個(gè)分別與前述多個(gè)陽(yáng)極和前述多個(gè)陰極的前述相對(duì)面相連的導(dǎo)電翼片組件，插入到前述陽(yáng)極和前述陰極的前述表面之間的空間內(nèi)，從而將前述曲折路徑分為多個(gè)小室；一種將電源與前述電極裝置連接在一起的電連接器。
30.如權(quán)利要求29所述氣體等離子體生成器，其中，前述多個(gè)翼片組件布置為具有多個(gè)互相隔離的相對(duì)面，從而增大了各相鄰陽(yáng)極和陰極之間的電極表面積。
31.如權(quán)利要求20所述氣體等離子體反應(yīng)器，其中與各前述陽(yáng)極相連的前述多個(gè)翼片組件和與前述各陰極相連的前述多個(gè)翼片互相交錯(cuò)。
32.一種構(gòu)建等離子反應(yīng)器/生成器的方法，其包括提供一個(gè)限定內(nèi)部空間的小室；提供多個(gè)置于前述小室內(nèi)的陽(yáng)極和陰極；提供前述陽(yáng)極和前述陰極上的多個(gè)導(dǎo)電翼片，這些翼片限定了多個(gè)小室；按選定模式設(shè)置前述小室，以控制前述空間內(nèi)等離子體的形狀。
33.如權(quán)利要求32所述方法，其包括設(shè)置小室的大小以控制前述空間內(nèi)前述等離子體的特性。
34.如權(quán)利要求33所述方法，可以設(shè)置前述小室的尺寸以控制前述等離子體的聚焦。
35.如權(quán)利要求33所述方法，可以設(shè)置前述小室的尺寸以控制前述等離子體的密度。
36.如權(quán)利要求33所述方法，其中可以控制前述等離子體，以生成某種幾何模式。
全文摘要
說(shuō)明了一種用于氣體等離子體反應(yīng)器/生成器的小型電容耦合電極結(jié)構(gòu)。該電極結(jié)構(gòu)包括一對(duì)平行板陽(yáng)極和陰極，其位置限定了氣體流動(dòng)路徑或空間。在陽(yáng)極和陰極之間插入了導(dǎo)電翼片組件，這些翼片組件實(shí)質(zhì)上提高了電極表面積與容積之比，并將氣流路徑或空間進(jìn)行再分，從而實(shí)際上提高了在大范圍工作參數(shù)下的等離子氣體處理效率，而沒(méi)有實(shí)際增大陽(yáng)極和陰極之間的距離。還介紹了靜止和閉合操作。還說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)基本電極結(jié)構(gòu)的多陽(yáng)極/多陰極電極裝置，以及應(yīng)用該組合的小型氣體等離子反應(yīng)器/生成器。
文檔編號(hào)H05H1/24GK1436359SQ01811073
公開(kāi)日2003年8月13日 申請(qǐng)日期2001年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者K-C·R·趙 申請(qǐng)人:電氣化學(xué)科技公司