小型電容耦合等離子反應器/生成器及方法

專利名稱：小型電容耦合等離子反應器/生成器及方法
技術領域：
本發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器及方法。并且本發明是基于國際申請號為PCT/US01/09497，國家申請號為01811073.8，國際申請日為2001年3月23日提交的“小型電容耦合等離子反應器/生成器及方法”的分案申請。
背景技術：
電容耦合等離子反應器通常由一對互相面對的平行板電極構成，它們的位置平行，放置于一個真空室內。極性相反的電極上施加有外部電場(直流或者交流)。在處于低壓條件下，并且電極位置適當時，初次電離會在兩個電極之間產生穩定的等離子區，然后在氣流中產生輝光放電。可以將多對極性交替變化的平行板分開放置，并且(或者)將它們疊加在一起構成多處可以產生等離子放電的區域。這種電容耦合等離子反應器在工業上有著非常廣泛地應用，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反應等等。
正如“電容耦合等離子體”的名字所表示的那樣，電極構成一個電容器，通常是平行板類型的電容。最基本的類型就是兩個電極性相反的平板，常被稱作“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的同心球。通常在整個結構中，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系。在這種結構中，電極表示之間的幾何規則性和對稱性對于產生均勻電場，進而生成更均勻的電離層是非常有利的。凹凸平板電極對常用于增強或減弱某特定區域的等離子層濃度，以適應一些特殊應用，如聚焦噴鍍、聚焦蝕刻或者提供聚焦離子源。美國專利“Method and System for Vapor Extraction FromGases”(專利號4735633)中講述了現有技術中的一些具有不同幾何形狀的電容耦合平行板電極設計，該發明已經被授予專利權給本發明的發明人，并已轉讓給本發明的受讓人。專利‘633中講授的電極結構為小型等離子發生器提供了較大的表面積與容積之比。采用專利‘633所述電極結構的反應器已經成功地應用于工業中，其反應效率可以大于99％。
除了電極距離之外，在電容耦合等離子反應器中產生并維持等離子體的另一個關鍵參數就是工作壓力。壓力較低時，可以更有效、更容易地維持穩定的輝光放電等離子體。這是因為等離子體的產生和維持決定于反應器中氣體分子的電離，以產生足夠的二次電子參與到級聯碰撞電離過程中去，用以補償和平衡消失在電極表面的電子(和離子)。平均自由程，也就是初級電子與一個分子碰撞產生次級電子之前，在反應器中走過的平均路程。平均自由程決定于工作壓力。一般來說，壓力越高、平均自由程的值越小。在電極電場勢能的作用下，初級電子在一定距離內加速，獲得推動電離過程所需的電離勢能。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，在給定工作電勢能的條件下，一個電子在與氣體分子碰撞前獲得的電離勢能越小，從而發生的次級電離也越少。
在給定工作壓力下，電極距離決定了一個電子在達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。當電子距離很短時，不會產生并維持輝光放電。這一空間就是人們熟悉的暗區。一旦在反應器中激發等離子體后，等離子體自身就會變成一個相當于電極的導電薄板。在等離子體和電極之間總存在一個空間隙，其中不會發生輝光放電電離。離子和電子僅在這一縫隙中加速而不會進一步輝光電離放電，這一空間就是人們熟悉的“暗區屏蔽層”。暗區屏蔽層的厚度也決定于壓力。
因此，氣體分子分解，生成并維持穩定的輝光放電等離子體的條件決定于外加電場、擊空電壓、電極距離和工作壓力之間的關系。帕邢通過實驗發現擊穿電壓(V)隨壓力P(單位Torr)和電極距離d(單位cm)的乘積變化。帕邢發現的關系就是人們熟悉的輝光放電定律，圖1所示的“帕邢曲線”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10。電容耦合、平行板等離子體反應器的電極設計必須滿足帕邢曲線的要求。
圖1的帕邢曲線10顯示當pd近似為1Torr-cm時，也就是在點15處，對于各種氣體都有一個最小擊穿電壓(V)。因此，在實際條件中，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，在真空中激發電離并使氣體分解所需的電極外加電壓最小。由帕形曲線10可以看出，對于給定電極距離d，當壓力P增大時，為滿足1Torr-cm擊穿參數所需的最小外加電壓也緩慢增加。但是，當壓力減弱時，所需最小電壓會急劇增大(與Pd成線性比例關系)。例如，在氖燈中，假設一個給定電源可以提供的最大電壓為1000V，電極距離固定為約1cm的反應器對于氖氣的最大工作壓力可達約300Torr。但是當壓力低于0.1Torr時，如果電極距離不成倍增大，使帕邢曲線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，在實際應用中，當額定電源和工作壓力范圍給定時，帕邢曲線10所示的關系決定了反應器的最小電極距離，進而決定了其最小尺寸。在多數應用中，無論是直流還是交流，都希望采用低電壓電源，而不是高電壓電源，這是因為低電壓電源固有的低耗特性。另外還希望電極之間的距離較小，這樣可以使反應器更小。但是，當工作電壓低于0.5Torr時(在很多半導體處理之類的特定應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，從而會使反應器尺寸變大，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源將等離子體限制在低壓力應用中，但這種方法非常昂貴，還會使干擾電容耦合，使之復雜化，另外還會耗散等離子體能量，并引入更多的邊緣效應。
前述‘633號專利講述了以特定方式使給定尺寸的反應器中電極的表面積最大，以提高反應效率，從而使反應器的效率最高。盡管‘633號專利主要用于半導體制造中有害廢氣的分解與處理，但該專利中描述的等離子體處理過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品的有效氣體化學反應方法，如化學合成、聚合物形成、化學分解等等。這種等離子體處理方法相對于其它化學方法的優點包括實際降低能量損耗，在較低溫度下提高反應效率等。‘633號專利中所講述的等離子反應器已進入商業應用，其商標為DryScrub，并由本發明的代理銷售。如‘633專利中所講述的那樣，DryScrub反應器的電極表面積與等離子體積之比較大。它利用這一點以及較長的氣流路徑來增強電極表面的化學反應。與氣流自身內部的氣相反應相比，這一方式使得反應速度和反應效率達到最大。
因此，如‘633專利所述，對于一對平行板電極來說，各電極一個表面的面積為A，一對電極相對面的總表面積為2A。當電極之間的距離固定時，兩個表面之間的容積為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法增大，那么就會喪失表面反應的部分或者全部優點。當然，增大電極表面積的一個方法是增大反應器以及電極的大小。但是，由于費用、應用限制或設計限制等各種原因，通常不希望這樣做，或者這樣做根本就是不可行的。因此，為了低電壓應用，有必要找到一種新的方法來增大反應器中電極的表面積，而不用增大反應器的大小。
本發明為解決這一問題提出了一種新穎獨特的電極設計。新電極設計的主要目標是在不增大反應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器中，采用‘633號專利所述方法，在大范圍工作參數條件下，新型電極能夠提供高效電極表面反應，而沒有顯著增大反應器的尺寸。同樣地，這種新型電極設計還極大地增大了這種反應器及方法的應用范圍。

發明內容
如‘633專利所說明的那樣，傳統思想是將平行板電極對的相對面向側向延伸，不能伸入電極相對面或相鄰面之間的開放區域。人們不希望有任何表面伸入到電極之間的空間內，因為那樣會減小在這些點處的電極之間的距離。非常擔心那樣會生成短路路徑，導致電極之間產生放電弧。因此，人們認為電極設計應當使它們的相對表面盡可能平、曲線盡可能平滑，以避免這一問題。而且，由于前面所討論的要滿足帕邢曲線的原因，還存在一種擔心，那就是縮短電極之間的距離會影響輝光放電等離子體的生成、維持和質量。這已成為電極設計和構造的常規知識。
本發明同與電極設計和構造的這一常識相矛盾。在本發明中，一對極性交變的電極由很多“L”形和“7”形的翼片構成所謂的“L7”形電極結構。該翼片伸到相鄰相對電極中間的開闊區域，并以交錯形式放置。帶有交錯翼片的電極構成近似為方形的“L7”通道，在一個或多個對角中有一個或多個空隙。另一種更易擴展的實施例采用柵格形設計，其中有很多對極性相反的電極，每個電極都有翼，它們被疊在一起，使得翼片交錯于電極之間。帶有交錯翼片的“L7”型保持了電極對平行相對面之間的電極距離d，在給定體積下使電極表面積增大了四倍甚至更多。可以應用包括連續曲面或“W”型表面在內的多種形狀，它們可能會在單位體積內提供更多的表面。
應用本發明“L7”形設計的等離子體反應器/生成器裝置及方法包括一個帶有開放內部空間的反應器主體。反應器主體包括一個進氣口和一個出所口。電極裝置最好設置為一個整體組合，它可以作為一個單元插入反應器的內部，或者從中移出。電極裝置通常與反應器主體絕緣。在開放系統中，電極裝置封裝于反應器主體的內部，限定了進氣口與出氣口之間的多個子路徑。在靜止或封閉系統中，電極裝置將氣體體積分成很多單元，其依據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的電極對上產生電壓差，它足以在反應器中選定的待處理氣體中激發并維持等離子體。在本發明的另一方面，以選定壓力、流率和溫度向進氣口引入一個氣流，該氣流經過與電極表面相連的子氣流路徑到達出氣口。可以生成有多個獨立區域的等離子體，它們之間最好有部分是相通的。從而使電極表面的氣體進行高效、完全的化學反應。反應器利用這種氣體，或者對于這種氣體執行選定過程。在本發明的另一方面，等離子生成器是一個包含某種氣體的封閉系統。在這種氣體中形成等離子體，用于發光等。在這一方面，本發明是一個等離子體生成器。
為達到本發明的目的與效果，本發明提供一種構建等離子反應器/生成器的方法，其包括提供一個限定內部空間的室；提供多個置于所述室內的陽極結構和陰極結構；每個所述陽極結構和所述陰極結構分別具有多個陽極和陰極表面，其中相鄰的陽極和陰極表面彼此相對并且彼此分離以限定其間的氣體空間；為所述陽極表面提供共同電連接，并且為所述陰極表面提供共同電連接；在所述陽極結構和所述陰極結構的所述相對表面提供多個導電翼片組件，所述翼片組件延伸到所述相對表面之間的所述空間內，從而將所述空間分割成多個小室；以及布置并形成所述小室以構成選定的形狀以控制在所述空間內等離子體的特性。


圖1是一些典型氣體的帕邢曲線的圖示說明。
圖2用圖示說明了傳統電容耦合平行板等離子反應器中傳統電容耦合平行板電極對的一部分。
圖3用圖示說明了根據本發明實現較佳“L7”結構的電容耦合平行板電極對的一部分。
圖4是圖3所示“L7”電極對的后視圖。
圖5是“L7”電極對堆疊柵格的側面剖視圖，該電極對的交錯翼片包括本發明的一個較佳實施例。
圖6是第一電極的較佳實施例的部分平視圖，它與圖7中的第二電極構成一個“L7”電極對，用于圖5所示的“L7”電極對堆疊柵格中。
圖7是第二電極的較佳實施例的部分平視圖，它與圖6中的第一電極構成一個“L7”電極對，用于圖5所示的“L7”電極對堆疊柵格中。
圖8是包括圖6、圖7電極的較佳“L7”電極對的剖面平視圖。
圖9是包括圖6至圖8中“L7”電極對堆疊柵格的較佳電極的側面正視圖。
圖10是圖9較佳電極不同側面的另一個正視圖。
圖11是應用本發明的一個電容耦合平行板氣體等離子體反應器較佳實施例的側面正視圖。
具體實施例方式
下面將借助附圖對本發明的一個較佳實施例進行說明。
圖2圖示說明了傳統電容耦合平行板電極對20，當今幾乎所有傳統等離子體反應器的設計都采用此類型電極對。電極對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，每個表面的面積為A。第一、第二電極22和24的兩個相對面之間的距離為固定值d。平板電極包括一個平行板電容的兩個極板，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，在任意給定時間，電極22和24的極性相反。它們之間存在著一個電壓(V)，能夠在兩個電極之間的氣流中激發并維持輝光放電等離子體。經過簡單的計算可以證明，與兩電極之間的開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。
現有技術‘633號專利中所講述的表面反應原理的基礎是在低壓環境下，可以很容易地維持穩定的輝光放電。使反應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最強。大表面積為氣體在表面反應提供了大的反應位置。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，以保證當離子或電子打到表面時，發生化學反應的可能性非常大。如圖1中的帕邢曲線所示，輝光放電的激發和維持決定于工作壓力和電極距離。根據一般經驗可知，對于一個平行板電極，當陽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，對于絕大多數氣體來說，當電極電壓約為250-350V之間時，發生最小擊穿電壓或等離子體激發電壓。
例如，當工作壓力在500-1000mTorr之間時，平行板電極之間的最優距離約為1cm。如果工作壓力大于這個范圍，那么維持最優擊穿或等離子體激發電壓的范圍會稍微變窄。但是，如果電壓低于這個范圍，距離d必須急劇增大才能維持最優擊穿電壓。換而言之，當所需工作壓力變化時，如果希望擊穿電壓或激發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，當壓力很低時，電源必須提供遠高于1000V的高電壓。
因此，增大電極距離d是近年來工業上使用的典型方法。例如，用于等離子體蝕刻基片(如半導體)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。在商用反應器中，電極距離在5cm至15cm之間。這樣可以維持相對較低的擊穿電壓，并使自感應偏差最小。這一偏差可能會對由高能量電子和離子沖擊進行蝕刻的基片產生不良輻射損傷。
根據帕邢關系，采用較大的電極距離d可以克服激發氣體電離、等離子體激發及維持的困難。但較大的電極距離產生等離子體積增大的不良影響，那樣會需要更多的反應器空間和更大的電極表面積，從而會極大是增大成本。為構造一個具有相同表面積、工作于低壓條件的電極，電極距離及體積必須成倍增大。但是如果設計反應器使其電極具有較大的表面積，可能會排除實際應用中的高壓范圍，因為乘積Pd將會增大到帕邢曲線的高壓頂端。
當今幾乎所有的實用平行板等離子體反應器的設計都是基于前述原理。例如，如果電極距離d約為1cm，幾乎對于所有的可用氣體來說，在壓力約為1Torr時，可以相對容易地產生并維持輝光放電等離子體。與此類似，如果距離為2cm，最優工作壓力將為0.5Torr。由帕邢曲線還可以看出，對于固定電極距離d，當工作壓力增大時，發生并維持等離子體的將會慢慢變得困難，最低擊穿電壓也將會隨著電壓的升高而緩慢增大。反過來，當工作壓力降低時，激發等離子體的最低擊穿電壓將會急劇升高，生成并維持等離子體會變得非常困難。最低擊穿電壓會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更短。因此，在到達電極之前，被激發的分子、原子、離子和電子之間會有多次碰撞。在每次碰撞中，被激發粒子會失去能量，由高能態跳遷至低能態。因此，一定時間后，能量足以激發二次電離的粒子會變得越來越少，二次離子和電子的生成會變得局部化，并更為困難。在這種情況下，需要較高的外部工作電壓來產生并維持電離擊穿過程，以維持等離子體。
工作電壓較低時，較長的平均自由程降低了電極間被激發粒子的碰撞次數。在這種情況下，初級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，具有較多的機會與電極碰撞。初級電子消失的速度很快，再加上生成的二次電子數也很少，這就要求外加電源提供較高的電壓，以產生更強的電場和高能量電子，進而保證激發電離過程，并維持等離子體。但較高的電壓會使電子的速度加快，從而縮短它們在消失到電極之前的時間，從而降低了產生二次電子的碰撞次數。結果，當工作壓力降低時，激發并維持等離子體所需的最小擊穿電壓會急劇增大。
在當今的許多等離子體反應器應用中，例如半導體制造應用中，要求等離子體反應器的工作壓力低于100mTorr。為了在如此低的壓力下工作，必須增大反應器中電極的距離，以便在低于約1000V的合理電壓下產生并維持等離子體。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較低。因為所涉及的化學反應需要電子交換，低電流意味著化學反應速率降低。因此，為了提高等離子體反應器的效率，采用低電壓、高電流等離子體更好一些。
同時，也希望保留‘633專利中所述的反應器的成功特點，如平行板設計、最優電極距離、高表面積/體積比、長流動路徑以及短軌跡等等。
圖3和圖4圖示說明了基本“L7“平行板電極的構造。它包括本發明的基本較佳實施例。下面將會說明，這種“L7“電極設置克服了上述現有技術中的缺點，同時保留了‘633專利所述的現有設計中的成功特色。
“L7”設計包括第一平行板電極32和第二平行板電極34，它們按習慣方式相對設置。電極32和34分別與電源36的相對電極相連。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器。因此，電極32和34的極性相反。每個電極有第一表面33a、35a和第二表面33b、35b。盡管構造與角度關系都是可預知的，但在較佳實施例中，第一和第二表面為一個整體，并成直角。表面33a與35a之間的距離固定為d，它們的相對面互相平行。與此類似，表面33b和35b之間的距離也固定為d，它們的相對面也互相平行。表面33b和35b延伸到平行表面33a和35a之間的開放空間內，使得表面33b的末端到達表面35a，表面35b的末端到達表面33a。因此，所述“L7”電極對設置構成一個近似的方形，并將一個通道分成各個單元。較佳地的，通道或單元不是完全封閉的。在一個或多個對角落(diagonalcorner)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”電極設置極大地增大了表面積與等離子體積之間的比，同時保持電極的距離仍為d。例如，方形通道或單元的四個表面的總面積為4A。總體積保持為Ad，與圖2中的傳統平行板電極設置相同。因此，“L7”電極對設置的表面積與體積比約為4/dcm-1，即傳統平等板電極對組合的兩倍。
這種“L7”電極對布置與平行板電極對設計的傳統思想對立。傳統思想反對表面33b和35b伸入到平行表面33a和35a之間，當然更不會如此接近這些表面了。這種傳統思想是因為在許多應用中采用高電壓時，會在相鄰電極之間產生電弧放電。但是，通過重新研究、深入理解圖1中帕邢曲線的意義，“L7”電極設計的發明者確定了可以應用“L7”電極的低壓范圍。位于角落的相對極性的電極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，乘積Pd’只能在空隙中產生并維持等離子體。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生，因為空隙距離d’太小，電子的加速距離不足以使它引起電離。只有連續發生電離，在電極之間產生導電路徑(就像雷電放電路徑)后，才可能發生電弧或短路現象。在“L7”電極主要應用的低壓工作范圍內，實際上不會滿足這些條件。例如，空隙距離d’＝0.5cm，電極距離d’＝2時，電源電壓低于1000V時，電極的工作壓力可以低于0.1Torr。當工作壓力升高到一個較高值，如2Torr時，仍然可以在空隙區域內生成并維持合適的等離子體，只要空隙d’保持足夠小，就不會在空隙中發生電弧放電或短路現象。
使發明者確信在空隙距離d’內不會發生電弧放電和短路的另一個原因是電弧放電的關鍵要求是放電應集中于一點，從而使放電點與相對電極之間生成一個高電流導電路徑。在“L7”電極對設計中，電極構成一個導電線，它們之間的放電將會分布在整個導線上(而不是在一點)。因此，在預期工作條件下，電極上的任一給定點之間不會建立起足以激發場輻射的高電壓，使得電子的電勢能高于擊穿電勢能，足以電離電極之間的整個導電路徑。換而言之，因為“L7”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，包括與電極非常接近的角落中，都不會產生足夠強的勢能，所以不會在電極之間電離生成完整的導電路徑，從而導致電弧放電。因此不必像傳統思想中那樣考慮電弧放電和短路問題。
“L7”電極設計的另一個優點是它可以使電極對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’變化到電極相對平行表面(即表面33a和35a，或33b和35b)之間的距離d。事實上，在一個電極的封閉端角落到另一電極的封閉端角落的對角線上，也就是從表面33a與表面33b的交點到表面35a與表面35b的交點的連線上，電極之間的距離可以更大。因此，這一新型設計使電極之間的距離可變，從而可以在各種壓力下達到最優操作。這一電極設計可以在大范圍的工作條件下簡單而有效地激發并維持等離子。而且，后面將會更詳細地看到，這一設計特色可以進一步擴展。例如，采用具有開放端的喇叭形電極設計，(開放端的橫截面大于閉合端)，可以使距離變動范圍更大，因此，它可以使等離子體在工作條件下選擇最優距離，從而可以很容易地激發等離子體。
“L7”設計的可變電極距離，以及其擴展形式是一個顯著特色。一旦等離子體被激發后，它就變為一個導電層，其自身相當于一個有很多傳導電子的電極。因此，等離子體自身是一個附加電子源，可以用來補充損失到電極的電子。因此，易于激發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，容易而有效地激發并維持等離子體。
圖5圖示說明了基本“L7”電極對設計擴展為堆疊電極對的結構形式。因此，圖5顯示四個電極52、54、56和58以垂直結構堆疊。每個電極有兩個相對表面，即電極52有相對表面52a和52b，電極54有相對表面54a和54b，電極56有相對表面56a和56b，電極58有相對表面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共同與適當交流或直流電源60的一極相連，電極54和58與電源60的另一極相連。堆疊結構中相鄰電極的極性交替變化，使得堆疊電極的各個相鄰對構成極性相反的電極對。即電極52和54構成一個極性相反對，電極54和56構成另一對，電極56和58構成另一對。值得注意的是，這種結構同時應用了電極(如電極54)的兩個相對面(如54a和54b)，這樣就極大地增大了反應器中用于發生化學反應的電極表面積。與基本“L7”設計思想相一致，每個電極都有很多翼片伸展到相鄰電極之間，并與相對表面成直角。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的相對表面54a向外伸展，它們都伸展到相鄰電極之間的開放空間，并非常接近于相鄰電極。如圖所示，由于各種原因，這些翼片以交錯形式布置于電極對的相鄰電極之上會更好一些。其中一個原因是，這樣有助于等離子體分布于每個電極對的相鄰電極上。這樣又有助于保證不存在導致電極之間發生電弧放電或短路的點電離源。下面將會進一步解釋，它還有助于分隔等離子體，使得等離子體的質量更好，從而提高反應效率。還有，它還保證反應器中有一個長而連續的氣體流動路徑，這也有助于提高反應效率。
相對于現有平行板電極結構，基本“L7”電極設計的這一擴展仍然提高了表面積與等離子體體積之比，并且通過在反應器內堆疊電極對使之加倍提高。假定同一電極(如電極52)的相鄰翼片64之間的距離為d。一個電極對的相鄰電極相對表面(如電極52的表面52b和電極54的表面54a)之間的距離也是d。還假設每個電極在相鄰翼片之間的表面積為A，每個翼片表面積也近似為A。在由一個電極(如電極52)的相鄰翼片和各電極對相鄰電極的相對平行表面(如表面52b和54a)圍成的各個“小室”內，電極總面積為4A。和傳統平行板電極設計一樣，電極距離仍然為d，因此，對于等離子體來說，每個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”設計思想可以進一步擴展，以提供更高的表面積體積比。其方法是通過增加附加翼片組件將近似方形的“L7”通道進一步分為間隔約等于d的立體小室。其結果是每個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”電極的設置，但是本領域的技術人員應當理解電極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，電極不必是連續表面，而是可以包括一個或多個開口，以方便氣體流動。與此類似，翼片64也不必是連續表面，也可以包括多個開口以方便氣體流動和等離子體交流。
而且，小室的大小和幾何形狀可以改變，以調節等離子體。例如，可以根據所希望的模式調節小室內的等離體密度。可以產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。可以周期性地進行這種調節，也可以根據其它所希望的模式進行調節。
與基本“L7”設計相類似，相鄰電極(如電極52和54)的翼片64非常接近于電極對的相對表面(如表面52b和54a)，但保持空隙距離為d’。和前面對基本“L7”電極設計討論的原因相同，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構的示例，參考該圖可以說明電極和電極布置。圖6是相對極性電極對(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，它圍繞于相鄰電極52和54的整個表面。圖8通過一個剖面圖說明了圓形電極(如電極52和54)相鄰時，直翼片64和喇叭形翼片64如何插入。圖8還說明，每個電極對中至少有一個電極(在本例中為電極52)的較佳形式有一個中心開口80，用于通過氣流。圖8中進一步顯示了另一電極54的直徑略小于電極52的直徑，從而允許氣流通過電極的邊緣到達下一個堆疊電極對。
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，這些翼片還通過將電極之間的平面較寬路徑轉換為多個較窄路徑，極大地增大了氣流的流動路徑。前面曾經提及，如果愿意，可以通過在“L7”形通道內插入附加翼片組件將通道進一步分為近似為立體形的小室。對寬路徑的這種分割極大地提高了氣流在反應器中流動時所遇到的電極表面積，而沒有提高了反應器的體積或尺寸。
這一點可由圖9和圖10中從不同側面看到。圖9和圖10是圖5-8所說明的堆疊“L7”電極類型的兩側視圖。在圖9和圖10中可以看出，堆疊電極包括一串交錯堆疊電極92和94。如圖5所示，電極92共同與適當電源(沒有給出)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為盤形，其中心有一個開口，允許氣體由堆疊的一層流向別一層。各個電極94也是盤形，但是沒有中心開口。電極95的較佳直徑稍小于電極92的直徑，允許氣體通過電極94的外邊緣由堆疊的一層流向別一層。顯然，電極92通過絕緣隔離物之類的裝置與電極94電絕緣。電極92上裝有翼片64，它由各個電極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。與此類似，電級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和喇叭形翼片應較佳地交錯放置，使得它們交錯于相鄰電極92和94之間的空間內。采用這種結構后，進入第一電極92的中心開口96的氣流在通過第一電極94的外緣到達堆棧的下一層之前，必須首先沿著第一電極92和第一電極94之間交錯翼片中的曲折路徑流動。在下一層，氣體流入相鄰第二電極92和94之間交錯翼片中的多個曲折路徑，到達第二電極92的中心開口。由該處進入堆棧的下一層，然后在堆棧的各層內重復相同的曲折路徑，直到遍歷完最后一層。
電極92和94可以由本領域技術人員熟悉的適當導電材料組成，這些材料在過去已經應用于等離子反應器中。圖9和圖10中說明的電極92和94用不銹鋼制成，其成本較低。當電源為射頻電源時，也可以在導電芯之間夾入絕緣材料。
本發明較佳堆疊“L7”電極的另一優點是對電極之間的空間進行分割，提高了等離子體的質量，從而提高了反應器的反應效率。概念性的突破是傳統平行板電極對可以看作兩個長平行導線。通常，等離子體在電極之間的空間的中心區域構成一個“層”，并在電極附件有顯著的“盲區”。用翼片組件將電極之間的空間進行分割就分裂了平行板盲區。為此，分割電極之間空間的翼片組件可以是兩個與陰極或陽極電子有相同電位的相反極板，兩個L形和兩個7型極板像“L7”相對極板那樣互相面對。這種“L7”型極板的組合使得通道中心的等離子體將整個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。這是因為在通道中心生成的離子和電子輻射到由電極和各“小室”或分區的分割翼片組件構成的封閉通道內，從而引起化學反應。反應效率因此得到極大提高。
此外，在擴展平行板電極反應器中，生成并維持的等離子體相當于電極相對表面之間的一個側面層。這使得在兩個電極之間且于電極平等的空間內，等離子體進行顯著的附加化學反應。因為這種化學反應以氣相進行，所以它們容易形成稱為“等離子體灰塵”的分子群和凝結粒子。它們肯定會凝結于氣流中并與氣流一起存在于反應器。這會對于某些裝置(如下游的泵)產生嚴重的問題，特別是這些“等離子體”具有腐蝕性時。通過將等離子體“層”分別為各個小室或小段，本發明極大地提高了對生成等離子體灰塵的附加化學反應的控制。事實上，“L7”設計可以使設計者相對容易地控制流動路徑的長度和分區的數目，這樣可以更好地控制預期表面反應與氣相反應之間的平衡。
然而，有時可能希望在相鄰小室或區段之間的等離子體之間有一些交流。例如，因為制造誤差或其它的原因，相鄰分區大小的變化或者其它因素可能會使一個小室或分區內形成的等離子體弱于相鄰小區或分區。允許相鄰小室或分區之間等離子體的某些交流，就可以使有較強等離子體的相鄰小室或分區增強較弱小室和分區的等離子體，從而達到平衡效果。這種交流可以部分和完全通過圖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，可以在其它多個翼片或者全部翼片的表面上提供多個交流孔。這些孔的大小當然決定于應用、翼片和電極自身的大小，以及所期望的工作參數。
本發明的較佳“L7”電極結構的另一個優點在于材料強度因素。等離子體的形成和維持會產生熱。而且，電極的表面極越大、工作電壓越高，就會產生越多的熱。因此，電極必須隨熱變形應力。傳統平行板電極包括有相對較大的連續金屬薄片，會積聚很多熱應力，所以易于引起結構變形。這種變形會改變電極距離，進而改變電容、電特性和等離子體性質。在一些嚴重情況下，結構變形會導致短路。在選擇電極材料時必須考慮這些因素。相反，在“L7”電極結構中，特別是堆疊“L7”電極設置結構中，包括有多個小表面和互相成角度連接的平面，相對于大型平面層來說，它們提高了結構的支持能力和穩定性。另外，因為等離子體被分割為小的部分，從而降低了對結構的熱應力累積。結構強度的這一提高使得在相同工作參數和條件下，制造電極的金屬片可以薄于傳統平行板反應器設計中所用的金屬片。這樣又使得反應器內部的空間增大，從而在給定小型體積內可以放置更多的表面面積，從而達到更好的性能。
圖10是一個電容耦合平行板電極等離子反應器的側視圖，它含有本發明的一個較佳“L7”電極結構。反應器110有一個圍有內部空間(沒有給出)的小室，圖9和圖10所示的電極安裝在它的內部。反應器小室可以采用傳統方法打開或閉合。如果需要，這個小室還可以提供一個冷卻面用于空氣冷卻。提供一個傳統進氣口115接收要處理的氣流。還提供一個出氣口120用于使處理過的氣流流出反應器。還提供外部電極(沒有給出)，用于連接適當電源的電極與反應器的內部電極，如圖5所示。
圖10和圖11說明了根據本發明組裝的一個氣體等離子體反應器。如組裝的形式，反應器有一個小室限定了柱形內部空間。此反應器的外部高度約為420mm，直徑約為290mm。內部高度約為305mm，直徑約為254mm。該小室由鋁制成，限定了大約為15-436平方厘米的內部空間。如圖10所示，一個由316L不銹鋼制成的電極包括6個盤狀陽極-陰極對。在反應器進氣口的附近，相鄰陽極和陰極之間的距離約為1英寸。略低于反應器出氣口附近的尺寸，這樣可以提高氣流通過入口和出口之間電極時的處理效率。電極的外部尺寸略小于254mm，約300mm高。陽極盤上有一個中心孔，陰極盤的外部尺寸略小于陽極盤，從而提供了相鄰陽極-陰極對之間的曲折氣流路徑。16個喇叭形翼片組件均勻分布在各陰極的各表面周圍，16個平面型翼片組件均勻分布于各陽極的各表面周圍。平面形翼片交錯于各喇叭形翼片和各喇叭形翼片的各腿之間(見圖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極之間氣流區段的大小約為一立方英寸。反應器內部空間內的總電極面積約為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，對前述反應器進行了空氣中激發并維持等離子體的試驗。這樣試驗采用一個高級能量工業模型2500E型電源，對其進行了改動，使其工作于100Khz。改動后，電源的額定負載約為1500W。測試中，若電壓約為1000V，負載阻抗約為100歐，當壓力達到500Torr時，反應器即可成功地在空氣中激發并維持等離子體。若電壓約為1400V，阻載阻抗約為1000歐，壓力升到約18mTorr。
對本發明較佳實施例的前述說明是希望解釋本發明的實質，而不是進行限制。本領域的技術人員會明白可以對此較佳實施例進行各種變化和修改，而不會偏離本發明的思想。例如，各說明尺寸可以變化，可以采用各種合適的不同材料。電極、反應器小室、翼片組件及類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，本發明不限于前述電極幾何形狀和設計。工作參數也可以改變。較佳具體實施例并不限定本發明的范圍，本發明的保護范圍由本發明的權利要求限定。
權利要求
1.一種構建等離子反應器/生成器的方法，其包括提供一個限定內部空間的室；提供多個置于所述室內的陽極結構和陰極結構；每個所述陽極結構和所述陰極結構分別具有多個陽極和陰極表面，其中相鄰的陽極和陰極表面彼此相對并且彼此分離以限定其間的氣體空間；為所述陽極表面提供共同電連接，并且為所述陰極表面提供共同電連接；在所述陽極結構和所述陰極結構的所述相對表面提供多個導電翼片組件，所述翼片組件延伸到所述相對表面之間的所述空間內，從而將所述空間分割成多個小室；以及布置并形成所述小室以構成選定的形狀以控制在所述空間內等離子體的特性。
2.如權利要求1所述方法，其中控制所述空間內等離子體的特性包括控制空間內所述等離子體的形狀。
3.如權利要求3所述方法，其中控制所述空間內等離子體的所述特性包含控制所述等離子體的聚焦。
4.如權利要求2所述方法，其中控制所述空間內等離子體的所述特性包含控制所述等離子體的密度。
5.如權利要求1所述方法，其中控制所述空間內等離子體的所述特性包含控制所述等離子體以生成選定的幾何模式。
全文摘要
說明了一種用于氣體等離子體反應器/生成器的小型電容耦合電極結構。該電極結構包括一對平行板陽極和陰極，其位置限定了氣體流動路徑或空間。在陽極和陰極之間插入了導電翼片組件，這些翼片組件實質上提高了電極表面積與容積之比，并將氣流路徑或空間進行再分，從而實際上提高了在大范圍工作參數下的等離子氣體處理效率，而沒有實際增大陽極和陰極之間的距離。還介紹了靜止和閉合操作。還說明了實現基本電極結構的多陽極/多陰極電極裝置，以及應用該組合的小型氣體等離子反應器/生成器。
文檔編號B01J19/08GK1700403SQ20051007494
公開日2005年11月23日 申請日期2001年3月23日 優先權日2000年4月21日
發明者K-C·R·趙 申請人:中慧科技公司(美商)