CN101057319A - 等离子体排放装置中的介电部件的热控制 - Google Patents

等离子体排放装置中的介电部件的热控制 Download PDF

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Abstract

提供了一种等离子体排放装置，其具有改进所述装置中的介电材料的热控制和保护的结构。本发明大体包括等离子体约束室，其至少部分地由介电材料构成，而冷却设备安置成与所述室的介电表面接触，以便大致均匀的散热。所述冷却设备可被嵌入包封材料中，其改进了从介电等离子体室吸热的均匀性。通过改进从等离子体排放装置的介电室吸热的均匀性，本发明允许了等离子体排放装置在显著提高的能量级别上的可靠的操作。

Description

等离子体排放装置中的介电部件的热控制
技术领域
本发明大体涉及等离子体排放装置，并且更具体地讲，涉及等离子体排放装置中的介电材料的热控制和保护。
背景技术
在等离子体排放装置的工程中的持久性的挑战是控制和去除由等离子体产生的热量。材料暴露至等离子体以承受排放的热学环境的能力经常显著地限制了等离子体装置的性能、范围、可靠性或其它操作特性。热控制问题的难点尤其在于特别出于结构性的目的，装置具有邻近等离子体的介电材料，由于大多数介电体较差的导热性。尽管诸如陶瓷的特定的介电材料可容忍大幅度提高的温度，但是由于非均匀冷却所导致的热点(hot spots)由于不同的热膨胀可在介电部件中导致内应力。对于这些热量引起的应力而言，通常导致介电材料中的裂缝，这反过来导致等离子体装置的过早失效。
介电等离子体约束容器可利用保形套或护皮被冷却，其中所述保形套或护皮允许冷却流体流经介电等离子体容器的表面，例如美国专利No.5200595中所述。然而，对于一些应用而言，这种方法具有不可接受的危险，即在等离子体室中或其下游出现破裂或裂缝以及灾难性的污染过程的情况中，冷却流体可进入等离子体室中。保形冷却套还可阻止提供电磁能量感应耦合进入等离子体中的能力，除非冷却套组件本身以及其中的冷却流体它们自己是介电体。
冷却感应耦合的等离子体装置的介电室的一个方法是提供金属冷却管邻近室的外侧表面的布置结构，例如绕筒形室共轴线地安置的螺旋形冷却盘管。金属冷却管是商业可购的，并且提供了一种高效的吸热路径，其安放成与室本体接触。然而，甚至在等离子体室具有诸如筒形的相对简单的几何形状的情况中，提供一种金属冷却盘管，其精确地符合室的表面，这是一种生产的挑战。例如，容易组装这样的冷却盘管，其被预制成具有大于等离子体室的外径的主体内径，但是必须存在于盘管与室壁之间的间隙将破坏热量从室本体传递至冷却介质的均匀性与抵抗性。在另一方面，具有对于外侧室壁几乎零容差的预制的盘管将很难配合室，并且物体的强制组装可仍导致盘管沿室的长度的聚集或间隙以及对于室壁的损害。如果盘管并不是被预制而是绕等离子体管被卷绕就位，则有缺点的接触不可避免地出现，这是由于盘管的卷绕和张弛的偏心率。甚至，由于这些制造缺陷所造成的小间隙导致了介电室的不均匀冷却，并且因此导致了室壁中的热点，其限制了装置的性能以及可靠性。这种工艺还可在制造过程中裂化或损害室。
在美国专利No.6156667中，公开了一种从介电等离子体室中去除热量的方法，其利用了室与冷却设备之间的热缓和材料(heat moderating material)。在该方法中，热缓和材料缓和介电体与冷却设备之间的热传递，以提供通过介电材料的温度梯度，其最小化诸如由热应力所导致的损坏的失效。热缓和材料还可用作为散热器，其将介电体的表面保持在较低并更加均匀的温度。需要一种装置，以在物体组装的过程中，以期望的厚度将热缓和材料插在室与冷却设备之间。
已经提出了其它的问题，即利用位于介电限制室内的冷却式或非冷却式介电护罩或薄壁金属冷却结构在介电等离子体室中的温度控制。期望的是，改进从等离子体排放装置的介电部件的吸热的效率以及均匀性，并且因而改进装置的性能和可靠性，同时保持简单、坚固以及从成本低廉的结构的优点。
发明内容
本发明提供了一种等离子体排放装置，其具有改进所述装置中的介电材料的热控制和保护的结构。本发明大体包括等离子体约束室，其至少部分由介电材料构成。冷却设备安置成与室的外侧介电表面接触，以便大致均匀的吸热。通过以下方式，在介电表面与冷却设备之间形成大致直接和均匀的接触，即借助于机械、液压、热学或其它方式在室与冷却设备之间形成临时物理间隙，然后皱缩所述间隙，从而稳固地将所述冷却设备的吸热表面连接至所述室的外侧表面。
在本发明的一个实施例中，等离子体源设备包括筒形等离子体排放管，在其中限定有等离子体。由方形金属管构成的螺旋形盘管绕介电排放管的外侧表面共轴线地安置。螺旋形盘管的面向内的平坦表面与介电排放管的外侧表面大致直接并且均匀的接触。冷却流体流经螺旋形盘管，以吸收从所述排放管传递至所述金属盘管的热量。所述盘管的各绕圈间隔开，并且导电连接至RF能量源，因而允许冷却盘管还用作为感应绕组，其将RF能量耦合进入排放管中的等离子体中。
为了将冷却盘管组装至介电排放管，在盘管与排放管之间形成临时物理间隙。在一个实施例中，螺旋形冷却盘管被制造成具有这样的主体内径，其稍微小于介电排放室的外径。冷却盘管被安置在夹具中，其允许所述盘管由于机械力而扩展，直至其主体内径稍微大于介电排放管的外径。在盘管扩展时，排放管被插入盘管内的空间中。盘管然后被松弛，同时使得盘管的面向内的平坦表面紧固地压缩接触排放管的外侧表面。在本发明的其它实施例中，螺旋形冷却盘管被盘曲在筒形介电等离子体管的本体上，这是通过沿螺旋形的绕圈的方向施加扭矩而实现的。在盘管的全长已经被盘曲在等离子体管上时，扭矩被释放，同时使得盘管紧固地装配至等离子体管表面。可选地，通过加压冷却盘管，或者通过差异地加热盘管和/或冷却介电管，在盘管与排放管之间形成临时物理间隙。
在本发明的另一方面中，等离子体排放装置的冷却设备嵌入包封材料中，其改进了从介电等离子体室中吸热的均匀性。包封材料优选具有较低的粘度，从而移位介电室与冷却设备之间的残留气眼，还具有合适的导热性，其有助于从所述室吸热。
通过改进从等离子体排放室的介电室吸热的均匀性，本发明减少了在操作过程中室壁内的热点，其中所述热点限制了装置的性能和可靠性。结果，本发明的结构允许等离子体排放装置以显著提高的能量级别的安全和可靠的操作。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的等离子体源装置；
图2示出了根据本发明一个实施例的等离子体源装置的盘管与排放管的组装；
图3示出了根据本发明另一方面的包封材料的使用。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的等离子体源装置。等离子体源100包括筒形排放管102，其中容纳有等离子体。排放管102大致是由诸如石英、氧化铝、氮化铝或适于管内的排放环境的化学特性的其它结构性介电体构成。排放管102在两端104开口，以例如在串列式气体处理应用中允许气体进入和排出。可选地，等离子体管可被构造为密封的真空室，其具有计量入口和出口，以便供应和处理气体。并未示出通常可被包括在等离子体处理装置中的其它结构，例如真空泵送歧管、气体输送连接件或歧管、等离子体点火电极或其它装置；并且未示出用于工件安装、传递或电偏置的机构。
由方形铜管构成的螺旋形金属冷却盘管110绕排放管102共轴线地设置。在图1所示的实施例中，盘管110用作为冷却设备以及感应绕组，其将RF能量耦合进入排放管102中的等离子体中。RF能量发生器(未示出)经由附着至盘管110的电接头112将交流电能提供至盘管110。在由RF能量源供能时，等离子体源100以如下方式操作，空芯变压器与盘管110作为主回路，而排放管102中的等离子体作为附属的回路。绝缘间隙114保持在盘管110的各绕组之间，并且接头112设置成提供变压器-耦合源的主回路上所期望的绕圈比。盘管110还设有接头116，其用于盘管连接至冷却流体的源(未示出)。
图2示出了盘管110在排放管102上的组装。盘管110被构造成具有在其放松状态中的主体内径118，其小于筒形排放管102的外径106。盘管110安置在盘管扩展夹具140中，在此，盘管的接头端部120接合并且暂时地紧固在夹具140的上侧板142与下侧板144中的配合凹槽中。扭矩利用夹具把手146被施加，其径向扩展盘管，直至盘管的主体内径118稍微大于排放管的外径106。尽管盘管被扩展，但是排放管102被插入盘管中的扩展空间122中。把手146上的扭矩被释放，并且盘管径向收缩，同时使得盘管110的面向内的平坦表面紧固地与排放管102的外侧表面压缩接触。在其组装的状态中，盘管因而将残余压力作用在排放管102的外侧表面上。在优选的实施例中，盘管118在其松弛的状态中的主体内径小于介电排放管102的外径大约0.5至1.0％，其被保持为+/-0.001英寸的容差。这些尺寸被设置成，在介电排放管与冷却盘管之间大致提供直接接触，而没有管上的不适当的压应力。
盘管的方形管的平坦的面124提供了盘管绕组的每圈与排放管102之间的充分的接触。可选地，盘管由具有任何横截面形状的管构成，其中所述管提供了盘管与排放管之间的大致直接和均匀的接触，同时允许冷却剂在盘管内流动。来自排放管102的热量被引导通过冷却盘管110的接触部分，并且被引导进入其中所流动的流体冷却剂中。优选地，盘管110是由铜或其它金属制成，但还可由导热且导电的、且不由于热应力而易于破裂或疲劳的任何弹性材料构成。
图3示出了根据本发明另一方面的包封材料的使用。在一个实施例中，筒形壳体150绕排放管102与等离子体源100的保形冷却盘管110共轴线地被安置。优选地，壳体150是由聚碳酸酯或柔性且视觉透明以便容易制造的其它聚合材料制成。位于管102的每个端部处的凸缘152密封壳体150与管102之间的共轴线空间。借助于壳体中的窗或其它开口或者凸缘，包封材料154被引入共轴线空间中，并且嵌入冷却盘管110。在其液相中，包封材料154具有足够低的粘度，以实际上去除共轴线空间中的所有气隙，其中所述气隙包括在冷却盘管110的各绕圈与可存在于盘管110与介电管102之间的任何残余间隙之间。优选地，真空封装(vacuum potting)技术被使用，以有助于气眼的去除。包封材料154然后被固化成坚硬或固体状态，在此时，壳体150可被留下就位或取出。
为了实现本发明的目的，包封材料154具有特性的独特的组合。材料必须是介电的，以保持盘管110的绕组之间的介电隔离，应该很好地结合至排放管102的介电表面，并且应该是柔性的并在其固化状态中具有最小的收缩。优选地，材料具有较高的导热性，以有助于排放管与盘管的热交换。更重要的是，材料在其液体(预固化)状态中必须具有足够低的粘度，从而移去在冷却盘管与排放管之间的任何小间隙中所捕获的空气，其将阻止在这些重要空间中的热交换。在本发明优选的实施例中，一种两部件式热固化的硅酮粘合剂被用作为包封材料。
在本发明的可选实施例中，螺旋形盘管被盘曲在筒形介电等离子体管的本体上，这是通过沿螺旋形绕圈的方向施加扭矩而实现的。在盘管的全长已经被盘曲在等离子体管上时，扭矩被释放，同时使得盘管紧固地配合在等离子体管的表面上。可选地，通过液压或热学方式，在冷却盘管与排放管之间形成临时组装间隙。在一个实施例中，流体在升高的静压下被喷射进入盘管中，这将沿径向扩展盘管。在另一实施例中，冷却盘管被加热，使得其扩展，或排放管被冷却，使得其收缩。在每种情况中，在机械、液压或者热组装力的释放之后，各部件返回至它们的松弛状态，并且盘管紧固地配合至排放管的外侧表面。
尽管在此已经示出和说明了操作的特定结构以及细节，但是应该理解的是，这些说明是示意性的，并且在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员可容易地完成可选的实施例以及等价物。因此，本发明将包含所有落入权利要求书的精神和范围内的这些可选实施例以及等价物。

Claims (29)

1.一种等离子体排放装置，包括：
a)用于容纳等离子体的排放室，所述排放室包含介电材料，其暴露于由所述等离子体所产生的热量；以及
b)RF能量源，其借助于绕所述排放室安置的感应盘管而将RF能量耦合进入所述等离子体中，所述感应盘管还被设置为与所述介电材料的表面接触的冷却设备，以便大致均匀地从所述介电材料的表面吸热。
2.根据权利要求1所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述排放室完全由介电材料构成。
3.根据权利要求1所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述排放室是圆筒形的。
4.根据权利要求3所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述感应盘管是螺旋形的，并且共轴线地配合至所述圆筒形的排放室的外侧表面。
5.根据权利要求1所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述感应盘管被安置成大致直接与所述介电材料的表面接触。
6.根据权利要求5所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述感应盘管将残余压力施加在所述排放室上。
7.根据权利要求5所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述盘管是由金属管构成。
8.根据权利要求6所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述金属管具有与所述介电材料的表面接触的平坦表面。
9.根据权利要求6所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述金属管容纳冷却流体。
10.根据权利要求1所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述感应盘管是被嵌入包封材料中。
11.根据权利要求10所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述包封材料是硅酮粘合剂。
12.根据权利要求10所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述排放室是筒形的，并且所述包封材料充满所述筒形的排放室与绕所述筒形的排放室共轴线地设置的筒形壳体之间的空间。
13.根据权利要求10所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述感应盘管被安置成大致直接与所述介电材料的表面接触。
14.根据权利要求13所述的等离子体排放装置，其特征在于，所述包封材料充满所述感应盘管与所述介电材料的表面之间的残留间隙。
15.一种操作等离子体排放装置的方法，包括：
a)提供等离子体排放装置，其包括用于容纳等离子体的排放室，其中所述排放室具有至少一个介电表面，其暴露于由所述等离子体所产生的热量；以及感应盘管，其绕所述排放室被安置，并且与所述至少一个介电表面接触；
b)借助于所述感应盘管将RF能量耦合至所述等离子体；并且
c)利用所述感应盘管从所述至少一个介电表面大致均匀地吸热。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述排放室是圆筒形的。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述感应盘管是螺旋形的，并且共轴线地配合至所述圆筒形的排放室的外侧表面。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述感应盘管安置成大致直接与所述至少一个介电表面接触。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述感应盘管嵌入包封材料中。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤，将冷却流体流经所述感应盘管，以从所述感应盘管吸收热量。
21.一种构造等离子体排放装置的方法，包括：
a)提供用于容纳等离子体的排放室，其大致包含介电材料；
b)提供螺旋形感应盘管，其具有由所述感应盘管的面向内的表面约束的内部空间；
c)施加力，以在所述感应盘管的面向内的表面与所述排放室的外侧表面之间产生临时物理间隙；
d)将所述排放室插入所述感应盘管的内部空间中；并且
e)去除所述力，并且因而使得所述感应盘管的面向内的表面紧固地接触所述排放室的外侧表面。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述临时物理间隙是通过扩展所述感应盘管的内部空间而形成的。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述力是机械力、液压力或热力。
24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述排放室是圆筒形的。
25.根据权利要去21所述的方法，其特征在于，所述感应盘管是由金属管构成。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述感应盘管金属的面向内的表面包括所述金属管的平坦表面。
27.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述金属管安置成容纳冷却流体。
28.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括将所述感应盘管嵌入包封材料中的步骤。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括真空封装所述包封材料以去除气眼的步骤。
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