CN107683010A - 水冷式表面波等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水冷式表面波等离子体发生装置。水冷式表面波等离子体发生装置的特征在于包括：传输电磁波的导波管、一端部与所述导波管电磁耦合使得在所述导波管内传输的电磁波能够流入的电介质管、具有中空的管形状，包覆所述电介质管的整个或部分长度使得管的内面接触所述电介质管的外面，具有位于管的内面及外面之间使从管的外部注入的冷却流体沿着管的长度方向及圆周方向移动的第一冷却流路的冷却护套；与所述电介质管连接成能够疏通流体以向所述电介质管的内部注入放电气体的放电气体注入部。本发明的水冷式表面波等离子体发生装置解决了用于冷却电介质管的冷却流体泄漏的问题。

Description

水冷式表面波等离子体发生装置

技术领域

本发明涉及表面波等离子体发生装置，特别是涉及一种解决了用于冷却电介质管的冷却流体泄漏的问题的间接冷却方式的水冷式表面波等离子体发生装置。

背景技术

表面波等离子体能够利用通过向等离子体与电介质的分界面传播的表面波生成的等离子体形成稠密等离子体，具有电磁波发生装置(Applicator)或天线适用于腔体外部的结构，因此与现有RF等离子体相比具有非常简单有效且柔软的结构。并且，能够在数十毫托(m Torr)至大气压这一非常宽的压力范围内运转，密度范围可具有约10E8～10E15cm^-3。并且，由于电子温度高，因此分子的解离与自由基的生成方面比目前的DC/RF方式效率更高。因此表面波等离子体广泛用于半导体工程领域，例如，远程清洗、生成自由基、分解/减少温室气体(SF₆、CF₄、PFC等)、半导体钝化及覆膜去除工程等。

作为表面波等离子体的典型例子，波导型表面波等离子体发生器(surfaguide)方式的等离子体发生源从原理特性来讲使用电介质放电管，如图1所述，放电管20向垂直于电磁波传输方向的方向贯通传输电磁波的导波管10。并且，放电管20由电磁波能够通过的电介质构成，放电管20的内部被注入放电气体。根据这种结构，通过导波管10传输的电磁波向放电管20的内侧导入，导入放电管20内侧的电磁波和注入放电管20内部的放电气体反应而在放电管20的内部生成等离子体。

这种如图1所示的表面波等离子体装置为发生表面波，需要使电磁波经过电介质并传输到放电气体，此处，发生的等离子体具有非常高的热负荷，因此需要有效冷却由电介质构成的放电管以防止放电管破裂及损伤。为此，表面波等离子体放电管为注入冷却流体而具有双重管结构，使冷却流体在各内部管及外部管之间流动。

关于冷却电介质放电管，通常等离子体密度低的情况下空冷方式也能够充分进行冷却，而密度高的情况下利用基于冷却流体的直接冷却方式，而从传输电磁波的角度来讲，由于内部管与外部管之间存在冷却流体，因此具有效率低的问题。

使用的冷却流体种类大致有电介质油(dielectric oil)和去离子水(D.Iwater)。

电介质油的情况下因电介质的损耗角正切(Loss tangent)低，因此电磁波传输效率方面没有多大损失，但由于油的冷却效率低，因此需要用高压力和大流量进行冷却循环，从而还需要电能消耗高的油冷却机(Oil chiller)。至关重要的缺点是油冷却流体可能成为将清洁度看得非常重的半导体/显示器工程领域的最大污染源，因此忌讳将油作为冷却流体使用。为解决这种问题而使用所述去离子水，虽然这种去离子水的冷却效率好，但是难以像电介质油具有高纯度的电介质特性，因此比使用电介质油消耗更多能量。因此，应将放电管的形状设计成最小化电磁波的损失。

上述使用冷媒的冷却方式结构的最大缺点是电介质放电管发生皴裂时冷却流体能够直接流入腔体内部，因此需要一种能够从根本上解决这种问题的方法。

这种表面波等离子体装置的放电管结构，由于施加电磁波能量的限制，即由于能够处理的气体流量受限及可生成的自由基量减少等，成为表面波等离子体在其性能与运行领域、运用领域等受限的主要因素。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种规格减小，电介质管皴裂时冷却流体不流入电介质管的内部，冷却流体不损失向电介质管内部输入的电磁波，能够在不损失电磁波的情况下向电介质管内部有效传输电磁波的水冷式表面波等离子体发生装置。

技术方案

本发明的水冷式表面波等离子体发生装置的特征在于包括：传输电磁波的导波管；一端部与所述导波管电磁耦合使得在所述导波管内传输的电磁波能够流入的电介质管；具有中空的管形状，包覆所述电介质管的整个或部分长度使得管的内面接触所述电介质管的外面，具有位于管的内面及外面之间使从管的外部注入的冷却流体沿着管的长度方向及圆周方向移动的第一冷却流路的冷却护套；与所述电介质管连接成能够疏通流体以向所述电介质管的内部注入放电气体的放电气体注入部。

所述放电气体注入部在相邻于与所述导波管电磁耦合的所述电介质管的第一端部的位置连接于所述电介质管使得能够疏通流体。

根据一个实施例，所述水冷式表面波等离子体装置还包括天线，所述天线可以从所述导波管的内侧面位置向所述电介质管的第一端部凸出而与所述电介质管的第一端部相对。

所述电介质管的第一端部位于所述冷却护套的内部或贯通与所述天线相对的所述导波管的一面位于导波管的内部，位于所述导波管内的所述天线的凸出长度可以是能够与所述电介质管的第一端部相接或相隔的长度。

优选地，位于所述导波管内的所述天线的凸出长度为平行于所述天线的凸出方向的导波管内的高度C的1/2以上的高度，所述电介质管的第一端部可以位于所述冷却护套的内部或贯通与所述天线相对的所述导波管的一面位于导波管的内部而与所述天线相接或相隔。

所述天线的厚度或直径A小于所述电介质管的内径B。

根据一个实施例，所述水冷式表面波等离子体发生装置还包括具有循环冷却流体的第二冷却流路的冷却流体循环部，所述冷却流体循环部在所述天线的后端一体可形成于所述天线且结合于所述导波管使得所述天线贯通所述导波管位于导波管内。

根据一个实施例，所述水冷式表面波等离子体发生装置还可以包括从所述第一冷却流路连接到第二冷却流路的冷却流体循环管。

根据一个实施例，所述的水冷式表面波等离子体发生装置还可以包括：由电介质构成，以包覆所述天线及电介质管的第一端部的方式或包覆所述天线且与所述电介质管的第一端部接触的方式结合于所述导波管、天线、电介质管中任意一个以上的盖部件。

技术效果

根据本发明的水冷式表面波等离子体发生装置，规格减小，电介质管皴裂时冷却流体不流入电介质管的内部，冷却流体不损失向电介质管的内部输入的电磁波，能够在不损失电磁波的情况下向电介质管内部有效传输电磁波。

附图说明

图1为显示一般的表面波等离子体装置的构成的示意图；

图2为显示本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置的外观的立体图；

图3为图2所示水冷式表面波等离子体发生装置的剖面图；

图4为显示本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置通过天线使电介质管电磁耦合的状态的另一例子的剖面图；

图5为显示本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置通过天线使电介质管电磁耦合的状态的又一例子的剖面图。

具体实施方式

以下参见附图具体说明本发明实施例的水冷式表面波等离子体发生装置。本发明可做多种变更，可以具有多种形态，以下在附图中显示特定实施例并在说明书中进行具体说明。但其目的并非将本发明限定于所公开的形态，因此应该理解为包括本发明思想及技术范围内的所有变更、等同物及替代物。在说明各附图时对类似的构成要素标注类似的附图标记。为明确说明本发明，附图中各构件的尺寸比实际有所放大。

并且，第一、第二等用语可用于说明多种构成要素，但所述构成要素不得限定于所述用语。所述用语只是用于区分一个构成要素与其他构成要素。例如，在不脱离本发明技术方案的前提下，可以把第一构成要素命名为第二构成要素，可以类似地把第二构成要素命名为第一构成要素。

本申请中所使用的用语只是用于说明特定实施例，而并非限定本发明。单数的表现形式在无特殊说明的情况下还包括复数。应该将本申请中的“包括”或“具有”等用语理解为存在说明书中记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部分或其组合，而不应理解为预先排除一个或多个其他特征或数字、步骤、动作、构成要素、部分或其组合。

若无另行定义，本文中使用的包括技术用语或科学用语在内的所有用语均表示与本领域普通技术人员通常理解相同的意思。通常使用的词典中定义过的用语应解释为与相关技术的文章脉络相一致的意思，本申请中没有明确定义的情况下不得解释为怪异或过度形式性的意思。

图2为显示本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置的外观的立体图，图3为图2所示水冷式表面波等离子体发生装置的剖面图。

参见图2及图3，本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置包括导波管100、电介质管200、冷却护套300及放电气体注入部400。

导波管100接收振荡器生成的电磁波并沿内部的传输线路移送电磁波。根据一个例子，导波管100可以是具有2.45GHz频率范围的电磁波能够输入的阻抗的导波管。

电介质管200是具有用于电磁波和放电气体反应生成高温的等离子体的内部空间的放电管。电介质管200为了使电磁波输入内部空间而耦和于导波管100。根据一个例子，电介质管200可以如图2所示，第一端部210贯通导波管100的一面使得第一端部210侧插入到导波管100的内部。该情况下，通过插入到导波管100内部的部分，在导波管100内部传输的电磁波的能量能够形成可输入到电介质管200内部空间的电磁耦合状态。电介质管200的形状无特殊限制，例如，电介质管200可以是圆筒形状。

冷却护套300用于冷却电介质管200。冷却护套300为具有能够包覆电介质管200的内径的中空的管形态，内面与电介质管200的外面接触以包覆电介质管200。冷却护套300的长度无特殊限制，可具有能够包覆露在导波管100外部的电介质管200的一部分长度的整个或部分长度的长度。根据一个例子，如图3所示，电介质管200的第一端部210贯通导波管100的一面位于导波管100内的情况下，冷却护套300可设置成整体包覆露在导波管100外部的电介质管200的一部分长度。

如上所述，这种冷却护套300用于冷却电介质管200，包括用于循环冷却流体的第一冷却流路310。第一冷却流路310设置成沿冷却护套300的长度方向及圆周方向移动冷却流体。例如，第一冷却流路310可以是从垂直于轴方向的剖面观察冷却护套300的情况下是圆环形状，圆环形状向冷却护套300的长度方向延伸的形态。这种第一冷却流路310位于冷却护套300的内面及外面之间，配置成不接触电介质管200的外面。因此，沿着第一冷却流路310移动的冷却流体能够不接触电介质管200，而仅在冷却护套300的内部移动。并且，第一冷却流路310可包括入口部及出口部使冷却流体能够向冷却护套300的内外循环。

并且，冷却护套300用于包覆电介质管200冷却电介质管200，优选的是由热导率高的金属材料构成。例如，冷却护套300可以是铝材料。

放电气体注入部400连接于电介质管200使得能够疏通流体，向电介质管200的内部注入放电气体。根据一个例子，放电气体注入部400可包括贯通冷却护套300连接于电介质管200的气体注入管410及位于气体注入管410的上端部的气体注入口420。该情况下，气体注入管410贯通冷却护套300但不经过形成于冷却护套300的第一冷却流路310。该放电气体注入部400配置在不干涉第一冷却流路310的位置，优选的是将放电气体注入部400配置在相邻于电介质管200的第一端部210的位置使放电气体与电磁波容易反应发生等离子体。

另外，本发明的水冷式表面波等离子体发生装置为了向电介质管200有效传输电磁波而还包括天线部500及盖部件600。

天线部500包括天线510及冷却流体循环部520。

天线510在导波管100的内部从与电介质管200的长度方向相对的导波管100的一面的内侧面向电介质管200方向凸出。天线510为柱形状。例如，可以是圆柱形状。这种天线510向电介质管200的第一端部210放射在导波管100的内部传输的电磁波将电磁波输入到电介质管200的内部。

这种天线510的凸出长度可以是能够与电介质管200的第一端部210相隔或接触的长度。优选地，天线510的凸出长度可以是平行于天线510的凸出方向的导波管100内的高度C的1/2高度以上的长度。

图4为显示本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置通过天线使得电介质管电磁耦合的状态的另一例子的剖面图，图5为显示本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置通过天线使得电介质管电磁耦合的状态的又一例子的剖面图。

图3显示通过天线使电介质管电磁耦合的状态的一个例子。根据一个例子，如图3所示，天线510可配置成具有相当于与天线510的凸出方向平行的导波管100内的高度C的1/2高度的长度，此处，插入导波管100内的电介质管200的第一端部210的插入长度可以是能够与天线510相隔的长度。

根据另一例子，如图4所示，天线510的凸出长度可以是能够贯通相邻于电介质管200的导波管100的一面并插入到冷却护套300内部的长度，此处，电介质管200的第一端部210位于冷却护套300的内部且能够与天线510相邻地相对。

根据又一例子，如图5所示，天线510的凸出长度可以是贯通与电介质管200相邻的导波管100的一面插入至冷却护套300内部的长度，此处，电介质管200的第一端部210可位于冷却护套300的内部，与天线510相邻地相对。

另外，图3至图5所示的通过天线使电介质管电磁耦合的状态的例子中，天线510的柱形状的厚度或直径A小于电介质管200的内径B。由于天线510的厚度或直径A小于电介质管200的内径B，因此从天线510放射的电磁波可均匀地放射到电介质管200的整个直径方向。

冷却流体循环部520在天线510的后端与天线510一体形成，包括第二冷却流路521。根据一个例子，冷却流体循环部520可以是具有能够循环冷却流体的厚度的流体圆板形状。圆板的内部形成有第二冷却流路521，该情况下第二冷却流路521可沿着圆板形状的圆周方向形成于圆板形状的内部而具有圆环形状。第二冷却流路521可包括入口部及出口部使得冷却流体向循环部520内外循环。

这种天线部500可以由热导率高的金属构成。例如，可以由铜材料构成。

盖部件600连接天线510及电介质管200。根据一个例子，盖部件600可以如图3结合于导波管100包覆天线510及插入导波管100内的电介质管200的第一端部210。根据另一例子，盖部件600可以如图4结合于导波管100包覆整个天线510且与电介质管200接触。根据另一例子，盖部件600可以如图5结合于导波管100包覆一部分插入冷却护套300内部的整个天线510且与电介质管200接触。

这种盖部件600由电介质构成。由于盖部件600由电介质构成，因此在导波管100内部传输的电磁波能够传输到天线510，不屏蔽通过天线510向电介质管200传输的电磁波。并且，盖部件600起到连接天线510及电介质管200的连接部件的作用，因此通过第二冷却流路521冷却的天线510的热传导到电介质管200的第一端部210，能够冷却电介质管200的第一端部210。

另外，循环冷却流体的冷却护套300的第一冷却流路310及天线部500的第二冷却流路521可以分别循环冷却流体，也可以如图1向第一冷却流路310即第二冷却流路521连接冷却流体循环管700使冷却流体从第一冷却流路310向第二冷却流路521或从第二冷却流路521向第一冷却流路310循环。

根据一个例子，冷却流体循环管700可连接于第二冷却流路521的出口部521a及第一冷却流路310的入口部310a之间。这种情况下，冷却流体例如从第二冷却流路521的入口部521b流入后依次沿着第二冷却流路521、冷却流体循环管700及第一冷却流路310移动后从第一冷却流路310的出口部310b排出，从第一冷却流路310的出口部310b排出的冷却流体可回收到存储及泵吸以供应冷却流体的冷却流体供应部(未示出)后重新供应到第二冷却流路521的流体入口部521b进行循环。

以下说明本发明一个实施例的水冷式表面波等离子体发生装置生成等离子体的过程。

首先，将振荡器发生的电磁波输入到导波管100，通过放电气体注入部400注入放电气体。

位于导波管100内的天线510向电介质管200的第一端部放射在导波管100传输的电磁波。此处，由于由电介质构成的盖部件600包覆天线510或天线510及电介质管200的第一端部210，因此在导波管100内部传输的电磁波有效地传输到天线510，因此从天线510放射的电磁波能够无损失地有效传输到电介质管200的第一端部210，电磁波输入到电介质管200的内部。

输入到电介质管200内部的电磁波与从放电气体注入部400注入到电介质管200的内部的放电气体反应生成高温的等离子体。

为冷却由于生成的高温等离子体而温度上升的电介质管200，可向天线部500的冷却流体循环部520内的第二冷却流路521的入口部521b注入冷却流体。这种情况下，向第二冷却流路521注入的冷却流体沿着第二冷却流路521移动。沿着第二冷却流路521移动的冷却流体冷却天线部500的冷却流体循环部520及与冷却流体循环部520一体形成的天线510。此处，天线510通过盖部件600连接于电介质管200的第一端部210，因此天线510冷却的过程中冷却的天线510的热通过盖部件600传导到电介质管200的第一端部210，从而能够冷却电介质管200的第一端部210侧。

之后，冷却流体沿着连接于第二冷却流路521的出口部521a及第一冷却流路310的入口部310a的冷却流体循环管700向第一冷却流路310方向移动流入到第一冷却流路310的内部。流入第一冷却流路310内部的冷却流体沿着第一冷却流路310顺着冷却护套300的长度方向及圆周方向移动对冷却护套300进行冷却，冷却的冷却护套300的热传导到电介质管200冷却电介质管200。第一冷却流路310内的冷却流体通过第一冷却流路310的出口部310b向冷却护套300的外部排出，回收到上述冷却流体供应部后重新供应到第二冷却流路521的入口部521b进行循环。

这种本发明的水冷式表面波等离子体发生装置具有通过位于导波管100内部的天线510向电介质管200的末端传输电磁波的结构，因此规格小于放电管贯通导波管的形态的现有表面波等离子体发生装置。

并且，电介质管200被冷却护套300包覆，包覆成冷却护套300的内面接触电介质管200的外面，具有冷却流体在形成于冷却护套300内部的第一冷却流路310循环，通过冷却护套300的导热间接冷却电介质管200的结构，因此即使电介质管200长时间与高温的等离子体持续接触而发生皴裂也能够防止冷却流体流入电介质管200的内部。

并且，具有通过位于导波管100内部的天线60向电介质管200的末端传输电磁波的结构，根据这种结构，冷却流体不经过导波管100内部，因此能够防止冷却流体损失向电介质管200输入的电磁波的能量的问题。

并且，天线510的凸出长度对应于导波管100内平行于天线510的凸出方向的导波管100的高度C的1/2以上的高度，天线510的厚度或直径A小于电介质管200的内径B，因此能够通过天线510在不损失电磁波能量的情况下向电介质管200进行传输。

并且，由电介质构成的盖部件600在导波管100内包覆天线510，因此在导波管100内传输的电磁波通过盖部件600有效地传输到整个天线510，盖部件600起到连接天线510及电介质管200的连接部件的作用，因此能够通过在第二冷却流路521循环的冷却流体冷却的天线510的热传导到插入导波管100内电介质管200的部分，冷却所述电介质管200的插入的部分。

公开上述实施例的目的在于使本领域技术人员能够利用或实施本发明。本领域技术人员可以对实施例进行多种变形实施，这是显而易见的。本说明书中定义的一般原理在不脱离本发明一般原理的前提下可以适用于其他实施例。因此本发明不受此处公开实施例的限定，而是应该按照与此处公开的原理及特定特征一贯的最大范围理解。

Claims (9)

1.一种水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于，包括：

导波管，其传输电磁波；

电介质管，其一端部与所述导波管电磁耦合使得在所述导波管内传输的电磁波能够流入；

冷却护套，其具有中空的管形状，包覆所述电介质管的整个或部分长度使得管的内面接触所述电介质管的外面，具有位于管的内面及外面之间使从管的外部注入的冷却流体沿着管的长度方向及圆周方向移动的第一冷却流路；以及

放电气体注入部，其与所述电介质管连接成能够疏通流体以向所述电介质管的内部注入放电气体。

2.根据权利要求1所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

所述放电气体注入部在相邻于与所述导波管电磁耦合的所述电介质管的第一端部的位置连接于所述电介质管使得能够疏通流体。

3.根据权利要求1所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

所述水冷式表面波等离子体装置还包括天线，

所述天线从所述导波管的内侧面位置向所述电介质管的第一端部凸出而与所述电介质管的第一端部相对。

4.根据权利要求3所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

所述电介质管的第一端部位于所述冷却护套的内部或贯通与所述天线相对的所述导波管的一面位于导波管的内部，

位于所述导波管内的所述天线的凸出长度为能够与所述电介质管的第一端部相接或相隔的长度。

5.根据权利要求3所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

位于所述导波管内的所述天线的凸出长度为平行于所述天线的凸出方向的导波管内的高度(C)的1/2以上的高度，

所述电介质管的第一端部位于所述冷却护套的内部或贯通与所述天线相对的所述导波管的一面位于导波管的内部而与所述天线相接或相隔。

6.根据权利要求3所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

所述天线的厚度或直径(A)小于所述电介质管的内径(B)。

7.根据权利要求3所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

所述水冷式表面波等离子体发生装置还包括具有循环冷却流体的第二冷却流路的冷却流体循环部，

所述冷却流体循环部在所述天线的后端一体形成于所述天线且结合于所述导波管使得所述天线贯通所述导波管位于导波管内。

8.根据权利要求4所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于：

所述水冷式表面波等离子体发生装置还包括从所述第一冷却流路连接到第二冷却流路的冷却流体循环管。

9.根据权利要求3所述的水冷式表面波等离子体发生装置，其特征在于，还包括：

盖部件，其由电介质构成，以包覆所述天线及电介质管的第一端部的方式或包覆所述天线且与所述电介质管的第一端部接触的方式结合于所述导波管、天线、电介质管中任意一个以上。