TWI478206B - 電漿坩堝密封與密封電漿坩堝的方法 - Google Patents

Description

電漿坩堝密封與密封電漿坩堝的方法

本發明係有關一種電漿坩堝密封及一種已密封之電漿坩堝。

於本案申請人之PCT/GB2008/003829中，已說明及主張一種將由微波能源提供能量之光源，該光源具有：

‧一固態電漿坩堝材料其係透光的，用於自其出光，該電漿坩堝具有一於該電漿坩堝中之已密封空穴，

‧一法拉第籠環繞該電漿坩堝，該籠至少部分地傳遞光用於自該電漿坩堝出光，同時被微波包覆，

‧一於該空穴中可由微波能源激發之材料的充填物用於形成發光電漿於其中，及

‧一配置於該電漿坩堝中的天線，用於傳送電漿感應微波能源給該充填物，該天線具有：

‧一延伸於該電漿坩堝外用於耦合至一微波能源的連接；該配置使得來自空穴中之電漿的光能通過該電漿坩堝，且自其經籠輻射出。

於該申請案中，本案申請人給予如下定義："透光的(lucent)"係指所述該項為透光的材料，係透明的或半透明的；"電漿坩堝"係指一[用於]包覆一電漿之封閉體，當空穴之充填物由來自天線之微波能源激發時，電漿係在空穴中。於此申請案中，本案申請人繼續使用該定義，附帶條件為其係於密封一坩堝之文述中，在密封期間並不包含電漿。因此，如於此所使用的，該定義包括該用語"用於"。

於此申請案中，本案申請人定義："已充填的電漿坩堝"係指一透光的電漿坩堝具有已密封於其空穴中之一可激發的發光充填物。

一已充填的電漿坩堝如此可具有一天線固定式地密封於該坩堝中，可能於該空穴中，或於該坩堝中之凹腔中，一天線被插設其中用於該坩堝。

本發明之目的係提出一種密封一已充填的電漿坩堝的改良方法。

依據本發明之一觀點提出一種密封一已充填的電漿坩堝之方法，其包括以下步驟：

‧提供一具有一具開口之空穴的透光材料之電漿坩堝，該空穴具有一口部；

‧提供一延伸離開該坩堝之該口部的管件，該管件被密閉式地密封至該坩堝；

‧將可激發材料經由該管件插入該空穴；

‧經由該管件排空該空穴；

‧經由該管件將一惰性氣體導入該空穴；及

‧密封該空穴，藉由密封該管件之口部或接近該口部處，包覆該可激發材料及該惰性氣體。

較佳地，該密封步驟包括塌陷及熔接該管件。

於某些實施例中，目前說明之栓塞將不會被使用，於其他實施例中：

‧該空穴提供有一止檔用於一在該空穴之該口部的栓塞，及

‧一栓塞經由該管件被設置在該口部頂靠該止檔，該栓塞及該口部被互補式地構形用於放置該栓塞使其密封在該口部中及提供間隙及/或局部構形成使氣體流自及至該空穴。

於另一選擇中，該栓塞可被密封頂靠該坩堝之一平面。

於未使用栓塞處，該管件可被設置及熔接在該坩堝的一面上。或者，該管件可被設置及熔接入於該坩堝之一面中之在該空穴之該口部的一柱坑中。

於該已充填的電漿坩堝之某些使用中，其將經由該維持延伸自該坩堝之管件被支撐。於其他使用中，該管件將靠近該密封及支撐自其本體之該坩堝處被移除。

依據本發明之另一觀點，提供一種已充填的電漿坩堝，其具有：

‧延伸自該已密封口部之一管件或一其之殘餘段。

延伸自該已密封口部於該坩堝之相對面之一第二管件或一其之殘餘段。

該坩堝為石英製，同時可以模製及燒結方式形成該坩堝及該管件；該坩堝可便利地由一塊石英形成，具有加工於其中之空穴，且該石英管件藉由加熱及熔接方式被密封至石英塊。此坩堝之最終密封便利地以尖化方式完成，即局部加熱靠近坩堝之該管件，以使大氣壓力在其軟化時使其塌陷，移除加熱及抽開剩餘管件。

為在鑚孔後清理該空穴，特別是移除易於干擾電漿排出之微粒雜質，該空穴較佳地以超音波方式清理，且隨後火焰拋光，以達成透明度及遏止裂痕擴散。為使其容易，該空穴較佳地係被鑚孔直接穿過該坩堝，且隨後在拋光之後被密封於其相對該管件之末端。

一栓塞可被熔接入該口部中或至少由該已塌陷及密封之管件保持。

該石英管件之熔接係直接使用習知火焰或氬電漿火焰來進行。

通常所提供之該坩堝、管件及栓塞係使用相同的材料。該材料為多晶陶瓷，此較容易模製素坯及燃燒成成品。其較不易藉由該管件之塌陷及熔接密封此坩堝，且一栓塞較可能被使用。一熔塊材料可被提供在該栓塞及該坩堝之間的介面以在二者之間提供一可熔接密封。習知該熔塊最初被提供在該栓塞上。該熔塊可藉由使用雷射直接被熔接，該雷射可被配置穿過該陶瓷材料而聚焦在該熔塊材料上。

於使用栓塞處，其及/或該空穴之該口部係成形有一梯階，藉此該栓塞以該提供該止檔之梯階被直接放置定位。該栓塞以其直徑而言為細的(其及該口部通常為具圓形橫斷面的)，但其通常具有相當的粗細度，以便在被放置定位時，不能脫出在該管件中之對齊。或者就一梯階化構形，該口部及栓塞可被錐度化，該錐度提供該承座。如是之構形對撤空是符合要求的，但可提供自我-密封抵抗惰性氣體之引入。為此，一特定氣體通道可以該形式或一沿陔栓塞之淺平部或凹槽被提供。提供如是之平部或凹槽即使具有梯階狀構形可能是合意的，特別是對在對抵抗惰性氣體引入之步驟的過早閉合而言。

方便地，且特別是為加強於該坩堝中之可預料的微波共振，當被放置在該止檔上時，該栓塞之尺寸被製成局部地與該電漿坩堝齊平。然而其可被想像成用於密封之熔接可更簡單些，如果該栓塞延伸進入該管件。該管件頂靠該管件壁部之進一步密封給予用於更可預料之可激發材料的凝結空間。此處所考慮的為該管件之該殘餘段可能提供一冷點，在該處該可激發材料可能凝結，且其對材料具有一和該和該空穴直接連結之表面係重要的，藉此該材料能蒸發進入該空穴以參予在該電漿中。

較佳地，於使用中，該管件之殘餘段係使用為一導管，經由其一電場脈波可被導入該坩堝中用於初始放電入其中。

通常該空穴會被被設置在該坩堝之一中央軸上。

為發光使用，該已充填的電漿坩堝通常具有一由一天線佔據之凹腔。該凹腔可在該坩堝之一中央軸上，相對於該栓塞或就在該栓塞中。在此兩者任一之情況中，該空穴及該凹腔通常會是同軸的。或者該天線凹腔可被偏移至該空穴之一側。

為助於了解本發明，數個本發明之特定實施例將於此藉由範例及參考隨附圖式被說明。

參考圖1至6，一待被充填鈍氣及被供給可激發電漿材料的石英坩堝1係形成一厚盤/短圓柱2，其界定該完成坩堝之有效尺寸，且具有一開口於該坩堝之一端在一口部4上的中央空穴3。該口部係為一對柱坑5、6之形式，較內一個5係比較外一個6深，其提供在半經上相當的增量7。一具有通常和該增量相同之壁厚的管件8藉由經一雙側燃燒器9加熱被附接於該圓柱。該加熱及插入被控制以確保在該圓柱及該管件之間產生一密閉式密封，以該管件之整個內孔10之最小阻礙繼續通過該管件進入該較內柱坑5。從該坩堝之同一端如該管件延伸一般，一天線凹腔11延伸進入該圓柱於一半徑相當該圓柱直徑之四分之一處。

可激發材料之一顆粒12經由該管件掉入該空穴中，接著一圓柱形栓塞13。此為孔10中之間隙直徑進而停置在介於柱坑5及空穴3之間的梯階14上。為提供用於初始氣體從該空穴通過栓塞之連通，沿其長度具有一淺凹槽15，該淺凹槽15繼續於其內面16在該梯階徑向範圍外。

該管件之末端經由一Y配件被連至一真空泵(未顯示)，該Y配件具有一第一閥件及連結件17用於連接至該泵，及具有一第二閥件及連結件18用於連接至一受控下在次氣壓之鈍氣源(該鈍氣源亦未顯示)。該空穴經由該閥件17被排空，在排空後被關閉。該空穴隨後經由該閥件18被灌注鈍氣，同樣在灌注後被關閉。該氣體能經由該凹槽15到達該空穴。

已充填的電漿坩堝之形成的最終階段是經由一燃燒器19加熱該管件。該加熱被持續至該管件之石英材料被軟化，且大氣壓超過該鈍氣之內壓造成該管件本身塌陷。該栓塞坐落在該梯階14上稍微延伸入該管件8並通過該坩堝端部之外面，如尺寸20所示。該加熱係在此尺寸外進行，藉此當該管件塌陷時，其收縮在該栓塞之外端彎角。因此該空穴被雙重密封，在該栓塞之端部的任何殘餘空間22自該空穴在彎角21被密封，且該管件之完全閉合在該管件之”尖端”23被達成，在管件塌陷後，該管件之末端件被抽離坩堝。

圖6顯示已充填的電漿坩堝為使用設置有一環繞其之法拉第籠C及一天線A延伸進入該天線凹腔11以引入來自一來源S之微波。為啟動一電漿排入該空穴中，一啟動探針P以其尖端T配置鄰接該管件之殘餘根段24介於該尖端23及坩堝之背端之間。

於圖7所示之變化例中，該管件係較長的且初始被已密封及在遠離坩堝之位置31被尖端化，以專利號EP 1,831,9165之申請人之早期電子管密封的相同方式，囚住在該裝置中之該鈍氣及該可激發材料。該裝置現可從該Y配件自由地操作。該管件隨後被密封且如前述說明在栓塞上方於位置32尖端化。此種配置允許直接操作將被拋棄之管件的中段長度33，繼而允許統一之個別生產。

另一變化例係顯示於圖8，於其中該空穴53被初始形成為一自該坩堝圓柱52之端面501至端面502的穿孔。該穿孔在兩面形成有單獨之柱坑561、562。在密封之前，該空穴以高周波清理過並隨後經火焰拋光，以移除在使用中會影響電漿排出之纘孔碎片，以移除裂痕擴散部位及改善透明度。在拋光後，管件581、582被密封入各穿孔中。管件581被密封及尖端化留下一殘餘根段641。在如前述說明導入可激發材料及鈍氣後，另一段亦被密封。此變化例可於使用中提供一冷點在坩堝之較外殘餘根段，在此端火花自其集中被使用。此端期待較另一端冷些，此將使其殘餘根段於籠中，未顯示，且其細部可能隨坩堝之使用改變。

又一變化例係顯示於圖9。於此，空穴73之兩端皆由栓塞831、832及管件881、882之殘餘段841、842閉合。此種配置具有高於圖8配置之優點，在於可以保護坩堝/管件及管件尖端密封不和該空穴中之氣體直接接觸，該氣體支撐在空穴中央的電漿。應注意到此變化例具有兩個空間821、822於該等栓塞端部遠離該空穴。當該管件為該等栓塞之彎角81之密閉式密封將被密封，其可期盼此密封可非密閉式，允許可激發材料凝結進入該等空間。因此，為最佳性能，該可激發材料較佳地提供足夠之超量以能完全地充填此等空間且確實於該栓塞中之凹槽752經由其鈍氣被導入，另一凹槽為非-凹槽，因為無氣體經由其被導入。

本發明並不想被限制在上述說明之實施例的細項。例如，該梯階式柱坑及圓柱形栓塞可由一相配之錐形孔及栓塞取代。此外，希望藉由在一車床中執行此密封操作而能將該管件密封至該不具柱坑6之坩堝。

此種電漿坩堝92係顯示在圖10中。其具有一穿孔93及二管件981、982初始對接密封於該坩堝之端面901、902上。該等管件之一981在裝填該坩堝之前被閉合。當其被尖端化時，由於無橫跨該管件之差壓，其可在一玻璃車床中加工以形成其具有一平端983。此使得該電漿空穴於此側具有明確界定尺寸。由於標準管件之公差及可取性，可預期該等管件901、902之直徑可能稍微超過該穿孔93。在排空後，供給及氣體充填，其他管件902以相同方式被尖端化，雖然較少加工至靠近尺寸是明智的。於使用中該平端983可能在最外邊，可能由一法拉第籠(未顯示)覆蓋，且曝露至週邊環境。另一尖端化端部可能由一支撐結構(亦未顯示)覆蓋。除了一平端983，本案申請人已成功地測試了一半球形端部。

於另一替代方案中，相對於一穿孔坩堝，其可如上述被處理用於移除微裂痕，或確實一段厚壁管件，其可能應用於產品壽命非首要考慮之情況，以由一塊石英搪出該空穴。再者，其可設想該坩堝可由插設材料形成。於此範例中，一單一管件僅可環繞該空穴之口部被對接密封，且以說明過之方式被密封。

典型地於使用一操作在2.4GHz之石英坩堝中，該坩堝可為具有直徑為49mm及厚度為21mm之圓柱形。該空穴之該直徑不認為是緊要的且可變化於用於低功率之1mm及用於高功率之10mm之間。本案申請人已使用具有壁厚介於1mm及3mm之間的密封管件，本案申請人亦已測試具有自該坩堝面達長度30mm之尖端化管件的坩堝。本案申請人較喜歡該尖端化管件回到該面之內長度介於0及10mm。較佳之距離為5mm。供應如此長度之管件被設想為在保持坩堝於後續處理及/或其使用中是有用的。

1．．．石英坩堝

2．．．厚盤/短圓柱

3．．．中央空穴

4．．．口部

5．．．柱坑

6．．．柱坑

7．．．增量

8．．．管件

9．．．燃燒器

10．．．內孔

11．．．天線凹腔

12．．．顆粒

13．．．栓塞

14．．．梯階

15．．．凹槽

16．．．內面

17．．．閥件

18．．．閥件

19．．．燃燒器

20．．．尺寸

21．．．彎角

22．．．殘餘空間

23．．．尖端

24．．．殘餘根段

31．．．位置另一變化例另一變化例

32．．．被密封及尖端化位置

33．．．中段長度

52．．．坩堝圓柱

53．．．空穴

73．．．空穴

81．．．彎角

92．．．電漿坩堝

93．．．穿孔

501．．．端面

502．．．端面

561．．．柱坑

562．．．柱坑

581．．．管件

582．．．管件

641．．．殘餘根段

752．．．凹槽

821．．．空間

822．．．空間

831．．．栓塞

832．．．栓塞

841．．．殘餘段

842．．．殘餘段

881．．．管件

882‧‧‧管件

901‧‧‧端面/管件

902‧‧‧端面/管件

981‧‧‧管件

982‧‧‧管件

983‧‧‧平端

A‧‧‧天線

C‧‧‧法拉第籠

P‧‧‧探針

S‧‧‧來源

Y‧‧‧配件

圖1為備用於依據本發明密封之一坩堝及管件的立體圖；

圖2為圖1之該坩堝及管件的橫剖側視圖；

圖3為被加熱用於密封在一起坩堝及管件的側視圖；

圖4為該管件被加熱用於該坩堝之密封的近似視圖；

圖5為近似於圖2之已充填的電漿坩堝依據本發明被密封的橫剖側視圖；

圖6為圖1之已充填的電漿坩堝於使用中的概略視圖；

圖7為一近似於圖4的視圖，其顯示加熱該管件用於密封該坩堝之另一種方式；

圖8為近似於圖5之已充填的電漿坩堝依據本發明被密封之一變化例的視圖；

圖9為近似於圖5之已充填的電漿坩堝依據本發明被密封之另一變化例的視圖；及

圖10為近似於圖5之已充填的電漿坩堝依據本發明被密封之又一變化例的視圖。

92‧‧‧電漿坩堝

93‧‧‧穿孔

901‧‧‧端面/管件

902‧‧‧端面/管件

981‧‧‧管件

982‧‧‧管件

983‧‧‧平端

Claims (20)

1. 一種密封一已充填之電漿坩堝的方法，其包括以下步驟：．提供一具有一具開口之空穴的透光材料之電漿坩堝，該空穴具有一口部；．提供一延伸離開該坩堝之該口部的可熔接至該透光材料的管件材料，且將該管件密閉式地密封至該坩堝和該空穴連通；．將可激發材料經由該管件插入該空穴；．經由該管件排空該空穴；．經由該管件將一惰性氣體導入該空穴；及．密封該空穴，藉由密封該管件之口部或接近該口部處，包覆該可激發材料及該惰性氣體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其中該密封步驟包括塌陷及熔接該管件。
3. 如申請專利範圍第2項所述之密封方法，其中該管件被設置及熔接至該坩堝之一面上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之密封方法，其中該管件被設置在及熔接入該坩堝之該面於該空穴之該口部處的一柱坑中。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述之密封方法，其包括將一栓塞材料熔接至該透光材料於該口部處的步驟，且其中該密封步驟包括將該栓塞熔接至該坩堝的步驟。
6. 如申請專利範圍第5項所述之密封方法，其中該栓塞 被設置及熔接至該坩堝之一面上。
7. 如申請專利範圍第5項所述之密封方法，其中該栓塞被設置在及熔接入該坩堝之該面於該空穴之該口部處的一柱坑中，該栓塞及該口部被互補式地構形用於放置該栓塞使其密封在該口部中及提供間隙及/或局部構形成使氣體流自及至該空穴。
8. 如申請專利範圍第5項所述之密封方法，其中被提供之該管件及該栓塞係和該坩堝為同樣的透光材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其包括一形成該空穴於一預先未鑚孔之透光坩堝中的預備步驟。
10. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其包括密封該空穴之相對端的預備步驟，該透光坩堝預先具有一穿孔。
11. 如申請專利範圍第10項所述之密封方法，其中該密封該空穴之相對端的預備步驟包括密閉式地密封一預備管件至該坩堝和空穴連通及塌陷及熔接該預備管件。
12. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其包括超音波清理及火焰拋光該空穴的預備步驟。
13. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其中該或各密封被形成以產生一端於該空穴和該管件被密封於其上之該坩堝的一面齊平。
14. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其中該或各密封被形成以產生該空穴之一部分延伸超出該管件被密封於其上之該坩堝的一面，藉此提供用於充填該空穴之一 冷點。
15. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其包括分離該或各管件在其遠離該坩堝之密封之一部分的步驟。
16. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其未包括分離該或各管件在其遠離該坩堝之密封之一部分的步驟。
17. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其中該透光坩堝之材料為多晶陶瓷。
18. 如申請專利範圍第1項所述之密封方法，其中該透光坩堝之材料為石英。
19. 一種依據申請專利範圍第1至18項中任一項所述之方法被密封之已充填的電漿坩堝，該坩堝具有：．一管件或一其之殘餘段延伸自該坩堝之一已密封口部。
20. 如申請專利範圍第19項所述之已充填的電漿坩堝，其具有：．一管件或一其之殘餘段延伸自在該坩堝之兩端之一已密封口部。