等離子體焰炬的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及等離子體焰炬。本發(fā)明特別地用于消減來自例如半導體工業(yè)的那些過程的廢氣。
【背景技術】
[0002]防止或限制從工業(yè)過程排出的危險氣體排放到大氣現(xiàn)為科學和工業(yè)部門的主要焦點。特別地，半導體工業(yè)，其中過程氣體的使用固有地低效，將其自己的目標設定為減小從加工廠排出到大氣的氣體量。希望破壞的化合物的示例為從蝕刻過程得到的那些，例如氟、SF6、NF3或全氟化碳(CF4、C2Ff^)。
[0003]破壞或消減來自廢氣流的不想要的氣體的一種方法使用等離子體消減裝置。當通常用來通過燃燒進行消減的燃料氣體不易得到時，等離子體是特別適用的；例如，如在EP1773474中所描述。
[0004]用于消減裝置的等離子體可以以多種方式形成。微波等離子體消減系統(tǒng)可連接到若干過程腔室的排氣口。但是，每個裝置需要其自己的微波發(fā)生器，微波發(fā)生器可能給系統(tǒng)增添了顯著的成本。直流等離子體焰炬消減裝置優(yōu)于微波等離子體裝置，因為可從單功率直流電源來操作多個焰炬。
[0005]在圖1中以截面圖示意性地示出了已知直流等離子體焰炬的示例。焰炬10包括部分地嵌入于大體上管狀陽極14的上游開口內的大體上圓柱形的陰極12。環(huán)形空間16設置于陰極12與陽極14之間，等離子體源氣體例如氬氣或氮氣(未圖示)能流動通過該環(huán)形空間16。
[0006]陰極12和可選地陽極14電連接到電源(未圖示)，電源可被配置成在陰極12與陽極14之間供應直流電壓，或者向陰極12和陽極14中的任一者或二者供應交流電壓。所需的電壓的量值和頻率通常參考其它過程參數(shù)來確定和選擇，例如廢氣或等離子體源氣體種類和流率、陰極-陽極間距、氣體溫度等。在任何情況下，適當電壓范圍為造成氣體電離并且由此形成等離子體的電壓范圍。
[0007]在圖1示出的現(xiàn)有技術示例中，應當指出的是管狀陽極14的內部幾何形狀包括(從上游端(在圖中的最上部示出)到下游端(在圖中的最下部示出))導向至基本上平行側喉部20的第一向內呈錐形的截頭圓錐部18，基本上平行側喉部20導向至向外呈錐形的截頭圓錐部22。這種幾何形狀的效果是加速并且壓縮進來的氣體以在陰極12的緊鄰下游的區(qū)域中造成相對高速、相對壓縮氣體的小區(qū)域24。
[0008]陰極12包括導向至倒角自由端部28的大體上圓柱形主體部26，倒角自由端部28的外部幾何形狀基本上匹配陽極14的向內呈錐形的截頭圓錐部18的內部幾何形狀。陰極12的主體部26由高傳導率金屬例如銅制成，其通常被水冷。在陰極12的大體上平面下面30的中心處，設有軸向突出的紐扣型陰極32，軸向突出的紐扣型陰極32提供優(yōu)先放電位點。這通過選擇不同于陰極布置的主體28的材料用于紐扣32而實現(xiàn)，即，使得陰極主體28由熱導率和功函數(shù)高于紐扣陰極32的熱離子材料的熱導率和功函數(shù)的傳導金屬形成。例如，通常使用銅陰極主體28和鉿紐扣32。陽極14可由類似于陰極12的主體部28的材料(例如，銅)形成。
[0009]應當指出的是紐扣陰極32定位于相對高速、相對壓縮氣體24的區(qū)域中。這種布置的效果是當處于相對壓縮高速狀態(tài)，即適合于形成等離子體34時形成等離子體源氣體的優(yōu)先放電的區(qū)域。因此，等離子體34在陰極12緊鄰下方的區(qū)域中成核并且作為射流經由喉部20離開并且在陽極14的向外呈錐形的截頭圓錐部22中膨脹并且減速。
[0010]在圖1的等離子體焰炬的操作中，等離子體源或進料氣體(即，適度惰性的可電離的氣體，例如氮氣、氧氣、空氣或氬氣)經由入口歧管(未圖示)輸送到環(huán)形空間16。為了起始或開始等離子體焰炬，必須首先在熱離子紐扣陰極與陽極之間生成引導電弧。這由高頻率、高電壓信號實現(xiàn)，高頻率、高電壓信號可由與焰炬10(未圖示)的電源相關聯(lián)的發(fā)生器提供。在陰極布置的銅主體26與鉿紐扣32之間的熱導率差異表示陰極溫度將更高并且電子優(yōu)先從紐扣32發(fā)射。因此，當前述信號提供于電極12與14之間時，在流入到等離子體形成區(qū)域24內的等離子體源氣體內引起火花放電?；鸹ㄔ陉枠O14與陰極12之間形成電流路徑；然后通過在陽極14與陰極12之間受控制的直流來維持等離子體。通過離開喉部20的等離子體源氣體產生電離的源氣體的高動量等離子體火焰。
[0011]在大部分情況下，等離子體火焰將不穩(wěn)定并且造成陽極腐蝕，因此需要通過在電極12、14之間生成進入的等離子體氣體的旋流或漩渦來穩(wěn)定。
[0012]形成漩渦或氣體渦流的一種方法是使用陰極布置，陰極布置包括渦流襯套元件。在圖2中示出了這種類型的已知布置的示例。為了簡單起見，在圖1和圖2中出現(xiàn)的相同特征將被給予相同的附圖標記并且將不在此處再次展開描述。
[0013]如圖2所示的陰極布置12與圖1所示的陰極布置基本上相同，除了其額外地包括環(huán)形渦流襯套40。渦流襯套40由插置于陰極12與陽極14之間的大體上管狀元件形成。盡管從附圖不可辨別，渦流襯套40包括多個非線性(例如，部分螺旋形)凹槽或葉片，它們形成用于氣體子流的非軸向流動通道。
[0014]渦流襯套40的外表面被形成為與陽極布置14的向內呈錐形的截頭圓錐表面部分的一部分合作。渦流襯套40的外表面基本上匹配截頭圓錐陽極12的合作部分的內壁角并且還在其表面中包括有角度的凹槽，有角度的凹槽形成用于引導等離子體源氣體流動的管道。有角度的凹槽也可或替代地形成于截頭圓錐陽極18的合作部分的表面中。
[0015]葉片或凹槽的效果是使得氣體的離散子流沿著螺旋形運動軌跡流動，從而在相對高速、相對壓縮的氣體24中形成漩渦，其中個別氣體子流會聚。氣體動量的旋轉分量在其經由焰炬10的喉部20離開時造成等離子體射流34自行穩(wěn)定。
[0016]為了使焰炬10起作用，陰極12和陽極14必須彼此電隔離。因此，插置于陰極12與陽極14之間并且與陰極12和陽極14接觸的任何元件必須電絕緣。在此情況下，渦流襯套40由例如PEFE的電介質材料制成，其充當在兩個電極12、14之間的電絕緣體并且也略微耐受高反應性等離子離子，例如在全氟化碳消減期間產生的原子氟(如果它們通過此區(qū)域)的化學侵蝕。
[0017]需要上文所提到的等離子體消減裝置10的部件持續(xù)操作數(shù)小時。但是，發(fā)現(xiàn)由PTFE形成的渦流襯套由等離子體焰炬10內的高溫條件快速降解。因此，它們常常必須被替換以確保該裝置的可靠性并且防止隨后損壞焰炬的其它部件，例如陽極。能通過冷卻陰極布置來限制熱效果，但這增加了裝置的運行成本。
[0018]由于金屬通常耐受在直流等離子體裝置中形成的等離子體類型的高溫條件，可以認為渦流襯套可由金屬制成以延長其工作壽命。但是，由于其也為電導體，金屬渦流襯套因此必須與陽極電絕緣以防止在陽極與渦流襯套之間消耗電流。如上文所討論的那樣，由于PTFE在高溫較短的操作壽命，不能使用PTFE來隔絕渦流襯套與陽極。
[0019]空氣也為良好的絕緣體并且因此金屬渦流襯套可簡單地與陽極間隔開。但是，使用空氣間隙減小了渦流襯套生成漩渦的能力，因為等離子體源氣體的一部分將傳遞到等離子體形成區(qū)域內，而不沿著渦流襯套的管道輸送。此外，電弧將可能從金屬渦流襯套開始，隨著時間破壞它。特別地，金屬渦流襯套必須與陽極很準確地并且均勻地間隔開以防止在更靠近陽極(而不是在紐扣陽極)的渦流襯套的部分優(yōu)先發(fā)弧。

【發(fā)明內容】

[0020]本發(fā)明的目的包括:提供替代直流等離子體焰炬；提供改進的直流等離子體焰炬；和/或解決上文所列出的問題中的一個或多個問題。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種直流等離子體焰炬，包括:導電陰極和導電陽極，彼此間隔開以在它們之間形成間隙；金屬渦流襯套，至少部分地位于間隙內并且包括適于在使用中允許氣體通過間隙流動的通道；以及，陶瓷元件，插置于下列中的任一個或多個之間:陰極與渦流襯套；以及，陽極與渦流襯套。
[0022]通過使用金屬渦流襯套并且通過使陽極/陰極與金屬渦流襯套絕緣，發(fā)現(xiàn)與采用PTFE的前述布置相比，部件的操作壽命可大幅延長。
[0023]在本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例中，陶瓷元件包括渦流襯套的陶瓷涂層。陶瓷涂層的主要優(yōu)點在于可減少零件數(shù)量，即，不一定需要單獨的絕緣體，并且易于制造，因為陶瓷涂層相對于易于涂覆。
[0024]最優(yōu)選地，陶瓷元件由電絕緣(絕緣)氧化物形成，例如，通過氧化金屬渦流襯套的表面而形成。
[0025]陶瓷涂層(若提供)可包括金屬的標稱表面的向內延伸的向內生長部以改進氧化物到下層金屬的粘附。作為補充或替代，陶瓷涂層可包括金屬的標稱表面的向外延伸的向外生長部。氧化物的向內生長部和向外生長部可具有不同的機械、化學或拓撲性質。
[0026]陶瓷涂層可經由金屬渦流襯套的金屬的等離子體電解氧化(ΡΕ0)而形成。最優(yōu)選地，經由Keronite過程形成陶瓷涂層，Keronite過程產生高品質、硬、致密、耐用、幾何穩(wěn)定、耐磨和/或電絕緣的氧化物涂層。
[0027]在此過程中，由例如鋁的金屬或合金形成的渦流襯套懸浮于液體電解質浴中并且經受電流，電流使得金屬禍流襯套的表面上形成火花?；鸹ㄑ趸纬商沾蒏eronite層的金屬的表面。
[0028]該過程為自調節(jié)的，并且形成均勻厚度的Keronite層；甚至沿著復雜的表面構造，例如渦流襯套的凹槽。層的厚度取決于加工時間。多達每分鐘4微米可形成于鎂物體的表面上。
[0029]作為補充或作為替代，使用插置在陰極與渦流襯套和/或陽極與渦流襯套之間的離散陶瓷絕緣元件而實現(xiàn)陰極和陽極的電隔離。
[0030]這些布置允許陰極布置準確地并且一致地位于陽極布置內，因為金屬渦流襯套和陶瓷電中斷(ceramic electrical break)由相對剛性材料形成。因此，兩個合作的陽極和陰極元件可緊密地擱靠在彼此上。這防止移動并且去除了對于準確地(手動地)設置在陽極與陰極布置之間的空氣間隙的要求。
[0031]此外，通過由金屬形成渦流襯套，其更耐受在等離子體中形成的熱并且因此需要顯著更少的冷卻(若有的話)來保護它。
[0032]用于離散陶瓷元件的一種優(yōu)選的陶瓷材料包括在硼硅酸鹽玻璃基質中的氟金云母。
[0033]陰極優(yōu)選地包括大體上圓柱形的主體部并且陽極優(yōu)選地包括大體上管狀部(或反之亦然)。通