CN1436359A - 高效小型电容耦合等离子反应器/生成器及方法 - Google Patents

Abstract

说明了一种用于气体等离子体反应器/生成器的小型电容耦合电极结构。该电极结构包括一对平行板阳极和阴极，其位置限定了气体流动路径或空间。在阳极和阴极之间插入了导电翼片组件，这些翼片组件实质上提高了电极表面积与容积之比，并将气流路径或空间进行再分，从而实际上提高了在大范围工作参数下的等离子气体处理效率，而没有实际增大阳极和阴极之间的距离。还介绍了静止和闭合操作。还说明了实现基本电极结构的多阳极/多阴极电极装置，以及应用该组合的小型气体等离子反应器/生成器。

Description

高效小型电容耦合等离子反应器/生成器及方法

技术领域

本发明涉及气体电离装置及方法，尤其涉及与电容耦合气体等离子反应器及方法。

背景技术

电容耦合等离子反应器通常由一对互相面对的平行板电极构成，它们的位置平行，放置于一个真空室内。极性相反的电极上施加有外部电场(直流或者交流)。在处于低压条件下，并且电极位置适当时，初次电离会在两个电极之间产生稳定的等离子区，然后在气流中产生辉光放电。可以将多对极性交替变化的平行板分开放置，并且(或者)将它们叠加在一起构成多处可以产生等离子放电的区域。这种电容耦合等离子反应器在工业上有着非常广泛地应用，如基片蚀刻、基片清洗、基片薄膜沉积、气体净化、离子束源以及各种化学反应等等。

正如“电容耦合等离子体”的名字所表示的那样，电极构成一个电容器，通常是平行板类型的电容。最基本的类型就是两个电极性相反的平板，常被称作“平面二极管”。它的电极可以放置为多种几何形状，包括带有曲面的形状，如同心平行柱面或有平行切线的同心球。通常在整个结构中，极性交替变化的电极表面的间隔相等，从而保持了平行板关系。在这种结构中，电极表示之间的几何规则性和对称性对于产生均匀电场，进而生成更均匀的电离层是非常有利的。凹凸平板电极对常用于增强或减弱某特定区域的等离子层浓度，以适应一些特殊应用，如：聚焦喷镀、聚焦蚀刻或者提供聚焦离子源。美国专利“Method and System for Vapor Extraction FromGases”(专利号：4 735633)中讲述了现有技术中的一些具有不同几何形状的电容耦合平行板电极设计，该发明已经被授予专利权给本发明的发明人，并已转让给本发明的受让人。专利‘633中讲授的电极结构为小型等离子发生器提供了较大的表面积与容积之比。采用专利‘633所述电极结构的反应器已经成功地应用于工业中，其反应效率可以大于99％。

除了电极距离之外，在电容耦合等离子反应器中产生并维持等离子体的另一个关键参数就是工作压力。压力较低时，可以更有效、更容易地维持稳定的辉光放电等离子体。这是因为等离子体的产生和维持决定于反应器中气体分子的电离，以产生足够的二次电子参与到级联碰撞电离过程中去，用以补偿和平衡消失在电极表面的电子(和离子)。平均自由程，也就是初级电子与一个分子碰撞产生次级电子之前，在反应器中走过的平均路程。平均自由程决定于工作压力。一般来说，压力越高、平均自由程的值越小。在电极电场势能的作用下，初级电子在一定距离内加速，获得推动电离过程所需的电离势能。而平均自由程的大小限制了这一距离。因此，平均自由程的值越小，在给定工作电势能的条件下，一个电子在与气体分子碰撞前获得的电离势能越小，从而发生的次级电离也越少。

在给定工作压力下，电极距离决定了一个电子在达到并消失在电极表面前，所遇到的平均自由程电离碰撞次数。当电子距离很短时，不会产生并维持辉光放电。这一空间就是人们熟悉的暗区。一旦在反应器中激发等离子体后，等离子体自身就会变成一个相当于电极的导电薄板。在等离子体和电极之间总存在一个空间隙，其中不会发生辉光放电电离。离子和电子仅在这一缝隙中加速而不会进一步辉光电离放电，这一空间就是人们熟悉的“暗区屏蔽层”。暗区屏蔽层的厚度也决定于压力。

因此，气体分子分解，生成并维持稳定的辉光放电等离子体的条件决定于外加电场、击空电压、电极距离和工作压力之间的关系。帕邢通过实验发现：击穿电压(V)随压力P(单位：Torr)和电极距离d(单位：cm)的乘积变化。帕邢发现的关系就是人们熟悉的辉光放电定律，图1所示的“帕邢曲线”反映了这一定律。图1给出了在几种不同气体中的帕邢曲线10。电容耦合、平行板等离子体反应器的电极设计必须满足帕邢曲线的要求。

图1的帕邢曲线10显示：当pd近似为1Torr-cm时，也就是在点15处，对于各种气体都有一个最小击穿电压(V)。因此，在实际条件中，如果平行板电极之间的距离固定为1cm，那么在压力约为1Torr时，在真空中激发电离并使气体分解所需的电极外加电压最小。由帕形曲线10可以看出，对于给定电极距离d，当压力P增大时，为满足1Torr-cm击穿参数所需的最小外加电压也缓慢增加。但是，当压力减弱时，所需最小电压会急剧增大(与Pd成线性比例关系)。例如，在氖灯中，假设一个给定电源可以提供的最大电压为1000V，电极距离固定为约1cm的反应器对于氖气的最大工作压力可达约300Torr。但是当压力低于0.1Torr时，如果电极距离不成倍增大，使帕邢曲线10的击穿电压15处的Pd值低于1000V的最大电源限制，那么相同的1000V电源将不足以在氖气中生成和维持等离子体。

因此，在实际应用中，当额定电源和工作压力范围给定时，帕邢曲线10所示的关系决定了反应器的最小电极距离，进而决定了其最小尺寸。在多数应用中，无论是直流还是交流，都希望采用低电压电源，而不是高电压电源，这是因为低电压电源固有的低耗特性。另外还希望电极之间的距离较小，这样可以使反应器更小。但是，当工作电压低于0.5Torr时(在很多半导体处理之类的特定应用中都要求这种条件)，必须将电极距离增大到几厘米，甚至更多，从而会使反应器尺寸变大，否则就需要采用非常昂贵的高电压电源。尽管可以采用附加磁场源将等离子体限制在低压力应用中，但这种方法非常昂贵，还会使干扰电容耦合，使之复杂化，另外还会耗散等离子体能量，并引入更多的边缘效应。

前述‘633号专利讲述了以特定方式使给定尺寸的反应器中电极的表面积最大，以提高反应效率，从而使反应器的效率最高。尽管‘633号专利主要用于半导体制造中有害废气的分解与处理，但该专利中描述的等离子体处理过程也提供了一种处理材料的有效方法，如利用溅射、蚀刻、沉积、表面处理等等。它还提供了一种生成期望副产品的有效气体化学反应方法，如化学合成、聚合物形成、化学分解等等。这种等离子体处理方法相对于其它化学方法的优点包括：实际降低能量损耗，在较低温度下提高反应效率等。‘633号专利中所讲述的等离子反应器已进入商业应用，其商标为DryScrub，并由本发明的代理销售。如‘633专利中所讲述的那样，DryScrub反应器的电极表面积与等离子体积之比较大。它利用这一点以及较长的气流路径来增强电极表面的化学反应。与气流自身内部的气相反应相比，这一方式使得反应速度和反应效率达到最大。

因此，如‘633专利所述，对于一对平行板电极来说，各电极一个表面的面积为A，一对电极相对面的总表面积为2A。当电极之间的距离固定时，两个表面之间的容积为2Ad。在低压情况下，由于前述原因，必须增大电极距离d。等离子量也随着电极距离d的增大而增大，因而，表面积与体积比也随着距离d的增大而反比减小。因此，如果工作压力下降，而电极的表面积不能设法增大，那么就会丧失表面反应的部分或者全部优点。当然，增大电极表面积的一个方法是增大反应器以及电极的大小。但是，由于费用、应用限制或设计限制等各种原因，通常不希望这样做，或者这样做根本就是不可行的。因此，为了低电压应用，有必要找到一种新的方法来增大反应器中电极的表面积，而不用增大反应器的大小。

本发明为解决这一问题提出了一种新颖独特的电极设计。新电极设计的主要目标是在不增大反应器体积大小的前提下增大电极的表面积。在电容耦合平行板等离子体反应器中，采用‘633号专利所述方法，在大范围工作参数条件下，新型电极能够提供高效电极表面反应，而没有显著增大反应器的尺寸。同样地，这种新型电极设计还极大地增大了这种反应器及方法的应用范围。

发明内容

如‘633专利所说明的那样，传统思想是将平行板电极对的相对面向侧向延伸，不能伸入电极相对面或相邻面之间的开放区域。人们不希望有任何表面伸入到电极之间的空间内，因为那样会减小在这些点处的电极之间的距离。非常担心那样会生成短路路径，导致电极之间产生放电弧。因此，人们认为电极设计应当使它们的相对表面尽可能平、曲线尽可能平滑，以避免这一问题。而且，由于前面所讨论的要满足帕邢曲线的原因，还存在一种担心，那就是缩短电极之间的距离会影响辉光放电等离子体的生成、维持和质量。这已成为电极设计和构造的常规知识。

本发明同与电极设计和构造的这一常识相矛盾。在本发明中，一对极性交变的电极由很多“L”形和“7”形的翼片构成所谓的“L7”形电极结构。该翼片伸到相邻相对电极中间的开阔区域，并以交错形式放置。带有交错翼片的电极构成近似为方形的“L7”通道，在一个或多个对角中有一个或多个空隙。另一种更易扩展的实施例采用栅格形设计，其中有很多对极性相反的电极，每个电极都有翼，它们被叠在一起，使得翼片交错于电极之间。带有交错翼片的“L7”型保持了电极对平行相对面之间的电极距离d，在给定体积下使电极表面积增大了四倍甚至更多。可以应用包括连续曲面或“W”型表面在内的多种形状，它们可能会在单位体积内提供更多的表面。

应用本发明“L7”形设计的等离子体反应器/生成器装置及方法包括一个带有开放内部空间的反应器主体。反应器主体包括一个进气口和一个出所口。电极装置最好设置为一个整体组合，它可以作为一个单元插入反应器的内部，或者从中移出。电极装置通常与反应器主体绝缘。在开放系统中，电极装置封装于反应器主体的内部，限定了进气口与出气口之间的多个子路径。在静止或封闭系统中，电极装置将气体体积分成很多单元，其依据可能是某种所希望的模式。与电极装置连在一起的电源在相邻的极性相对的电极对上产生电压差，它足以在反应器中选定的待处理气体中激发并维持等离子体。在本发明的另一方面，以选定压力、流率和温度向进气口引入一个气流，该气流经过与电极表面相连的子气流路径到达出气口。可以生成有多个独立区域的等离子体，它们之间最好有部分是相通的。从而使电极表面的气体进行高效、完全的化学反应。反应器利用这种气体，或者对于这种气体执行选定过程。在本发明的另一方面，等离子生成器是一个包含某种气体的封闭系统。在这种气体中形成等离子体，用于发光等。在这一方面，本发明是一个等离子体生成器。

附图说明

图1是一些典型气体的帕邢曲线的图示说明。

图2用图示说明了传统电容耦合并行板等离子反应器中传统电容耦合平行板电极对的一部分。

图3用图示说明了根据本发明实现较佳“L7”结构的电容耦合平行板电极对的一部分。

图4是图3所示“L7”电极对的后视图。

图5是“L7”电极对堆叠栅格的侧面剖视图，该电极对的交错翼片包括本发明的一个较佳实施例。

图6是第一电极的较佳实施例的部分平视图，它与图7中的第二电极构成一个“L7”电极对，用于图5所示的“L7”电极对堆叠栅格中。

图7是第二电极的较佳实施例的部分平视图，它与图6中的第一电极构成一个“L7”电极对，用于图5所示的“L7”电极对堆叠栅格中。

图8是包括图6、图7电极的较佳“L7”电极对的剖面平视图。

图9是包括图6至图8中“L7”电极对堆叠栅格的较佳电极的侧面正视图。

图10是图9较佳电极不同侧面的另一个正视图。

图11是应用本发明的一个电容耦合平行板气体等离子体反应器较佳实施例的侧面正视图。

具体实施方式

下面将借助附图对本发明的一个较佳实施例进行说明。

图2图示说明了传统电容耦合平行板电极对20，当今几乎所有传统等离子体反应器的设计都采用此类型电极对。电极对20包括第一平板电极22和第二平板电极24。第一、第二平板电极22和24分别有第一、第二表面，每个表面的面积为A。第一、第二电极22和24的两个相对面之间的距离为固定值d。平板电极包括一个平行板电容的两个极板，它们的电极分别与电源26的相反电极相连，该电源可能为交流，也可能为直流。因此，在任意给定时间，电极22和24的极性相反。它们之间存在着一个电压(V)，能够在两个电极之间的气流中激发并维持辉光放电等离子体。经过简单的计算可以证明，与两电极之间的开放空间相邻的总电极表面积为2A，两电极之间的空间体积为Ad。因此，电极表面积与容积的比为2/dcm-1，电极距离通常约为1cm，单位体积的表面积比约为2。

现有技术‘633号专利中所讲述的表面反应原理的基础是：在低压环境下，可以很容易地维持稳定的辉光放电。使反应器中单位等离子体体积的电极表面积最大就可以使电极表面反应最强。大表面积为气体在表面反应提供了大的反应位置。吸附气体分子与被吸附气体分子可以很容易的在表面上找到位置和总有效范围，以保证当离子或电子打到表面时，发生化学反应的可能性非常大。如图1中的帕邢曲线所示，辉光放电的激发和维持决定于工作压力和电极距离。根据一般经验可知，对于一个平行板电极，当阳极和阴极之间的距离d(cm)与工作电压P(Torr)的乘积，也就是Pd Torr-cm，约为1Torr-cm时，对于绝大多数气体来说，当电极电压约为250-350V之间时，发生最小击穿电压或等离子体激发电压。

例如，当工作压力在500-1000mTorr之间时，平行板电极之间的最优距离约为1cm。如果工作压力大于这个范围，那么维持最优击穿或等离子体激发电压的范围会稍微变窄。但是，如果电压低于这个范围，距离d必须急剧增大才能维持最优击穿电压。换而言之，当所需工作压力变化时，如果希望击穿电压或激发电压尽可能接近于最小值，就必须改变距离d以保持乘积pd尽可能接近于单位1。否则，当压力很低时，电源必须提供远高于1000V的高电压。

因此，增大电极距离d是近年来工业上使用的典型方法。例如，用于等离子体蚀刻基片(如半导体)的活性离子蚀刻(RIE)方法，采用电容耦合电极，其工作压力的范围为10至100mTorr。在商用反应器中，电极距离在5cm至15cm之间。这样可以维持相对较低的击穿电压，并使自感应偏差最小。这一偏差可能会对由高能量电子和离子冲击进行蚀刻的基片产生不良辐射损伤。

根据帕邢关系，采用较大的电极距离d可以克服激发气体电离、等离子体激发及维持的困难。但较大的电极距离产生等离子体积增大的不良影响，那样会需要更多的反应器空间和更大的电极表面积，从而会极大是增大成本。为构造一个具有相同表面积、工作于低压条件的电极，电极距离及体积必须成倍增大。但是如果设计反应器使其电极具有较大的表面积，可能会排除实际应用中的高压范围，因为乘积Pd将会增大到帕邢曲线的高压顶端。

当今几乎所有的实用平行板等离子体反应器的设计都是基于前述原理。例如，如果电极距离d约为1cm，几乎对于所有的可用气体来说，在压力约为1Torr时，可以相对容易地产生并维持辉光放电等离子体。与此类似，如果距离为2cm，最优工作压力将为0.5Torr。由帕邢曲线还可以看出，对于固定电极距离d，当工作压力增大时，发生并维持等离子体的将会慢慢变得困难，最低击穿电压也将会随着电压的升高而缓慢增大。反过来，当工作压力降低时，激发等离子体的最低击穿电压将会急剧升高，生成并维持等离子体会变得非常困难。最低击穿电压会随着工作压力的增大而增大，其物理解释为：工作压力越高，电极之间的气体分子、原子、电离离子和电极之间的平均自由程会更短。因此，在到达电极之前，被激发的分子、原子、离子和电子之间会有多次碰撞。在每次碰撞中，被激发粒子会失去能量，由高能态跳迁至低能态。因此，一定时间后，能量足以激发二次电离的粒子会变得越来越少，二次离子和电子的生成会变得局部化，并更为困难。在这种情况下，需要较高的外部工作电压来产生并维持电离击穿过程，以维持等离子体。

工作电压较低时，较长的平均自由程降低了电极间被激发粒子的碰撞次数。在这种情况下，初级电子从外部施加电压(直流或交流)吸收能量，在电极间被加速，在与气体分子碰撞，使中性粒子电离生成更多二次电子之前，具有较多的机会与电极碰撞。初级电子消失的速度很快，再加上生成的二次电子数也很少，这就要求外加电源提供较高的电压，以产生更强的电场和高能量电子，进而保证激发电离过程，并维持等离子体。但较高的电压会使电子的速度加快，从而缩短它们在消失到电极之前的时间，从而降低了产生二次电子的碰撞次数。结果，当工作压力降低时，激发并维持等离子体所需的最小击穿电压会急剧增大。

在当今的许多等离子体反应器应用中，例如半导体制造应用中，要求等离子体反应器的工作压力低于100mTorr。为了在如此低的压力下工作，必须增大反应器中电极的距离，以便在低于约1000V的合理电压下产生并维持等离子体。即便如此，高电压等离子生成器的成本也要比低电压生成器的成本高得多。而且，为了消耗相同的功率P＝IV，高工作电压就意味着等离子体中消耗的电流会较低。因为所涉及的化学反应需要电子交换，低电流意味着化学反应速率降低。因此，为了提高等离子体反应器的效率，采用低电压、高电流等离子体更好一些。

同时，也希望保留‘633专利中所述的反应器的成功特点，如平行板设计、最优电极距离、高表面积/体积比、长流动路径以及短轨迹等等。

图3和图4图示说明了基本“L7“平行板电极的构造。它包括本发明的基本较佳实施例。下面将会说明，这种“L7“电极设置克服了上述现有技术中的缺点，同时保留了‘633专利所述的现有设计中的成功特色。

“L7”设计包括第一平行板电极32和第二平行板电极34，它们按习惯方式相对设置。电极32和34分别与电源36的相对电极相连。该电源可以为交流，也可以为直流，都适用于电容耦合平行板等离子反应器。因此，电极32和34的极性相反。每个电极有第一表面33a、35a和第二表面33b、35b。尽管构造与角度关系都是可预知的，但在较佳实施例中，第一和第二表面为一个整体，并成直角。表面33a与35a之间的距离固定为d，它们的相对面互相平行。与此类似，表面33b和35b之间的距离也固定为d，它们的相对面也互相平行。表面33b和35b延伸到平行表面33a和35b之间的开放空间内，使得表面33b的末端到达表面35a，表面35b的末端到达表面33a。因此，所述“L7”电极对设置构成一个近似的方形，并将一个通道分成各个单元。较佳地的，通常或单元不是完全封闭的。在一个或多个喇叭落提供较小的缝隙，使电极分离，其距离为表面33b的末端与表面35a和表面35b的末端与表面33a之间的距离d’。表面33a、33b、35a和35b各自的面积约为A。

在这种方式下，较佳“L7”电极设置极大地增大了表面积与等离子体积之间的比，同时保持电极的距离仍为d。例如，方形通道或单元的四个表面的总面积为4A。总体积保持为Ad，与图2中的传统平行板电极设置相同。因此，“L7”电极对设置的表面积与体积比约为4/dcm-1，即传统平等板电极对组合的两倍。

这种“L7”电极对布置与平行板电极对设计的传统思想对立。传统思想反对表面33b和35a伸入到平行表面33a和35a之间，当然更不会如此接近这些表面了。这种传统思想是因为在许多应用中采用高电压时，会在相邻电极之间产生电弧放电。但是，通过重新研究、深入理解图1中帕邢曲线的意义，“L7”电极设计的发明者确定了可以应用“L7”电极的低压范围。位于角落的相对极性的电极32和34之间的空隙d可以做得足够小，使得在所供电源稍高于击穿电压时，乘积Pd’只能在空隙中产生并维持等离子体。因此，在这些条件下，空隙中不存在等离子体。另外，在这些情况下也避免了电弧放电和短路的发生，因为空隙距离d’太小，电子的加速距离不足以使它引起电离。只有连续发生电离，在电极之间产生导电路径(就像雷电放电路径)后，才可能发生电弧或短路现象。在“L7”电极主要应用的低压工作范围内，实际上不会满足这些条件。例如，空隙距离d＝0.5cm，电极距离d＝2时，电源电压低于1000V时，电极的工作压力可以低于0.1Torr。当工作压力升高到一个较高值，如2Torr时，仍然可以在空隙区域内生成并维持合适的等离子体，只要空隙d’保持足够小，就不会在空隙中发生电弧放电或短路现象。

使发明者确信在空隙距离d’内不会发生电弧放电和短路的另一个原因是：电弧放电的关键要求是放电应集中于一点，从而使放电点与相对电极之间生成一个高电流导电路径。在“L7”电极对设计中，电极构成一个导电线，它们之间的放电将会分布在整个导线上(而不是在一点)。因此，在预期工作条件下，电极上的任一给定点之间不会建立起足以激发场辐射的高电压，使得电子的电势能高于击穿电势能，足以电离电极之间的整个导电路径。换而言之，因为“L7”型电极之间生成的等离子体很好地分布在电极的表面上，在任意给定点，包括与电极非常接近的角落中，都不会产生足够强的势能，所以不会在电极之间电离生成完整的导电路径，从而导致电弧放电。因此不必像传统思想中那样考虑电弧放电和短路问题。

“L7”电极设计的另一个优点是它可以使电极对的较佳垂直表面之间的距离可变。有效距离可以由空隙距离d’变化到电极相对平行表面(即表面33a和35a，或33b和35b)之间的距离d。事实上，在一个电极的封闭端角落到另一电极的封闭端角落的对角线上，也就是从表面33a与表面33b的交点到表面35a与表面35b的交点的连线上，电极之间的距离可以更大。因此，这一新型设计使电极之间的距离可变，从而可以在各种压力下达到最优操作。这一电极设计可以在大范围的工作条件下简单而有效地激发并维持等离子。而且，后面将会更详细地看到，这一设计特色可以进一步扩展。例如，采用具有开放端的喇叭形电极设计，(开放端的横截面大于闭合端)，可以使距离变动范围更大，因此，它可以使等离子体在工作条件下选择最优距离，从而可以很容易地激发等离子体。

“L7”设计的可变电极距离，以及其扩展形式是一个显著特色。一旦等离子体被激发后，它就变为一个导电层，其自身相当于一个有很多传导电子的电极。因此，等离子体自身是一个附加电子源，可以用来补充损失到电极的电子。因此，易于激发的等离子体就易于维持，这就意味着“L7”型电极可以在大范围工作条件下，容易而有效地激发并维持等离子体。

图5图示说明了基本“L7”电极对设计扩展为堆叠电极对的结构形式。因此，图5显示四个电极52、54、56和58以垂直结构堆叠。每个电极有两个相对表面，即电极52有相对表面52a和52b，电极54有相对表面54a和54b，电极56有相对表面56a和56b，电极58有相对表面58a和58b。这些电极堆叠在一起，使得它们的表面互相平行，即表面52a、52b、54a、54b、56a、56b、58a和58b都互相平行。电极52、56通常与适当交流或直流电源60的一极相连，电极54和58与电源60的另一极相连。堆叠结构中相邻电极的极性交替变化，使得堆叠电极的各个相邻对构成极性相反的电极对。即电极52和54构成一个极性相反对，电极54和56构成另一对，电极56和58构成另一对。值得注意的是，这种结构同时应用了电极(如电极54)的两个相对面(如54a和54b)，这样就极大地增大了反应器中用于发生化学反应的电极表面积。与基本“L7”设计思想相一致，每个电极都有很多翼片伸展到相邻电极之间，并与相对表面成直角。因此，翼片64由电极52的表面52b向外伸展，翼片64由相邻电极54的相对表面54a向外伸展，它们都伸展到相邻电极之间的开放空间，并非常接近于相邻电极。如图所示，由于各种原因，这些翼片以交错形式布置于电极对的相邻电极之上会更好一些。其中一个原因是，这样有助于等离子体分布于每个电极对的相邻电极上。这样又有助于保证不存在导致电极之间发生电弧放电或短路的点电离源。下面将会进一步解释，它还有助于分隔等离子体，使得等离子体的质量更好，从而提高反应效率。还有，它还保证反应器中有一个长而连续的气体流动路径，这也有助于提高反应效率。

相对于现有平行板电极结构，基本“L7”电极设计的这一扩展仍然提高了表面积与等离子体体积之比，并且通过在反应器内堆叠电极对使之加倍提高。假定同一电极(如电极52)的相邻翼片64之间的距离为d。一个电极对的相邻电极相对表面(如电极52的表面52b和电极54的表面54a)之间的距离也是d。还假设每个电极在相邻翼片之间的表面积为A，每个翼片表面积也近似为A。在由一个电极(如电极52)的相邻翼片和各电极对相邻电极的相对平行表面(如表面52b和54a)围成的各个“小室”内，电极总面积为4A。和传统平行板电极设计一样，电极距离仍然为d，因此，对于等离子体来说，每个小室或通道的电极表面积与等离子体积之比约为4/dcm-1。

“L7”设计思想可以进一步扩展，以提供更高的表面积体积比。其方法是通过增加附加翼片组件将近似方形的“L7”通道进一步分为间隔约等于d的立体小室。其结果是每个近似立体分隔中的表面积和体积比近似为6/dcm-1。

尽管图5中以横截面形式给出了堆叠“L7”电极的设置，但是本领域的技术人员应当理解电极52-58可以为各种形状。例如，如下面所描述的那样，各电极可以是圆形。类似地，尽管翼片64也是以横截面形式给出，但该翼片可以是各种形状，包括平面、曲面、“U”形、“V”形、“W”形和喇叭形。而且还有，电极不必是连续表面，而是可以包括一个或多个开口，以方便气体流动。与此类似，翼片64也不必是连续表面，也可以包括多个开口以方便气体流动和等离子体交流。

而且，小室的大小和几何形状可以改变，以调节等离子体。例如，可以根据所希望的模式调节小室内的等离体密度。可以产生等离子体聚焦和分散的面积。还可以生成等离子体栅格和象元。可以周期性地进行这种调节，也可以根据其它所希望的模式进行调节。

与基本“L7”设计相类似，相邻电极(如电极52和54)的翼片64非常接近于电极对的相对表面(如表面52b和54a)，但保持空隙距离为d’。和前面对基本“L7”电极设计讨论的原因相同，如果空隙距离d’足够小，就不用考虑电极之间的电弧放电和短路。

图6-8是翼片组件的一种较佳结构的示例，参考该图可以说明电极和电极布置。图6是相对极性电极对(如图5中的电极52)中电极一部分的平面图。图6所示电极52的表面是表面52b。电极52的较佳形式为圆形，如图8所示。翼片64为向外伸展的平面，它与表面52b成直角。图7是另一较佳翼片形状的顶视图，其开放端为“喇叭”形。图7所示的喇叭形翼片由图5中电极54的表面54a向外伸展。如图8所示，电极54上的表面54a有很多这种喇叭形翼片64，使得由电极52的表面52b向外伸展的翼片64插入到喇叭形翼片的两侧，它围绕于相邻电极52和54的整个表面。图8通过一个剖面图说明了圆形电极(如电极52和54)相邻时，直翼片64和喇叭形翼片64如何插入。图8还说明，每个电极对中至少有一个电极(在本例中为电极52)的较佳形式有一个中心开口80，用于通过气流。图8中进一步显示了另一电极54的直径略小于电极52的直径，从而允许气流通过电极的边缘到达下一个堆叠电极对。

在电极之间插入附加翼片表面积，提高了电极表面积与等离子体积之比。除此之外，这些翼片还通过将电极之间的平面较宽路径转换为多个较窄路径，极大地增大了气流的流动路径。前面曾经提及，如果愿意，可以通过在“L7”形通道内插入附加翼片组件将通道进一步分为近似为立体形的小室。对宽路径的这种分割极大地提高了气流在反应器中流动时所遇到的电极表面积，而没有提高了反应器的体积或尺寸。

这一点可由图9和图10中从不同侧面看到。图9和图10是图5-8所说明的堆叠“L7”电极类型的两侧视图。在图9和图10中可以看出，堆叠电极包括一串交错堆叠电极92和94。如图5所示，电极92通常与适当电源(没有给出)的一极相连，电极94与电源的另一极相连，所以相邻的堆叠电极92和94的极性相反。各电极92为盘形，其中心有一个开口，允许气体由堆叠的一层流向别一层。各个电极94也是盘形，但是没有中心开口。电极95的较佳直径稍小于电极92的直径，允许气体通过电极94的外边缘由堆叠的一层流向别一层。显然，电极92通过绝缘隔离物之类的装置与电极94电绝缘。电极92上装有翼片64，它由各个电极92的各面向外正交伸出，接近于各电极92相邻的电极94，但不与之相交。与此类似，电级94上安装有“喇叭”型翼片64，它由各电极94的各面向外正交伸出，接近于与各电极94相邻的电极92，但不与之相交。而且，直翼片64和喇叭形翼片应较佳地交错放置，使得它们交错于相邻电极92和94之间的空间内。采用这种结构后，进入第一电极92的中心开口96的气流在通过第一电极94的外缘到达堆栈的下一层之前，必须首先沿着第一电极92和第一电极94之间交错翼片中的曲折路径流动。在下一层，气体流入相邻第二电极92和94之间交错翼片中的多个曲折路径，到达第二电极92的中心开口。由该处进入堆栈的下一层，然后在堆栈的各层内重复相同的曲折路径，直到遍历完最后一层。

电极92和94可以由本领域技术人员熟悉的适当导电材料组成，这些材料在过去已经应用于等离子反应器中。图9和图10中说明的电极92和94用不锈钢制成，其成本较低。当电源为射频电源时，也可以在导电芯之间夹入绝缘材料。

本发明较佳堆叠“L7”电极的另一优点是对电极之间的空间进行分割，提高了等离子体的质量，从而提高了反应器的反应效率。概念性的突破是传统平行板电极对可以看作两个长平行导线。通常，等离子体在电极之间的空间的中心区域构成一个“层”，并在电极附件有显著的“盲区”。用翼片组件将电极之间的空间进行分割就分裂了平行板盲区。为此，分割电极之间空间的翼片组件可以是两个与阴极或阳极电子有相同电位的相反极板，两个L形和两个7型极板像“L7”相对极板那样互相面对。这种“L7”型极板的组合使得通道中心的等离子体将整个空间看到电极的表面，即使等离子体生成并维持于通道的中心也是如此。这是因为在通道中心生成的离子和电子辐射到由电极和各“小室”或分区的分割翼片组件构成的封闭通道内，从而引起化学反应。反应效率因此得到极大提高。

此外，在扩展平行板电极反应器中，生成并维持的等离子体相当于电极相对表面之间的一个侧面层。这使得在两个电极之间且于电极平等的空间内，等离子体进行显著的附加化学反应。因为这种化学反应以气相进行，所以它们容易形成称为“等离子体灰尘”的分子群和凝结粒子。它们肯定会凝结于气流中并与气流一起存在于反应器。这会对于某些装置(如下游的泵)产生严重的问题，特别是这些“等离子体”具有腐蚀性时。通过将等离子体“层”分别为各个小室或小段，本发明极大地提高了对生成等离子体灰尘的附加化学反应的控制。事实上，“L7”设计可以使设计者相对容易地控制流动路径的长度和分区的数目，这样可以更好地控制预期表面反应与气相反应之间的平衡。

然而，有时可能希望在相邻小室或区段之间的等离子体之间有一些交流。例如，因为制造误差或其它的原因，相邻分区大小的变化或者其它因素可能会使一个小室或分区内形成的等离子体弱于相邻小区或分区。允许相邻小室或分区之间等离子体的某些交流，就可以使有较强等离子体的相邻小室或分区增强较弱小室和分区的等离子体，从而达到平衡效果。这种交流可以部分和完全通过图4所示的中心缝隙或图5所示的翼片64与电极52-58之间相邻表面之间的缝隙完成。如果希望得到更多的交流，可以在其它多个翼片或者全部翼片的表面上提供多个交流孔。这些孔的大小当然决定于应用、翼片和电极自身的大小，以及所期望的工作参数。

本发明的较佳“L7”电极结构的另一个优点在于材料强度因素。等离子体的形成和维持会产生热。而且，电极的表面极越大、工作电压越高，就会产生越多的热。因此，电极必须随热变形应力。传统平行板电极包括有相对较大的连续金属薄片，会积聚很多热应力，所以易于引起结构变形。这种变形会改变电极距离，进而改变电容、电特性和等离子体性质。在一些严重情况下，结构变形会导致短路。在选择电极材料时必须考虑这些因素。相反，在“L7”电极结构中，特别是堆叠“L7”电极设置结构中，包括有多个小表面和互相成角度连接的平面，相对于大型平面层来说，它们提高了结构的支持能力和稳定性。另外，因为等离子体被分割为小的部分，从而降低了对结构的热应力累积。结构强度的这一提高使得：在相同工作参数和条件下，制造电极的金属片可以薄于传统平行板反应器设计中所用的金属片。这样又使得反应器内部的空间增大，从而在给定小型体积内可以放置更多的表面面积，从而达到更好的性能。

图10是一个电容耦合平行板电极等离子反应器的侧视图，它含有本发明的一个较佳“L7”电极结构。反应器110有一个围有内部空间(没有给出)的小室，图9和图10所示的电极安装在它的内部。反应器小室可以采用传统方法打开或闭合。如果需要，这个小室还可以提供一个冷却面用于空气冷却。提供一个传统进气口115接收要处理的气流。还提供一个出气口120用于使处理过的气流流出反应器。还提供外部电极(没有给出)，用于连接适当电源的电极与反应器的内部电极，如图5所示。

图10和图11说明了根据本发明组装的一个气体等离子体反应器。如组装的形式，反应器有一个小室限定了柱形内部空间。此反应器的外部高度约为420mm，直径约为290mm。内部高度约为305mm，直径约为254mm。该小室由铝制成，限定了大约为15-436平方厘米的内部空间。如图10所示，一个由316L不锈钢制成的电极包括6个盘状阳极-阴极对。在反应器进气口的附近，相邻阳极和阴极之间的距离约为1英寸。略低于反应器出气口附近的尺寸，这样可以提高气流通过入口和出口之间电极时的处理效率。电极的外部尺寸略小于254mm，约300mm高。阳极盘上有一个中心孔，阴极盘的外部尺寸略小于阳极盘，从而提供了相邻阳极-阴极对之间的曲折气流路径。16个喇叭形翼片组件均匀分布在各阴极的各表面周围，16个平面型翼片组件均匀分布于各阳极的各表面周围。平面形翼片交错于各喇叭形翼片和各喇叭形翼片的各腿之间(见图8)。喇叭形翼片和平面型翼片的位置和尺寸使相邻正极和负极之间气流区段的大小约为一立方英寸。反应器内部空间内的总电极面积约为27 700平方厘米，电极表面积与体积之比约为1.8。

在一定的压力和电压范围内，对前述反应器进行了空气中激发并维持等离子体的试验。这样试验采用一个高级能量工业模型2500E型电源，对其进行了改动，使其工作于100Khz。改动后，电源的额定负载约为1500W。测试中，若电压约为1000V，负载阻抗约为100欧，当压力达到500Torr时，反应器即可成功地在空气中激发并维持等离子体。若电压约为1400V，阻载阻抗约为1000欧，压力升到约18mTorr。

对本发明较佳实施例的前述说明是希望解释本发明的实质，而不是进行限制。本领域的技术人员会明白：可以对此较佳实施例进行各种变化和修改，而不会偏离本发明的思想。例如，各说明尺寸可以变化，可以采用各种合适的不同材料。电极、反应器小室、翼片组件及类似装置可以选择不同的几何形状，如“U”型、“V”型、“W”型，甚至是柱形、球形或锥形。因此，本发明不限于前述电极几何形状和设计。工作参数也可以改变。较佳具体实施例并不限定本发明的范围，本发明的保护范围由本发明的权利要求限定。

Claims (36)

1.一种用于气体等离子体反应器的电极装置，其包括：

一个阳极和一个阴极，该阳极和该阴极各包括一个对面，它们互相分离，为气体限定了一个流动路径；

多个分别与前述阳极和前述阴极相连的导电翼片组件，其伸展到前述阳极和前述阴极之间，将前述流动路径分为多个小室。

2.如权利要求1所述电极装置，其中前述多个翼片组件设置为有多个相对而分离的表面，从而提高了前述阳极和前述阴极之间的电极表面积。

3.如权利要求2所述电极装置，其中与前述阳极相连的前述多个翼片组件和与前述阴极相连的翼片组件互相交错。

4.如权利要求3所述电极装置，其中与前述阳极和前述阴极之一相连的前述多个翼片组件可以近似为“U”型、“V”型或“W”型。

5.如权利要求4所述电极装置，其中前述阳极和前述阴极为盘状。

6.如权利要求1所述电极装置，其中前述多个翼片组件分别以一定角度由前述阳极和前述阴极伸出。

7.一种用于气体等离子体反应器的电极装置，其包括：

一个具有第一表面的阳极；

一个具有第二表面的阴极，该第二表面与前述第一表面相对，互相分离且平行；

一个与前述阳极相连的第一导电翼片组件，它具有第三表面，该第一翼片组件由前述阳极向外伸向前述阴极；

一个与前述阳极相连的第二导电翼片组件，它具有第四表面，该第二翼片组件由前述阴极向外伸向前述阳极，该第四表面与第三表面相对，并互相分离；

前述第一、第二、第三、第四表面之间的空间限定了待处理等离子体气流的流动路径，其中前述第一和第二翼片组件实质上提高了前述气流遇到的电极表面积与前述阳极和阴极之间的空间体积之比，但没有改变前述阳极和前述阴极之间的距离。

8.如权利要求7所述电极装置，其中前述阳极和前述阴极实质上为盘状。

9.如权利要求8所述电极装置，其包括多个前述第一和第二翼片组件。

10.如权利要求8所述电极装置，其中前述多个第一和第二翼片组件分别散布于前述阳极和前述阴极周围。

11.如权利要求10所述电极装置，其中前述多个第一和第二翼片组件互相交错。

12.如权利要求11所述电极装置，其中：

前述多个第一翼片组件各包括多个由前述第三表面构成的伸展翼片表面，前述伸展翼片表面一端互相连接，另一端开放，构成了相邻平面之间的空间；

前述多个第二翼片组件各包括一个伸展翼片表面；

前述多个第二翼片组件的第二翼片组件插入到前述多个第一翼片组件相邻平面的前述空间。

13.一种用于气体等离子反应器的电极装置，其包括：

多个交替阳极和阴极，各相邻阳极和阴极有一个相对面，并互相分离，限定了气体的曲折流动路径，前述多个阳极互相电连接，前述多个阴极互相电连接；

多个分别与前述阳极和前述阴极的前述相对面连接的多个导电翼片组件，插入到前述阳极和前述阴极的前述相对面之间的空间，从而将前述曲折流动路径分为多个小室。

14.如权利要求13所述电极装置，其中前述多个翼片组件布置为具有多个相对且分离的表面，从而提高了各相邻阳极和阴极之间的电极表面积。

15.如权利要求14所述电极装置，其中与各前述阳极相连的前述多个翼片组件和与前述阴极相连的前述多个翼片组件互相交错。

16.如权利要求15所述电极装置，其中与前述多个阳极和前述多个阴极分别相连的前述多个翼片组件近似为“U”形、“V”形或“W”型。

17.如权利要求16所述电极装置，其中前述多个阳极和前述多个阴极近似为盘状。

18.如权利要求17所述电极装置，其中或者前述多个阳极，或者前述多个阴极上在前述相对面上有一个开口，以便于气体在相邻阳极和阴极之间流动。

19.如权利要求18所述电极装置，其中，或者前述多个阳极，或者前述多个阳极的直径小于另一个电极的直径，以便于气体在相邻阳极和阴极之间流动。

20.如权利要求13所述电极装置，其中前述多个翼片组件分别以一定角度由前述多个阳极和前述多个阴极向外伸展。

21.一种气体等离子体反应器，其包括：

一个限定了内部空间的反应器小室，并且有一个进气口和出气口；

一个电极装置，与前述进气口和前述出气口一起置于前述空间中，该电极装置适合于由前述进气口向前述出气口输入气流，前述电极装置包括：

多个交替阳极和阴极，各相邻阳极和阴极有一个互相分离的相对面，限定了气流流动的曲折路径，前述多个阳极互相电连接，前述多个阴极互相电连接；

多个分别与前述多个阳极和前述多个阴极的前述相对在相连的导电翼片组件，插入到前述阳极和前述阴极的前述表面之间的空间内，从而将前述曲折路径分为多个小室；

一种将电源与前述电极装置连接在一起的电连接器。

22.如权利要求21所述气体等离子体反应器，其中前述多个翼片组件布置为具有多个互相隔离的相对面，从而增大了各相邻阳极和阴极之间的电极表面积。

23.如权利要求22所述气体等离子体反应器，其中与各前述阳极相连的前述多个翼片组件和与前述各阴极相连的前述多个翼片互相交错。

24.如权利要求23所述气体反应器，其中与前述多个阳极和前述多个阳极中的一个相连的前述多个翼片组件近似为“U”形、“V”形或“W”形。

25.如权利要求24所述气体等离子体反应器，其中前述多个阳极和前述多个阳极近似为盘形，其中前述反应器小室限定的内部空间近似为柱形。

26.如权利要求25所述气体等离子体反应器，其中，或者前述多个阳极，或者前述多个阴极上在前述相对面上有一个开口，以便于气体在相邻阳极和阴极之间流动。

27.如权利要求26所述气体等离子反应器，其中，或者前述多个阳极，或者前述多个阳极的直径小于另一个电极的直径，以便于气体在相邻阳极和阴极之间流动。

28.如权利要求21所述气体等离子体反应器，其中前述多个翼片组件分别以一定角度由前述多个阳极和前述多个阴极向外伸展。

29.一种气体等离子生成器，其包括：

一个限定内部空间的生成器小室；

一个位于前述空间的阳极和一个阴极，它们适于置于气体之间，该阳极和阴极各有一个互相分离的相对面，从而定义前述气体的空间；

多个分别与前述多个阳极和前述多个阴极的前述相对面相连的导电翼片组件，插入到前述阳极和前述阴极的前述表面之间的空间内，从而将前述曲折路径分为多个小室；

一种将电源与前述电极装置连接在一起的电连接器。

30.如权利要求29所述气体等离子体生成器，其中，前述多个翼片组件布置为具有多个互相隔离的相对面，从而增大了各相邻阳极和阴极之间的电极表面积。

31.如权利要求20所述气体等离子体反应器，其中与各前述阳极相连的前述多个翼片组件和与前述各阴极相连的前述多个翼片互相交错。

32.一种构建等离子反应器/生成器的方法，其包括：

提供一个限定内部空间的小室；

提供多个置于前述小室内的阳极和阴极；

提供前述阳极和前述阴极上的多个导电翼片，这些翼片限定了多个小室；

按选定模式设置前述小室，以控制前述空间内等离子体的形状。

33.如权利要求32所述方法，其包括设置小室的大小以控制前述空间内前述等离子体的特性。

34.如权利要求33所述方法，可以设置前述小室的尺寸以控制前述等离子体的聚焦。

35.如权利要求33所述方法，可以设置前述小室的尺寸以控制前述等离子体的密度。

36.如权利要求33所述方法，其中可以控制前述等离子体，以生成某种几何模式。

Images