-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und
Verfahren zur Gasionisierung und insbesondere Reaktoren und Verfahren
für ein
kapazitiv gekoppeltes Gasplasma.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Reaktoren
für ein
kapazitiv gekoppeltes Plasma sind gewöhnlich aus einem Paar paralleler Plattenelektroden
aufgebaut, die einander zugewandt, parallel beabstandet und in einer
Unterdruckkammer angeordnet sind. Ein äußeres elektrisches Feld, das
ein Gleichspannungsfeld oder ein Wechselspannungsfeld ist, wird
an die gegenüberliegenden Elektroden
angelegt. Bei geringem Druck und bei einem geeigneten Abstand zwischen
den Elektroden kann ein stabiles Plasma erzeugt und aufrechterhalten
werden, indem das zwischen den Elektroden strömende Gas zuerst ionisiert
wird und dann eine Glimmentladung erzeugt wird. Mehrere Paare paralleler
Platten mit abwechselnder Polarität können beabstandet angeordnet
und/oder aufgestapelt sein, um mehrere Bereiche zu bilden, in denen
eine Plasmaentladung auftreten kann. Derartige Reaktoren für ein kapazitiv
gekoppeltes Plasma sind in einer Vielzahl von Industrien für Anwendungen
wie etwa das Ätzen
von Substraten, das Reinigen von Substraten, die Ablagerung einer
Substratschicht, die Gasbehandlung, als Ionenstrahlquelle sowie
für verschiedene
chemische Reaktionen in großem
Umfang verwendet worden.
-
Wie
der Ausdruck "kapazitiv
gekoppeltes Plasma" impliziert,
bilden die Elektroden einen Kondensator, der typischerweise vom
Parallelplattentyp ist. Der grundlegendste Typ besteht einfach aus
zwei ebenen Platten mit entgegengesetzter elektrischer Polarität und wird
häufig
als eine "Planardiode" bezeichnet. Die
Elektroden können
in einer Vielzahl von geometrischen Konfigurationen angeordnet sein,
die Konfigurationen mit gekrümmten
Oberflächen
enthalten, wie etwa konzentrische, parallel angeordnete Zylinder
oder konzentrische Kugeln mit parallel verlaufenden Tangenten. Die
Oberflächen
der Elektroden mit abwechselnder Polarität sind typischerweise in der
gesamten Struktur gleichmäßig beabstandet, um
die parallele Plattenbeziehung aufrechtzuerhalten. Die geometrische
Regelmäßig keit
und Symmetrie zwischen den Oberflächen der Elektroden in derartigen
Strukturen sollten für
die Herstellung eines gleichförmigen
elektrischen Feldes und somit eines gleichförmigeren Plasmas vorteilhaft
sein. Konkave oder konvexe Paare von Elektroden aus ebenen Platten
sind außerdem
verwendet worden, um die Intensität der Plasmakonzentration in
bestimmten Bereichen für
spezielle Anwendungen zu fokussieren oder zu defokussieren, wie
etwa Fixpunktsputtern, Fixpunktätzen
oder um eine fokussierte Ionenquelle zu schaffen. Mehrere Konstruktionen
aus kapazitiv gekoppelten parallelen Plattenelektroden mit unterschiedlichen
geometrischen Konfigurationen des Standes der Technik werden in
dem US-Patent Nr. 4.735.633 mit dem Titel "Method and System for Vapor Extraction
From Gases" gelehrt,
das an den Erfinder der vorliegenden Erfindung erteilt wurde und auf
den Anmelden der vorliegenden Erfindung übertragen ist. Die Elektrodenkonfigurationen,
die in dem Patent' 633
gelehrt werden, schaffen ein großes Verhältnis zwischen Oberflächenbereich
und Volumen für
kompakte Plasmareaktoren. Reaktoren, die Elektrodenkonfigurationen
verwenden, die in dem '633er Patent
gelehrt werden, sind in der Industrie erfolgreich verwendet worden,
um eine Reaktionseffizienz von mehr als 99% zu schaffen.
-
Neben
dem Elektrodenabstand ist der Betriebsdruck ein weiterer kritischer
Parameter für
die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Plasmas in Reaktoren für ein kapazitiv
gekoppeltes Plasma. Ein stabiles Glimmentladungsplasma kann bei
niedrigeren Drücken
wirkungsvoller und leichter aufrechterhalten werden. Das ist der
Fall, da die Herstellung und Aufrechterhaltung des Plasmas von der
Ionisierung von Gasmolekülen
in dem Reaktorvolumen abhängt,
um genügend
Sekundärelektroden
zu erzeugen, die an dem kaskadenförmigen Kollisionsionisierungsprozess
teilnehmen, um den Verlust von Elektronen (und Ionen) an den Elektrodenoberflächen zu kompensieren
und auszugleichen. Die mittlere freie Weglänge, d. h. die durchschnittliche
Strecke, die ein Primärelektron
in dem Reaktorvolumen zurücklegt, bevor
es mit einem Molekül
kollidiert, um Sekundärelektronen
zu erzeugen, hängt
vom Betriebsdruck ab. Im Allgemeinen gilt, je höher der Druck, desto kleiner ist
der Wert der mittleren freien Weglänge. Der Wert der mittleren
freien Weglänge
stellt eine Einschränkung
der Strecke dar, über
die die Primärelektronen in
dem elektrischen Potential zwischen den Elektroden beschleunigt
werden können,
um die Ionisierungsenergie zu erreichen, die erforderlich ist, um den
Ionisierungsprozess zu ermöglichen.
Deswegen gilt, je kleiner der Wert der mittleren freien Weglänge ist,
desto kleiner ist die Ionisierungsenergie, die ein Elektron bei
einem vorgegebenen Betriebspotential erreichen wird, bevor es mit
einem Gasmolekül
kollidiert, und desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass
eine Sekundärionisierung
erfolgt.
-
Bei
einem vorgegebenen Betriebsdruck bestimmt der Elektrodenabstand
die Anzahl der Ionisierungskollisionen, an denen ein Elektron beteiligt
ist, in der mittleren freien Weglänge, bevor es die Elektrodenoberfläche erreicht
und darin verschwindet. Bei einem sehr kleinen Elektrodenabstand
kann keine Glimmentladung erzeugt und aufrechterhalten werden. Dieser
Raum ist als Dunkelraum bekannt. Nachdem ein Plasma in dem Reaktorvolumen
gezündet
wurde, wird es selbst zu einer leitenden Schicht, die einer Elektrode
gleichbedeutend ist. Zwischen dem Plasma und den Elektroden gibt
es immer einen Raumspalt, in dem keine Glimmladungsionisierung erfolgt.
In diesem Spalt werden lediglich Ionen und Elektronen ohne weitere
Glimmionisierungsentladung beschleunigt und dieser Raum ist als "Dunkelraumblende" bekannt. Die Dicke
der Dunkelraumblende ist ebenfalls druckabhängig.
-
Der
Punkt, an dem die Gasmoleküle
durchbrechen und ein stabiles Glimmentladungsplasma erzeugt und
aufrechterhalten werden kann, hängt
somit von der Beziehung zwischen dem Potential des angelegten externen
elektrischen Felds, der Durchbruchspannung, dem Elektrodenabstand
und dem Betriebsdruck ab. Paschen hat experimentell festgestellt,
dass die Durchbruchspannung (V) sich mit dem Produkt aus Druck P
(in der Einheit Torr) und dem Elektrodenabstand d (in der Einheit
cm) verändert. Die
von Paschen gekennzeichneten Beziehungen sind als das Gesetz der
Glimmentladung bekannt und sind in den "Paschen-Kurven", die in 1 gezeigt
sind, wiedergegeben. 1 zeigt Paschen-Kurven 10 für mehrere
unterschiedliche Gase. Die Elektrodenkonstruktion für einen
Plasmareaktor mit kapazitiv gekoppelten Parallelplatten muss die
physikalischen Forderungen erfüllen,
die durch die Paschen-Kurven gezeigt sind.
-
Die
Paschen-Kurven 10 von 1 zeigen, dass
es eine minimale Durchbruchspannung (V) für jedes Gas für das Produkt
von Pd bei etwa 1 Torr·cm, d.
h. bei etwa 0,15 gibt. Das bedeutet praktisch, wenn der Abstand
zwischen parallelen Plattenelektroden auf etwa 1 cm festgelegt ist,
wird die niedrigste externe Spannung, die an die Elektroden angelegt
werden muss, um eine Ionisierung und einen Durchbruch eines mit
Unterdruck beaufschlagten Gases auszulösen, bei einem Druck von etwa
1 Torr erreicht. Wie aus den Paschen-Kurven 10 ersichtlich
ist, steigt bei einem vorgegebenen Elektrodenabstand d dann, wenn
der Druck P größer wird,
die minimale externe Spannung, die erforderlich ist, um den Durchbruchparameter
von 1 Torr·cm
zu erfüllen,
langsam an. Wenn der Druck jedoch verringert wird, steigt die minimal
erforderliche Spannung stark an (linear zu Pd). Somit kann z. B.
bei einer Spannungsversorgung, die eine maximale Spannung 1000 V
liefern kann, ein Reaktor mit einem festen Elektrodenabstand von etwa
1 cm bei Drücken
bis zu etwa 300 Torr für
Neongas z. B. für
Neonlicht-Anwendungen betrieben werden. Die gleiche 1000 V-Spannungsversorgung ist
jedoch nicht in der Lage, ein Plasma in Neongas bei Drücken unter
etwa 0,1 Torr zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, es sein denn der
Elektrodenabstand wird mehrfach vergrößert, so dass die Durchbruchspannung 15 der
Paschen-Kurve 10 bei einem Pd-Wert unterhalb der maximalen
Grenze der Spannungsversorgung von 1000 V auftritt.
-
In
einer praktischen Anwendung bestimmen somit die Beziehungen, die
in den Paschen-Kurven 10 gezeigt sind, den minimalen Elektrodenabstand und
somit die minimale Größe für einen
Reaktor bei einem vorgegebenen Wert der Spannungsversorgung und
Bereich des Betriebsdrucks. In den meisten Anwendungen ist es erwünscht, eine
Niederspannungsversorgung, entweder mit Wechselspannung oder Gleichspannung
statt einer Hochspannungsversorgung, wegen der grundsätzlich geringeren
Kosten von Niederspannungsversorgungen zu verwenden. Es ist außerdem erwünscht, einen
kleineren Abstand zwischen Elektroden zu verwenden, so dass der
Reaktor kleiner und kompakter wird. Wenn jedoch ein Betrieb bei
Drücken
unter etwa 0,5 Torr erfolgt, die in bestimmten Anwendungen erforderlich
sein können, wie
etwa bei vielen Halbleiterverarbeitungsanwendungen, muss der Elektrodenabstand
auf einige Zentimeter oder mehr vergrößert werden, wodurch die Reaktorgröße ansteigt,
oder es müssen
alternativ beträchtlich
teurere Hochspannungsversorgungen verwendet werden. Obwohl zusätzliche
Magnetfeldquellen verwendet könnten,
um das Plasma bei Betriebsanwendungen mit sehr niedrigem Druck zu
begrenzen, ist diese Lösung
bei hohen Kosten kompliziert und stört des Weiteren die kapazitive
Kopplung der angelegten und der abgeleiteten Plasmaenergie und führt weitere
Nebenwirkungen ein.
-
Das
oben erwähnte
Patent '633 lehrt,
die Effizienz eines Reaktors mit vorgegebener Größe maximal zu machen, indem
der Flächenbereich
der Elektroden in dem Reaktorvolumen auf eine spezielle Art maximal
zu machen, um die Reaktionseffizienz zu vergrößern. Obwohl der Reaktor, der
in dem Patent '633
gelehrt ist, hauptsächlich
für eine
Verwendung bei Anwendungen der Halbleiterherstellung vorgesehen
war, um schädliche
Abgase zu zerlegen und zu entsorgen, schafft die in dem Patent beschriebene Plasmabearbeitung
außerdem
ein sehr wirksames Mittel, um Materialien zu verarbeiten, wie etwa
durch Sputtern, Ätzen,
Ablagern, Oberflächenbehandlung usw.
Sie schafft außerdem
ein wirkungsvolles Reaktionsmittel von gasförmigen Chemikalien, um erwünschte Nebenprodukte
zu erzeugen, z. B. durch chemische Synthese, Polymerbildung, chemische Dissoziation
usw. Vorteile dieses Typs der Plasmabearbeitung gegenüber anderen
chemischen Verfahren enthalten einen wesentlich verringerten Energieverbrauch
und eine wesentlich verbesserte Reaktionseffizienz bei verhältnismäßig niedrigen
Temperaturen. Ein Plasmareaktor des im Patent '633 gelehrten Typs, der kommerziell
verwendet wurde, trägt
die Handelsmarke DryScrub® und wird durch den Anmelder
der vorliegenden Erfindung vertrieben. Wie in dem Patent '633 gelehrt ist,
nutzt der Reaktor DryScrub® den Vorteil eines großen Verhältnisses
zwischen Elektrodenflächenbereich
und Plasmavolumen und einen langen Gasströmungsweg, um die chemische Reaktion
an den Elektrodenflächen
maximal zu machen. Dies macht die Reaktionsrate und die Reaktionseffizienz
maximal im Vergleich zur Gasphasenreaktion im eigentlichen Gasstrom.
-
Wie
in dem Patent '633
gelehrt ist, beträgt
für ein
Paar paralleler Plattenelektroden der Flächenbereich jeder Oberfläche von
jeder Elektrode A und der Gesamtflächenbereich der zugewandten
Flächen des
Elektrodenpaars beträgt
2A. Das zwischen den Flächen
eingeschlossene Volumen beträgt
2Ad für einen
festen Abstand d zwischen den Elektroden. Für einen Niederdruckbetrieb
muss der Elektrodenabstand d aus den oben beschriebenen Gründen vergrößert werden.
Das Plasmavolumen vergrößert sich ebenfalls
mit einem Anstieg des Elektrodenabstands d und deswegen verringert
sich das Verhältnis
zwischen Oberflächenbereich
und Volumen umgekehrt proportional zu dem ansteigenden Abstand d.
Deswegen hat eine Verringerung des Betriebsdrucks einen Verlust
von einigen oder allen Flächenreaktionsvorteilen
zur Folge, es sei denn, der Flächenbereich der
Elektroden kann in irgendeiner Weise vergrößert werden. Eine Möglichkeit
zur Vergrößerung des
Flächenbereichs
der Elektroden besteht natürlich
darin, die Abmessungen des Reaktors und somit der Elektroden zu
vergrößern. Aus
verschiedenen Gründen, die
die Kosten sowie Anwendungs- oder Konstruktionseinschränkungen
enthalten, kann dies nicht erwünscht
oder sogar unmöglich
sein. Es muss deswegen eine Möglichkeit
gefunden werden, den Flächenbereich
der Elektroden in dem Reaktorvolumen zu vergrößern, ohne die Abmessung des
Reaktors unter anderem für
Niederdruckanwendungen zu vergrößern.
-
Beispiele
der verwandten Technik enthalten das Patent US-A-5.330.578, das
eine Plasmabehandlungsvorrichtung offenbart; das Patent US-A-4.735.633,
das ein Verfahren und ein System zum Entfernen von in einer Dampfphase
befindlichen Abfallstoffen aus ausströmenden Gasströmen offenbart;
das Patent US-A-5.543.688, das eine Plasmaerzeugungsvorrichtung
mit verschachtelten Elektroden und ein entsprechendes Verfahren
offenbart; und das Patent US-A-5.820.947, das ein Plasmabearbeitungsverfahren
und eine Dampfphasenvorrichtung offenbart, wobei eine Oberfläche einer
der Elektroden der Vorrichtung eine ungleichmäßige Form besitzt.
-
Die
vorliegende Erfindung widmet sich diesem Problem, indem sie ein
neues und einmaliges Elektrodendesign schafft. Eine Hauptaufgabe
des neuen Elektrodendesigns besteht darin, den Oberflächenbereich
der Elektroden im Wesentlichen zu vergrößern, ohne das Volumen des
Reaktors wesentlich zu vergrößern. Das
neue Elektrodendesign schafft sehr wirkungsvolle Elektrodenflächenreaktionen über einen
wesentlich vergrößerten Bereich
von Betriebsparametern in Parallelplatten-Reaktoren für ein kapazitiv gekoppeltes
Plasma sowie Verfahren des Typs, der im Patent '633 gelehrt ist, ohne eine wesentliche
Vergrößerung des
Reaktors. Daher vergrößert das
neue Elektrodendesign außerdem
den Anwendungsbereich für
derartige Reaktoren und Verfahren.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
herkömmliche
Denkweise, die in dem Patent '633
dargestellt ist, bestand darin, Paare von parallelen Plattenelektroden
zu bilden, wobei sich gegenüberliegende
Flächen
seitlich erstrecken und keinerlei Vorsprünge in das offene Volumen zwischen den
gegenüberliegenden
oder benachbarten Flächen
der Elektroden vorhanden sind. Es war unerwünscht, dass sich irgendwelche
Flächenabschnitte in
den Raum zwischen den Elektroden erstrecken oder vorstehen, da dies
den Abstand zwischen den Elektroden an diesem Punkt oder diesen
Punkten verringern würde.
Es bestand eine bedeutende Gefahr, dass dies einen Kurzschlussweg
erzeugen würde,
der eine Bogenentladung zwischen den Elektroden bewirken würde. Es
war deswegen erwünscht, die
Elektroden in der Weise zu entwerfen, dass ihre gegenüberliegenden
Flächen
möglichst
eben und möglichst
sanft gekrümmt
sein sollten, um dieses erkannte Problem zu vermeiden. Darüber hinaus
bestand aus den Gründen,
die oben in Bezug auf die Paschen-Kurven erläutert wurden, die Gefahr, dass eine
Verringerung des Abstands zwischen Elektroden die Erzeugung, die
Aufrechterhaltung und die Qualität
des Glimmentladungsplasmas nachteilig beeinflussen könnte. Dies
war der herkömmliche
Wissenstand bei Entwurf und Konstruktion von Elektroden.
-
Gemäß der Erfindung
werden eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen, die in den
unabhängigen
Ansprüchen
definiert sind. Bevorzugte Merkmale der Vorrichtung und des Verfahrens
sind in ihren entsprechenden abhängigen
Ansprüchen
definiert.
-
Zumindest
die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stehen in Bezug auf Entwurf und Konstruktion
der Elektrode im Widerspruch zum herkömmlichen Kenntnisstand. In
der Erfindung ist vorzugsweise ein Paar Elektroden mit abwechselnder
Polarität
mit mehreren "L-förmigen" und "7-förmigen" Rippenvorsprüngen konfiguriert,
um eine so genannte "L7"-Elektrodenstruktur
zu bilden. Die Vorsprünge
erstrecken sich vorzugsweise in den offenen Raum zwischen den benachbarten
gegenüberliegenden
Elektroden und sind verschachtelt angeordnet. Die Elektroden mit
ihren verschachtelten Vorsprüngen
bilden nahezu rechtwinklige "L7"-förmige Kanäle mit einem
oder mehreren Zwischenräumen
oder Spalten z. B. an einer oder mehreren diagonalen Ecken. Eine
großflächigere
Ausführungsform
verwendet einen Entwurf des Gittertyps, bei dem mehrere Paare von
Elektroden mit entgegengesetzter Polarität, die jeweils Vorsprünge aufweisen,
in der Weise zusammengefügt
sind, dass die Vorsprünge
in dem Raum zwischen den Elektroden verschachtelt sind. Die "L7"-Form mit den verschachtelten
Vorsprüngen
hält den
Elektrodenabstand d zwischen den parallelen gegenüberliegenden
Flächen der
Elektrodenpaaren aufrecht, vergrößert jedoch den
Elektrodenflächenbereich
in einem vorgegebenen Volumen um das Vierfache oder darüber hinaus. Zahlreiche
Vorsprung/Rippengeometrien sind möglich, einschließlich kontinuierlich
gekrümmte
Oberflächen
oder "W"-förmige Oberflächen, die
einen noch größeren Flächenbereich
pro Volumeneinheit schaffen können.
-
Eine
Plasmareaktor/Generator-Vorrichtung und ein Verfahren, das den "L7-Elektrodenentwurf gemäß der Erfindung
ausführt,
enthalten vorzugsweise einen Reaktorkörper mit einem offenen Innenvolumen.
Der Reaktorkörper
enthält
einen Gaseinlass und ein Gasauslass. Die Elektrodenvorrichtung ist vorzugsweise
als eine einteilige Baueinheit konfiguriert, die in das Innenvolumen
des Reaktors als eine Einheit eingesetzt und aus diesem entfernt
werden kann. Die Elektrodenbaueinheit ist typischerweise von dem
Reaktorkörper
elektrisch isoliert. In einem offenen System ist die Elektrodenbaueinheit
vorzugsweise im Innenraum des Reaktorkörpers eingeschlossen und definiert
vorzugsweise mehrere unterteilte Gasströmungswege zwischen dem Gaseinlass und
dem Gasauslass. In einem statischen oder geschlossenen System unterteilt
oder partitioniert die Elektrodenbaueinheit das Gasvolumen in mehrere Zellen,
was gemäß einem
gewünschten
Muster erfolgen kann. Eine Spannungsquelle, die mit der Elektrodenbaueinheit
elektrisch verbunden ist, erzeugt vorzugsweise ein Spannungspotential
zwischen Paaren von benachbarten Elektroden mit entgegengesetzter Polarität, das ausreichend
ist, um ein Plasma in einem ausgewählten Gas, das in dem Reaktor
verarbeitet werden soll, zu zünden
und aufrecht zu erhalten. In einer Ausführungsform der Erfindung wird
eine Gasströmung
in dem Gaseinlass mit einem ausgewählten Druck, einer ausgewählten Strömungsrate und
einer ausgewählten
Temperatur eingeleitet und durchläuft die unterteilten Strömungswege
angrenzend an die Oberflächen
der Elektroden zu dem Gasauslass. Ein Plasma mit mehreren unterschiedlichen Bereichen,
die vorzugsweise wenigstens teilweise in Verbindung stehen, wird
erzeugt und hat eine sehr effiziente und vollständige chemische Reaktion des Gases
an den Oberflächen
der Elektroden zur Folge, wobei der Reaktor dadurch einen ausgewählten Prozess
an dem Gas ausführt
oder das Gas verwendet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das
Plasma ein geschlossenes System, das ein Gas enthält. Das
Plasma wird in dem Gas gebildet, um beispielsweise Lumineszenz zu
erzeugen. In dieser Ausführungsform
ist die Erfindung ein Plasmagenerator.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
1 ist
eine graphische Darstellung, die Paschen-Kurven für mehrere
typische Gase veranschaulicht;
-
2 ist
eine graphische Darstellung eines Abschnitts eines Paars herkömmlicher
kapazitiv gekoppelter Parallelplattenelektroden des Typs, der in herkömmlichen
Plasmareaktoren mit kapazitiv gekoppelten parallelen Platten verwendet
wird;
-
3 ist
eine graphische Darstellung eines Abschnitts eines Paars kapazitiv
gekoppelter Parallelplattenelektroden, die eine bevorzugte "L7"-Konfiguration gemäß der vorliegenden
Erfindung ausführen;
-
4 ist
eine Stirnansicht des Paars von "L7"-Elektroden, die
in 3 gezeigt sind;
-
5 ist
eine seitlich geschnittene graphische Darstellung eines gestapelten
Gitters von "L7"-Elektrodenpaaren
mit verschachtelten Rippen, die eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst;
-
6 ist
eine Draufsicht eines Abschnitts einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform
einer ersten Elektrode, die ein "L7"-Elektrodenpaar mit
der zweiten Elektrode von 7 bildet,
zur Verwendung in einem gestapelten Gitter von "L7"-Elektrodenpaaren,
wie in 5 graphisch dargestellt ist;
-
7 ist
eine Draufsicht eines Abschnitts einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform
einer zweiten Elektrode, die ein "L7"-Elektrodenpaar
mit der ersten Elektrode von 6 bildet,
zur Verwendung in einem gestapelten Gitter von "L7"-Elektrodenpaaren,
wie in 5 gezeigt ist;
-
8 ist
eine geschnittene Draufsicht, die ein bevorzugtes "L7"-Elektrodenpaar zeigt,
das die übereinander
liegenden Elektroden von 6 und 7 umfasst;
-
9 ist
eine Seitenansicht einer bevorzugten Elektrodenbaueinheit, die ein
gestapeltes Gitter von "L7"-Elektrodenpaaren
umfasst, wie in den 6–8 gezeigt
ist;
-
10 ist
eine weitere Seitenansicht aus einer anderen Höhe der bevorzugten Elektrodenbaueinheit
von 9; und
-
11 ist
eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Gasplasmareaktors mit
kapazitiv gekoppelten parallelen Platten, der die vorliegende Erfindung
ausführt.
-
BESCHREIBUNG
DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Eine
Beschreibung der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung erfolgt nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
-
2 zeigt
eine graphische Darstellung eines herkömmlichen Elektrodenpaars 20 mit
kapazitiv gekoppelten parallelen ebenen Platten des Typs, der gegenwärtig in
nahezu allen herkömmlichen
Konstruktionsformen von Plasmareaktoren verwendet wird. Das Elektrodenpaar 20 umfasst
eine erste Plattenelektrode 22 und eine zweite Plattenelektrode 24. Die
erste und die zweite Plattenelektrode 22 und 24 weisen
jeweils eine erste und eine zweite Oberfläche auf, wobei jede Oberfläche einen
Bereich A besitzt. Die einander zugewandten Oberflächen der
ersten und der zweiten Elektrode 22 und 24 sind
um einen festen Abstand d voneinander getrennt oder beabstandet.
Die Plattenelektroden umfassen die Platten eines Kondensators des
Typs mit parallelen Platten, wobei jede Elektrode mit dem entgegengesetzten Anschluss
einer Spannungsversorgung 26 elektrisch gekoppelt ist,
die entweder vom Wechselspannungstyp oder vom Gleichspannungstyp
ist. Die Elektroden 22 und 24 sind somit zu einem
bestimmten Zeitpunkt von dem Typ mit entgegengesetzter Polarität, so dass
ein Spannungspotential (V) zwischen ihnen vorhanden ist, um ein
Glimmentladungsplasma in einen Gas, das in dem Raum zwischen den Elektroden
strömt,
zu zünden
und aufrechtzuerhalten. Eine einfache Berechnung zeigt, dass der
Gesamtelektrodenflächenbereich
angrenzend an den offenen Raum zwischen den Elektroden 2A beträgt und das
Gesamtvolumen des Raums zwischen den beiden Elektroden Ad beträgt. Das
Verhältnis
zwischen Elektrodenflächenbereich
und Volumen beträgt
somit 2/d cm–1 und
für einen
gemeinsamen Elektrodenabstand von etwa 1 cm beträgt das Verhältnis von Flächenbereich
und Volumeneinheit etwa 2.
-
Das
Oberflächenreaktionsprinzip,
das im Patent '633
nach dem Stand der Technik gelehrt wird, beruht auf der Erkenntnis,
dass bei einem Betrieb in einer Niederdruckumgebung eine stabile
Glimmentladung einfach aufrechterhalten werden kann. Indem der Elektrodenflächenbereich
pro Einheit des Plasmavolumens in dem Reaktor maximal gemacht wird, können Elektrodenflächenreaktionen
maximal gemacht werden. Ein großer
Oberflächenbereich schafft
eine große
Reaktionsstelle für
die Gase, um an der Oberfläche
zu reagieren. Absorbierte und adsorbierte Gasmoleküle können leicht
eine Stelle auf der Oberfläche
finden und eine vollständige
Besetzungsüberdeckung
stellt sicher, dass dann, wenn ein Ion oder Elektron die Oberfläche trifft,
eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass eine chemische Reaktion
erzeugt wird. Die Zündung
und Aufrechterhaltung der Glimmladung hängt vom Betriebsdruck und dem
Elektrodenabstand ab, wie durch die Paschen-Kurven von 1 dargestellt
ist. Die allgemeine Faustregel besteht darin, dass für eine Parallelplattenelektrode,
bei der das Produkt aus dem Abstand Anode-Katode d (cm) und dem
Betriebsdruck P (Torr) d. h. Pd Torr·cm bei einem Wert von etwa
1 Torr·cm
liegt, die minimale Durchbruch- oder Plasmazündspannung für die meisten
Gase bei einem Elektrodenpotential von etwa 250–350 Volt liegt.
-
Für Betriebsdrücke zwischen
etwa 500 und 1000 mTorr beträgt
z. B. der optimale Abstand zwischen den Parallelplattenelektroden
etwa 1 cm. Wenn der Betriebsdruck über diesen Bereich angehoben
wird, könnte
der Abstand d geringfügig
verkleinert werden, um den optimalen Bereich der Durchbruch- oder
Plasmazündspannung
aufrechtzuerhalten. Wenn der Druck jedoch unter diesen Bereich verringert
wird, müsste
der Abstand d drastisch vergrößert werden,
um die optimale Durchbruchspannung aufrechtzuerhalten. Mit anderen
Worten, bei Änderungen
an dem erforderlichen Betriebsdruck muss der Abstand d geändert werden,
um das Betriebsprodukt Pd möglichst
nahe an dem Wert 1 aufrechtzuerhalten, wenn es erwünscht ist,
die Durchbruch- oder Zündspannung
möglichst
nahe an dem minimalen Wert zu halten. Andernfalls muss bei einem
Niederdruckbetrieb die Spannungsversorgung in der Lage sein, sehr
hohe Spannungen bereitzustellen, die deutlich über 1000 V liegen.
-
Deswegen
ist die Vergrößerung des
Elektrodenabstands d ein typischer Lösungsansatz, der jahrelang
in der Industrie verwendet wurde. Das Verfahren zum reaktiven Ionenätzen (RIE),
das zum Plasmaätzen
von Substraten verwendet wird, wie etwa Halbleiter, verwendet z.
B. eine kapazitiv gekoppelte Elektrode und einen Betriebsdruck im
Bereich von 10 bis 100 mTorr. In kommerziellen Reaktoren liegt der Elektrodenabstand
d in der Größenordnung
von 5–15 cm.
Dies hat eine verhältnismäßig niedrige
Durchbruchspannung sowie die Minimierung einer selbstinduzierten
Vorspannung zur Folge, die einen unerwünschten Strahlungsschaden an
dem Substrat zur Folge haben kann, das durch eine Bombardierung durch
energiereiche Elektronen und Ionen geätzt wird. Die Verwendung des
größeren Elektrodenabstands
d bewältigt
die Schwierigkeiten beim Auslösen
einer Gasionisierung und der Zündung
und Aufrechterhaltung eines Plasmas, wie durch die Paschen-Beziehungen
angegeben ist. Der größere Elektrodenabstand
hat jedoch die unerwünschten
Effekte der Vergrößerung des
Plasmavolumens zur Folge, wodurch ein größerer Reaktorraum und ein größerer Elektrodenflächenbereich
erforderlich sind, wodurch die Kosten bedeutend ansteigen. Um eine Elektrode
zu konstruieren, die den gleichen Flächenbereich besitzt und bei
einem niedrigen Druck betrieben wird, müssen der Elektrodenabstand
und somit das Volumen um das Mehrfache vergrößert werden. Wenn jedoch der
Reaktor mit Elektroden entworfen wird, die einen größeren Flächenbereich
aufweisen, kann er aus der praktischen Verwendung in Hochdruckbereichen
ausgenommen werden, da das Produkt Pd auf dem ansteigenden Ende
der Hochdruckseite der Paschen-Kurve
liegt.
-
Nahezu
alle funktionsfähigen
Parallelplatten-Plasmareaktoren sind heutzutage auf der Grundlage
der genannten Prinzipien entworfen. Wenn z. B. der Elektrodenabstand
d etwa 1 cm beträgt,
ist es verhältnismäßig einfach,
ein Glimmladungsplasma bei einem Druck von etwa 1 Torr für nahezu
alle verwendbaren Gase zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Wenn
der Abstand d 2 cm betragen würde,
würde der
optimale Betriebsdruck bei 0,5 Torr liegen. Die Paschen-Beziehungen
legen außerdem
nahe, dass für
einen festen Elektrodenabstand d die Fähigkeit, ein Plasma zu erzeugen
und aufrechtzuerhalten, allmählich
immer schwieriger wird, wenn der Betriebsdruck ansteigt, und die
minimale Durchbruchspannung bei ansteigendem Druck langsam größer wird. Wenn
dagegen der Betriebsdruck sinkt, steigt die minimale Durchbruchspannung,
um das Plasma auszulösen,
rasch an und es ist viel schwieriger, ein Plasma zu erzeugen und
aufrechtzuerhalten. Die Vergrößerung der
minimalen Durchbruchspannung, wenn der Betriebsdruck größer wird,
wird physikalisch durch die Tatsache erklärt, dass bei höheren Betriebsdrücken die
mittleren freien Weglängen
der Gasmoleküle,
Atome und ionisierten Ionen sowie der Elektronen in dem Raum zwischen
den Elektroden kürzer
sind. Deswegen können
Mehrfachkollisionen zwischen angeregten Molekülen, Atomen, Ionen und Elektronen
auftreten, bevor die angeregten Teilchen die Elektroden erreichen.
Bei jeder Kollision verliert ein angeregtes Teilchen Energie und
geht von einem höheren
Energiezustand zu einem niedrigeren Energiezustand über. Mit
der Zeit stehen immer weniger Teilchen, die einen ausreichend hohen
Energiezustand haben, um eine Sekundärionisierung auszulösen, zur
Verfügung
und die sekundäre
Erzeugung von Ionen und Elektronen erfolgt lokal und ist schwieriger.
Dieser Zustand erfordert dann eine höhere externe Betriebsspannung,
um den Ionisierungs-Durchbruchprozess zu erzeugen und zu unterstützen, um das
Plasma aufrechtzuerhalten.
-
Bei
niedrigeren Betriebsdrücken
verringern längere
mittlere freie Weglängen
die Anzahl von Kollisionen der angeregten Teilchen in dem Raum zwischen
den Elektroden. In diesem Fall haben Primärelektronen, die zwischen den
Elektroden durch die von der extern angelegten Spannung (Wechselspannung
oder Gleich spannung) beschleunigt werden, eine größere Chance
der Kollision mit einer Elektrode, bevor sie mit einem Gasmolekül kollidieren,
um ein neutrales Teilchen zu ionisieren und weitere Sekundärelektronen
zu erzeugen. Ein rascherer Verlust von Primärelektronen kombiniert mit
der Erzeugung von weniger Sekundärelektronen
erfordert eine höhere
Spannung von der externen Quelle, um ein stärkeres elektrisches Feld und
Elektronen mit höherer Energie
zu erzeugen, um die Auslösung
des Ionisierungsprozesses sicherzustellen und das Plasma aufrechtzuerhalten.
Eine höhere
Feldspannung beschleunigt jedoch die Elektronen schneller und verkürzt die
Zeit, bevor sie an den Elektroden verloren gehen, wodurch die Wahrscheinlichkeit
von Kollisionen für
die Sekundärelektronenerzeugung
geringer wird. Wenn der Betriebsdruck verringert wird, steigt demzufolge
die minimale Durchbruchspannung, die erforderlich ist, um das Plasma
auszulösen
und aufrechtzuerhalten, rasch an.
-
In
vielen der gegenwärtigen
Anwendungen von Plasmareaktoren z. B. Anwendungen der Halbleiterherstellung,
muss der Plasmareaktor in Druckbereichen unter 100 mTorr betrieben
werden. Für
einen Betrieb bei derartigen niedrigen Drücken muss der Elektrodenabstand
in diesen Reaktoren vergrößert werden,
so dass das Plasma bei einer angemessenen Spannung erzeugt und aufrechterhalten
werden kann, die unter einem Wert von etwa 1000 V liegt. Selbst
dann sind Hochspannungs-Plasmageneratoren viel kostenintensiver
als Niederspannungsgeneratoren. Um ferner die gleiche Leistung abzuleiten,
P = IV, bedeutet ein Betrieb bei einer hohen Spannung, dass ein
kleinerer Strom in dem Plasma abgeleitet wird. Da die beteiligten
chemischen Reaktionen einen Elektronenaustausch benötigen, impliziert
ein kleinerer Strom eine kleinere chemische Reaktionsrate. Um die
Effizienz des Plasmareaktors zu verbessern, wäre es deswegen stärker zu
bevorzugen, ein Plasma bei einer geringen Spannung und einem großen Strom
zu verwenden.
-
Es
ist gleichzeitig erwünscht,
die erfolgreichen Merkmale von Reaktorentwürfen nach dem Stand der Technik
zu bewahren, die in dem Patent '633
gelehrt werden, wie etwa der Aufbau mit parallelen Platten, ein
optimaler Elektrodenabstand, ein großes Verhältnis zwischen Oberflächenbereich
und Volumen, lange Strömungswege
und eine kompakte Basisfläche.
-
Die 3 und 4 liefern
eine graphische Darstellung der grundlegenden "L7"-Parallelplatten-Elektrodenkonfiguration,
die eine grundlegende bevorzugte Ausfüh rungsform der vorliegenden
Erfindung umfasst. Wie oben beschrieben wurde, überwindet die "L7"-Elektrodenanordnung
die oben beschriebenen Nachteile, die im Stand der Technik vorhanden
sind, während
die erfolgreichen Merkmale von Entwürfen nach dem Stand der Technik,
die in dem Patent '633
gelehrt werden, bewahrt bleiben.
-
Die "L7"-Elektrodenanordnung
umfasst eine erste Parallelplattenelektrode 32 und eine
zweite Parallelplattenelektrode 34, die in einer herkömmlichen gegenüberliegenden
Beziehung angeordnet sind. Die Elektroden 32 und 34 sind
jeweils mit entgegengesetzten Anschlüssen einer Spannungsversorgung 36 elektrisch
verbunden, die vom Wechselspannungstyp oder vom Gleichspannungstyp
sein kann, der für
eine Verwendung in Plasmareaktoren mit kapazitiv gekoppelten Parallelplatten
geeignet ist. Deswegen besitzen die Elektroden 32 und 34 eine
entgegengesetzte Polarität.
Jede Elektrode besitzt eine erste Oberfläche 33a, 35a und
eine zweite Oberfläche 33b, 35b.
In der bevorzugten Ausführungsform sind
die erste und die zweite Oberfläche
einteilig ausgebildet und im rechten Winkel gebildet, obwohl Variationen
sowohl beim Aufbau als auch bei der Winkelbeziehung möglich sind.
Die Oberflächen 33a und 35a sind
um einen festen Abstand d voneinander beabstandet und ihre gegenüberliegenden
Flächen
verlaufen parallel zueinander. In ähnlicher Weise sind die Oberflächen 33b und 35b um
einen festen Abstand d voneinander beabstandet und ihre gegenüberliegenden
Flächen
verlaufen parallel. Die Oberflächen 33b und 35b stehen
in den offenen Raum zwischen den parallelen Oberflächen 33a und 35a vor oder
erstrecken sich in diesen, so dass das distale Ende der Oberfläche 33b sich
der Oberfläche 35a nähert und
das distale Ende der Oberfläche 35b sich der
Oberfläche 33a nähert. Somit
kann die beschriebene "L7"-Anordnung des Elektrodenpaars
einen angenähert
rechteckigförmigen
langen Kanal bilden oder einen Kanal in einzelne Zellen unterteilen.
Die Kanäle
oder Zellen sind vorzugsweise nicht vollständig geschlossen. Kleine Spalten
sind an einer oder mehreren diagonal gegenüberliegenden Ecken vorgesehen,
so dass die Elektroden um einen Abstand d' zwischen dem distalen Ende der Oberfläche 33b und
der Oberfläche 35a sowie
dem distalen Ende der Oberfläche 35b und
der Oberfläche 33a beabstandet sind.
Jede der Oberflächen 33a, 33b, 35a und 35b besitzt
einen Flächenbereich
von angenähert
A.
-
Auf
diese Weise wird das Verhältnis
zwischen Oberflächenbereich
und Plasmavolumen durch die bevorzugte "L7"-Elektrodenanordnung stark
vergrößert, während der
gleiche Elektrodenabstand d eingehalten wird. Der Gesamtflächen bereich, der
durch die vier Oberflächen
an dem rechteckförmigen
Kanal oder der Zelle dargestellt wird, beträgt z. B. 4A. Das Gesamtvolumen
bleibt Ad wie in der herkömmlichen
Parallelplatten-Elektrodenanordnung von 2. Deswegen
beträgt
das Verhältnis
zwischen Oberflächenbereich
und Volumen der "L7"-Elektrodenpaaranordnung
angenähert
4/d cm–1 oder
das Zweifache des Verhältnisses
von herkömmlichen
Parallelplatten-Elektrodenpaaranordnungen.
-
Die "L7"-Elektrodenpaaranordnung
widerspricht der herkömmlichen
Denkweise in Bezug auf den Entwurf von Parallelplatten-Elektrodenpaaren. Die
herkömmliche
Denkweise ist gegen die Anordnung von Vorsprüngen oder Erstreckungen, wie
etwa die Oberflächen 33b und 35a,
in den Raum zwischen den parallelen Oberflächen 33a und 35a sowie
entschieden gegen die Anordnung in enger Nähe zu diesen Oberflächen. Die
herkömmliche
Denkweise bestand darin, dass bei den hohen Spannungspotentialen,
die in vielen Reaktoranwendungen verwendet werden, eine Bogenentladung
zwischen den benachbarten Elektroden auftritt. Durch eine erneute
Prüfuntersuchung
der Bedeutung der Paschen-Kurven von 1 mit einem
tieferen Verständnis
hat der Erfinder des "L7"-Elektrodenentwurfs
jedoch festgestellt, dass in den Niederdruckbereichen, bei denen
die "L7"-Elektrode wahrscheinlich
Anwendung findet, der Raumspalt d' zwischen den Elektroden 32 und 34 mit entgegengesetzter
Polarität
an den Ecken ausreichend klein gemacht werden kann, so dass das
Produkt Pd' lediglich
ermöglicht,
dass in dem Spalt kann bei einem Wert der Durchbruchspannung, der
höher ist
als die von der Spannungsversorgung bereitgestellte Spannung, ein
Plasma erzeugt und aufrechterhalten werden. Deswegen ist unter diesen
Bedingungen in den Spalten kein Plasma vorhanden. Außerdem werden
Befürchtungen
von Bogenentladungen und Kurzschlüssen unter diesen Betriebsbedingungen
vermieden, da der Spaltraum d' einen
Abstand darstellt, der für
Elektronen zu kurz ist, um ausreichend zu beschleunigen, um eine
Ionisierung zu bewirken. Eine Bogenentladung oder ein Kurzschluss kann
nur auftreten, wenn eine ununterbrochene Ionisierung einen leitenden
Weg (wie einen Lichtbogenweg) zwischen den Elektroden erzeugt. Diese
Bedingungen können
unter dem Niederdruck-Betriebsregime, in dem eine Verwendung der "L7"-Elektrode hauptsächlich vorgesehen
ist, physikalisch nicht vorhanden sein. Der Raumspalt d' < 0,5 cm mit einem Elektrodenabstand
d = 2 cm könnte
z. B. einen Betrieb der Elektrode bei einem Druck unter 0,1 Torr
bei einer Versorgungsspannung unter 1000 V ermöglichen. Wenn der Betriebsdruck
auf einen verhältnismäßig hohen
Druck wie etwa 2 Torr erhöht
wird, kann ein geeignetes Plasma trotzdem erzeugt und aufrechterhalten
werden und wird wahr scheinlich die Spaltbereiche einschließen, solange
jedoch der Spaltabschnitt d' ausreichend
klein gehalten wird, wird über
die Spalte keine Bogenentladung oder kein Kurzschluss auftreten.
-
Ein
weiterer Grund, warum der Erfinder festgestellt hat, dass Bogenentladung
und Kurzschluss über
kurze Spaltenabstände
d' keine Gefahr
darstellen, besteht darin, dass die kritische Forderung für Bogenentladung
das Vorhandensein eines Punkts der Ladungskonzentration ist, so
dass ein Leitungsweg für
einen großen
Strom zwischen dem Punkt der Entladung und der entgegengesetzten
Elektrode erzeugt wird. Bei dem "L7"-Elektrodenpaarentwurf
bilden die Elektroden einen Leitungsweg in der Weise, dass eine
verteilte Entladung längs
der gesamten Leitung (statt eines Punktes) zwischen ihnen vorhanden
ist. Dadurch wird keine ausreichende Spannung an irgendeinem Punkt
an den Elektroden bei den erwarteten Betriebsbedingungen aufgebaut,
um eine Feldemission auszulösen,
wobei die Elektronen ein ausreichend hohes Spannungspotential über dem Durchbruchspannungspotential
haben, um den gesamten Leitungsweg zwischen den Elektroden zu ionisieren.
Mit anderen Worten, da das Plasma, das zwischen den Elektroden in
der "L7"-Form erzeugt wird,
längs den
gesamten gegenüberliegenden Oberflächen der
Elektroden gut verteilt ist, wird an allen Punkten, einschließlich der
Punkte, die den Ecken am nächsten
sind, an denen sich die Elektroden in größter gegenseitiger Nähe befinden,
ein unzureichendes Potential dafür
erzeugt, dass ein vollständiger
Leitungsweg zwischen den Elektroden ionisiert werden kann und eine
Bogenentladung auftritt. Deswegen stellen Bogenentladung und Kurzschluss trotz
gegenteiliger Auffassung der herkömmlichen Denkweise keine Gefahr
dar.
-
Ein
weiteres vorteilhaftes Merkmal der "L7"-Elektrodenanordnung
besteht darin, dass sie tatsächlich
einen veränderlichen
Abstand zwischen den bevorzugten senkrechten Oberflächen der
Elektrodenpaare schafft. Der Bereich des wirkungsvollen Abstands
erstreckt sich von dem Spaltraumabstand d' zu dem Abstand d zwischen gegenüberliegenden parallelen
Oberflächen
der Elektroden, d. h. die Oberflächen 33a und 35a oder 33b und 35b.
Tatsächlich
gibt es einen noch größeren trennenden
Abstand zwischen den Elektroden längs der Diagonalen von der
Ecke mit dem geschlossenen Ende zu der Ecke mit dem geschlossenen
Ende der anderen Elektrode, d. h. von dem Punkt, an dem die Oberfläche 33a auf
die Oberfläche 33b trifft,
zu dem Punkt, an dem die Oberfläche 35a auf
die Oberfläche 35b trifft.
Dadurch schafft der neue Entwurf wirklich einen veränderlichen
Abstand zwischen den Elektroden, um einen optimalen Betrieb bei
verschiedenen Drücken zu
gewährleisten.
Der Elektrodenentwurf schafft dadurch eine einfache und wirkungsvolle
Auslösung und
Aufrechterhaltung eines Plasmas über
einen großen
Bereich von Betriebsbedingungen. Wie im Folgenden genauer erkannt
werden kann, kann dieses Entwurfsmerkmal erweitert werden. Zum Beispiel kann
mit einem Elektrodenentwurf in Hornform, der ein offenes Ende mit
einem kleineren Querschnitt aufweist als das geschlossene Ende,
ein veränderlicher
Abstandsbereich erreicht werden, wodurch für das Plasma ein optimaler
Abstand unter den Betriebsbedingungen ausgewählt werden kann, um das Plasma
in einfacher Weise auszulösen.
-
Der
veränderliche
Elektrodenabstand, der bei dem "L7"-Entwurf und seinen
Erweiterungen vorhanden ist, ist ein wesentliches Merkmal. Nachdem ein
Plasma gezündet
wurde, wird es zu einer leitenden Schicht, die selbst als eine Elektrode
wirkt, wobei in dieser viele leitende Elektronen vorhanden sind. Dadurch
ist das Plasma selbst eine zusätzliche
Elektronenquelle, um den Verlust von Elektronen an die Elektroden
auszugleichen. Deswegen ist ein leicht gezündetes Plasma ein leicht aufrechterhaltendes Plasma,
was bedeutet, dass der "L7"-Elektrodenentwurf
ermöglicht,
Plasma über
einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen leicht und effizient
auszulösen
und aufrechtzuerhalten.
-
5 stellt
graphisch die Erweiterung des grundlegenden "L7"-Elektrodenpaarentwurfs
zu einer Konfiguration einer Elektrodenbaugruppe aus gestapelten
Elektrodenpaaren dar. 5 zeigt vier Elektroden 52, 54, 56 und 58,
die in einer vertikalen Konfiguration gestapelt sind. Jede Elektrode
besitzt zwei gegenüberliegende
Oberflächen,
d. h. die Elektrode 52 besitzt gegenüberliegende Oberflächen 52a und 52b,
die Elektrode 54 besitzt gegenüberliegende Oberflächen 54a und 54b,
die Elektrode 56 besitzt gegenüberliegende Oberflächen 56a und 56b und die
Elektrode 58 besitzt gegenüberliegende Oberflächen 58a und 58b.
Die Elektroden sind so gestapelt, dass alle ihre Oberflächen zueinander
parallel verlaufen, d. h. die Oberflächen 52a, 52b, 54a, 54b, 56a, 56b, 58a und 58b verlaufen
alle parallel zueinander. Die Elektroden 52 und 56 sind
gemeinsam mit einem Anschluss einer geeigneten Wechselspannungs- oder
Gleichspannungsversorgung 60 verbunden und die Elektroden 54 und 58 sind
mit dem entgegengesetzten Anschluss der Spannungsversorgung 60 verbunden.
Folglich wechselt die Polarität
benachbarter Elektroden in der gestapelten Baugruppe und jedes benachbarte
Paar von gestapelten Elektroden bildet ein Paar mit entgegengesetzter
Polarität.
Somit bilden die Elektroden 52 und 54 ein Paar
mit entgegengesetzter Polarität,
die Elektroden 54 und 56 bilden ein weiteres Paar
und die Elektroden 56 und 58 bilden noch ein weiteres
Paar. Es ist anzumerken, dass beide gegenüberliegenden Seiten, z. B. 54a und 54b der
Elektroden, z. B. der Elektrode 54 verwendet werden, wodurch
sich der Elektrodenoberflächenbereich für chemische
Reaktionen, die in den Reaktor auftreten, stark vergrößert. In Übereinstimmung
mit der grundlegenden Philosophie des "L7"-Entwurfs
besitzt jede Elektrode mehrere "Rippen" oder Vorsprünge 64,
die sich im rechten Winkel von ihren gegenüberliegenden Oberflächen in
den Raum zwischen benachbarten Elektroden erstrecken. Somit erstrecken sich
die Rippen 64, die sich von der Oberfläche 52b der Elektrode 52 erstrecken,
und die Rippen 64, die sich von der gegenüberliegenden
Oberfläche 54a der benachbarten
Elektrode 54 erstrecken, jeweils in den offenen Raum zwischen
den benachbarten Elektroden in die Nähe der benachbarten Elektrode.
Es ist in der gezeigten Weise aus verschiedenen Gründen bevorzugt,
dass die Rippen an benachbarten Elektroden eines Elektrodenpaars
in einer abwechselnden oder verschachtelten Anordnung angeordnet
sind. Zum einen hilft dies, das Plasma zwischen den benachbarten
Elektroden jedes Elektrodenpaars zu verteilen, was wiederum sicherzustellen
hilft, dass kein Punkt von Ionisierungsquellen eine Bogenentladung
oder einen Kurzschluss zwischen den Elektroden zur Folge hat. Wie
später
erläutert
wird, hilft dies außerdem,
das Plasma aufzufächern,
was ein qualitativ besseres Plasma und deswegen eine verbesserte
Reaktionseffizienz zur Folge hat. Es sichert des Weiteren einen
langen und kreisförmigen
Strömungsweg
für das
Gas, das in dem Reaktor behandelt wird, wodurch ebenfalls die Reaktionseffizienz verbessert
wird.
-
Diese
Erweiterung des grundlegenden "L7"-Elektrodenentwurfs
bewahrt die Verbesserung in dem Verhältnis zwischen Oberflächenbereich
und Plasmavolumen in Bezug auf frühere Parallelplatten-Elektrodenkonfigurationen
und vervielfacht dieses Verhältnis
durch das Stapeln von Elektrodenpaaren in dem Reaktorvolumen. Es
wird angenommen, dass der Abstand zwischen benachbarten Rippen 64 der
gleichen Elektrode, z. B. der Elektrode 52d ist und der
Abstand zwischen gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter
Elektroden in jedem Paar, z. B. der Oberfläche 52b der Elektrode 52 und
der Oberfläche 54a der
Elektrode 54 ebenfalls d ist. Es wird außerdem angenommen,
dass der Oberflächenbereich
zwischen den benachbarten Rippen an jeder Elektrode A ist und dass
der Oberflächenbereich
jeder Rippe ebenfalls angenähert
A ist. Dann beträgt
in jeder "Zelle", die durch benachbarte
Rippen einer Elektrode, z. B. der Elektrode 52 und die
gegenüberliegenden
parallelen Oberflächen
der benachbarten Elektroden jedes Paars, z. B. die Oberflächen 52b und 54a begrenzt
ist, der Gesamtelektrodenbereich 4A. Wie bei herkömmlichen
Parallelplatten-Elektrodenentwürfen
wird der Elektrodenabstand d aufrechterhalten und deswegen beträgt das Verhältnis zwischen
Elektrodenoberflächenbereich
zum Plasmavolumen für
das Plasma in jeder Zelle oder in jedem Kanal angenähert 4/d
cm–1.
-
Die
Philosophie des "L7"-Entwurfs kann ferner
erweitert werden, um ein noch größeres Verhältnis zwischen
Oberflächenbereich
und Volumen zu schaffen, indem die angenähert rechteckförmigen "L7"-Kanäle weiter
in kubische Zellen unterteilt werden, die einen Abstand von angenähert d aufweisen, indem
zusätzliche
Rippenelemente als Trennelemente hinzugefügt werden. Dies hat zur Folge,
dass das Plasma in jeder angenähert
kubischen Unterteilung ein Verhältnis
zwischen Oberfläche
und Volumen von angenähert
6/d cm–1 aufweist.
-
Obwohl
die gestapelte "L7"-Elektrodenbaueinheit
von 5 im Querschnitt gezeigt ist, wird ein Fachmann
verstehen, dass die Elektroden 52–58 verschiedene Formen
aufweisen können.
Wie im Folgenden beschrieben wird, kann z. B. jede der Elektroden
rund sein. Obwohl in ähnlicher
Weise die Rippen 64 im Querschnitt gezeigt sind, ist klar,
dass die Rippen verschiedene Formen aufweisen können, die geradlinige Oberflächen, gekrümmte Oberflächen "U"-förmige, "V"-förmige, "W'-förmige
und trichterförmige
Oberflächen
enthalten. Des Weiteren müssen die
Elektroden keine ununterbrochenen Oberflächen aufweisen, sondern können eine
oder mehrere Öffnungen
enthalten, um eine Gasströmung
zu erleichtern. Die Rippen 64 müssen in ähnlicher Weise keine ununterbrochenen
Oberflächen
aufweisen, sondern können
für den
Zweck der Gasströmung
und der Plasmaverbindung Öffnungen
besitzen.
-
Ferner
können
die Abmessungen und geometrischen Formen der Zellen verändert werden,
um das Plasma zu modulieren. Zum Beispiel kann die Plasmaintensität zwischen
den Zellen gemäß einem gewünschten
Muster moduliert werden. Es können Bereiche
zum Fokussieren und Defokussieren des Plasmas erzeugt werden. Außerdem können Plasmagitter
und Pixel erzeugt werden. Derartige Modulationseffekte können periodisch
oder nach anderen gewünschten
Mustern erfolgen.
-
Ähnlich wie
bei dem grundlegenden "L7"-Entwurf erstrecken
sich die Rippen 64 benachbarter Elektroden, z. B. der Elektrode 52 und 54 in
die Nähe
zu den gegenüberliegenden
Oberflächen
des Elektrodenpaars, z. B. die Oberflächen 52b und 54a, bleiben
jedoch um einen Spaltabstand d' getrennt. Aus
den gleichen Gründen,
die oben in Bezug auf den grundlegenden "L7"-Elektrodenentwurf
erläutert wurden,
stellen Bogenentladung und Kurzschluss zwischen den Elektroden kein
Problem dar, wenn der Spaltabstand d' ausreichend klein gehalten wird.
-
In
den 6 bis 8 sind Beispiele bevorzugter
Formen von Rippenelementen, Elektroden und Elektrodenbaueinheiten
gezeigt. 6 ist eine Draufsicht eines
Abschnitts einer Elektrode eines Elektrodenpaars mit entgegengesetzter
Polarität,
z. B. der Elektrode 52 von 5. Die Oberfläche der Elektrode 52,
die in 6 gezeigt ist, ist z. B. die Oberfläche 52b.
Die Elektrode 52 besitzt vorzugsweise eine runde Form,
wie in 8 gezeigt ist. Die Rippen 64 sind geradlinige
Oberflächen,
die sich von der Oberfläche 52b im
Wesentlichen senkrecht nach außen
erstrecken. 7 ist eine Draufsicht einer
weiteren bevorzugten Rippenform, und zwar einer "Trichter"-Form mit offenem Ende. Die trichterförmige Rippe,
die in 7 gezeigt ist, erstreckt sich in 5 z. B.
von der Oberfläche 54a der
Elektrode 54 nach außen.
Wie in 8 gezeigt ist, sind mehrere derartige trichterförmige Rippen 64 z.
B. an der Oberfläche 54a der
Elektrode 54 angeordnet, so dass die geradlinigen Rippen 64,
die sich von der Oberfläche 52b der Elektrode 52 erstrecken,
mit den Seiten der Trichterrippen 64 in Umfangsrichtung
um die gesamte Oberfläche
der benachbarten Elektroden 52 und 54 verschachtelt
oder zwischen diese eingefügt
sind.
-
8 zeigt
somit durch eine aufgeschnittene Draufsicht, wie die geradlinigen
Rippen 64 und die trichterförmigen Rippen 64 gegenseitig
eingesetzt oder verschachtelt sind, wenn runde Elektroden, z. B. die
Elektroden 52 und 54 zueinander benachbart gestapelt
sind. Wie außerdem
in 8 gezeigt ist, besitzt die bevorzugte Form von
zumindest einer der Elektroden jedes Paars, d. h. in diesem Beispiel
die Elektrode 52, eine mittige Öffnung 80, damit der
Gasstrom hindurch fließt.
In 8 ist ferner gezeigt, dass der Durchmesser der
anderen Elektrode 54 geringfügig kleiner ist als der Durchmesser
der Elektrode 52, um eine Gasströmung über den Rand der Elektrode und
in das nächste
gestapelte Elektrodenpaar zu ermöglichen.
-
Zusätzlich zu
der Verbesserung des Verhältnisses
zwischen dem Elektrodenflächenbereich
und dem Plasmavolumen durch das Einfügen eines zusätzliches
Rippenflächenbereichs
in den Raum zwischen den Elektroden vergrößern die Rippen außerdem die
Strömungsweglänge des
Gasstroms bedeutend, indem der ebene breite Weg zwischen den Elektroden
in mehrere schmalere Wege umgewandelt wird. Wie oben erwähnt wurde,
kann der Weg bei Bedarf noch weiter in angenähert kubusförmige Zellen unterteilt werden,
indem zusätzliche
Rippenelemente in die "L7"-förmigen Kanäle eingesetzt
werden. Die Aufteilung des breiteren Wegs vergrößert den Elektrodenflächenbereich,
auf den der Gasstrom trifft, wesentlich, wenn er durch den Reaktor
strömt, ohne
das Volumen oder die Größe des Reaktors
zu vergrößern.
-
Dies
kann in den 9 und 10 erkannt werden,
die zwei Seitenansichten einer gestapelten "L7"-Elektrodenbaueinheit
des Typs, der teilweise in den 5 bis 8 dargestellt
ist, aus unterschiedlichen Höhen
sind. In den 9 und 10. ist
gezeigt, dass die gestapelte Elektrodenbaueinheit eine Reihe von
abwechselnd gestapelten Elektroden 92 und 94 umfasst.
Wie in 5 gezeigt ist, sind die Elektroden 92 gemeinsam
mit einem Anschluss einer geeigneten Spannungsversorgung (nicht
gezeigt) verbunden und die Elektroden 94 sind mit dem entgegengesetzten
Anschluss verbunden, so dass benachbarte gestapelte Elektroden 92 und 94 eine
entgegengesetzte Polarität
besitzen. Jede Elektrode 92 ist scheibenförmigen mit
einer mittigen Öffnung 96, um
zu ermöglichen,
dass ein Gas von Schicht zu Schicht des Stapels strömt. Jede
Elektrode 94 ist ebenfalls scheibenförmig, jedoch ohne mittige Öffnung.
Der Durchmesser der Elektroden 94 ist vorzugsweise geringfügig kleiner
als der Durchmesser der Elektroden 92, um zu ermöglichen,
dass ein Gas über
die äußeren Ränder der
Elektroden 94 von Schicht zu Schicht des Stapels strömt. Die
Elektroden 92 sind offensichtlich von den Elektroden 94 über isolierende
Abstandshalter oder dergleichen elektrisch isoliert. Die Elektroden 92 sind
mit Rippen 64 gebildet, die sich von jeder Oberfläche jeder
Elektrode 92 senkrecht nach außen erstrecken in die Nähe zu benachbarten
Elektroden 94 auf jeder Seite jeder Elektrode 92,
diese jedoch nicht berühren.
Gleichfalls besitzt jede Elektrode 94 "trichter"-förmige
Rippen 64, die sich von jeder Oberfläche jeder Elektrode 94 in
die Nähe
der Oberflächen
der benachbarten Elektroden 92 auf jeder Seite jeder Elektrode 94 senkrecht
nach außen
erstrecken, diese jedoch nicht berühren. Ferner sind die geradlinigen
und trichterförmigen
Rippen 64 vorzugsweise abgestuft, so dass sie in dem Raum
zwischen benachbarten Elektroden 92 und 94 verschachtelt
sind oder in diesen eingesetzt sind. Bei dieser Konfiguration muss
der Gasstrom, der in die mittige Öffnung 96 der ersten
Elektrode 92 eintritt, einer Vielzahl kleiner Wege, die
mäanderförmig zwischen
den verschachtelten Rippen in dem Raum zwischen der ersten Elektrode 92 und
der zweiten Elektrode 94 verlaufen, folgen, bevor er über die äußeren Kanten
der ersten Elektrode 94 zur nächsten Schicht des Stapels
strömt.
Dort strömt
das Gas in mehreren mäanderförmigen Wegen
zwischen den verschachtelten Rippen in dem Raum zwischen benachbarten
zweiten Elektroden 92 und 94 zu der mittigen Öffnung in
der zweiten Elektrode 92 und von dort zur nächsten Schicht
des Stapels, wobei der gleiche mäanderförmige Weg
durch jede Schicht des Stapels wiederholt wird, bis die letzte Schicht
durchquert wird.
-
Die
Elektroden 92 und 94 können aus mehreren geeigneten
elektrisch leitenden Materialien hergestellt sein, die einen Fachmann
bekannt sind und in der Vergangenheit herkömmlich bei Plasmareaktoren
verwendet wurden. Die Elektroden 92 und 94, die
in den 9 und 10 dargestellt sind, sind vorzugsweise
für eine
kostengünstige
Konstruktion aus Edelstahl hergestellt. Ein isolierendes Material, das
einen leitenden Kern sandwichartig umgibt, kann außerdem verwendet
werden, wenn die Spannungsversorgung eine Versorgung des Hochfrequenztyps ist.
-
Ein
weiterer Vorteil der bevorzugten Konfiguration der gestapelten "L7"-Elektrodenbaueinheit
der Erfindung besteht darin, dass die Unterteilung des Raums zwischen
den Elektroden die Qualität
des Plasmas und somit die Reaktionseffizienz des Reaktors verbessert.
Der konzeptionelle Durchbruch besteht darin, dass ein herkömmliches
Parallelplatten-Elektrodenpaar als zwei lange parallele Leitungen
betrachtet werden kann. Das Plasma ist typischerweise als eine "Schicht" in dem mittigen
Bereich des Raums zwischen den Elektroden gebildet und besitzt wesentliche "Totzonen" in der Nähe der Elektroden.
Die Unterteilung des Raums zwischen den Elektroden mit Rippenelementen
unterbricht die Parallelplatten-Totzonen.
Für diesen
Zweck könnten
die Rippenelemente, die den Raum zwischen den Elektroden unterteilen
zwei gegenüberliegende
Platten sein, die das gleiche Potential wie die Anoden- oder Katodenelektrode
besitzt, wobei zwei L-förmige und zwei
7-förmige
Platten als einander zugewandte "L7"-Platten einander
gegenüberliegen.
Diese Anordnung der "L7"-förmigen Platten
ermöglicht,
dass das Plasma in der Mitte des Kanals im Wesentlichen den gesamten
Raum zu allen Oberflächen
der Elektroden "sieht", sogar obwohl das
Zentrum des Kanals die Stelle ist, an der das Plasma erzeugt und
aufrechterhalten wird. Das ist der Fall, weil die Ionen und Elektronen,
die in der Mitte des Kanals erzeugt werden, zu allen umgebenden
Seitenwänden
ausstrahlen, die durch die Elektroden und unterteilenden Rippenelemente
jeder "Zelle" oder Unterteilung
gebildet sind, um chemische Reaktionen zu bewirken. Die Reaktionseffizienz
ist dadurch stark verbessert.
-
Außerdem wird
in ausgedehnten Reaktoren mit Parallelplattenelektroden das Plasma
als eine laterale Schicht zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der
Elektroden erzeugt und aufrechterhalten. Dies ermöglicht eine
wesentliche laterale chemische Wechselwirkung in dem Plasma in dem Raum
zwischen und parallel zu den Elektroden. Da diese chemische Wechselwirkung
in der Gasphase auftritt, besteht die Wahrscheinlichkeit der Bildung von
Molekülklumpen
und koagulierten Partikeln, die als "Plasmastaub" bezeichnet werden, der in dem Gasstrom
mitgerissen werden kann und den Reaktor mit dem Strom verlässt. Dies
kann ernsthafte Probleme bewirken, z. B. bei stromabwärtigen Pumpen,
insbesondere wenn der "Plasmastaub" vom Wesen her ätzend oder
korrosiv ist. Durch die Unterteilung der Plasma-"Schicht" in einzelne Zellen oder Segmente verbessert
die vorliegende Erfindung die Steuerung der lateralen chemischen
Wechselwirkung stark, die die Bildung des Plasmastaubs zur Folge
hat. Der "L7"-Entwurf ermöglicht tatsächlich eine
verhältnismäßig einfache
Manipulation der Länge
des Strömungswegs
und der Anzahl von Unterteilungen durch die Entwickler, um eine
verbesserte Steuerung über
die gewünschte
Oberflächenreaktion
gegenüber
der Gasphasen-Reaktionsbalance zu schaffen.
-
Es
ist trotzdem gelegentlich erwünscht,
dass eine bestimmte Verbindung des Plasmas in benachbarten Zellen
oder Segmenten vorhanden ist. Infolge von Herstellungstoleranzen
oder aus anderen Gründen
können
z. B. Abweichungen in den Abmessungen von benachbarten Unterteilungen
und anderer Faktoren auftreten, die zur Folge haben, dass in einer Zelle
oder Unterteilung ein schwächeres
Plasma gebildet wird als in benachbarten Zellen oder Unterteilungen.
Durch die Ermöglichung
einer bestimmten Verbindung zwischen dem Plasma in benachbarten Zellen
oder Unterteilungen wird ein Ausgleicheffekt erreicht, wobei die
stärkeren
Plasmen in benachbarten Zellen oder Unterteilungen ein schwächeres Plasma
in einer benachbarten Zelle oder Unterteilung verstärken können. Eine
derartige Verbindung kann teilweise oder insgesamt über die
Verwendung der Eckspalte, wie in 4 gezeigt
ist, oder die Spalte zwischen den Rippen 64 und benachbarten
Oberflächen
der Elektroden 52 bis 58, die in 5 gezeigt sind,
realisiert werden. Wenn eine zusätzliche
Verbindung erwünscht
ist, können
einige oder alle Rippen mit Verbindungslöchern in ihren Oberflächen vorgesehen
sein. Die Abmessungen der Löcher
hängen
natürlich
von der Anwendung, den Abmes sungen der Rippen und der Elektroden
selbst und den gewünschten
Betriebsparametern ab.
-
Ein
weiterer Vorteil der bevorzugten "L7"-Elektrodenkonfiguration
der vorliegenden Erfindung liegt in Betrachtungen der Materialfestigkeit. Die
Bildung und Aufrechterhaltung eines Plasmas erzeugt eine wesentliche
Wärmemenge.
Je größer der Oberflächenbereich
der Elektroden und je höher
die Betriebsspannung sind, desto mehr Wärme wird erzeugt. Deswegen
unterliegen die Elektroden beträchtlichen
Wärmeverformungsbelastungen.
Herkömmliche
Parallelplattenelektroden, die verhältnismäßig große ununterbrochene Platten
enthalten, tendieren dazu, große
Wärmebelastungen
zu akkumulieren und sind für
strukturelle Verformungen anfällig. Derartige
Verformungen ändern
den Elektrodenabstand und dadurch die Kapazität, die elektrischen Eigenschaften
und die Plasmaeigenschaften. In einigen schweren Fällen kann
die strukturelle Verformung einen Kurzschluss zur Folge haben. Derartige Betrachtungen
müssen
berücksichtigt
werden, wenn die Materialien für
die Elektroden usw. ausgewählt werden.
Die "L7"-Elektrodenstruktur
und insbesondere die Struktur der Baueinheit mit gestapelten "L7"-Elektroden umfassen
dagegen zahlreiche kleinere Oberflächen und angewinkelte Verbindungsflächen, die
eine verbesserte strukturelle Unterstützung und Stabilität im Vergleich
zu großen
ebenen Platten schaffen. Da das Plasma außerdem in kleinere Komponenten
unterteilt ist, ist die gesamte kumulative Wärmebelastung an der Struktur
verringert. Die verbesserte Eigenfestigkeit ermöglicht, dass die Elektroden
mit dünnerem
Metallblech hergestellt werden können
als das früher
in herkömmlichen
Reaktoren mit Parallelplatten, die für ähnliche Betriebsparameter und
Bedingungen entwickelt wurden, möglich
war. Dies hat wiederum einen größeren Raum
in dem Innenvolumen des Reaktors zur Folge, um einen größeren Oberflächenbereich
für ein
vorgegebenes kompaktes Volumen einzuschließen und eine noch bessere Leistung
zu erreichen.
-
10 ist
eine Seitenansicht eines Plasmareaktors mit kapazitiv gekoppelten
Parallelplattenelektroden, bei dem die bevorzugte "L7"-Elektrodenkonfiguration
der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Der Reaktor 110 besitzt
ein Gehäuse,
das ein Innenvolumen (nicht gezeigt) umschließt, in dem die Elektrodenbaueinheit,
die in den 9 und 10 gezeigt
ist, als eine Einheit angebracht ist. Das Reaktorgehäuse kann
unter Verwendung herkömmlicher Mittel
geöffnet
und geschlossen werden. Bei Bedarf kann das Gehäuse mit Kühlflächen für eine Luftkühlung versehen
sein. Ein herkömmlicher
Gaseinlass 115 ist vorgesehen, um den zu bearbeitenden
Gasstrom zu empfangen. Ein Gasauslass 120 ist außerdem für den verarbeiteten
Gasstrom vorgesehen, um den Reaktor zu verlassen. Externe Elektroden
(nicht gezeigt) zum Verbinden der Anschlüsse einer geeigneten Spannungsversorgung
mit den Elektroden, die sich in dem Reaktor befinden, wie z. B.
in 5 gezeigt ist, sind außerdem vorgesehen.
-
Die 10 und 11 veranschaulichen
einen Gasplasmareaktor, der gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiert wurde. Gemäß Konstruktion besitzt
der Reaktor eine Kammer, die ein im Wesentlichen zylindrisches Innenvolumen
definiert. Der Reaktor besitzt eine äußere Höhe von etwa 420 mm und einem
Durchmesser von etwa 290 mm. Der Innenraum besitzt eine Höhe von etwa
305 mm und einen Durchmesser von 254 mm. Die Kammer ist aus Aluminium
konstruiert und definiert eine Innenvolumen von etwa 15436 cm3. Wie in 10 gezeigt
ist, umfasst eine Elektrodenbaueinheit, die aus Edelstahl 316L hergestellt
ist, sechs scheibenförmige
Anoden-Katoden-Paare. Der Abstand zwischen benachbarten Anoden und
Katoden beträgt
angenähert
ein Zoll nahe dem Gaseinlass des Reaktors und verringert sich geringfügig näher zum
Gasauslass des Reaktors hin, um die Gasverarbeitungseffizienz zu
unterstützen,
wenn das Gas durch die Elektrodenbaueinheit zwischen dem Einlass
und dem Auslass strömt.
Die Elektrodenbaueinheit besitzt eine äußere Abmessung, die geringfügig kleiner
als 254 mm ist und eine Höhe
von etwa 300 mm besitzt. Die Anodenscheiben sind mit mittigen Löchern versehen
und die Katodenscheiben haben einen Außendurchmesser, der geringfügig kleiner
ist als die Anodenscheiben, um einen mäanderförmigen Gasströmungsweg zwischen
benachbarten Anoden-Katoden-Paaren
zu schaffen. 16 trichterförmige
Rippenelemente sind um den Umfang jeder Oberfläche jeder Katode gleichförmig beabstandet
und 16 plattenförmige
Rippenelemente sind um den Umfang jeder Oberfläche jeder Anode gleichförmig beabstandet,
wobei die plattenförmigen
Rippen zwischen alle trichterförmigen
Rippen und zwischen alle Schenkel der trichterförmigen Rippen verschachtelt
sind (siehe 8). Die trichterförmigen Rippen
und die plattenförmigen
Rippen sind so beabstandet und dimensioniert, dass sie Segmente
oder Unterteilungen des Strömungswegs
zwischen benachbarten Anoden und Katoden mit einem Volumen von etwa
einem Kubikzoll definieren. Der Gesamtelektrodenbereich in dem Innenvolumen
des Reaktors beträgt
somit angenähert
27700 cm2 und das Verhältnis zwischen Elektrodenoberflächenbereich
und Volumen beträgt
angenähert
1,8.
-
Tests
zum Auslösen
und Aufrechterhalten eines Plasmas in Luft sind unter Verwendung
des oben genannten Reaktors über
einen Bereich von Betriebsdrücken
und Spannungen durchgeführt
worden. Diese Tests sind unter Verwendung einer Spannungsversorgung
Advanced Energy Industries Model 2500E durchgeführt worden, die auf einen Betrieb
bei 100 kHz modifiziert wurde. Gemäß Modifizierung wurde die Spannungsversorgung
bei einer Leistung von etwa 1500 W belastet. Gemäß Test hat der Reaktor erfolgreich
ein Plasma in Luft bei Drücken
bis zu 500 Torr bei angenähert
1000 V mit einer Lastimpedanz von angenähert 100 Ω und bei Drücken bis zu etwa 18 mTorr bei
angenähert
1400 V mit einer Lastimpedanz von etwa 1000 Ω ausgelöst und aufrechterhalten.
-
Die
vorhergehenden Beschreibungen der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sollen dem Wesen nach eher beispielhaft als einschränkend sein.
Verschiedene Änderungen
und Modifikationen an den bevorzugten Ausführungsformen werden einem Fachmann
erscheinen und können
ausgeführt
werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
können
verschiedene offenbarte Abmessungen geändert werden und verschiedene
offenbarte Materialien können
durch andere Materialien ersetzt werden. Für die Elektroden, die Reaktorkammer,
die Rippenelemente und dergleichen können andere geometrische Formen ausgewählt werden,
z. B. "U"-, "V"-, "W"-Formen oder sogar
zylindrische, sphärische
oder konische Formen. Dadurch eliminiert die vorliegende Erfindung
tatsächlich
frühere
Einschränkungen
und Beschränkungen
an Elektrodengeometrien und Entwürfen.
Betriebsparameter können
außerdem
geändert werden.
Der Umfang der Erfindung soll nicht durch die spezifischen Einzelheiten
der bevorzugten Ausführungsformen,
sondern durch die beigefügten
Ansprüche
definiert und begrenzt sein.