CN100553400C - 制造等离子处理设备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制造等离子处理设备的方法,包括步骤:进行用于测量所述绝缘件和所述传导件之间的火花电压的实验;根据其中火花在比平均值低的水平出现的测量数据,获得所述火花电压相对于隔离距离,即形成于所述绝缘件和所述传导件之间的间隙的厚度的关系;设置所述绝缘件的介电常数和厚度,以使在所述绝缘件和所述传导件之间形成的间隙的厚度的变化可以被预想到的范围中,施加在所述绝缘件和所述传导件之间的电压变为小于基于所述测量数据的所述火花电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过等离子化处理气体并将等离子化的气体喷射到待处理的物体即工件上,以进行表面处理操作如清洗、薄膜沉积、刻蚀、表面改进等的设备,更具体地说,涉及一种工件设置在等离子化空间外部的所谓遥控型等离子处理设备。
背景技术
等离子处理设备可以大致分成两种类型:一种是工件设置在电极之间的等离子化空间中的所谓直接控制型,另一种是工件设置在等离子化空间外部的所谓遥控型。
作为遥控型等离子处理设备的一个实例,专利文献1公开了一种具有一个设置在其右侧,而另一个以相对关系设置在其左侧的一对电极的垂直平面结构。一个电极连接到高频电源并作为电压施加电极,而另一个电极接地并作为接地电极。陶瓷制作的下固定器设置在电极的下侧。此固定器的下表面与工件面对。
通过将来自电源的电场施加到形成于位于电极之间的空间,该空间成为等离子化空间。处理气体进入此空间并等离子化。等离子化的气体向下喷射并施加到工件上。通过这样做,可以进行工件的等离子表面加工。
在上述装置中,上述电极,从而等离子化空间必须设置成远离工件至少等于陶瓷制作的下固定器厚度的一部分。由于此原因,直到处理气体达到工件的减活(deactivate)处理气体比增加,造成表面处理效率不充分。具体地说,在通常常压(在临近大气压力的压力下)下进行处理的情况下,减活比进一步增加且效率进一步降低。另一方面,在下固定器过度薄的情况下,当电极靠近工件时,电弧放电倾向于降落到工件上,并导致产生较差的处理并倾向于出现工件损坏。具体地说,在通常的常压下,电弧放电倾向于下降。此外,还具有工件受到来自电极的电场负效应影响的危险。
也就是说,在此种遥控型等离子处理设备中,在电极和工件之间的距离较短的情况下,电弧放电倾向于降落到工件上。相反,在距离较长的情况下,等离子气体很难达到工件,从而处理效率降低。特别是在通常的常压下,此倾向对于等离子处理明显出现。
由于以上原因,专利文献2的设备设计为以便金属板通过绝缘件在电源侧上被设置到至少电压施加电极的下表面。金属板电接地。此金属板与工件面对。连接到等离子化空间下游的引出路径形成于绝缘件中。连接到引出路径下游的喷射口形成于金属板中。电极的等离子化空间形成表面、绝缘件的引出路径形成表面以及金属板的喷射口边表面彼此齐平。等离子化空间、引出路径以及喷射口彼此笔直连接,且流动路径部分面积完全均匀。在等离子化空间中等离子化的处理气体通过引出路径由喷射口喷射出。通过这样做,可以防止电弧放电出现到工件上。此外,由于等离子化空间可以更靠近工件,可以提高处理效率。此外,可以通过金属板隔离电极和工件之间的电场,可以防止电场泄漏到工件,且可以防止工件受到电场的副影响。
[专利文献1]日本公开专利申请No.H09-92493
[专利文献2]日本公开专利申请No.2003-100646
在专利文献2的设备中,如果设置空气层如绝缘件和金属板之间的微小间隙,则具有在此出现放电的危险。此外,具有绝缘件的引出路径形成表面等被等离子击穿的危险。其结果是产生粒子并降低处理质量。
电极的等离子化空间形成表面、绝缘件的引出路径形成表面以及金属板的喷射口边表面彼此不必必须齐平。相反,这些表面可以相互凸出或缩回,以便可以防止由电极和绝缘件出现的放电出现在传导件等上,并保护绝缘件。另外,可以通过改变流动路径部分面积将处理气体流的锐度调节到要求的程度。
发明内容
鉴于上述情况提出了本发明。因此,本发明的主要目的在于防止绝缘体的损坏并防止出现放电,并提高遥控型等离子处理设备中的处理质量,其中传导件通过绝缘体设置在朝向电极的工件的侧面。
根据本发明的一个方面,其提供一种制造等离子处理设备的方法,其中所述等离子处理设备用于通过将穿过等离子化空间的处理气体喷射到设置在等离子化空间外部的工件上以处理所述工件的表面,所述设备包括用于形成所述等离子化空间的电极;设置成以遮蔽所述电极的朝向所述工件的侧面的电接地的传导件;以及由介于所述电极和所述传导件之间的绝缘体组成的绝缘件,所述方法的特征在于其包括步骤:进行用于测量所述绝缘件和所述传导件之间的火花电压的实验;根据其中火花在比平均值低的水平出现的测量数据,获得所述火花电压相对于隔离距离,即形成于所述绝缘件和所述传导件之间的间隙的厚度的关系;设置所述绝缘件的介电常数和厚度,以使在所述绝缘件和所述传导件之间形成的间隙的厚度的变化可以被预想到的范围中,施加在所述绝缘件和所述传导件之间的电压变为小于基于所述测量数据的所述火花电压。
本发明的第一特征在于用于通过将穿过等离子化空间(等离子产生空间)的等离子化气体喷射到设置在等离子化空间外部的工件上以处理工件的表面的设备,包括:用于形成等离子化空间的电极;具有电场屏蔽和防止放电性质的传导件,并设置成以便在所述传导件电接地的状态中遮蔽朝向工件的电极的侧面;以及由介于在电极和传导件之间的绝缘体组成的绝缘件,绝缘件具有介电常数和厚度,以使绝缘件和传导件之间的电压不达到放电电压水平,即没有受到电介质击穿(参见图1到3)。所述特征还在于一间隙形成于绝缘件和传导件之间,而绝缘件的介电常数和厚度设置为以便施加到此间隙的电压变为小于电介质击穿电压,以便满足将在后面说明的公式(2)。由于此设置,可以防止在绝缘件和传导件之间出现放电如电弧(火花)放电。因此,可以提高处理质量。
说明的是,电极设置在等离子化空间形成表面和用固体电介质朝向等离子化空间的侧面上的表面,而绝缘件位于固体电介质的所述工件的侧面上(参见图1)。在此情况下,绝缘件的介电常数和厚度通过考虑固体电介质的介电常数和工件侧部分上的厚度予以确定。工件侧面上的固体电介质和绝缘件可以整体构成。工件侧面上的固体电介质可以认为是“绝缘件”的一部分。
理想地,绝缘件包括朝向电极的表面、用于形成连接到等离子化空间的处理气体引出路径的表面、以及朝向传导件的表面,一角形成于朝向电极的表面和形成引出路径的表面之间,且一角形成于形成引出路径的表面和朝向传导件的表面之间,且至少前者的角被形成倒角(包括圆形倒角和方形倒角(square chamfering))(参见图9,以及别处)。通过前者被形成倒角,可以防止形成于朝向电极的表面和绝缘件的引出路径形成表面之间的角被等离子击穿,且可以防止产生颗粒。通过后者被形成倒角,可以方便地防止在绝缘件和传导件之间出现放电。在两个角都形成倒角的情况下,理想的情况是,形成于朝向电极的表面和引出路径形成表面之间的角比形成于引出路径形成表面和朝向传导件的表面之间的角更多程度地斜切(形成倒角)(chamfer)。理想地,传导件的喷射口边表面总体上位于与朝向传导件的表面和绝缘件的引出路径形成表面之间边缘的同样的位置,或从其缩回的位置。由于此设置,可以方便地防止在绝缘件和传导件之间出现放电。
理想地,设置绝缘件的介电常数和厚度以便施加在绝缘件和传导件之间的电压变得比火花电压小,而与分离距离,即形成于绝缘件和传导件之间间隙的厚度无关。由于此设置,即使分离距离即绝缘件和传导件之间间隙的厚度改变,也可以可靠地防止在绝缘件和传导件之间出现放电如电弧放电。如果上述设置在分离距离即间隙厚度被希望出现变化的范围内有效,这就足够了。理想地,即使绝缘件和传导件如此紧密地彼此连接,以便在其间没有间隙形成,绝缘件的介电常数和厚度设置为以便施加在绝缘件和传导件之间的电压变得比所述火花电压小,而与其假想在绝缘件和传导件之间形成的假想间隙的厚度d无关。在具有厚度d的间隙形成于绝缘件和传导件之间的情况下,即使厚度d稍微增加或降低,即与厚度d的变化无关,则可以理想地设置绝缘件的介电常数和厚度以便施加在绝缘件和传导件之间的电压变得比火花电压小(参见图3)。
理想地,进行用于测量火花电压的实验,根据火花在比平均值低的水平出现的测量数据,获得火花电压相对绝缘件和传导件之间的分离距离即形成于这两个件之间间隙的厚度的关系。通过这样做,可以更可靠地防止在绝缘件和传导件之间出现放电如电弧放电。
还可以认为,介于在电极和传导件之间的绝缘体由气体层(此后称为“气体层介于其间的结构”(参见图7和8))而不是绝缘件组成,且此气体层的厚度设置为以便施加在绝缘件和传导件之间的电压变得比火花电压小。由于此设置,可以防止出现放电如电弧(火花)放电。
在气体层介于其间的结构中,理想地,固体电介质设置到等离子化空间形成表面以及朝向电极工件的侧面上的表面(参见图7),气体层由工件侧固体电介质和传导件限定,气体层的厚度设置为以便施加在工件侧固体电介质和传导件之间的电压小于火花电压。
当制造/设计气体层介于其间的结构时,理想地,气体层的厚度设置为以便施加在工件侧固体电介质和传导件之间的电压变得小于火花电压,而与电极和传导件之间的分离距离无关。由于此设置,即使电极和传导件之间的分离距离变化,也可以可靠地防止出现放电如电弧放电。如果上述设置在希望出现分离距离变化的范围内有效,这就足够了。
当制造/设计气体层介于其间的结构时,理想地,进行用于测量火花电压的实验,根据火花在低于平均值的水平出现的测量数据,获得火花电压相对气体层厚度的火花电压的关系。通过这样做,可以更可靠地防止在绝缘件和传导件之间出现放电如电弧放电。
理想地,传导件包括朝向绝缘体的表面、用于形成连接到等离子化空间的喷射口的边表面和朝向工件的表面,一角形成于朝向绝缘体的表面和喷射口边表面之间,且一角形成于喷射口边表面和朝向工件的表面之间,且至少前者角被形成倒角(包括圆形倒角和方形倒角)。在更理想的情况下,喷射口边表面为指向朝向绝缘体的表面和朝向工件的表面的圆形(参见图9,以及别处)。由于此设置,可以更可靠地防止在电极和传导件之间、或绝缘件和传导件之间出现放电。
根据本发明的另一方面,提供一种制造等离子处理设备的方法,其中所述等离子处理设备用于通过将穿过等离子化空间的处理气体喷射到设置在等离子化空间外部的工件上以处理所述工件的表面,所述设备包括用于形成所述等离子化空间的电极;设置在所述电极的等离子化空间形成表面和朝向所述工件的所述侧面处的固体电介质;设置成以遮蔽所述电极的朝向所述工件的侧面的电接地的传导件,在所述电极的所述工件侧面上的所述固体电介质和所述传导件之间形成气体层作为绝缘体,所述方法的特征在于其包括步骤:进行用于测量所述工件侧面上的所述固体电介质和所述传导件之间的火花电压的实验,根据在比平均值低的水平出现火花的测量数据,获得所述火花电压相对于所述气体层的厚度的关系,并设置所述气体层的厚度,以使在所述气体层的厚度的变化可以被预想到的范围中,施加到所述气体层的电压变为小于基于所述测量数据的所述火花电压。
本发明的第二特征在于用于通过等离子化处理气体并将等离子化的气体喷射到工件上以进行等离子处理的设备,等离子处理设备包括由用于形成等离子化空间的一对电极组成的电极结构;传导件,其设置以便在传导件电接地的状态下遮蔽朝向电极结构的工件的侧面(放电屏蔽板,放电屏蔽件);以及介于在电极结构和传导件之间的绝缘体,绝缘体分成用于形成连接到等离子化空间下游的处理气体引出路径(喷射路径)的第一绝缘部分(第一绝缘体),以及分离地设置在第一绝缘部分引出路径侧的相反侧的第二绝缘部分(第二绝缘体)(参见图11,以及别处)。
由于上述设置,当绝缘体的第一绝缘部分被等离子击穿时,只更换损坏的绝缘部分,而不需要更换整个绝缘体。此外,只有第一绝缘部分由耐等离子材料组成,而不需要整个绝缘体都由耐等离子材料组成。结果,可以降低材料成本。传导件和绝缘体(至少第一绝缘部分)可以彼此接触。通过这样做,可以防止放电积聚在绝缘体上。
理想地,第一绝缘部分由具有比第二绝缘部分高的耐等离子性质的绝缘材料组成。由于此设置,可以防止绝缘体的引出路径形成表面受到等离子化处理气体的损坏。因此,可以防止产生颗粒,且可以提高处理质量。至于此部分,即第二绝缘部分,由于其不暴露到等离子,则不必提供耐等离子性质,因此,其可以由相对便宜的材料组成。因此,绝缘体可以在其材料成本上减少,而不是用具有高耐等离子性质的材料的整个绝缘体组成。
作为具有高耐等离子性质的绝缘材料,例如,可以列出石英、氧化铝、氮化铝和类似物。
第二绝缘部分可以由气体层如空气组成(参见图17和21)。由于气体如空气具有良好的介电强度,形成于电极结构和传导件之间的间隙可以可靠地绝缘。此外,可以进一步降低绝缘体的材料成本。
理想地,电极结构包括连接到电场施加装置(电源)的电场施加电极以及电接地的接地电极,而绝缘体和传导件以此方式设置以便对应于至少所有电极的电场施加电极。由于此设置,可以更可靠地防止放电电弧和电场泄漏到工件上。
理想地,第一绝缘部分的引出路径形成表面从电极结构的等离子化空间形成表面缩回(参见图11,以及别处)。由于此设置,可以更可靠地防止损坏第一绝缘件。
可以认为,传导件包括用于形成连接到引出路径下游的喷射口的边表面,且此喷射口边表面从电极结构的第一绝缘部分的等离子化空间形成表面或引出路径形成表面缩回(参见图11,以及别处)。由于此设置,可以防止在电极和传导件的喷射口边表面之间出现放电。
传导件的喷射口边表面可以从电极结构的等离子化空间形成表面缩回(参见图13,以及别处),或可以从第一绝缘部分的引出路径形成表面凸出(参见图13,以及别处)。由于此设置,处理气体流可以通过在喷射口减少变为急剧并提高处理效率。传导件的喷射口的相反侧面上的外表面(后表面)可以与电极中的等离子化空间的相反侧面上的外表面(后表面)平齐(参见图13,以及别处),其可以从电极的外表面向内缩回(喷射口侧)(参见图15),或可以从电极的外表面向外凸出(参见图11,以及别处)。
理想地,形成于朝向电极结构的表面和第一绝缘部分的引出路径形成表面之间的角被形成倒角(包括圆形倒角(图19)和方形倒角(图19)),从而形成第一倒角部分(参见图18到20,以及别处)。由于此设置,可以防止形成于朝向电极结构的表面和第一绝缘部分的引出路径形成表面之间的角被等离子击穿,并可以防止产生颗粒。
可以认为,形成于引出路径形成表面和朝向第一绝缘部分的传导表面的表面之间的角被形成倒角(包括圆形倒角(图19)和方形倒角(图19)),从而形成第二倒角部分(参见图18到20,以及别处)。由于此设置,可以防止在第一绝缘部分和传导件之间出现放电。
从防止形成于朝向电极结构的表面和第一绝缘部分的引出路径形成表面之间的角出现破裂应该在防止在第一绝缘部分和传导件之间出现放电之前进行的观点看,理想地,第一倒角部分为比第二倒角部分斜切得更多(参见图18到20,以及别处)。
理想地,传导件的喷射口边表面位于与朝向传导件的表面和第一绝缘部分的第二倒角部分之间的边界总体上同样的位置,或在从其缩回的位置(参见图18和19,以及别处)。由于此设置,可以防止在第一绝缘部分和传导件之间出现放电。
理想地,可以使形成于喷射口边表面和朝向传导件的传导体的表面之间的角被形成倒角(包括圆形倒角和方形倒角),在更优选方式中,形成于喷射口边表面和朝向工件的表面之间,并在朝向工件的绝缘体的表面的相反侧面上的角被形成倒角(包括圆形倒角和方形倒角)。同样,在更理想情况下,喷射口边表面为指向朝向绝缘体的表面和朝向工件的表面的被形成圆形(参见图20)。由于此设置,可以防止在电极和传导件之间或在第一绝缘部分和传导件之间出现放电。
在第二方面,可以认为,孔部分在传导件中开口,第一绝缘部分的处理气体引出路径设置在孔部分内,把孔部分作为吸入口的吸入路径通过传导件和第一绝缘部分限定,而此吸入路径设置作为第二绝缘部分的气体层(参见图21)。这样就不仅可以使电极和传导件绝缘,而且可以吸入和排出处理的气体。可以认为,电极结构的电极之一与其他电极同轴并环形地围绕,从而将等离子化空间形成环状结构。所述第一件的引出路径可以连接到环状等离子化空间的整个外圆周。
本发明的第三特征在于电极的等离子化空间形成表面、绝缘件的引出路径形成表面以及传导件的喷射口边表面相互凸出或缩回(参见图11、13和14,以及别处)。
根据第三特征的一个实施方式,提供了一种用于通过等离子化处理气体并将等离子化气体喷射到工件上进行等离子处理的设备,等离子处理设备包括由用于形成等离子化空间的一对电极组成的电极结构;在传导件电接地的状态下,通过绝缘体设置在朝向电极结构的工件的侧面(喷射出侧)上的传导件,传导件包括用于形成连接到等离子化空间的下游的喷射口的边表面,喷射口边表面与电极的等离子化空间形成表面不平齐。也就是说,传导件的喷射口边表面可以从电极的等离子化空间形成表面缩回(参见图11,以及别处)或可以从其凸出(参见图13)。在喷射口边表面缩回的情况下,可以防止出现由电极放电到传导件的喷射口边部分。在喷射口边表面凸出的情况下,处理气体可以急剧喷射出并提高处理效率。
在一些情况下,电极的等离子化空间形成表面设置有固体电介质层。在此情况下,传导件的喷射口边表面可以从固体电介质的前表面凸出,而不是仅仅停留在电极的等离子化空间形成表面上。
绝缘体可以包括由固体绝缘件组成的绝缘件,其可以包括气体层如空气,或其可以由绝缘件和绝缘件两者组成(参见图16和17)。在优选方式中,绝缘件包括用于形成连接到等离子化空间下游并连接到喷射口上游的引出路径(喷射路径)的表面。理想地,形成引出路径部分的绝缘材料具有耐等离子的性质。如果传导件和绝缘件彼此接触,可以防止电荷积聚在绝缘体上。气体层可以设置在绝缘件的引出路径侧的相反侧面上。
根据第三特征的另一实施方式,提供了用于通过等离子化处理气体并将等离子化气体喷射到工件上进行等离子处理的设备,等离子处理设备包括由用于形成等离子化空间的一对电极组成的电极结构;以及传导件,其在传导件电接地的状态下通过包括固体绝缘件的绝缘体设置在朝向电极结构的工件的侧面(喷射侧),绝缘件包括用于形成连接到等离子化空间下游的引出路径(喷射路径)的表面,该传导件包括用于形成连接到引出路径的下游的边表面,喷射口边表面与绝缘件的引出路径形成表面不平齐。也就是说,传导件的喷射口边表面可以从绝缘件的引出路径形成表面缩回(参见图11,以及别处)或可以从其凸出(参见图13)。在喷射口边表面缩回的情况下,可以更可靠地防止出现从电极到传导件的喷射口的放电。在喷射口边表面凸出的情况下,可以增加处理气体的喷射速度并可以进一步提高处理效率。绝缘体不仅可以包括固体绝缘件,而且还可以包括气体层如空气。
在第三特征中,理想地,绝缘件的引出路径形成表面从电极的等离子化空间形成表面缩回(参见图11和13,以及别处)。由于此设置,可以防止绝缘件被等离子击穿。理想地,至少绝缘件的引出路径形成表面具有耐等离子性质。由于此设置,可以更有效地防止出现损坏。
在第三特征中,传导件的喷射口的相反侧面上的外表面(后表面)可以与电极中等离子化空间的相反侧面上的外表面(后表面)平齐(参见图11和13,以及别处),其可以位于电极的外表面向内缩回的位置(喷射口侧面)(参见图15),或可以向电极的外表面向外凸出(参见图11)。
在第三特征中,理想地,形成于朝向电极结构的表面和绝缘件的引出路径形成表面之间的角可以被形成倒角(包括圆形倒角(图19)以及方形倒角(图18和19)),从而形成第一倒角部分(参见图18到20)。由于此设置,可以防止形成于朝向电极结构的表面和绝缘件的引出路径形成表面之间的角被等离子击穿,并可以防止产生颗粒。
在第三特征中,可以认为,形成于引出路径形成表面和朝向绝缘件的传导件的表面之间的角被形成倒角(包括圆形倒角(图19)和方形倒角(图19)和20),从而形成第二倒角部分(参见图18到20,以及别处)。由于此设置,可以防止在绝缘件和传导件之间出现放电。
在第三特征中,从防止形成于朝向电极结构的表面和绝缘件的引出路径形成表面之间的角破裂应该在防止在绝缘件和传导件之间出现放电之前进行的观点看,理想地,第一倒角部分为比第二倒角部分斜切得更多(参见图18到20,以及别处)。
在第三特征中,理想地,传导件的喷射口边表面位于与朝向传导件的表面和绝缘件的第二倒角部分之间的边界总体上同样的位置,或在从其缩回的位置(参见图18和19,以及别处)。由于此设置,可以防止在绝缘件和传导件之间出现放电。
在第三特征中,理想地,可以使形成于喷射口边表面和朝向传导件的传导体的表面之间的角形成倒角(包括圆形倒角和方形倒角),在更优选方式中,形成于喷射口边表面和朝向工件的表面之间并在朝向绝缘体的表面的相反侧面上的角被形成倒角(包括圆形倒角和方形倒角)。同样,在更理想情况下,喷射口边表面形成为指向朝向绝缘体的表面和朝向工件的表面的圆形(参见图20)。由于此设置,可以防止在电极和传导件之间以及在绝缘件和传导件之间出现放电。
在第三特征中,可以认为,电极结构包括连接到电场施加装置的电场施加电极和电接地的接地电极,而传导件设置以便对应于至少所有电极的电场施加电极。由于此设置,可以更可靠地防止放电和电场泄漏到工件上。
在本发明中,可以认为,电极结构的成对电极具有在垂直于相互相对方向的方向延伸的延长结构,绝缘体和传导件在与电极的同样方向延伸,因此,形成于传导件中以便连接到引出路径的下游端的引出路径和喷射口在与电极同样的方向延伸,喷射口在总体上垂直于相互相对的方向和所述延伸方向的方向开口(参见图4到6,以及别处)。换言之,可以认为,成对的电极每个都在总体上垂直于相互相对方向和喷射轴线的方向延伸,传导件在与电极同样的方向延伸,而处理气体的喷射方向朝向总体上垂直于相互相对方向和所述延伸方向的方向。由于此设置,喷射口可以被延长且此时可以进行等于此长度部分的表面处理。
在延伸结构中,理想地,由绝缘材料组成的隔板夹在成对电极的纵向中的同样侧面上的各个端部分之间,而传导件以此方式形成以便保持远离隔板和电极之间的边界(参见图12)。由于此设置,当在隔板和电极之间的边界出现表面放电时,可以防止表面放电传导到传导件上。
在本发明中,电极可以更靠近工件,同时防止放电电弧出现在工件上。因此,可以可靠地防止出现劣质处理和工件的损坏,且可以在处理气体减活前更可靠地将等离子化处理气体施加到工件上。因此,可以提高等离子表面处理效率。具体地说,当表面处理在通常的常压下进行时,此优点更明显。此外,可以防止电场泄漏到工件上,且可以使工件避免受到电场的副作用。在传导件和绝缘件彼此接触到情况下,可以防止电场积聚在绝缘件上。
当考虑到压力调节的方便性和设备结构的简化性时,在此使用的术语“通常的常压(邻近大气压的压力)”指范围从1.013×104到50.663×104Pa的压力,优选从1.333×104到10.664×104Pa的压力,更优选从9.331×104到10.397×104Pa的压力。
附图说明
图1是显示根据本发明第一实施方式的等离子处理设备的示意结构的前剖视图;
图2是显示用于在最低水平获得火花电压表达式的实验设备的示意图;
图3是显示电压相对形成于绝缘件和金属板(传导件)之间的间隙厚度的图表;
图4是显示根据第一实施方式一个具体模式的常压等离子处理设备的喷嘴头的透视图;
图5是显示根据上述具体模式的设备的前剖视图;
图6是显示沿图5的线VI-VI剖开的设备的侧剖视图;
图7是显示第一实施方式的改进实施方式的剖视图;
图8是显示第一实施方式的另一改进实施方式的剖视图;
图9是显示第一实施方式的再一改进实施方式的剖视图;
图10是显示根据本发明第二实施方式的常压等离子处理设备的前视图;
图11是显示第二实施方式的喷嘴头的剖视图;
图12是显示第二实施方式的喷嘴头的纵向中的端部分的放大底视图;
图13是显示第二实施方式的改进实施方式的剖视图;
图14是显示第二实施方式的另一改进实施方式的剖视图;
图15是显示第二实施方式的再一改进实施方式的剖视图;
图16是显示第二实施方式的另外一个改进实施方式的剖视图;
图17是显示第二实施方式的另外一个改进实施方式的剖视图;
图18是显示第二实施方式的附加改进实施方式的剖视图;
图19是显示第二实施方式的另一附加改进实施方式的剖视图;
图20是显示第二实施方式的再一附加改进实施方式的剖视图;
图21是显示根据本发明第三实施方式的常压等离子处理设备的圆筒喷嘴头的垂直前视图;以及
图22是显示圆筒喷嘴头的放大底视图。
[标号说明]
M、M1、M2、M3 常压等离子处理设备
W、W′ 工件(待处理对象)
1 延长的喷嘴头
5 接地导线
3 脉冲源(电场施加装置)
30、30X 电极结构
30a、30b 等离子化空间
31、31X 电压施加电极
32、32X 接地电极
33 固体电介质
34 隔板
40a 引出路径
40b 间隙、气体层
40 绝缘件
40r、40s 倒角部分
41 第一绝缘板(第一绝缘部分)
42 第二绝缘板(第二绝缘部分)
42S 间隙(第二绝缘部分)
45 绝缘体
51 传导件
51a 避免部分
50a 喷射口
70 圆筒喷嘴头
90s 间隙(第二绝缘部分和吸入路径)
91 外喷嘴件(传导件)
91b 孔部分
92 内喷嘴件(第一绝缘部分)
92a 引出路径
具体实施方式
下面将参照相应的附图说明本发明的实施方式。
下面将说明第一实施方式。图1是显示常压等离子处理设备结构的示意视图。常压等离子处理设备M包括一对相互相对的电极31、32。电极31与作为电压施加装置的电源3连接,而另一个电极32接地。在电极31、32之间形成等离子产生空间30a。电场通过电源3施加到等离子产生空间30a,从而出现辉光放电。从处理气体源2进给的处理气体进入等离子产生空间30a并等离子化。因此,等离子化的处理气体通过后面说明的喷射口40b喷洒到工件W上或位于其下的待处理对象上。通过这样做,工件W受到表面处理。此表面处理操作在常压下进行。
用于防止电弧放电在空间30a中出现的固体电介质通过热喷洒以薄膜的形式沉积在相对表面和各个电极31、32的底面。固体电介质33的厚度以放大的方式显示。
电极31、32在底面侧(工件侧)设置有由固体绝缘体组成的绝缘件40。连接到等离子产生空间30a的下游侧的处理气体引出路径40a形成于绝缘件40的中心部分。
绝缘件40在下侧面设置有由金属板组成的传导件51。连接到引出路径40a下游侧的喷射口50a形成于传导件51的中心部分。传导件51通过接地导线5电接地。传导件51设置在电极31、32的处理气体的喷出侧,以便防止电极结构30与工件W直接面对。在电极31、32相对侧上的传导件51的底面与待处理的工件W直接面对。
由于上述设置,可以防止电弧放电从电极31降落到工件W上,且等离子气体可以通过使喷射口50a靠近工件W可靠地到达工件W。因此,可以提高处理效率。此外,可以防止电场泄漏到工件W,以便可以保持工件W不受到电场的副作用。传导件51组成用于防止放电如电弧放电出现的放电防止件,或用于隔离电极31与电场的电场隔离件。
传导件51可以设置到所有电极31、32的至少电压施加电极31的下侧面。
间隙40b形成于绝缘件40和传导件51之间。空气在常压下流进间隙40b。间隙40b可以可靠地形成,以便提高绝缘性质,或间隙40b可以通过一些原因意外地形成。例如,即使分别制作的绝缘件40和传导件51只是彼此重叠,间隙在一些情况下也形成。
施用到间隙40b的电压Vx可以通过以下公式表示。
Vx=εAεBVPPd/2(εAtB+εBtA+εAεBd) (1)
其中:
d:间隙40b的厚度,即,绝缘件40和传导件51之间的间隔距离,
VPP:电极31的峰值到峰值电压
εA:固体电介质33的相对介电常数
εB:绝缘件40的相对介电常数
tA:固体电介质33的电极的下侧部分的厚度
tB:绝缘件40的厚度
间隙40b,即空气的相对介电常数初步设定为“1”。
峰值到峰值电压VPP设置为例如几kV到几十kV范围的值。
固体电介质33的电极的下侧部分的厚度tA等于等离子产生空间30a的侧面部分的厚度。固体电介质33的相对介电常数εA(即:材料质量)和厚度tA设定为以便可以维持有利的辉光放电。
通过考虑上述VPP、εA和tA,等离子处理设备M的绝缘件40的相对介电常数εB和厚度tB设定为以便不使间隙40b中的空气产生绝缘破坏。也就是说,如果间隙40b中的火花放电(绝缘击穿电压)用VXO表示,则相对介电常数εB和厚度tB设定为以便可以满足下列表达式:
VXO>VX=εAεBVPPd/2(εAtB+εBtA+εAεBd) (2)
由于上述设置,可以防止电弧放电在间隙40b中形成。因此,可以防止绝缘件40被焙烧从而不会产生颗粒,结果,可以提高处理质量,且也可以提高生产量。
附带地说明,绝缘件40的相对介电常数εB由其材料质量确定。铝的相对介电常数εB大约为7.5;碱性玻璃大约为6到9;派热克斯(pyrex)(注册商标)玻璃大约为4.5到5.0;石英玻璃大约为3.5到4.5;以及氯乙烯大约为3.0到3.5。因此,理想地,当确定材料质量后,厚度tA根据其相对介电常数εB确定。
间隙40b中的火花电压VXO可以通过已知文献的下列表达式(3)获得:
VXO=2.405δd(1+0.328(δd/10-1/2)) (3)
[文献:DENKIGAKKAI DAIGAKUKOZA,DENRIKITAIRON,p116,Ohmusha出版]
在表达式(3)中,火花电压VXO的单位为“kV”,而间隙40b的厚度单位为“mm”(同样适用到表达式(5))。δ表示相对空气密度。如果间隙40b中的温度和压力分别用摄氏度T和P(mmHg)表示,则可以获得下列表达式(4)。
δ=0.386P/(273+T) (4)
例如,在20摄氏度和760mmHg的情况下,获得δ=1.00122867。如果此时表达式(3),换言之,如果火花电压VXO(文献值)对(v.s.)间隙40b厚度表示在图表中,其通过图3中的点划线表示。
然而,上述文献表达式3显示了平均值,实际上,其有时发生在低于上述电压时出现火花的现象。因此,发明者试图通过实验将火花电压VXO重新表述成一表达式。具体地说,如图2所示,具有同样的相对介电常数(相对介电常数=4.4)但不同厚度的玻璃49一个接一个地连接到对应于电极31的电压施加侧上的电极板31X的底面,且当在每个玻璃49和对应于位于玻璃49下的传导件的接地金属板51X之间的间隙40b中出现火花放电时,检测峰值到峰值电压VPP。间隙40b的厚度设定为d=0.5mm。在此使用的玻璃49对应于等离子处理设备的固体电介质33和绝缘件40。因此,玻璃49的厚度对应于tA+tB。同样,εA=εB=4.4。
结果,当厚度(tA+tB)为2.9mm时,在相对表达式(3)的上述文献值的负方向出现最大的不规则变化。此时,峰值到峰值电压为11.4kV(即,VPP=11.4kV)。通过用此结果替换表达式(1)的右侧,可以获得下列火花电压VXO相对于间隙40b的厚度d的表达式:
VXO=8.65d/(1.52d+1) (5)
此表达式(5)显示了在最低水平时用于对应于间隙40b的厚度d出现火花时的火花电压VXO。如果以图表的形式显示表达式(5),则其变为图3中的虚线。自然,此虚线位于比文献表达式(3)的点划线低的位置。
在等离子处理设备M的制造中,当设置绝缘件40的介电常数εB和厚度tB时,表达式(5),即,在最低水平时的火花电压VXO用于参考,且判断是否间隙40b中的电压VX小于火花电压VXO,也就是说,是否满足表达式(2)。通过这样做,可以更可靠地防止在间隙40b中出现放电如放电电弧。
如图3所示,表示由表达式(1)表示的电压VX的曲线(图3的实线)在图表中整个(或可以取用d的范围中的部分)低于在表达式(5)的最低水平时的表示火花电压的虚线。最低极限优选的是对应于厚度d的电压VX的值变为例如在同样厚度d中的火花电极VXO值的0.8到0.9倍。由于此设置,可以防止在间隙40b中出现放电如放电电弧,而与间隙40b的厚度无关。这在间隙40b通过一个或其他原因偶然形成且间隙40b的厚度很难预见的情况特别有效。
图3的实线符合以下条件。
固体电介质33的材料:铝(εA=7.5),厚度:tA=0.5mm
绝缘件40的材料:碱性玻璃(εA=7.0),厚度:tB=6.2mm
峰值间电压:VPP=13kV
当然,当间隙40d可靠地形成时厚度d已知的情况下,如果表达式(2)满足此具体的厚度d就足够了。重新参照图3的图表,如果电压VX线位于低于至少在此具体厚度d点(或其邻近区域)的最低水平的火花电极VXO就足够了。
比较理想的是初步获得可以通过计算机器如个人计算机执行的具有图表准备功能的电子数据表软件,且上述表达式(1)和(5)初始储存在此机器中,以便可以利用εA、εB、tA、tB等参数方便地画出图3中的图表。由于此设置,可以方便地做出上述判断。
可以认为,不采用最低水平的火花电压VXO(表达式(5)),可以根据平均火花电极VX(文献表达式(3))获得绝缘件40的相对介电常数εB和厚度tB。
图4到6显示了常压等离子处理设备的具体结构的一个实施方式。
此等离子处理设备M1包括工件进给机构4、以此方式支撑在固定台(未示出)上以便位于进给机构4上方的等离子喷嘴头1、以及处理气体源2和连接到此喷嘴头1的电源3。
根据处理的各种要求的处理气体保存在处理气体源2中。例如,作为用于等离子清洗的处理气体,N2的纯气体或N2和少量的O2的混合气体保存在其中。这些气体可以以液体状态保存以便每次可以蒸发适量的气体。
电源3输出例如,脉冲状高频电压。比较理想的是此脉冲的上升时间/下降时间为10μs或更小,电极31、32之间的电场密度为10到1000Kv/cm,而频率为0.5KHz或更多。电压的形式可以为正弦形式而不是脉冲形式。作为在示意结构中的说明,峰值到峰值电压VPP确定在几个kV到几十个kV的范围。在此,例如,设置VPP=14[kV]。
如图5所示,进给机构4包括水平并排设置的多个滚子4a。具有大面积的板状工件W放置在这些滚子上并向左向右进给。通过喷嘴头1等离子化的气体喷洒到此工件W上,并进行等离子表面处理例如清洗。当然,可以认为工件W固定且喷嘴头1可移动。
下面将具体说明等离子处理设备M1的等离子喷嘴头1。
喷嘴头1包括上气体校正器10和下放电处理器20。喷嘴头1在垂直于图5的纸表面的后和前方向延伸。
气体校正器10包括在后和前方向延伸的容器状主体11。管单元12容纳在此主体11中。管单元12包括一对左、右管13、13以及一对用于夹住地保持这些管13、13的上下管固定器14、14。管单元12在与主体11同样的方向延伸。主体11的内部由管单元12分成上、下两个室11a、11b。如图4和6所示,管13(管13、13之一)的入口13a设置在气体校正器10的纵向的一端部分处,且另一管13的入口13a设置在另一端部分处。在各个管13、13的口13a、13a侧上的端部分的反向侧的端部分分别用塞子阻塞。
从处理气体源2延伸的气体供给管2a分成两个支管。这两个支管分别连接到管13的前端部分和另一管13的后端部分。从处理气体源2进给的处理气体通过管2a进入两个管13、13,并在管13、13内的相互反方向流动。孔11e以此方式形成于每个管13和上管固定器14的上部分,以便在后和前纵向方向延伸。多个孔11e可以在定点状态的后和前方向以短间隔设置,且其可以以狭缝状态在后和前方向延伸。管13、13中的处理气体通过此孔11e泄漏进上室11a。此后,处理气体通过管单元12两侧上的狭缝状间隙11c流进下室11b。由于此设置,处理气体可以在纵向方向均匀设置。
下面将说明等离子喷嘴头1的放电处理器20。
如图5和6所示,放电处理器20包括由一对左、右电极31、32组成的电极结构30和用于固定此电极结构30的固定器21。
每个电极31、32由传导材料如,例如不锈钢组成并形成方形截面结构。每个电极31、32在垂直于图5的纸表面的后和前方向线性延伸。每个电极31、32的角为圆形,以便防止出现电弧放电。等离子产生空间30a形成于电极31、32之间并以狭缝状态在后和前方向延伸。例如,等离子产生空间30a的厚度(电极31、32之间的距离)为2mm。例如,当这些表面经过喷砂处理后,通过热喷洒将具有相对介电常数εA=7.5的铝组成的固体电介质33以薄膜的形式沉积在相对表面以及每个电极30的上、下表面上。固体电介质33的厚度tA例如为tA=1mm。
在图5中,标号3a表示从电源3引导到电压施加电极31的连接线,而标号3b表示从接地电极32引导的接地导线。标号30c表示用于调节温度的冷却剂路径(在图6中未示出)。
用于电极30、30的固定器21包括上板22、一对左、右侧板23、一对左、右转角件(转角固定器)24、以及下部分50(在图4中未示出)。每个转角件24由绝缘树脂组成并形成倒L型的截面形状。转角件24在垂直于图5的纸表面的前后方向延伸。转角件24与每个电极30的上表面和后表面邻接。间隙24a形成于两个转角件24、24的上部分之间。间隙24a连接到电极31、32之间的等离子产生空间30a的上游。
由刚性的钢材料制作的上板22放在两个转角件24、24的上表面。在前后方向延伸的狭缝22a形成于上板22的横向中心部分。狭缝22a连接到气体校正器10的下室11b的下游,还连接到间隙24a的上游。由于此设置,从气体校正器10进给的处理气体通过狭缝22a和间隙24a进入电极间的空间30a。
由刚性的钢材料制作的侧板23与每个转角件24的后表面(外表面)邻接。每个侧板23的上端部分刚性螺栓连接到上板22。倒U型的框架通过上板22和左、右侧板23形成。
多个推动螺栓25(电极接近装置)和多个拉动螺栓26(电极分离装置)在纵向方向间隔设置在每个侧板23上。推动螺栓25螺纹拧进侧板23,且推动螺栓25的尖端与转角件24的后表面邻接。因此,推动螺栓25通过转角件24向另一电极推动电极30。容纳在由树脂制作的螺栓环(螺栓固定器)27中的拉动螺栓26螺纹拧进电极30并在远离另一电极的方向拉动电极30。通过调节这些螺栓25、26的螺纹量,可以校正伸长的电极30、30的扭曲,并可以在电极30、30的整个长度上制成恒定的电极间空间30a的厚度。此外,可以防止由于库仑力或金属主体和形成于电极31、32的外表面上的电介质层33之间的热膨胀差,以及电极31、32内的温度差产生的热应力等造成的电极30、31的扭曲。结果,处理气体可以可靠和均匀地向下喷射(即,沿垂直于电极31、32的相对方向的喷射轴线),因此,可以可靠和均匀地对工件W进行等离子处理。
下面将说明形成固定器21的底部分的下部分50。下部分50包括板状绝缘件40和由金属板组成的传导件51。下板50在垂直于图5的纸面的方向前后水平延伸。下部分50横跨左、右侧板23、23、转角件24、24和电极结构30的下表面,并支撑所有都位于其下部分50上方的喷嘴头1的零件元件。因此,下部分50覆盖将要指向电极结构30的工件W的下表面并隔离电极结构30,以便电极结构30不与工件W直接面对。换言之,将指向电极结构30的工件W的下表面用下部分50的传导件51覆盖,而用于将电极结构30与传导件51绝缘的绝缘体45插在/装在电极结构30和传导件51之间。下部分50的左、右端部分从侧板23、23凸出。这些左、右凸出的部分通过未示出的支撑装置进行支撑。下部分50和侧板23可以通过螺栓等连接。
作为绝缘件40的材料,例如,使用具有εB=44的相对介电常数的玻璃。脊部40c以此方式形成于绝缘件40的上表面上,以便在垂直于图5的纸表面的纵向方向前后延伸。此脊部40c配合进形成于转角孔24的下端表面中的凹进槽24b中。
引出路径40a(喷射路径)形成于绝缘件40的左、右宽度方向的中心部分。引出路径40a以缝隙的形式在垂直于图3的纸表面的前后长度延伸,并连接到等离子化空间30a的上游。绝缘件40中的引出路径40a的左、右侧面上的内端表面,即,引出路径形成表面,从电极31、32的相对表面,即等离子化空间形成表面,稍微横向向外缩回。由于此设置,引出路径40a在流动路径截面面积上大于等离子化空间30a面积。
绝缘件40的左、右端部分都从侧板23、23凸出。
传导件51整个覆盖绝缘件40的下表面。传导件51由例如不锈钢板组成。喷射口50a形成于传导件51的横向中心部分的中心部分。喷射口50a以缝隙的形式在垂直于图5的纸表面的前后纵向为长度进行延伸,并连接到引出路径40a的下游。因此,喷射口50a通过引出路径40a连接到电极结构30的等离子化空间30a(由于此设置,下部分50允许处理气体喷射出)。喷射口50a的边表面从绝缘件40的引出路径40a的形成表面稍微向外缩回。由于此设置,喷射口50a在宽度上更大一些,即在流动路径截面面积上大于引出路径40a面积。
替代单一的整体,可以认为的是绝缘件40由一对左、右板件组成,且引出路径40a形成于这些左、右板件之间。同样,替代单一的整体,可以认为的是传导件51由一对左、右板件组成,且喷射口50a形成于这些左、右板件之间。
工件W设置在传导件51下方。由于此设置,喷嘴头10可以更靠近工件W,同时防止电弧放电发生在工件W上,即使在常压下也可以可靠地将等离子作用到工件W上。
螺母55通过焊接固定到传导件51的两个左、右侧部分的上表面。另一方面,用于允许螺母55***其中的凹进部分40d形成于绝缘件40的下表面。螺栓***孔40e以此方式形成于绝缘件40中,以便从上表面延伸到凹进部分40d中。金属制作的螺栓56通过***孔40c分别与相应的螺母55螺纹作用。由于此设置,传导件51固定到绝缘件40上。接地导线5的接线端5a与螺栓56的头部分作用。此导线接地。由于此设置,传导件51通过螺栓56和螺母55电接地。
凹进部分40f形成于绝缘件40中的电极32、32的下部分40x的下表面中。由于此设置,间隙40b可靠地形成于绝缘件40和传导件51之间。凹进部分40f,从而间隙40b连接到引出路径40a和喷射口50a。间隙40b的厚度d为例如,d=1mm。
在常压等离子处理设备M1中,绝缘件40(εB=4.4)的电极下侧部分40x(除间隙40b外)的厚度tB以此方式设置以便满足表达式(2)。例如,tB=5mm。由于此设置,可以防止电弧放电在间隙40b出现,并可以获得良好的处理质量。
下面将说明第一实施方式的一个改进实施方式。
如图7所示,在电极31、32和传导件51之间不需要设置绝缘件40。也就是说,电极31、32位于远离传导件预定的距离d,且间隙40b形成其间。具体地说,具有厚度tA和相对介电常数εB的固体电介质33以薄膜的形式沉积在固体电介质33的底面上,而间隙40b通过固体电介质33的底面和传导件51的上表面限定。间隙40b填充有空气。空气用作具有良好电介质强度的绝缘体。由于此设置,间隙即,气体层(空气层)40b组成用于绝缘电极31与传导件51的绝缘体。在图7中,固体电介质33只设置在电场施加电极31的相对面和底面上,而不设置在接地电极上。然而,固体电介质33可以如图31所示设置在两个电极31、32上。
气体层40b的厚度以此方式设置以便没有电介质击穿出现在气体层40b上。也就是说,施加在固体电介质33和位于电极31下侧的传导件51之间的电压VX变为小于火花电压VXO。具体地说,电压VX以此方式设置以便满足下列表达式:
VXO>VX=εAVPPd/2(tA+εAd) (6)
上述表达式(6)通过将先前所述的表达式(2)中用εB=1和tB=0替代获得。作为标准的火花电压VXO理想用表达式(5)的最低水平实验值(图3中虚线表示),而不是表达式(3)中的文献值(图3中的点划线表示)。由于此设置,可以防止在气体层出现电弧放电。同样,通过使VX低于VXO,而与用图3的实线表示的同样方式的d值无关,即使气体层40b的厚度d由于一些原因变化,也可以可靠地防止出现电弧放电。如果在其中d包括原始值的预定范围满足VXO>VX就足够了。
如图8所示,可以认为的是在电极31、32和传导件51之间不需要设置绝缘件40,此外,在电场施加电极31上不设置固体电介质33。由于此设置,气体层40b由电极31的金属主体和传导件51限定。在此情况下,至少在与另一电极31与固体电介质33相对的表面需要设置接地电极32。
在图8的实施方式中,气体层40b的厚度d设置为以便施加在电极3和传导件51之间的电压VX变为小于火花电压VXO。作为火花电压VXO,理想地使用最低水平的实验值(图3中虚线表示),而不是在上述实施方式情况下的表达式(3)中的文献值(点划线表示)。
也就是说,根据显示的最低水平实验值的表达式(5),根据施加的电压VPP的气体层40b的厚度d以此方式设置以便满足下列表达式:
VPP≤8.65d/(1.52d+1) (7)
由于此设置,可以防止在气体层出现电弧放电。
至于图8的实施方式中的设备,可以确定至少少量的电弧放电的范围在气体层40b的厚度d=1mm的条件下并通过增加/降低供给电压VPP进行测定。结果为VPP≥3kV。由此,可以完全确定表达式(7)在充分安全的区域。
图9显示了绝缘件40的引出路径形成部分的结构的改进实施方式。在此改进实施方式中,形成于上表面(朝向电极结构30的表面)和绝缘件40的引出路径40a形成表面之间的角部被形成圆形倒角,从而形成第一倒角部分40r。同样,形成于引出路径40a形成表面和绝缘件40的底面(朝向传导件30的表面)之间的角被形成圆形倒角,从而形成第二倒角部分40s。
由于第一倒角部分40r的设置,可以防止形成于上表面和绝缘件40的引出路径40a形成表面之间的角被等离子破坏,并防止产生颗粒。因此,可以提高处理质量并可以增加产量。
第一倒角部分40r大于第二倒角部分40s。也就是说,第一倒角部分40r的曲率半径R大于第二倒角部分40s的曲率半径。由于此设置,可以可靠地防止形成于上表面和绝缘件40的引出路径形成表面之间的角的破坏和颗粒的形成。
不采用圆形倒角,第一和第二倒角部分也可以通过方形倒角形成。
在图9的改进实施方式中,传导件51的喷射口50a的边表面形成圆形为指向朝向绝缘件40的上表面和朝向工件W的底面的类似于半圆形的圆形。换言之,由上表面和传导件51的喷射口50a边表面形成的角形成圆形倒角,且喷射口50a边表面和底面形成的角形成圆形倒角。由于此设置,可以更可靠地防止在绝缘板41和传导件51之间出现电弧放电。可以认为的是只将形成于上表面和传导件51的喷射口50a边表面的角形成倒角,而形成于喷射口50a边表面和底面的角不被形成倒角。不采用圆形倒角,可以采用方形倒角。
下面将参照图10到12具体说明第二实施方式。
如图10所示,根据第二实施方式的常压等离子处理设备M2包括处理气体源2、脉冲源3、工件进给机构4、门型框架60以及一对左、右喷嘴头(处理头)1。处理气体源2、电源3和进给机构4与图4到6的设备M1相同。
门型框架60包括左、右立柱62,并位于进给机构4的上方。门型框架60具有构成用于处理气体(包括通过处理产生的副产品)的排出管的中空内部。也就是说,门型框架60的每个立柱62的内部通过隔板64分隔成内和外吸入室62a、62b。分别连接到吸入室62a、62b的两个内和外吸入口63a、63b形成于立柱62的底板63中。吸入口63a、63b以缝隙的形式在垂直于图10的纸表面的方向前后延伸。然而,这些口63a、63b可以为设置在垂直于纸表面的方向的多个缝隙状孔。
内和外吸入室62a、62b的上端部分连接到门型框架60的上框架部分61的中空内部。吸入管6a从上框架部分61的中心部分延伸,且此吸入管6a连接到排出泵6。通过驱动排出泵6,喷嘴头1中的处理气体从内吸入口63a吸进内吸入室62a。留下的未吸入处理气体和大气从外吸入口63b吸进外吸入室62b。由于此设置,可以可靠地防止处理气体被不吸入。通过防止大气通过内吸入口63a吸进,只有处理气体可以吸进内吸入口63a。吸进各个室62a、62b的气体被聚集在上框架部分61的内部,然后,由排出泵6通过吸入管6a排出。
两个内、外节流板65A、65B可提前/缩回地设置到每个立柱62的上部分上。室62a、62b的节流量可以分别通过节流板65A、65B进行调节,因此,可以分别调节通过吸入口63a、63b的气体吸入量。
常压等离子处理设备M2具有位于滚子4a上方,即工件W的移动平面上方的一对左、右喷嘴头1,并支撑在门型框架60的左、右立柱62之间。左、右喷嘴头1具有同样的结构。
如图10所示,在设备M2中,下部分50之一通过连接板59连接到邻近喷嘴头1的另一下部分50。连接板59和下部分50通过螺栓56彼此连接。
如图11所示,在设备M2的喷嘴头1中,下部分50的结构与设备M1的结构局部不同。具体地说,设备M2的下部分50包括绝缘体45和传导件51,并在垂直于图11的纸表面方向前后水平地延伸。绝缘体45由位于内侧面上的第一绝缘板41和位于外侧面上的第二绝缘板42组成。也就是说,绝缘体45通过由板状的固体绝缘体组成的第一绝缘部分41和与第一绝缘部分41分离制作的由板状的固体绝缘体组成的第二绝缘部分42构成。
第一绝缘板41的宽度小,并在向前和向后方向延伸。第二绝缘板42宽度大且其左、右端部分从侧板23凸出。在前后方向延伸的缝隙状开口形成于第二绝缘板42的横向中心部分。第一绝缘板41配合到此缝隙状开口。阶梯形成于第二绝缘板42的缝隙状开口的两个左、右侧面上的内边以及第一绝缘板41的两个左、右侧面上的外边。由于这些阶梯彼此作用,所以,第一和第二绝缘板41、42以半重叠连接的方式连接在一起。
引出路径40a(喷射路径)形成于第一绝缘板41的侧向宽度方向中的中心部分。引出路径40a为缝隙的形式并在垂直于图11的纸表面方向前后为长度地延伸。引出路径40a的整个前后长度连接到电极结构30的等离子化空间30a的下端部分,即下游端。在具有设备M1的绝缘件40的情况下,第一绝缘板41的引出路径40a形成表面从相接表面,即,电极31、32的等离子化空间30a形成表面,稍微横向向外缩回。由于此设置,引出路径40a的宽度比等离子化空间30a的宽度大即,在流动路径截面面积大一些。
第二绝缘板42设置在第一绝缘板41的引出路径40a的反侧面上。脊部40c形成于第二绝缘板42的上表面。此脊部40c配合到转角件24的凹进槽24b上。
第一和第二绝缘板41、42由相互不同的固体绝缘材料组成。
第一绝缘板41由具有耐等离子性质的材料组成。更具体地说,第一绝缘板41由具有比第二绝缘板42高的耐等离子性质的材料组成。例如,第一绝缘板41由石英组成。而第二绝缘板42由氯乙烯组成。总体上说,当与不具有高耐等离子性质的材料如氯乙烯相比时,具有高耐等离子性质的材料如石英较贵。
传导件51紧密连接到第一和第二绝缘板41、42的底面。在传导件51和绝缘体45之间没有间隙形成。然而,通过假设设置具有厚度d的假想间隙并通过以此方式设置绝缘体45的介电常数和厚度(具体为第一绝缘板41),以便满足表达式(2),而与d的尺寸无关,可以防止在传导件51和绝缘体45之间出现电弧放电。
在上述设备M1的情况下,传导件51的喷射口50a的边表面从用于形成第一绝缘板41的引出路径40a的表面稍微向外缩回。由于此设置,喷射口50a变为比引出路径40a的宽度大,即,在流动路径截面面积大一些。
不采用单一的整体,第一和第二绝缘板41、42可以由一对左、右板件组成,且引出路径40a可以形成于成对的第一绝缘板41的板件之间。同样,不采用单一的整体,传导件51可以由成对的左、右板件组成,且喷射口50a可以形成于这些板件之间。
如图12所示,用于保持等离子化空间30a厚度的绝缘树脂制作的隔板34在电极31、32的纵向夹在两个端部分之间。理想地,圆形的避免部分(avoidance portion)51a形成于传导件51的喷射口形成端表面纵向的两个端部分上,以便传导件51保持远离电极31、32和隔板34之间的边界。
根据常压等离子处理设备M2的构成,即使放电电荷积聚在绝缘件41、42上,也可以通过传导件51将放电电荷释放到大地上,且可以防止从绝缘件41、42到工件W的放电电荷。
形成引出路径40a的第一绝缘板41由石英玻璃组成。通过这样做,可以获得耐等离子性质。另一方面,不暴露到等离子的第二绝缘板42由便宜的氯乙烯组成。通过这样做,当与其中整个绝缘体45由石英组成的情况相比时,可以降低材料的成本。由于用于形成第一绝缘板41的引出路径40a的表面从用于形成电极结构30的等离子化空间30a的表面缩回,所以,可以更可靠地防止第一绝缘板41受到等离子的损坏。
传导件51的喷射口50a的边表面从用于形成电极结构30的等离子化空间30a的表面缩回,同样从用于形成第一绝缘板41的引出路径40a的表面缩回。由于此设置,可以可靠地防止在电极31和传导件51的喷射口边部分之间出现放电电荷。
在延长的喷嘴头1纵向的两个端部分以此方式设计以便保持远离隔板34和电极31、32之间的边界。由于此设置,在隔板34和电极31、32之间的边界出现的表面放电可以被防止传导到传导件51。
下面将具体说明第二实施方式的改进方式。
如上所述,在图11的设备M2中,传导件51的喷射口边表面从电极结构30的等离子化空间形成表面缩回,从而防止放电电荷从电极31出现到传导件51。然而,这些表面的位置关系可以根据需要进行反向。
也就是说,如图13所示,传导件51的喷射口50a的边表面可以从用于形成绝缘件41的引出路径40a的表面凸出,且同样从用于形成电极31、32的等离子化空间30a的表面凸出。由于此设置,喷射口50b可以变为比等离子化空间30a的宽度小。这样可以节流喷射口50a中的处理气体,以便气体可以急剧和可靠地施加到工件W上。结果,可以进一步提高处理效率。此外,在等离子化空间30a中加热的处理气体可以在温度增加的状态喷洒到工件W上。
在另一方式中,如图14所示,传导件51的喷射口50a的边表面可以从用于形成绝缘件41的引出路径40a的表面凸出,并与用于形成电极31、32的等离子化空间30a的表面平齐。由于此设置,可以防止处理气体的喷射速度变缓慢,并可以提高处理效率。
在图11的设备M2中,传导件51的外端表面,即,在具有夹在其间的传导件51的喷射口50a的左、右各部分中的喷射口50a的相反侧上的后表面从电极31、32的外表面,即,等离子化空间30a相反侧上的后表面向外凸出。然而,如图13和14所示,这些表面可以彼此平齐。
此外,如图15所示,传导件51的外端表面可以位于电极31、32的外表面内并靠近喷射口50a。
绝缘体45不仅可以包括第一和第二绝缘板41、42,即,固体绝缘件,而且可以包括由空气等组成的空气层,即,气体绝缘体。例如,如图16所示,可以认为,绝缘板41、42和传导件51彼此分离预定的距离d,且在其间形成间隙40b。间隙40b填充有空气。空气为具有良好电介质强度的绝缘体。间隙,即气体层(空气层)40b组成与固体绝缘板41、42共同作用的绝缘体45以使电极与传导件51绝缘。气体层40b的厚度,即,绝缘板41、42和传导件51之间的距离d设置为以便施加到气体层40b的电压变为小于火花电压。
绝缘装置45的第二绝缘部分可以由气体层,而不是绝缘板42组成。具体地说,如图17所示,间隙,即气体层42S(绝缘气体层)限定在电极结构30和传导件51之间,且在第一绝缘板41的外部(在引出路径40a的相反侧上)。第二绝缘部分由此气体层42S组成。根据此改进的实施方式,由于不需要设置第二绝缘板,所以可以进一步降低材料成本。
在图13到17中,未示出电极31、32的固体电介质层。
图18是显示如图9所示的同样改进方式施加到第一绝缘板41的引出路径形成部分的结构的视图。也就是说,形成于第一绝缘板41的上表面(朝向电极结构30的表面)和用于形成引出路径40a的表面之间的角形成方形倒角,以提供预定的角度(例如45度),从而形成第一倒角部分41a。同样,形成于用于形成引出路径40a的表面和第一绝缘板41的底面(朝向传导件50的表面)形成方形倒角,以提供预定的角度(例如45度),从而形成第二倒角部分41b。
由于第一倒角部分41a的设置,可以防止形成于第一绝缘板41的上表面和引出路径形成表面之间的角受到等离子的击穿破坏,并可以防止产生颗粒。因此,可以提高处理质量,同样可以增加产量。第一倒角部分41a大于第二倒角部分41b。由于此设置,可以可靠地防止出现形成于第一绝缘板41的上表面和引出路径形成表面之间的角,并可以防止产生颗粒。
此外,在图18的改进实施方式中,传导件51的喷射口50a上的边表面位于相对第一绝缘板41的第二倒角部分41b和的底面之间的边界的左、右方向的同样位置。由于此设置,可以可靠地防止在电极31和传导件51之间出现电弧放电。此外,由于喷射口50a变为大于引出路径40a,所以,可以平滑地喷射出处理气体。
传导件51的喷射口50a的边表面可以从第二倒角部分41b和第一绝缘部分的底部之间的边界向外横向缩回。
图19显示了倒角的另一改进方式,在此改进方式中,第一绝缘板41的倒角为圆形倒角,而不是方形倒角。具体地说,形成于第一绝缘板41的上表面和用于形成引出路径40a的表面之间的角形成圆形倒角,从而形成第一倒角部分41c,同时,形成于用于形成引出路径40a的表面和底面之间的角形成圆形倒角,从而形成第二倒角部分41d。第一倒角部分41c的曲率半径大于第二倒角部分41d的曲率。
图20是显示与图9同样的改进方式施加到传导件51的喷射口形成部分的结构的视图。也就是说,传导件51的喷射口50a的边表面分别被半圆形地形成圆形指向朝向第一绝缘板41的上表面和指向将要朝向的工件W的底面。换言之,形成于传导件51的喷射口50a的上表面和边表面之间的角形成圆形倒角,同时形成于喷射口50a的边表面和底面之间的角形成圆形倒角。由于此设置,可以可靠地防止在电极31和传导件51之间,或绝缘板41和传导件51之间出现电弧放电。可以认为,只有形成于传导件51的喷射口50a的上表面和边表面之间的角形成倒角,而喷射口50a的边表面和底面之间的角被形成倒角。替代圆形倒角,也可以采用方形倒角。
下面将参照图21和22说明根据本发明第三实施方式的常压等离子处理气体设备M3。
如图21所示,常压等离子处理气体设备M3为用于进行,例如,作为等离子处理表面的等离子刻蚀的设备。设备M3处理气体源2X保存例如CF4或类似气体作为用于等离子刻蚀的处理气体。
设备M3包括圆筒形喷嘴70,而不是延长的喷嘴头1。此圆筒形喷嘴70支撑在其轴线指向向上和向下方向的固定台(未示出)上。待刻蚀的工件W’设置在此喷嘴下方。
下面将具体说明圆筒形喷嘴70。
圆筒形喷嘴70包括其轴线指向向上和向下方向的座体、装载在此座体71内的绝缘固定器80以及电极结构30X。座体71具有通过垂直连接由传导金属制作的三个座体件72、73、74形成的三极圆筒结构。绝缘固定器80具有通过垂直连接由绝缘树脂制作的三个固定器件81、82、83的圆筒结构。
设备M3的电极结构30X具有同轴的双环形结构。也就是说,电场施加电极31X固定在下级的固定器件83上。电场施加电极31X具有与座体同轴的底圆筒结构。固体电介质层33沉积在电场施加电极31X的外表面上。与座体同轴的金属制作的传导管35的下端部分插在电场施加电极31X中。传导管35通过传导环36与电极31X在其中间部分传导。传导管35的上端部分向固定器81的上端凸出并连接到脉冲源3(电场施加装置)上。
接地电极32X固定在下级的座体件74的内圆周上。接地电极32X通过传导体71接地且接地导线5从座体71延伸。接地电极32X具有与座体71同轴且比电场施加电极31X的直径大,长度小的圆筒结构。电场施加电极31X插在并设置在此接地电极32X中。也就是说,接地电极32X环绕电场施加电极31X。由于此设置,环形等离子化空间30b形成于这些电极31X、32X之间。固体电介质层33沉积在接地电极32X的内圆周表面上。
用于温度调节的制冷剂输送到管35的开口上端。当穿过管35后,此制冷剂在电场施加电极31X的内圆周和管35的外圆周之间通过,并调节电极31X的温度。然后,通过形成于固定器件83和座体件74中的流通水路径(未示出),制冷剂穿过形成于接地电极32X的外圆周和座体件74之间的环行空间74d,并调节电极32X的温度。此后,制冷剂通过延伸通过座体件74、固定器件83、82以及座体件72的排出路径(未示出)被排出。
从处理气体源2X进给的处理气体通过形成于喷嘴头71的座体件72、固定器件82、83等中形成的处理气体供给路径70b,然后,通过环(螺旋形成件)84的涡流型路径84a进入环形等离子化空间30b。另一方面,从脉冲源3进给的脉冲电压通过传导管35和传导环36施加到电极31X。由于此设置,电场形成于等离子化空间30b中,且处理气体被等离子化。
涡流形成环84以此方式固定在固定器件83上,以便环绕接地电极32X的上侧上的电场施加电极31X。涡流形成路径84a包括沿环84的外圆周延伸的环形路径84b以及从环形路径84b的外圆周方向的多个位置插进环84的多个内圆周表面的涡流导向孔84c。环形路径84b将处理气体从处理气体供给路径70b在外圆周方向供给到整个外圆周。涡流导向孔84c为沿环84内圆周的切线方向大体延伸的微细路径,并向内圆周表面向下倾斜。来自环形路径84b的处理气体穿过涡流导向孔84c并转化成沿环形等离子化空间30b的圆周方向高速涡流。由于此设置,可以延长处理气体的等离子化空间30b中的流动距离,可以增加等离子密度且可以喷射出强烈的气体并可靠地施加到工件W’上。因此,可以提高刻蚀速度。
下部分90(喷嘴件部分)设置在圆筒喷嘴头70的下级上的座体件74的下方。
内喷嘴件92由绝缘树脂例如聚四氟乙烯组成并构成“第一绝缘部分”。内喷嘴件92具有在直径上小于外喷嘴件91、但在直径上稍微大于接地电极32X的圆盘状结构。引出路径92a形成于内喷嘴件92的中心部分。引出路径92a具有与电极31X同轴线的漏斗形状结构,且其上锥形部分连接到等离子化空间30b。电极31X的下端部分与引出路径92a的上锥形部分面对。如图13所示,漏斗形引出路径92a的下直线部分在底视图中具有椭圆的结构。引出路径92a的下端部分向下开口并构成喷射口。
如图21所示,用于形成引出路径92a的下直线部分的倒凸出部分92b设置到内喷嘴件92的底面的中心。倒凸出部分92b的外圆周表面随着向下在直径上逐步减少。此外圆周表面与引出路径92a的下直线部分的内圆周表面相交,从而将倒凸出部分92b的下端(尖端)形成刀口结构。
外喷嘴件91由传导金属例如不锈钢组成并构成“传导件”。外喷嘴件91具有与座体件74同样直径的圆盘状结构。外喷嘴件91通过螺栓(未示出)固定到座体件74的下端表面上。外喷嘴件91通过座体71和接地导线5电接地。
凹进部分91a形成于外喷嘴件91的上表面。内喷嘴件92容纳在此凹进部分91a中。用于提高内喷嘴件92的隔板(未示出)整体设置到外喷嘴件91的凹进部分91a的内底面或内喷嘴件92的底面上。由于此设置,在外喷嘴件91和内喷嘴件92之间形成间隙90s。间隙90s构成“由气体层组成的第二绝缘部分”。作为第二绝缘部分的间隙90s和作为第一绝缘部分的内喷嘴件92构成用于使电极结构30X与外喷嘴件91即传导件绝缘的绝缘体。
间隙90s的上端部分与吸入路径70c连通。吸入路径70c顺序形成于座体件74、固定器件83、82和座体件72中。吸入路径70c的上端部分通过吸入管6a连接到排出泵6上。
开口到外喷嘴件91的下表面的孔部分91b形成于外喷嘴件91的凹进部分91a的中心部分中。如图22所示,到孔部分91b的件91的底面的开口具有稍微大于倒凸出部分92b的下端边的椭圆结构。如图21所示,内喷嘴件92的倒凸出部分92b插进并设置在孔部分91b中。(也就是说,在其内侧具有内喷嘴件92的喷射路径92a的孔部分91b形成于外喷嘴件91中。)间隙90s通过形成于孔部分91b的内圆周表面和倒凸出部分92b的外圆周表面之间的空间开口到外喷嘴件91的底面。由于此设置,作为第二绝缘部分的间隙90s构成具有作为其吸入口的孔部分91b的“吸入路径”。如上所述,倒凸出部分92b的尖端如刀口一般尖锐,从而使间隙90s的开口的内圆周边和引出路径92a的开口的外圆周边彼此接触。
在设备M3中,由于传导金属制作的外喷嘴件91以其电接地状态设置在电极结构30X和工件W之间,喷嘴头70可以更靠近工件W’,而不产生较差的处理和由于放电电弧造成的对工件W’的损坏。因此,可以可靠地提高等离子处理效率。电极结构30X和外喷嘴件91可以通过由内喷嘴件92和间隙90s组成的绝缘装置彼此可靠地绝缘。
形成于外喷嘴件91和内喷嘴件92之间的间隙90s作为可以使电极31X与外喷嘴件91绝缘的第二绝缘部分设置。此外,间隙90s还作为根据排出泵6的作用被驱动以吸入处理气体(包括由刻蚀产生的副产品)的吸入部分设置。处理气体可以通过排出泵6顺序通过吸入路径70c和吸入管6a从作为吸入路径的间隙90s排出。流速控制阀6b(吸入流速调节装置)插在吸入管6a中,以便可以调节吸入流速。
本发明不局限于以上实施方式,而且可以采用其他各种实施方式而不会脱离本发明的主题精神。
例如,传导件可以至少设置到电压施加电极且其不是必须要设置到接地电极。
绝缘体可以至少设置在电压施加电极和传导件之间,且其不是必须要设置在接地电极和传导件之间。
设置到相接表面和电极31、32的底面的固体电介质33可以由与电极31、31的金属主体分别制作的电介质薄板而不是热喷雾薄膜组成。
本发明不仅可以在常压下,而且可以在低压下施用到等离子处理。本发明不仅可以利用辉光放电施用到等离子处理,而且可以利用其他放电电荷如电晕放电施用到等离子处理。此外,其可以普遍施用于各种等离子处理如清洗、刻蚀、薄膜沉积、表面改进、抛光和类似处理。
[工业应用]
本发明可以施用到相关基体的表面处理,例如在半导体制造加工中的如清洗、刻蚀、薄膜沉积、表面改进和类似处理中。
Claims (9)
1.一种制造等离子处理设备的方法,其中所述等离子处理设备用于通过将穿过等离子化空间的处理气体喷射到设置在等离子化空间外部的工件上以处理所述工件的表面,所述设备包括用于形成所述等离子化空间的电极;设置成以遮蔽所述电极的朝向所述工件的侧面的电接地的传导件;以及由介于所述电极和所述传导件之间的绝缘体组成的绝缘件,
所述方法的特征在于其包括步骤:
进行用于测量所述绝缘件和所述传导件之间的火花电压的实验;
根据其中火花在比平均值低的水平出现的测量数据,获得所述火花电压相对于隔离距离,即形成于所述绝缘件和所述传导件之间的间隙的厚度的关系;
设置所述绝缘件的介电常数和厚度,以使在所述绝缘件和所述传导件之间形成的间隙的厚度的变化可以被预想到的范围中,施加在所述绝缘件和所述传导件之间的电压变为小于基于所述测量数据的所述火花电压。
2.根据权利要求1所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
形成于所述绝缘件和所述传导件之间的所述间隙的厚度为零。
3.根据权利要求1所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
所述传导件包括朝向所述绝缘体的表面、用于形成连接到所述等离子化空间的喷射口的边表面以及朝向所述工件的表面,一个角形成于朝向所述绝缘体的所述表面和所述喷射口的边表面之间,一个角形成于所述喷射口的所述边表面和朝向所述工件的所述表面之间,且至少前者角被形成倒角。
4.根据权利要求1所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
所述传导件包括朝向所述绝缘体的表面、用于连接到所述等离子化空间的喷射口的边表面以及朝向所述工件的表面,且喷射口边表面分别向朝向所述绝缘体的所述表面和朝向所述工件的所述表面形成圆形。
5.根据权利要求1所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
所述绝缘件包括朝向所述电极的表面、连接到所述等离子化空间的引出路径形成表面和朝向所述传导件的表面,一个角形成于朝向所述电极的所述表面和所述引出路径形成表面之间,且一个角形成于所述引出路径形成表面和朝向所述传导件的所述表面之间,且至少前者角被形成倒角。
6.根据权利要求1所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
所述绝缘件包括朝向所述电极的表面、连接到所述等离子化空间的引出路径形成表面和朝向所述传导件的表面,形成于所述绝缘体的朝向所述电极的所述表面和所述引出路径形成表面之间的角以及形成于所述引出路径形成表面和朝向所述传导件的所述表面之间的角两者都被形成倒角,且前者角比后者角斜切得更多。
7.一种制造等离子处理设备的方法,其中所述等离子处理设备用于通过将穿过等离子化空间的处理气体喷射到设置在等离子化空间外部的工件上以处理所述工件的表面,所述设备包括用于形成所述等离子化空间的电极;设置在所述电极的等离子化空间形成表面和朝向所述工件的所述侧面处的固体电介质;设置成以遮蔽所述电极的朝向所述工件的侧面的电接地的传导件,在所述电极的所述工件侧面上的所述固体电介质和所述传导件之间形成气体层作为绝缘体,
所述方法的特征在于其包括步骤:
进行用于测量所述工件侧面上的所述固体电介质和所述传导件之间的火花电压的实验,根据在比平均值低的水平出现火花的测量数据,获得所述火花电压相对于所述气体层的厚度的关系,并设置所述气体层的厚度,以使在所述气体层的厚度的变化可以被预想到的范围中,施加到所述气体层的电压变为小于基于所述测量数据的所述火花电压。
8.根据权利要求7所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
所述传导件包括朝向所述绝缘体的表面、用于形成连接到所述等离子化空间的喷射口的边表面以及朝向所述工件的表面,一个角形成于朝向所述绝缘体的所述表面和所述喷射口的边表面之间,一个角形成于所述喷射口的所述边表面和朝向所述工件的所述表面之间,且至少前者角被形成倒角。
9.根据权利要求7所述的制造等离子处理设备的方法,其特征在于:
所述传导件包括朝向所述绝缘体的表面、用于连接到所述等离子化空间的喷射口的边表面以及朝向所述工件的表面,且喷射口边表面分别向朝向所述绝缘体的所述表面和朝向所述工件的所述表面形成圆形。
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