(57)【要約】デバイス中の増大した熱管理および誘電性材料の保護のための特徴を有するプラズマ放電デバイスが提供される。本発明は、一般に、少なくとも一部が誘電性材料から構築されたプラズマ閉じ込めチャンバーを備え、実質的に均一な熱抽出のために、このチャンバーの外側誘電性面と接触して配置される冷却器具をともなう。この冷却器具は、誘電性プラズマチャンバーからの熱抽出の均一性を増大するカプセル化材料内に包埋され得る。プラズマ放電デバイスのこの誘電性チャンバーからの熱抽出の均一性を改良することにより、本発明は、顕著に改良された電力レベルでプラズマ放電デバイスの信頼性のある作動を許容する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ放電装置であって：
ａ）プラズマを含むための放電チャンバーであって、該プラズマによって生成される熱に曝される誘電性材料を備える、放電チャンバー；および
ｂ）ＲＦ電力を、該放電チャンバーの周りに配置された誘導性コイルを通じて該プラズマ中に連結するＲＦ電力供給源であって、該誘導性コイルが、該誘電性材料の表面からの実質的に均一な熱抽出のために該誘電性材料の表面と接触する冷却器具としてさらに配置されるＲＦ電力供給源、を備える、プラズマ放電装置。
【請求項２】
前記放電チャンバーが、全体が誘電性材料から構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記放電チャンバーが、円筒形である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記誘導性コイルがらせん状であり、そして前記円筒形の放電チャンバーの外表面に同軸に嵌合される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記誘導性コイルが、前記誘電性材料の表面と実質的に直接接触して配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記誘導性コイルが、前記放電チャンバーに残余圧縮力を奏する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記誘導性コイルが、金属管材から構築される、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記金属管材が、前記誘電性材料の表面と接触する平坦表面を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記金属管材が、冷却材流体を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記誘導性コイルが、カプセル化材料中に包埋される、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記カプセル化材料が、シリコーン接着剤である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記放電チャンバーが円筒形であり、そして前記カプセル化材料が、前記円筒形放電チャンバーと、該円筒形放電チャンバーの周りに同軸に配置される円筒形シェルとの間のスペースを充填する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記誘導性コイルが、前記誘導性材料の表面と実質的に直接接触して配置される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記カプセル化材料が、前記誘導性コイルと前記誘電性材料の表面との間の残余ギャップを充填する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
プラズマ放電装置を作動する方法であって：
ａ）プラズマを含むために、該プラズマによって生成される熱に曝される少なくとも１つの誘電性表面を有する放電チャンバーを備えるプラズマ放電装置、および該放電チャンバーの周りに配置され、そして該少なくとも１つの誘電性表面と接触する誘導性コイルを提供する工程；
ｂ）ＲＦ電力を、該誘導性コイルを通って該プラズマに連結する工程；および
ｃ）該誘導性コイルを用いて該少なくとも１つの誘電性表面からの実質的に均一な熱抽出を提供する工程、を包含する、方法。
【請求項１６】
前記放電チャンバーが、円筒形である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記誘導性コイルがらせん状であり、そして前記円筒形放電チャンバーの外表面に同軸に嵌合される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記誘導性コイルが、前記少なくとも１つの誘電性表面と実質的に接触して配置される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記誘導性コイルが、カプセル化材料中に包埋される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記誘導性コイルから熱を抽出するために該誘導性コイルを通じて冷却剤流体を流す工程をさらに包含する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
プラズマ放電装置を構築する方法であって：
ａ）誘電性材料から実質的に構成される、プラズマを含むための放電チャンバーを提供する工程；
ｂ）らせん状誘導性コイルを提供する工程であって、該誘導性コイルが、該誘導性コイルの内方に面する表面に境を接する内部スペースを有する工程；
ｃ）該誘導性コイルの内方に面する表面と該誘電性チャンバーの外表面との間に一時的物理的ギャップを生成するように力を付与する工程；
ｄ）該放電チャンバーを該誘導性コイルの内部スペース中に挿入する工程；および
ｅ）該力を取り除く工程であっと、それによって該誘導性コイルの内方に面する表面を、該放電チャンバーの外表面と堅く接触させる工程、を包含する、方法。
【請求項２２】
前記一時的物理的ギャップが、前記誘導性コイルの内部スペースを拡大することによって生成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記力が、機械的、水力、または熱力である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記放電チャンバーが、円筒形である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記誘導性コイルが、金属管材から構築される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記誘導性コイルの金属の内方に面する表面が、前記金属管材の平坦表面を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記金属管材が、冷却材流体を含むために配置される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記誘導性コイルをカプセル化材料中に包埋する工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
空気ポケットを除去するために前記カプセル化材料を減圧衝撃する工程をさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般に、プラズマ放電デバイスに、より詳細には、プラズマ放電デバイス中の誘電性材料の熱管理および保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
（先行技術の簡単な説明）
プラズマ放電デバイスの工学における持続する挑戦は、プラズマによって発生される熱の制御および除去である。プラズマに曝された材料の放電の熱環境に耐える能力は、しばしば、プラズマデバイスの性能、範囲、信頼性、またはその他の特徴を有意に制限する。熱管理の問題は、特に構造的目的のためにプラズマの近傍に誘電性材料を有するデバイスで、大部分の誘電体の乏しい熱伝導性に起因して特に困難である。セラミックのような特定の誘電性材料は、ばら荷で（ｉｎ  ｂｕｌｋ）高められた温度に耐性であり得るが、不均一冷却から生じる熱スポットは、異なる熱膨張に起因して誘電性構成要素における高い内部ストレスに至り得る。これらの温度誘導されるストレスが誘電性材料で割れ目を生じ、次いで、このプラズマデバイスの早発的失敗に至ることは一般的でないことはない。
【０００３】
誘電性プラズマ閉じ込めベッセルは、例えば、特許文献１に記載されるような、冷却する流体が誘電性プラズマベッセルの表面の上を流れることを可能にする適合ジャケットまたはシースを用いて冷却され得る。いくつかの適用では、しかし、このアプローチは、破壊または割れの事象では、冷却する流体がプラズマチャンバーに侵入し得、そしてこのチャンバー中またはその下流にあるプロセスを破局的に汚染するという受容不能なリスクを提示する。適合冷却ジャケットはまた、この冷却ジャケットアセンブリ自体およびその中の冷却流体がそれら自体誘電性でなければ、電磁エネルギーのプラズマ中への誘導性カップリングを提供する能力を妨害し得る。
【０００４】
誘導的にカップルされるプラズマデバイスのこの誘電性チャンバーを冷却することの１つのアプローチは、例えば、円筒形チャンバーの周りに同軸に配置されるらせん状冷却コイルのような、このチャンバーの外表面の近傍にある金属冷却チューブの配列を提供する。金属冷却チューブは、一般に利用可能であり、そしてチャンバー本体と接触して配置される、有効な熱抽出経路を提供する。しかし、たとえ、プラズマチャンバーが円筒形のような相対的に単純な幾何学的形状を有する場合でさえ、このチャンバーの表面に正確に適合する金属冷却コイルを提供することは、製造的挑戦である。例えば、プラズマチャンバーの外径より大きい内側主直径を有して予備製作される冷却コイルは、アセンブルすることは容易であるが、このコイルとチャンバー壁との間に必然的に存在するギャップは、このチャンバーの本体から冷却媒体への熱移動の均一性および抵抗を損じる。その一方、外側チャンバーに対しほぼゼロに近い許容誤差を有する予備製作コイルは、チャンバーと嵌合することは困難であり、そして物品の押されたアセンブリは、チャンバーの長さに沿ったコイルの数珠つなぎ、またはギャップ、ならびにチャンバー壁への損傷をなお生じ得る。このコイルが予備製作されずに、それに代わってプラズマチューブの周りでその場で巻かれる場合、いつも不完全な接触が、巻きの偏心およびコルイの緩みに起因して生じる。これらの製造不完全から生じる小さなギャップでさえ、上記誘電性チャンバーの不均一冷却に、そしてその結果、このデバイスの性能および信頼性を制限するチャンバー壁中の熱スポットに至る。このプロセスはまた、製造プロセスの間にチャンバーを裂くか、または損傷し得る。
【０００５】
特許文献２には、誘電性プラズマチャンバーから熱を除去する方法が開示され、チャンバーと冷却器具との間に熱緩和材料を用いる。このアプローチでは、この熱緩和材料は、誘電体と冷却器具との間の熱移動を加減し、熱ストレスによって誘導される破壊のような失敗を最小にするこの誘電物質を通る温度勾配を提供する。この熱緩和材料はまた、クーラーに誘電体の表面およびより均一な温度を維持する熱スプレッダーとして機能し得る。物品のアセンブリの間に所望の厚みで、チャンバーと冷却器具との間に熱緩和材料を差しはさむ手段が要求される。
【特許文献１】米国特許第５，２００，５９５号明細書
【特許文献２】米国特許第６，１５６，６６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
その他は、誘電性閉じ込めチャンバー内側に位置する、冷却されたか、もしくは冷却されない誘電性シールド、または薄壁金属冷却構造物の使用を通じて誘電性プラズマチャンバー中の温度管理の問題を取り扱っている。単純で、頑丈で、そして費用有効設計の利点を保持しながら、プラズマ放電デバイスの誘電性構成要素からの熱抽出の効率および均一性を改善し、そしてそれによってデバイスの性能および信頼性を改善することが所望され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
本発明は、上記デバイスにおける高められた熱管理および誘電性材料の保護のための特徴を有するプラズマ放電デバイスを提供する。本発明は、一般に、少なくとも一部が誘電性材料から構築されるプラズマ閉じ込めチャンバーを備える。冷却器具は、実質的に均一な熱抽出のために上記チャンバーの外側誘電性表面と接触して配置される。この誘電性の表面と冷却器具との間の実質的に直接的でかつ均一な接触は、機械的手段、水力手段、熱手段およびその他の手段により、上記チャンバーと冷却器具との間の一時的物理的ギャップを生成すること、次いで、このギャップを、上記冷却器具の熱抽出表面を上記チャンバーの外表面に堅くカップルするように崩壊することにより可能にされる。
【０００８】
本発明の１つの実施形態では、プラズマ供給源装置は、プラズマを中に閉じ込める円筒形のプラズマ放電チューブを備える。矩形の金属管材から構築されるらせん状コイルが、上記誘電性放電チューブの外表面の周りに同軸に配置される。このらせん状コイルの内方に面する平坦表面は、上記誘電性放電チューブの外表面と実質的に直接かつ均一な接触にある。冷却流体は、らせん状コイルを通って流れ、放電チューブから金属コイルまで移される熱を抽出する。この冷却コイルの曲がり目は間隔を置かれて離れ、そしてＲＦ電力供給源に電気的に連結され、それ故、この冷却コイルが、放電チューブ内で上記プラズマ中にＲＦ電力をカップルする誘導性の巻きとしても機能することを可能にする。
【０００９】
この冷却コイルを誘電性放電チューブにアセンブルするために、一時的物理的ギャップが、上記コイルと上記放電チューブとの間に生成される。１つの実施形態では、このらせん状冷却コイルは、上記誘電性放電チューブの外径よりわずかに小さい内側主要直径を有して製作される。この冷却コイルは、その内側主要直径が上記誘電性放電チューブの外径よりわずかにより大きいまで機械的力によって拡大されることを可能にする固定物に配置される。このコイルが拡大されるとき、放電チューブがこのコイル内のスペースに挿入される。コイルは、次に弛緩され、このコイルの内方に面する平坦表面が上記放電チューブの外表面と堅く圧縮接触するようにする。本発明のその他の実施形態では、らせん状冷却コイルが、このらせんの曲がり目の方向にトルクを付与することにより円筒形の誘電性プラズマチューブの本体上にねじられる。このコイルの全長が上記プラズマチューブ上にねじられたとき、トルクが解放され、このコイルを上記プラズマチューブ表面に堅く適合させる。あるいは、一時的物理的ギャップは、上記冷却コイルを加圧することによるか、または上記コイルを区別をつけて加熱すること、および／または上記誘電チューブを冷却することにより、上記コイルと上記放電チューブとの間に生成される。
【００１０】
本発明の別の局面では、プラズマ放電デバイスの冷却器具は、誘電性プラズマチャンバーからの熱抽出の均一性を増大するカプセル化材料内に包埋される。
このカプセル化材料は、好ましくは、上記誘電性チャンバーと上記冷却器具との間に、このチャンバーからの熱抽出を容易にする熱伝導度とともに、残余空気ポケットを配置するように低密度を有する。
【００１１】
プラズマ放電デバイスの誘電性チャンバーからの熱抽出の均一性を改良することにより、本発明は、上記デバイスの性能および信頼性を制限し得る、作動の間のチャンバー壁内の熱スポットを減少する。結果として、本発明の特徴は、顕著に改良された電力レベルでプラズマ放電デバイスの安全かつ信頼性のある作動を可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（詳細な説明）
図１は、本発明の１つの実施形態によるプラズマ供給源デバイスを示す。プラズマ供給源１００は、中にプラズマを含む円筒形の放電チューブ１０２を備える。放電チューブ１０２は、石英、アルミナ、窒化アルミニウム、またはこのチューブ内の放電環境の化学に適切なその他の構造的誘電体のような実質的に誘電性の材料から構築される。放電チューブ１０２は、両端部１０４で開放され、例えば、インラインガス処理適用におけるような、ガス吸気および排気を可能にする。あるいは、このプラズマチューブは、ガスの供給および処理のための計測吸気ポートおよび排気ポートを有するシールされた減圧チャンバーとしての形態とされ得る。減圧ポンプ輸送多岐管、ガス送達連結または多岐管、プラズマ点火電極またはその他のデバイス、およびワークピース取り付け、移動、または電気的付勢のための機構のようなプラズマ処理デバイスに代表的には含まれ得るその他の特徴は、示されていない。
【００１３】
放電チューブ１０２の周りに同軸に配置されるのは、矩形の銅管材から構築されるらせん状金属冷却コイル１１０である。図１に示される実施形態では、コイル１１０は、冷却器具として、および放電チューブ１０２内のプラズマ中にＲＦ電力をカップルする誘導性巻きとしての両方の機能をする。ＲＦ電力供給源（図示されず）は、コイル１１０に固定される電気タップ１１２を通じてコイル１１０に交流を提供する。ＲＦ電力供給源によってエネルギーを与えられるとき、プラズマ供給源１００は、一次回路としてのコイル１１０、および二次回路としての放電チューブ１０２内のプラズマを備える空気コア変圧器のように作動する。絶縁ギャップ１１４が、コイル１１０の巻き間に維持され、そしてタップ１１２が、変圧器の一次回路−カップルされた供給源に対して所望の巻数比を提供するように位置される。コイル１１０にはまた、冷却剤流体の供給源（図示されず）への上記コイルの連結のための継手１１６が提供される。
【００１４】
図２は、放電チューブ１０２へのコイル１１０のアセンブリを示す。コイル１１０は、円筒形放電チューブ１０２の外径１０６より小さい、その弛緩状態にある内側主要直径１１８を有して構築される。コイル１１０は、コイル拡大固定物１４０中に配置され、ここで、コイルの継手端部１２０は、固定物１４０の上部プレート１４２および下部プレート１４４中の嵌合溝に係合し、その中に一時的に固定される。固定物ハンドル１４６を用いてトルクが付与され、コイルを、コイルの内側主要直径１１８が放電チューブの外径よりわずかに大きくなるまで半径方向に拡大する。コイルが拡大されるとき、放電チューブ１０２は、コイル内の拡大されたスペース１２２中に挿入される。ハンドル１４６上のトルクは解放され、そしてコイルは半径方向に収縮し、コイル１１０の内方に面する平坦表面が、放電チューブ１０２の外表面と圧縮接触するようにする。そのアセンブルされた状態では、このコイルは、それ故、放電チューブ１０２の外表面の上に残余圧縮力を奏する。好ましい実施形態では、その弛緩状態にあるコイル１１８の内側主要直径は、誘電性放電チューブ１０２の外径より約０．５〜１．０％より小さく、これは、＋／−０．００１インチの許容誤差に保持される。これらの寸法は、上記誘電性チューブと上記冷却コイルとの間に、上記チューブに対して過度な圧縮ストレスなくして実質的に直接的な接触を提供することが見出される。
【００１５】
コイル矩形管材の平坦面１２４は、コイル巻きの各曲がり目と放電チューブ１０２との間で十分な接触面積を提供する。あるいは、上記コイルは、このコイル内の冷却剤流れを許容しながら、上記コイルと放電チューブとの間の実質的に直接かつ均一な接触を提供する任意の断面形状を有する管材から構築される。放電チューブ１０２からの熱は、冷却コイル１１０の接触部分を通じ、そしてその中を流れる流体冷却剤中に伝導される。好ましくは、コイル１１０は、銅またはその他の金属から製作されるが、熱的および電気的の両方で伝導性であり、しかも熱ストレスに起因する割れまたは疲労に脆弱でない任意の弾性材料から構築され得る。
【００１６】
図３は、本発明の別の局面によるカプセル化材料の使用を示す。１つの実施形態では、円筒形シェル１５０が、プラズマ供給源１００の適合冷却コイル１１０とともに放電チューブ１０２の周りで同軸に配置される。好ましくは、シェル１５０は、製造の容易さのために、ポリカーボネート、または可撓性および視覚的に透明の両方であるその他のポリマー材料から構成される。チューブ１０２の各端部におけるフランジ１５２は、シェル１５０とチューブ１０２との間の同軸スペースをシールする。シェルまたはフランジ中の窓またはその他の開口部を通じ、カプセル化材料１５４が同軸スペース中に導入され、冷却コイル１１０を包埋する。その液体相では、カプセル化材料１５４は、十分に低い粘度を有し、冷却コイル１１０の曲がり目間、およびコイル１１０と誘電性チューブ１０２との間に存在し得る任意の残余ギャップを含む同軸スペース内の実質的にすべての空気間隙を置換する。好ましくは、減圧衝撃技法（ｖａｃｃｕｍ  ｐｏｔｔｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が、空気ポケットの除去を支援するために用いられる。カプセル化材料１５４は、次いで、剛直性または固体状態に硬化され、その時点でシェル１５０はその場に残され得るか、または除去され得る。
【００１７】
本発明の目的を達成するために、カプセル化材料１５４は、特有の組み合わせの性質を有する。この材料は、コイル１１０の巻きの間の電気的分離を維持するために誘電性でなければならず、放電チューブ１０２の誘電性表面に良好に結合すべきであり、そして可撓性であり、かつその硬化状態で最小の収縮を示すべきである。好ましくは、この材料は、高い熱伝導性を有し、放電チューブからコイルまでの熱移動を支援する。最も重要なことは、この材料は、これらの重要なスペースで熱移動を妨害し得る、冷却コイルと放電チューブとの間の任意の小ギャップ中の捕獲された空気を置換するように、その液体（硬化前）状態で十分に低い粘度を有さなければならない。本発明の好ましい実施形態では、２部分の熱硬化シリコーン接着剤が、カプセル化材料として用いられる。
【００１８】
本発明の代替の実施形態では、らせん状冷却コイルは、上記らせんの曲がり目の方向にトルクを付与することにより、円筒形誘電性プラズマチューブの本体上にねじられる。このコイルの全長がプラズマチューブ上にねじられたとき、トルクは解放され、コイルをプラズマチューブ表面に堅く適合させる。あるいは、一時的なアセンブリギャップが、水力手段または熱手段によって冷却コイルと放電チューブとの間に生成される。１つの実施胃形態では、流体は、このコイルを半径方向に拡大する高められた静水圧力の下でコイル中に注入される。別の実施形態では、上記冷却チューブは加熱され、それを膨張させるか、またはこの放電チューブは冷却され、それを収縮させる。いずれの場合にも、機械的、水力または熱的アセンブリ力（単数または複数）の解放の後、各パーツは、それらの弛緩状態に戻り、そしてコイルは、放電チューブの外表面に堅く嵌合する。
【００１９】
本明細書中に特定の構造および操作の詳細を示し、そして説明しているけれども、これらの記載は例示であり、しかも代替の実施形態および等価物が、本発明の思想および範囲から逸脱することなく当業者によって容易になされ得ることが理解されるべきである。従って、本発明は、添付の請求項の思想および範囲内に入るすべてのこのような代替物および等価物を包含することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態によるプラズマ供給源デバイスを示す。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態によるプラズマ供給源デバイスの放電チューブへの冷却コイルのアセンブリを示す。
【図３】図３は、本発明の別の局面によるカプセル化材料の使用を示す。
【図１】
2008517430.tif 000002
【図２Ａ】
2008517430.tif 000003
【図２Ｂ】
2008517430.tif 000004
【図３】
2008517430.tif 000005
【国際調査報告】
2008517430.tif 000006
2008517430.tif 000007
2008517430.tif 000008
2008517430.tif 000009