本实用新型涉及等离子体消除。
背景技术：
热等离子体焰炬是已知的，且通常被用于处理来自例如在半导体或平板显示器制造业中使用的制造加工工具的废气流。在此类制造期间，残余的氟化或全氟化化合物（PFC）和从加工工具泵送的废气流中存在的其他化合物。这些化合物难以从废气流移除，且其到环境内的释放是不期望的，因为已知其具有相对高的温室活性或者毒性。
从废气流移除PFC和其他化合物的一个方法是使用如例如在EP1773474中描述的辐射式燃烧器。然而，当通常用于通过燃烧消除的燃料气体是不期望的或者不容易可用时，还已知使用等离子体焰炬消除设备。由等离子体消除设备生成的等离子体被用于破坏或消除废气流内的不需要的化合物。
现有的等离子体消除设备中的每一种均具有其自身的缺点。因此，期望提供改善的等离子体消除设备。
技术实现要素：
根据第一方面，提供一种等离子体焰炬消除装置，其用于用等离子体流处理来自加工工具的排出流，所述等离子体焰炬消除装置包括：由反应腔室壁限定的反应腔室，其用于接收排出流和等离子体流，所述反应腔室壁包括复合结构，所述复合结构具有面向排出流和等离子体流的钝化层，所述钝化层由钝化材料形成，所述复合结构具有环绕所述钝化层的由包括高铝质浇注水泥的基底材料形成的基底层，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流的化学反应性更弱。
第一方面认识到尽管反应腔室具有优势（例如，更简单的安装、由于不需要燃料气体而增强的安全性），但等离子体消除设备仍面临一组与燃烧器不同的挑战，且目前具有其自身的缺点。具体地，由于反应腔室内极端的化学环境，现有的反应腔室可能具有寿命不良的问题。由热等离子体焰炬生成的高温能够诱发对于断开PFC化学键而言有用的急性化学反应。然而，这些高温也能够使下游的零件（诸如反应腔室）迅速劣化。热能也可能无效地丧失于冷却剂，并且损害破坏和移除效率（DRE）。因此，可以提供用于等离子体焰炬消除装置的反应腔室。等离子体焰炬消除装置可以用于来自加工工具的排出流的处理。排出流的处理可以用等离子体流。反应腔室可以接收排出流和等离子体流。反应腔室可以包括反应腔室壁或由反应腔室壁限定。反应腔室壁可以具有复合结构。复合结构可以具有钝化层和基底层。钝化层可以面向或邻近或接触排出流和等离子体流。钝化层可以由钝化材料形成或包括钝化材料。基底层可以由基底材料形成或包括基底材料。基底层可以环绕钝化层或被设置成邻近钝化层、远离排出流和等离子体流。相比于基底材料，钝化材料可以对排出流和等离子体流化学反应性更弱。以这种方式，设置复合或多层反应腔室，其具有由基底层和钝化层两者提供的有利性质，并且其中，钝化层对排出流和等离子体流抵抗性更强，并且其中，块体材料仍然能够应付热机械应力和将一些热传递至冷却剂。这些特征能够改善反应腔室的寿命，其改善了反应腔室的寿命。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流的化学抵抗性更强。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流的化学惰性更强。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流中的卤素自由基化学反应性更弱。
在一个实施例中，相比于钝化层，基底层对热破裂抵抗性更强。设置对热破裂抵抗性更强的基底层改善了反应腔室在快速热循环期间的体性质（bulk property）。
在一个实施例中，钝化层比基底层更薄。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料具有更高的纯度。
在一个实施例中，钝化材料包括以下项中的至少一项：氧化铝、氧化铝莫来石、氧化锆、氧化钇稳定氧化锆、氧化锆增韧氧化铝、熔凝石英、氧化钇、二氧化铪、铝硅酸盐和六硼化镧。
在一个实施例中，钝化层通过以下方法中的至少一种方法置于基底层上：涂刷、物理沉积、化学气相沉积和喷洒。
在一个实施例中，钝化层包括以下项中的至少一项：固定于基底层上的瓦片（tile）和套筒。
在一个实施例中，基底材料包括陶瓷和固体中的一种。
在一个实施例中，基底材料包括水泥。
在一个实施例中，基底材料包括高铝质浇注水泥。
在一个实施例中，基底材料包括Al2O3。
在一个实施例中，基底材料包括具有至少90%的纯度的Al2O3。
根据第二方面，提供制造用于用等离子体流处理来自加工工具的排出流的等离子体焰炬消除装置的反应腔室的方法，包括：由具有由钝化材料形成的钝化层和由基底材料形成的基底层的复合结构形成反应腔室壁，钝化层面向排出流和等离子体流，且相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流化学反应性更弱。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流的化学抵抗性更强。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流的化学惰性更强。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料对排出流和等离子体流中的卤素自由基化学反应性更弱。
在一个实施例中，相比于钝化层，基底层对热破裂抵抗性更强。
在一个实施例中，钝化层比基底层更薄。
在一个实施例中，相比于基底材料，钝化材料具有更高的纯度。
在一个实施例中，钝化材料包括以下项中的至少一项：氧化铝、氧化铝莫来石、氧化锆、氧化钇稳定氧化锆、氧化锆增韧氧化铝、熔凝石英、氧化钇、二氧化铪和铝硅酸盐和六硼化镧。
在一个实施例中，钝化层通过以下方法中的至少一种方法置于基底层上：涂刷、物理沉积、化学气相沉积和喷洒。
在一个实施例中，钝化层包括以下项中的至少一项：固定于基底层上的瓦片和套筒。
在一个实施例中，基底材料包括陶瓷和固体中的一种。
在一个实施例中，基底材料包括水泥。
在一个实施例中，基底材料包括高铝质浇注水泥。
在一个实施例中，基底材料包括Al2O3。
在一个实施例中，基底材料包括具有至少90%的纯度的Al2O3。
在一个实施例中，基底层包括陶瓷混合物，且方法包括在陶瓷混合物上执行至少一个退火步骤。
在一个实施例中，基底层包括陶瓷混合物，且方法包括在陶瓷混合物上执行多个退火步骤。
在一个实施例中，退火步骤将陶瓷混合物的温度提高至较高温度。
在一个实施例中，退火步骤将陶瓷混合物的温度从环境温度提高至较高温度。
在一个实施例中，退火步骤以连续和不连续中的一种方式将陶瓷混合物的温度从环境温度提高至较高温度。
在一个实施例中，每一个退火步骤均在第一时段内将陶瓷混合物的温度提高至提高的温度，且在第二时段内维持提高的温度。
在一个实施例中，第二时段比第一时段更长。
在一个实施例中，方法包括在多个退火步骤之后控制陶瓷混合物的冷却。
在一个实施例中，控制陶瓷混合物的冷却包括使退火步骤倒转。
在一个实施例中，相比于加热陶瓷混合物的多个退火步骤，控制冷却更缓慢地冷却陶瓷混合物。
在一个实施例中，相比于加热陶瓷混合物所花费的时间，冷却陶瓷混合物所花费的时间更长。
在一个实施例中，方法包括将陶瓷与流体混合以形成陶瓷混合物。
在一个实施例中，流体包括水。
在一个实施例中，方法包括在模具中模制陶瓷混合物以形成反应腔室。
在一个实施例中，方法包括摇动模具内的陶瓷混合物，以使陶瓷混合物均匀。
在一个实施例中，方法包括摇动模具内的陶瓷混合物，以使陶瓷混合物内的气泡移位。
在一个实施例中，摇动包括振动和旋转中的一种。
在一个实施例中，方法包括使陶瓷混合物在模具内凝结。
在一个实施例中，方法包括在执行多个退火步骤之前，将陶瓷混合物从模具移除。
在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述更具体和优选的方面。从属权利要求的特征可以酌情与独立权利要求的特征结合，以及成不同于权利要求中所明确阐述的那些组合的组合。
其中，装置特征被描述为可操作以提供功能，将理解的是，这包括提供该功能或者适于或配置成提供该功能的装置特征。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本实用新型的实施例，附图中：
图1和图2根据一个实施例以横截面图示等离子体焰炬消除装置的部件；
图3以透视图图示图1和图2的等离子体焰炬消除装置的部件，并且其中阳极和阴极被省略以改善清晰度；以及
图4图示根据一个实施例的通过反应腔室的横截面。
具体实施方式
在更详细地讨论实施例之前，首先将提供综述。实施例设置多材料反应腔室。反应腔室通常是管状结构。管状结构的内部体积限定空隙，等离子体消除在所述空隙内发生。设置基底，其形成反应腔室壁的主要部分。一层钝化材料设置在反应腔室的内表面上、在基底材料的顶部。钝化材料提供对反应腔室内的反应物的更强的化学抵抗性。提供相比于基底层相对更薄的钝化层提供更加成本有效的反应腔室和带有相比于仅由钝化材料形成的一层（其往往在热循环期间更易受损伤）的改善的热性质的反应腔室。可以采用多种不同技术以创建多材料结构，诸如物理或化学沉积技术、热烘烤、钝化材料和基底材料两者的固化或退火步骤，提供单独的钝化层并将其与基底层配合在一起。这种布置帮助改善反应腔室的寿命。
等离子体焰炬消除装置
图1和图2根据一个实施例以横截面图示等离子体焰炬消除装置（总体地10）的部件。图3以透视图图示等离子体焰炬消除装置10的部件。等离子体焰炬消除装置10包括大体管状阳极14的开口的上游的阴极12。阴极12和阳极14之间提供空间，等离子体源气体16（中性、惰性气体，诸如但不限于氩气或氮气）能够流动通过该空间。阴极12和阳极14电气连接到电源（未示出），其配置成在阴极12和阳极14之间施加直流电流，或者对阴极12和阳极14中的任一者或两者施加交流电流。通过参考其他过程参数，诸如排出流或等离子体源气体类别和流动速率、阴极-阳极间距、气体温度等，大体确定和选定所要求的电流的大小和频率。等离子体放电的电压大小直接受到这些参数的影响。在任意情形中，适当的、初始高电压条件（regime）是如下的一种，其引起等离子体源气体16电离且由此形成等离子体（在公知为击穿的过程中）。
阴极12通常由高传导性金属（诸如铜）制造。阴极12的面向下游端可以提供优选放电部位，这通过为该部分选择与阴极12的主体不同的材料实现，即，与面向下游部分的热离子材料相比，阴极12的主体通常由具有更高的导热性的传导材料形成。例如，将通常使用铜阴极本体和铪或涂钍钨的面向下游部分。阳极14能够然后由与阴极12的主体类似的材料形成；例如铜。等离子体流18因此在紧邻阴极12下方的小区域中集结（nucleated），由阳极14的截头锥形部分引导并作为射流从阳极14离开。
为了生成等离子体，等离子体源气体16（通常地是诸如氮气或氩气的惰性适度的可电离气体）被输运至阴极12和阳极14之间的区域。为了起动或启动等离子体，必须首先在阴极12和阳极14之间生成击穿。这通常通过可以由与电源（未示出）相关联的发电机提供的高频、高电压信号实现。阴极12的主体和面向下游部分之间的导热性的差异意味着阴极温度将更高，且电子优选地从面向下游部分发射。因此，当在阴极12和阳极14之间提供信号时，在等离子体源气体16中诱发电弧放电。电弧在阳极14和阴极12之间形成电流路径，然后由阳极14和阴极12之间的受控直流电流维持等离子体。等离子体源气体16产生电离的等离子体源气体16的高动量等离子体流18。
文丘里锥体
阳极14的下游是文丘里锥体20。文丘里锥体20包括通向侧面大致平行的喉部部分的朝内渐缩的截头锥形部分。阳极14和文丘里锥体20之间提供环形空间，通过所述环形空间提供待加工的废气流22和次级气流24。次级气流24可以是压缩的干燥空气或其他气体，且通常被用作试剂以辅助下游反应。文丘里锥体20的几何形状的作用是加速和压缩进入的气体，以在阳极14下游的区域中创建相对高速、相对压缩的气体的区域，从而辅助吸入废气流22和次级气体24，以及促进与等离子体流18混合。从文丘里锥体20离开的气体的高速能够推进紊流，以增强等离子体流18、废气流22和次级气流24的混合。
反应腔室
文丘里锥体20的下游设置反应腔室26。反应腔室接收与废气流22和次级气流24混合的等离子体流18。反应腔室26是与阴极12、阳极14和文丘里锥体20同轴地对齐的圆筒形管。
反应腔室26具有内表面26A，其限定圆筒形空间，在其内接收等离子体流18、废气流22和次级气流24。如将理解到的那样，由等离子体流18生成强烈的热，且该热与次级气流24内的试剂一同帮助分解废气流22内的化合物。反应腔室26的轴向长度帮助增加废气流22在反应腔室26内的驻留时间和改善其破坏和移除效率（DRE）。大部分能量被局限于反应腔室26的内部体积内侧。
水套28同心地环绕反应腔室26。气隙30将水套28的内壁28A与反应腔室26分离。外壁28B同心地环绕内壁28A，并限定接收冷却剂（诸如水）的管状空隙28C。反应腔室26由冷却剂通过穿过气隙30的辐射热传递间接地冷却，以及由反应腔室26的任一端处的热接触直接地冷却。由等离子体流18生成的大部分能量被局限于反应腔室的内部体积内侧。
通常，反应腔室26由诸如高铝质浇注水泥（HAC）的水泥形成。此类水泥需要能够经受由等离子体流18生成的高温、经受通过使等离子体流18通断引起的热冲击，以及应对不同气流的作用。
反应管铸造
实施例提供更不易于失效的长寿命反应腔室26。表1示出制造反应腔室26的主要步骤。
在步骤S1处，在一时间段内，通过机械混合使陶瓷粉末水泥在碗中与诸如水的混合流体混合。
在步骤S2处，混合的水泥和流体被倾倒入由用于形成反应腔室26的内部模具和外部模具创建的空隙中。摇动模具，以便减少任意气泡或空隙在水泥和流体混合物内的存在。也可以摇动模具，以便增加水泥和流体混合物的均匀性。
在步骤S3处，模具被闭合，且用螺栓固定内部模具。
在步骤S4处，允许水泥和流体混合物在模具内凝结。
在步骤S5处，压机被用于移除内部模具且外部模具被移除。
在步骤S6处，反应管26被从模具移除且在烤炉中被烘烤，所述烤炉遵循温度曲线以执行一系列一个或多个退火步骤。温度曲线以斜坡式的阶梯增大反应腔室26的温度，并在一时段内维持该温度，以便执行反复退火。最大程度提高的退火温度被设定为超过反应腔室26的操作温度。一个实施例遵循表2中所示的温度曲线。
另一实施例遵循表3中所示的温度曲线。
在步骤S7处，反应管经历受控的冷却。通常，这涉及允许反应腔室在烤炉内侧冷却至环境温度。在一个实施例中，反应腔室通过遵循退火步骤的温度曲线但是以相反顺序冷却。
钝化层
在一个实施例中，如图4中所示，反应腔室26具有钝化层。钝化层改善了反应腔室26的内表面26A在与消除的等离子体阶段（plasma phase）期间生成的卤素自由基接触时的化学惰性。钝化层由在高温下具有卤素抵抗性（例如，氟）的一种或多种材料形成。合适的材料包括：AL=氧化铝、AM=氧化铝莫来石（刚玉）、ZR=氧化锆、YSZ=氧化钇稳定氧化锆（完全稳定）、ZTA=氧化锆增韧氧化铝、FQ=熔凝石英（二氧化硅）、YR=氧化钇、HF=二氧化铪、AS=铝硅酸盐（硅线石）和/或LaB6=六硼化镧。
钝化层26B通常被设置为沉积在至少反应腔室26的内表面26A上的层。钝化层也可以被沉积为在反应腔室26的一个或多个环形端部上延伸。
提供相比于反应腔室26的厚度相对薄的钝化层26B减少了当等离子体流18启动和停止时钝化层26B所经历的热冲击，同时仍然为反应腔室26的下方结构提供化学保护。
可以采用多种不同技术以将钝化层26B沉积在反应腔室26上。表4中示出这些技术：
。
将理解的是，也可以利用额外技术，诸如物理气相沉积和化学气相沉积。
因此，实施例增加了等离子体消除系统中所采用的陶瓷反应管寿命。实施例创建了钝化层，以便改善其内部壁在与消除的等离子体阶段期间生成的卤素自由基接触时的化学惰性。
实施例在等离子体系统的所谓的反应区段中利用被称为“陶瓷反应管”的中空圆筒。管所涵盖的内部体积是主要反应在该处发生的区域。在本文中，在通过越过被称为“文丘里锥体”的锥形孔口混合之后，分别会聚由DC-电弧焰炬生成的热等离子体、过程气体和试剂。压缩干燥空气（CDA）通常被用作试剂，其恢复可能没有来自诸如HF、HCl的酸的腐蚀的干燥反应。
反应管由冷却水（PCW）通过穿过气隙的辐射热传递间接地冷却，以及由反应区段的底部处的热接触直接冷却。焰炬能量的大部分必须被局限于管的内部体积内侧（因此针对管的冷却设计和绝缘陶瓷材料的选择）。管能够是细长的，以便增加待处理的废气的驻留时间。所有这些特征均改善了系统的破坏和移除效率（DRE）。
在实施例中，通过采用“高铝质浇注”（HAC）水泥在内部模具和外部壳体（具有适当尺寸的不锈钢管）之间形成管。上文描述了准备管的制法。管寿命随HAC水泥的侵蚀速率而变。高温能够改变Al2O3的化学状态，从而使得卤素能够侵袭它。实验已经示出，对于可接受的零件寿命，要求具有>90%的Al2O3含量的HAC水泥和高达900℃的烘烤/退火温度。
改善管寿命的其他关键因素是文丘里锥体开孔和管钻孔自身两者的增加。这两者都导致管和等离子体羽流之间的空间的增加，而它们对DRE有影响。
上文所描述的管准备应对准备没有缺陷（密度不均匀、禁锢的气泡等）的管水泥的技术。所提及的温度曲线详细地图示将HAC水泥退火以允许其颗粒部分烧结的步骤。这使得管更不易于渗透侵蚀物。
由于HAC反应管的极佳的热-机械（T-M）性质，其适合用于该目的。实验数据示出HAC管安置在“热”等离子体羽流下若干周而不损耗材料，同时由于T-M应力，用由纯氧化铝制成的类似管进行的测试在几分钟内开裂。
实施例用具有改善的化学抵抗性的更纯的材料钝化管内部壁。该层被制成为薄的，使得块体材料（HAC水泥）的T-M性质得以保持。这也允许在该层中使用小量的特殊材料，同时使零件成本最小化。该层能够由高纯度氧化铝（AL）、氧化铝莫来石（刚玉–AM）、氧化锆（ZR）、氧化钇稳定氧化锆（完全稳定–YSZ）、氧化锆增韧氧化铝（ZTA）、熔凝石英（二氧化硅–ZTA FQ）、氧化钇（YR）、二氧化铪（HF）、铝硅酸盐（硅线石–AS）制成。关于构建该钝化层的技术，人们能够使用以下技术：
a）一些材料可用作耐火涂料，从而允许用刷施加层且然后使层在另一热步骤中在烤炉中固化。
b）热等离子体喷洒涂层；该技术允许具有极佳品质的层沉积于管壁上。
c）瓦片或者套筒插件；套筒或一些瓦片通常在HAC水泥仍然湿润时被施加于内部壁；由于水泥粘合力，这些瓦片（或套筒）能够保持附接至管内部壁。
尽管在本文中已经参考附图详细地公开了本实用新型的说明性实施例，但是应当理解的是，本实用新型不限于精确的实施例，且在不脱离如由所附权利要求及其等价物限定的本实用新型的范围的情况下，本领域技术人员能够在其中实现各种改变和改型。
附图标记
等离子体焰炬消除装置10
阴极12
阳极14
等离子体源气体16
等离子体流18
文丘里锥体20
废气流22
次级气流24
反应腔室26
内表面26a
钝化层26b
水套28
内壁28a
外壁28b
管状空隙28c
气隙30。