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CN107430975A - 可变压力环境中的平衡阻挡放电中和 - Google Patents

可变压力环境中的平衡阻挡放电中和 Download PDF

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CN107430975A CN201580071285.0A CN201580071285A CN107430975A CN 107430975 A CN107430975 A CN 107430975A CN 201580071285 A CN201580071285 A CN 201580071285A CN 107430975 A CN107430975 A CN 107430975A
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Abstract

公开用于可变压力环境中的静电荷中和的方法和设备。明确地说，阻挡放电电离设备可包含：中空介电通道，设置在可变压力环境内并可具有至少一个开端；参考发射极，设置在所述通道的外表面上；以及高压电极，设置在所述通道内。所述高压电极可响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场。这由于所述参考发射极与所述介电通道的外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。所公开的设备与射频或微脉冲电压电力供应器兼容。

Description

可变压力环境中的平衡阻挡放电中和
背景技术
1.技术领域
本发明涉及用于通过阻挡放电而实现的静电荷中和的平衡电离。因此，本发明的整体目标是提供这种特征的新颖系统、方法和设备。
2.背景技术
当前半导体制造大部分始于晶片的产生，所述晶片接着在低压/真空环境中以各种方式进行处理。此处理可包含薄膜材料沉积、蚀刻、溅射、等离子体处理和/或在中度或深度真空(即，低压)下进行的其它操作。在此情形下，中度或深度真空压力通常介于约10-2托与约10-3托之间。
半导体制造的一种新趋势是从基于晶片的制造到连续卷对卷(roll to roll)制造的转变。卷对卷半导体制造通常需要随着适当塑料薄膜从一个卷轴展开并接着缠绕在另一卷轴上而在所述塑料薄膜上印刷电子电路(例如，通过真空金属喷镀)。微米级和次微米级印刷电子电路使用卷对卷制造而成为可能，但商业上可行的实施方案必须严格遵守已应用到基于晶片的制造的半导体质量控制要求。明确地说，所得的工作产品必须实际上没有缺陷、均匀且清洁。
中压和低压卷对卷半导体制造环境中的静电电荷的不可避免的产生导致大量问题。这些问题包含：(1)在装载和/或携载期间因搬运和/或导引装置所致的薄膜的静电吸附；(2)因高电应力和放电所致的受损的薄膜工作产品；(3)因所吸引的颗粒的吸附所致的薄膜表面污染。这些问题预期随着半导体电路尺寸减小并且密度增大而变得更严重。因此，对静电电荷产生、监视和中和的兴趣正增长，在低压卷对卷半导体制造中特别如此。
被设计成在正常大气压力(通常约760托)下操作的基于电晕的静电荷中和器当然是众所周知的。然而，通常认为所述静电荷中和器因容易发生电击穿、火花放电和电极腐蚀而不适用于可变压力环境和/或中压到低压环境中。出于这些原因，已将其它技术用于低压半导体制造中。例如，使用磁控管DC放电或RF型等离子体离子产生源的等离子体中和器已用于在离子注入和/或蚀刻期间将半导体晶片以电子束/离子束淋浴。并且，使用软X射线和UV光产生灯的光电离中和器对于在存在如N2和Ar等惰性且电正性的气体的情况下在低压下中和产品来说是已知的。然而，光电离中和器的效率已知在处于10-1到10-2托的范围中的N2和O2气体压力下急剧降低。最终，UV氘灯中和器可在低至10-3到10-5托的低压下在晶片上提供双极电离和静电荷减少。这些中和器遭受许多严重缺陷。这些缺陷包含以下事实：UV氘弧灯(1)在极高温度下操作；(2)需要特殊的高压电力供应器和有效的冷却系统；并且(3)产生跨越较小区域操作的相对窄的中和束。
因此，仍然需要薄膜和/或晶片半导体制造中的静电荷中和(特别是在中度真空到低度真空压力环境中执行的静电荷中和)的进一步改进。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种响应于被施加可变波形信号而在可变压力环境中进行静电荷中和的平衡电离器。所述平衡电离器可包括：(1)中空介电通道，具有一定长度和外表面，所述介电通道设置在所述可变压力环境内；(2)参考发射极，沿着所述介电通道的所述长度并在所述介电通道的所述外表面上螺旋地设置，所述参考发射极接收由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形参考信号；以及(3)高压电极，设置在所述中空介电通道内。根据本发明，所述高压电极可响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形高压信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场。此电场可由于所述参考发射极与所述介电通道的外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。
在相关方面中，本发明涉及一种响应于被施加至少一个可变波形信号而在封闭可变压力环境中进行静电荷中和的平衡电离器。所述平衡电离器可包括中空介电通道，所述中空介电通道具有一定长度、内表面、外表面、一个开端以及一个相对闭端。所述介电通道可设置在所述可变压力环境内，以使得所述介电通道的所述开端不处于所述可变压力环境内，并且使得所述相对闭端处于所述可变压力环境内。所述电离器可还包括参考发射极，所述参考发射极设置在所述可变压力环境内，并且沿着所述介电通道的所述长度并在所述介电通道的所述外表面上设置，并且所述参考发射极可接收由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形参考信号。所述电离器可还包括高压电极，所述高压电极设置在所述中空介电通道内。根据本发明的此方面，所述高压电极可响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形高压信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场。此电场可由于所述参考发射极与所述介电通道的外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。
本发明的又一方面涉及一种响应于被施加可变波形信号而在可变压力环境中进行静电荷中和的平衡电离棒。所述平衡电离棒可包括细长底架，所述细长底架具有带有开放面的中空内部以及具有气体入口和多个孔的歧管，所述多个孔设置在所述歧管与所述中空内部之间，以使得进入所述歧管入口的气体从所述中空内部的开放面流出，其中所述底架至少部分设置在所述可变压力环境内。所述棒可还包括中空介电通道，所述中空介电通道具有一定长度和外表面，其中所述介电通道可设置在所述细长底架的所述中空内部内。所述棒还包括参考发射极，所述参考发射极沿着所述介电通道的所述长度并在所述介电通道的所述外表面上螺旋地设置，所述参考发射极接收由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形参考信号。最终，所述棒可包括高压电极，所述高压电极设置在所述中空介电通道内。所述高压电极可响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形高压信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场。此电场可由于所述参考发射极与所述介电通道的外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。
对于本领域的一般技术人员来说，本发明的许多其它优点和特征将从具体实施方式、权利要求书和附图变得清楚。
附图说明
下文将参照附图描述本发明的优选实施例，其中相同附图标记表示相同步骤和/或结构，并且其中：
图1是根据本发明的低压/真空半导体制造室的简化图，所述低压/真空半导体制造室配备具有两个阻挡放电电离池/棒的电荷中和系统；
图2是根据本发明的优选实施例的电离池的部分横截面图；
图3A到图3D是根据本发明的第二优选实施例的电离池的各种视图；
图4是示出击穿电压与大气压力之间的关系的现有技术“帕邢曲线”曲线图；
图5A和图5B分别是使用图3A到图3D的电离池的电离棒的部分侧视立视图和侧视横截面图；
图6是根据本发明的第三优选实施例的单侧闭合式电离池的横截面图；
图7是根据本发明的优选形式的具有电离棒的阻挡放电中和器的简化图；
图8和图8A示出图示用于根据图7的阻挡放电中和器的主中和器回路的优选功能性的流程图；
图9示出图示用于根据图7的阻挡放电中和器的电离学习例程的优选功能性的流程图；
图10A示出图示用于根据图7的阻挡放电中和器的设定阈值例程的优选功能性的流程图；
图10B示出图示用于根据图7的阻挡放电中和器的结束阈值例程的优选功能性的流程图；
图11和图11A示出图示用于根据图7的阻挡放电中和器的电离例程的优选功能性的流程图；
图12是用于产生如图13到图16进一步图示的各种经验数据的本发明的一种可能原型实施方案的测试设备的简化图；以及
图13到图16图示使用图12的测试设备而产生的各种经验数据。
具体实施方式
参照图1，中压或低压(即，深度真空)室1的简化图在所有侧上由室壁30限定，并且配备根据本发明的阻挡放电中和器系统。通常，中和器系统包括电离池6'和6"，电离池6'和6"电链接到高压电力供应器13(高压电力供应器13转而通信链接到控制系统14)。通常，室1配备过程监视装置(例如，压力计/传感器8或/和残余气体分析仪9)，所述过程监视装置通信链接到常规控制系统14(常规控制系统14转而通信链接到高压电力供应器13)。以此方式，例如压力传感器8和/或臭氧传感器40等环境条件传感器可感测环境(例如，可变压力环境)内的至少一个环境条件，并且HVPS 13可产生至少部分取决于这些传感器中的一个或更多个所感测的环境条件的改变的可变波形高压信号。明确地说，可变波形高压信号的幅度可被控制为在任何给定时刻小于介电通道在环境的压力下的击穿电压。
如图示，高压电力供应器13和控制系统14优选定位在室1外，并且室1优选具有若干密封口10'、10”、10”'和真空泵11。
电离池6'和6"可连接到压力控制式RF或微脉冲HVPS 13，压力控制式RF或微脉冲HVPS 13将可变高压波形/信号(RF/MPBD)呈现给高压电极。兼容的RF波形的一些非限制性实例包含正弦波形、梯形波形、脉冲波形、电压突发波形等，并且这些波形中的任一个可以是幅度可变波形、频率可变波形、占空比可变波形等中的一个或更多个。作为非限制性实例，可变高压微脉冲信号可基本上包括两个不对称脉冲(一个正分量具有高于对应负分量的幅度，并且一个负分量具有高于对应正分量的幅度)。每一脉冲的持续时间可在纳秒的范围中，并且信号可具有极小占空比。每一电离(高压)不对称微脉冲可具有幅度高于阻挡放电阈值的至少一个极性脉冲。此外，两个极性脉冲可布置在包括电离脉冲和非电离脉冲的脉冲串中，并且可变性可通过改变以下各者来提供：(1)每循环的正脉冲和负脉冲的数量；(2)每一脉冲的持续时间；(3)每一脉冲的幅度；和/或(4)每一循环的占空比。可结合本发明来使用各种常规高压电力供应器、信号和/或技术。例如，通常用于电离和/或中和的领域中的射频高压电力供应器可由本领域的一般技术人员使用和/或调适以用于本发明。此外，常规微脉冲电力供应器可如本文所述而使用和/或调适以用于本发明。这些微脉冲电力供应器的实例提供在下文的美国专利中，所述美国专利的全部内容以引用方式并入本文中：第8,773,837号美国专利，授予Partridge等人，申请号为13/367,369，于2012年2月6日申请，2014年7月8日授予，并且名为“多脉冲线性电离器”。
在所示出的非限制性实例中，室1容纳薄膜材料(通常是塑料薄膜或腹板)卷2和7，其中薄膜或半导体电路产生在所述塑料薄膜上。电离池6'和6"优选被定位成在真空室1内紧密接近腹板3。卷2携载已知的原始/未处理的腹板或膜或腹板材料3。虽然可使用广泛各种熟知材料，但所述材料在全文中被统称为腹板。本领域的一般技术人员应了解，术语“腹板”希望是表示可使用的最广泛种类的材料的非限制性方式。
如图所示，腹板3可从卷2展开，并围绕导引辊4a移动到处理区域5。在此过程期间，腹板3可获取未知极性和密度的不良静电电荷，而这将是根据本发明的阻挡放电电离池6'所进行的中和的目的。类似地，腹板3可由于在处理区域5中发生的转化操作(例如，金属膜和/或其它材料的气相或化学沉积)和/或由于与导引辊4b的接触而获取不良静电电荷。因此，第二阻挡放电电离池6”可定位在辊4b与输入/缠绕卷7之间以在腹板3缠绕到卷7上之前中和腹板3上的任何电荷(以及相关联的不良效果，例如，颗粒粘附、放电、火花等)。如图所示，电离池6"可通过经由密封件10"而穿过室壁30的绝缘导体电连接到高压电力供应器(HVPS)13，并且电荷中和可通过经由另一密封件10"'而穿过室壁30的选用的气体供应和/或真空线路12来辅助。本领域的一般技术人员应认识到，电离池6'也可通过经由另一密封件10'而穿过室壁30的绝缘导体电连接到高压电力供应器(HVPS)13。并且，电离池6'可通过其自身的选用的气体供应和/或真空线路来辅助。
图2是根据本发明的优选实施例的电离池15的部分横截面图。此实施例被配置为由介电/非导电材料形成的中空通道、导管、通路、圆筒或管16(具有一个开端)，所述介电/非导电材料具有高耐化学腐蚀性、高介电强度(处于约5,000到8,000V/mm的范围中)以及高表面与体积电阻率(处于约1014到1018欧姆/厘米的范围中)。展现这些品质的常规材料可包含陶瓷、熔凝硅石、Pyrex、石英、Millar、Teflon以及本领域中已知的其它材料。已通过本发明确定，介电圆筒16的表面粗糙度可对电荷载流子产生效率具有显著影响，并且因此可以是发射极设计优化的重要参数。
电离池15可还包含螺旋卷绕金属丝17，螺旋卷绕金属丝17优选缠绕在圆筒16的中央部分周围。如本文所论述，金属丝17在被提供高压电离信号时充当离子/电子发射极。优选螺旋缠绕配置可在线圈之间包含开放空间/区域。为了优化离子/电子产生，外部发射极线圈17的间距Wp可等于一倍或更多倍的金属丝直径。
外部金属丝发射极17可例如由钨、钛、镍铬合金或具有高热电阻和抗氧化性的另一(常规或其它)合金形成。视情况，金属丝发射极17的表面可用氧化层来专门处理，或通过电镀用另一材料层覆盖。例如，由钛形成的金属丝17可具有氧化钛的表面层以因此增强电荷载流子产生和发射。参考发射极17可具有处于约20微米到约150微米的范围中的直径，并且最优选直径范围是约60微米到约100微米。参考发射极17优选电连接到虚拟接地，并且此接地可由HVPS 13提供或可并非由HVPS 13提供。
继续参照图2，电离池15可还包含内部高压电极18，内部高压电极18设置在圆筒/管16内并与高压电力供应器13电连通。如本文所论述，当金属丝18被提供高压电离信号时，金属丝18提供导致从金属丝17进行离子放电(阻挡充电)的电离电场。明确地说，所通电的金属丝18通过管16向金属丝17呈现的高压电场导致金属丝17与管16的外表面之间的界面/阻挡处的阻挡放电。在优选形式中，内部电极18可以是设置在管16的内表面上的螺旋卷绕弹簧。电极18可具有小于金属丝发射极17的间距Wp的间距Whvp，并且内部电极18的直径优选大于金属丝发射极17的直径。在最优选的形式中，电极18可选择性地接纳在插口19内，以使得电极18可经由高压电缆19'而从HVPS 13接收适当高压信号，并且使得电离池15是可容易互换的(容易通过移除池15并在不通过特殊工具或技术的情况下将其替换为另一池15来替换)。优选螺旋缠绕配置应在线圈之间包含开放空间/区域并优化等离子体/电荷载流子产生。因此，电极18的间距Whvp应大于至少一倍的金属丝直径。虽然在正常大气压力下操作，但图2的开端阻挡放电电离池特别良好适用于在低压/真空环境内使用。
也如图2所示，电离池15可包含选用的中央铁磁体芯杆20，其中中央铁磁体芯杆20设置在电极线圈18与圆筒16内以优化HVPS 13与外部离子发射极17之间的电力输送。当状况正是如此时，电离池15可在电学上被视为阻抗优选与HVPS 13所提供的信号的频率匹配的LC谐振电路。在一些替代实施例中，介电通道内的中空空间可由封装材料填充，以避免电极17与18之间的介电通道的电击穿的任何可能性。
在替代实施例(未在图2中示出，而是在图5中示出并关于图5而论述)中，电力供应器13的高压部(HV变压器13')可被完全封装，定位在真空/低压室内，并且直接连接到电离池15。当状况正是如此时，HV变压器13'可经由低压电缆而连接到HVPS 13的低压部分(包含RF或微脉冲产生器和驱动器)。
现联合参照图3A到图3D，示出根据本发明的第二优选实施例的电离池的各种视图。在此优选实施例中，电离池21包含被配置为平坦导电螺旋带或带材的印刷/涂刷外部发射极电极22。池21可具有内部高压电极18'，内部高压电极18'可被配置为导电管或与图2所示的弹簧类似的弹簧18。在使用中，参考发射极22优选电连接到虚拟接地，并且此接地可由HVPS 13提供或可并非由HVPS 13提供。
此电离池设计的一个优点在于，所述电离池设计在介电圆筒16(在此实例中，优选为具有99％氧化铝基底的陶瓷)的表面与平坦发射极/电极22之间提供大且可靠的接触区域。最优选的是，发射极22可以是平坦螺旋钛带，其间距是约4mm，宽度是约1mm并且高度是约0.06mm。电极/发射极22可以是广泛各种导电材料中的任一种，并且电极22可以丝网印刷(沉积)到中空陶瓷管16上或根据本领域的一般技术人员所知的任何其它方法来涂覆。当电离池15的电极18'通电到高压时，阻挡放电将在外部导电电极22的边缘与导管16的邻近外表面之间的边界区域中进行。
本发明在其中特别有利的可变压力环境和低压环境针对高压装置提出特殊挑战。这是因为不受控的电放电/火花较可能在中压和低压下发生并且这些放电可能损坏工件以及中和器/电离器自身。此击穿电压与大气压力(被称为“帕邢曲线”)的现有技术曲线图60示出在图4中。给定工具或给定室的击穿电压与大气压力的关系(精确帕邢曲线)针对不同残余气体在某种程度上变化。类似地，精确帕邢曲线可基于不同电压波形而变化。因此，任何特定应用中的任何特定阻挡放电中和器的精确帕邢曲线应通过实验来验证，并且设计参数相应地得以选择。针对任何给定压力，高于帕邢曲线上所示的电平的电压将导致不良的电压击穿/起弧。出于此原因，优选至少使电荷中和器的高压部/部分暴露于真空环境。在图4所示的实例中，在约1托的压力下，击穿电压降低到约300V的最小电平(被称为“帕邢极限”)，并且低于300伏特的电压必须在这些压力下进行维持。
图5A和图5B分别是使用图3A到图3D的电离池21的阻挡放电电离棒23的部分侧视立视图和侧视横截面图。阻挡放电电离棒的此实施例可对应于具有图1的气体辅助的电离池6”。阻挡放电电离棒(BD棒)23的此优选实施例可包含底架24，底架24支撑电离池21以及小型高压变压器13'，小型高压变压器13'电连接到与图3C所示的内部高压电极类似的内部高压电极18'(从图5A的视图隐藏)。棒底架24还可容纳具有多个孔口26的气体流动歧管25。歧管25可连接到进气口12(例如，参见图1)，以实现低流量“放散”气体供应，低流量“放散”气体供应可通过局部增大电离气体的浓度并将离子移动到带电工件/腹板3来增强电荷中和。各种放散气体可由本领域的一般技术人员选择，并且实例包含洁净干燥空气(CDA)、氮气和氩气。阻挡放电电离棒23可还应用在应将臭氧排放量最小化的情况；在此状况下，歧管25可连接到图1所示的类型的真空泵口11，以排除可能的过量臭氧。
图6是根据本发明的第三优选实施例的单侧闭合式电离池27的横截面图。在此实施例中，内部高压电极18"以间隔开的关系设置在中空介电管29内，中空介电管29在延伸到真空室1中的端部上闭合。介电管29可定位在真空室1的特殊延伸口中(如图所示)或可密封在工具的壁中。池27可还包含外部电极31，外部电极31可被配置为围绕闭合管29的外表面的金属丝网，例如，袜状结构。此实施例的一个优点在于，在中压到低压应用中，仅外部电极31暴露于低压空间/真空，并且发射极31电连接到低压电力供应器(或连接到HVPS13的低压端子/端口)。因为内部高压电极18"以及相关联的到HVPS 13的电缆连接全部定位在具有正常大气压力的空间中的真空工具/室外，所以真空室1内的电压击穿(如适用的帕邢曲线所预测)可容易通过适当的设计来避免。如同参考发射极17，参考发射极31优选电连接到虚拟接地，并且此接地可由HVPS 13提供或可并非由HVPS 13提供。
图7是根据本发明的优选形式的具有电离棒23和HVPS(射频或微脉冲)的阻挡放电中和器的简化图。更明确地说，图7的中和器实施例包含两个替代微处理器式控制系统。下文将论述每一个。如图7所示，电离棒23(电离棒23可至少实质上类似于图5所论述的棒23)被定位成紧密接近带电工件，例如，晶片或移动膜或腹板3。棒23的内部高压电极18可电连接到高压变压器32的次级线圈，并且非接触式(电容性)电压传感器33(例如，峰值检测器)可连接到微控制器34的输入。这使得可以实时监视施加到阻挡放电电离棒23的电压，此举在上文所论述的类型的真空/低压环境中是合乎需要的。
如图7所示，棒23的发射极电极21电连接到高通LC滤波器35(高通LC滤波器35可以是有源或无源LC滤波器)并且电连接到阻挡放电信号频谱分析仪36。分析仪36连接到微控制器34，并且可用于减少/截止低频噪声信号并将放电相关信息信号从滤波器电路35减去。较高频率信号(通常处于兆赫范围中)与阻挡放电电离的不同模式(例如，辉光放电、丝状放电、扩散放电等)相关联。来自分析仪36的所得信号和起始电压可由比较器37转换为输入到控制器34的控制系统反馈信号。因此，前述电路可包括状态监视电路，所述电路与参考发射极合作以响应于在所述参考发射极与所述介电通道的外表面之间的界面处发生的阻挡放电而产生阻挡放电检测信号。在替代实施例中，同一个比较器37也可允许针对电离棒23而手动设置BD起始电压。
根据本发明，控制系统14(也示出在图1中)包括框33、35、36和37，并且可与高压电力供应器13集成或分开。变压器32的初级线圈可连接到RF产生器38(频率范围20到100kHz)和驱动器39。微控制器34使用输入到框33、35、36和37以及从框33、35、36和37输出的信号而调整并监视HV变压器32的输出。阻挡放电起始/阈值电压可由于放电产生信号与RF产生器38频率之间的较大差(超过两个量级)而从噪声自动提取。
也如图7所示，微控制器34也可连接到真空压力计8和/或残余气体分析仪(RGA)9(也参见图1)。在一些应用中，应监视BD放电期间的臭氧浓度。在这些状况下，选用的臭氧传感器40也可连接到控制器34，并且最大HV输出将优选受可接受的臭氧浓度水平限制。图7的电荷中和器的控制系统14也可与工具控制系统41'电连通。
下文将立即论述图7的第二控制系统(例如，用于RF与微脉冲HVPS两者)。根据此实施例，电离池23可同时作为电离器并作为静电电荷/电场监视装置而工作。优选地，有源低通滤波器41(包括电阻器R1、R2、C和运算放大器OA)连接到池23的离子发射极、连接到微控制器34并连接到接地。池23的离子发射极产生围绕其外围分布的双极电离/导电云。在此状况下，发射极18和离子云将相对于接地具有实质上为零的电位。此云对来自接近发射极18而定位的带电物体(例如，腹板3或半导体晶片)的任何电场作出反应。如果带电物体接近发射极18，那么来自云的带相反电荷的离子将移动到带电物体。作为响应，正电流从接地通往发射极18，以根据电荷守恒定律而恢复离子云的电荷平衡。当腹板3、膜或另一可能带电的物体不移动时(例如，当工具处于备用/睡眠模式中时)，电离池23处于平衡条件中，并且可通过仅略高于阻挡放电起始电压电平的高压来供电(处于“睡眠模式”中)。在此条件下，AC发射极信号由高通滤波器35监视以确认阻挡放电状态/活跃性和电离。
低通滤波器41优选仅监视从发射极18流动到接地的电流Iem的DC分量。如果腹板3不携载任何电荷和/或不移动，那么源于发射极18的云中的离子不被电诱发成流动到别处，并且，因此，电流Iem将接近零或等于零。以此方式，低通滤波器41可充当电荷载流子平衡检测传感器/电路。如果腹板3开始移动，那么腹板3可在速度υ[m/s]下按随着腹板3而移动的线性密度Q[C/m]携载电荷。这产生转移电流ITC，其中：
ITC＝Qυ[安培]
因此，带电腹板同时产生转移电流以及与发射极18的离子云交互作用的电场。结果是，腹板3吸引相反极性的离子，并且电荷中和发生。如果电离池23中和全部腹板3电荷，那么穿过滤波器42的中和电流将是：Iem＝ITC。
通常，来自电离池的中和电流小于转移电流：Iem＝k ITC＝k Qυ[安培]
其中：Q是腹板3的电荷密度；其中k是电荷中和的系数效率(通常处于约0.80到约0.95的范围中)；并且其中υ是腹板速度。通常，腹板速度信号可接收自工具控制系统41'。工具控制系统41和控制器34优选不断监视中和电流的量值和极性，因此，腹板3的线性电荷密度可得以计算。
如果腹板3的中和电流Iem或电荷密度Q高于被选择为技术上可接受的某预设电平，那么低通滤波器41将HVPS 13从睡眠模式切换到正常中和操作模式。
操作图7的阻挡放电中和器的优选方法100示出在图8和图8A中。如图所示，当中和系统开始102时，系统初始化并配置硬件和输入与输出端口(I/O)104。接着测量密封的中压到低压室的真空压力106，并将其与从帕邢曲线60导出的最大操作压力值比较108。如果室中的压力不足够低，那么接着将所测量的压力与先前压力读数比较以确定压力是否正降低110。如果压力正降低，那么重复步骤106和108，直到所测量的压力低于预定阈值为止。否则，发布错误112。当发生压力错误时，将控制转移到压力错误处置子例程130。如果所测量的压力高于操作阈值132，那么指示错误，并且系统保持133，直到采取校正措施为止。相反，如果压力低于阈值，那么在此文献稍后所论述的其它操作例程期间处置错误135、137、138。
当达到压力阈值时，基于适用的帕邢曲线和当前测量的真空压力来设定将应用到阻挡放电电离池的上界高压(HV)电平114。计算绝对最大HV值并将其设定为略高于上界高压电平116。接着开始背景过程118 120以连续监视密封室中的真空压力。在此过程中，将所测量122的真空压力与从适用的帕邢曲线计算的当前操作HV电平比较124。如果压力和/或高压处于预定安全操作区126外，那么发布错误128并将控制传递到压力错误处置子例程130。如果所测量的压力高于操作阈值132，那么指示错误，并且系统保持133，直到采取校正措施为止。相反，如果压力低于阈值，那么如从帕邢曲线所确定而设定新的上界电压电平，并且将最大工作重置为新的上界电压电平的80％137。并且在122，压力监视背景过程继续138。
在开始压力监视过程118之后，学习操作电离条件140(下文详述)，并且基于所学习的条件而运行电离操作例程220(下文详述)，直到因移除电力和/或发布错误条件而终止134为止。
图9的电离学习例程140包含用于寻找阻挡放电开始(起始)的点以及阻挡放电停止(结束)的点的两个所调用的例程180和200(分别在图10A和图10B中示出，并在下文详细描述)。例程140开始142于初始化阈值阵列以保持将在稍后过程中分析的若干起始测量值114。接着调用例程180以寻找起始电压阈值180，并且将阈值保存在阈值阵列中148。如果无法找到起始阈值，那么发布起始测量错误150。接着，将控制传递到起始错误处置子例程163，其中指示学习错误167，并且系统驻留在保持状态中169，直到采取校正措施为止。接着确定是否完成全部起始测试152。如果没有完成全部起始测试，那么过程传递到步骤180并因此继续进行。否则，初始化结束阈值阵列154，并且接着调用例程200以寻找结束电压阈值200。接着将所得阈值电压保存在阈值阵列中158。如果无法找到结束阈值，那么发布结束测量错误160。接着，将控制传递到结束错误处置子例程165，其中指示学习错误167，并且系统驻留在保持状态中169，直到采取校正措施为止。接着确定是否完成全部结束测试162。如果没有完成全部结束测试，那么过程传递到步骤200并因此继续进行。否则，过程传递到步骤162，其中将保存在起始阵列中的所保存的起始阈值求平均值162，并且将结果作为最小阻挡放电阈值保存164。这将稍后用作电离运行例程220的操作条件。接着，过程传递到步骤166，其中将保存在结束阵列中的所保存的结束阈值求平均值166，并且将结果作为阻挡放电不确定性水平阈值保存168。这将稍后用作电离运行例程220的操作条件。过程140接着终止170。
图10A的起始阻挡放电电平过程180搜索阻挡放电随着高压增大而开始的高压电平。过程开始182于将电压电平从已知低于起始电平的电平初始化184。测量阻挡放电电平186，并确定是否检测到阻挡放电188。如果检测到阻挡放电188，那么将所测量的高压起始电平保存在起始阈值阵列148中190，并且过程终止192。否则，将高压电平与先前确定的最大高压电平比较194。如果高压电平处于先前确定的最大高压电平，那么过程以错误消息150结束196。接着，将控制传递到起始错误处置子例程163，其中指示学习错误167，并且系统驻留在保持状态中169，直到采取校正措施为止。否则，将高压电平递增198，并且过程返回到步骤186并因此继续进行。
图10B的结束阈值电平过程200搜索阻挡放电随着高压减小而停止的高压电平。过程开始202于将电压电平初始化到先前确定的最高工作电压电平204。测量阻挡放电电平206，并确定是否检测到阻挡放电208。如果检测到，那么将当前高压电平作为“先前高压电平”保存。将高压电平与先前确定的最小高压工作电平比较210。如果高压电平小于或等于最小高压工作电平，那么过程以错误消息160结束212，并且必须采取校正措施。否则，将高压电平递减214，并且过程返回到步骤206并因此继续进行。如果未检测到阻挡放电，那么舍弃当前高压电平，并且将所保存的“先前高压电平”作为结束电平保存在结束阈值阵列158中216，并且过程终止218。
一旦已成功完成学习例程，那么系统进入图11和图11A的电离运行例程220，其中系统保持不变，直到移除电力或发布错误条件为止。此过程将阻挡放电维持在介于起始与最大工作高压电平的80％之间的操作点。电离运行例程220开始222于将最小稳定高压设定为比起始阻挡放电电平(如过程180所确定)高20％224，并且接着将高压电平设定为最大工作电平的80％226。测量阻挡放电电平228，并且确定阻挡放电是否稳定230。如果阻挡放电稳定，那么将高压递减232，并且确定高压电平是否小于或等于最小稳定电平234。如果高压电平小于或等于最小稳定电平，那么发布阻挡放电反馈错误236，并且必须采取校正措施。否则，过程返回到步骤228并因此继续进行。
如果在步骤230中确定阻挡放电不稳定，那么设定最小稳定高压电平238，并确定高压电平是否大于或等于最大工作电平的80％240。如果高压电平大于或等于最大工作电平的80％，那么发布阻挡放电反馈错误242，并且将控制传递到阻挡放电反馈错误子例程240。此处，评估阻挡放电电平244，并且如果发现不稳定，那么起始重新学习246，并且在成功完成之后，恢复电离例程250，恢复130处的操作。类似地，如果阻挡放电电平稳定，而高压是错误的起因，那么起始重新学习246，并且在成功完成之后，恢复电离例程250。最终，如果错误不是上述两种情形，那么指示错误254，并且系统驻留在保持状态中256，直到采取校正措施为止。
现参照图12的测试设置60，图12中示出用于本发明的原型实施方案以产生如图13到图16进一步图示的各种经验数据的测试设备的简化图。阻挡放电电离池的可行性测试将在正常大气压力下在实验室实验中在设置60上运行。这些实验的一个目标在于验证使用相对简单且可缩放的BD电离池来进行离子产生的可行性。另一目标在于发现可缩放的BD电离池的性能特性，例如(1)离子平衡以及(2)在不同电压幅度下的正放电和负放电时间的范围。所测试的BD电离池在不同时间由常规RF和微脉冲高压电力供应器供电以产生对比结果。总的来说，本文所述的可行性测试示出全文论述的类型的BD电离池在正常大气压力下得到应用，当配置为电离吹风机时特别如此。
图12所描绘的测试设备包括外壳1'以支撑下文所述的各种部件。所述设备包含电离池43，电离池33具有陶瓷管42，陶瓷管42长度是约50mm，外径是约6mm，并且壁厚是约1mm。直径为约60微米的钨丝外部电极以螺旋样式设置在管42的外表面上。螺旋钨丝的缠绕间距是约3到4mm，并且作用长度是约100mm。内部高压电极44包括定位在陶瓷管42内的青铜细管，青铜细管由电容器C1电容性地耦接到常规HVPS(RF与微脉冲电离信号两者都被测试)。外部电极经由电容器C2而电容性地耦接到离子电流/电压监视电路48和接地。电路48是高通滤波器，所述高通滤波器包含小型辅助变压器TR 2(JC-90086C)或电感器和示波器。此外，电离池43安装在塑料导管45内以将气流引导到池43。气流由标准24VDC风扇46(类似于Simco-Ion XC-2电离吹风机中所使用的风扇)提供。离子平衡和放电时间由“210型带电板监视仪(CPM)”47以约15英寸的距离“D”测量。放电监视电路48包含LC高通滤波器(C2和TR-2的初级绕组)，并且所述电路的输出被馈送到常规示波器中。在独立测试中，高压电力供应器在RF模式中或在微脉冲模式中操作，以因此用处于约2kV到约7kV的范围中的可调整的输出电压对所测试的电离池43供电。
图13的表65示出由频率为8.7kHz(处于射频范围中)的高压正弦波供电的BD电离池43的测试结果。因为电容性地耦接的电离池43是在“自平衡”模式中操作，离子平衡被测量为处于约0+/-5V的范围中并且实际上独立于所施加的高压的幅度。BD电离池43被测量为具有处于约2.6到2.8kV的范围中的起始电压(参见以千伏为单位沿着x轴呈现的高压)。BD放电产生相对大的幅度(取决于所施加的电离电压，处于约1.5到8V的范围中)并且接近约10到15MHz的频率的信号。因此，可用简单的高通滤波器48监视起始电压和放电强度。
图14的表70示出在测试期间所测量的放电时间与施加到内部发射极44的高压RF信号的幅度的绝对值之间的关系。所示出的所描绘的曲线指示，施加到内部高压发射极44的RF高压信号的绝对值的显著增大对于显著减少放电时间来说是必要的。
图15的表75示出由微脉冲HVPS供电的BD电离池43的测试结果。在此状况下，发射极信号由辅助变压器48放大(如图12所描绘)。如所测量和示出的，微脉冲电压波形的起始电压比上文所论述的RF正弦波的起始电压高约1kV。
图16的表80示出在测试期间所测量的放电时间与施加到内部发射极44的微脉冲信号的幅度之间的关系。如图所示，当微脉冲电压的绝对值以相对小的量上升高于起始阈值时，放电时间急剧减少。此外，在介于约5到6kV(绝对值)的电压下，放电时间减少到少于2.0秒，但施加到内部发射极44的电压幅度(绝对值)的进一步增大产生极小的放电时间的进一步减少。
虽然结合目前认为是最实用且优选的实施例而描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是希望涵盖包含在随附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。关于上文的描述，例如，应认识到，对于本领域的技术人员来说，本发明的部件的最佳尺寸关系(包含大小的变化)、材料、形状、形式、功能和操作方式、组装与使用被认为是容易清楚的，并且与附图所图示并且本说明书所描述的关系等同的所有关系希望由随附权利要求书涵盖。因此，前文描述被认为是本发明的原理的说明性描述，而不是详尽描述。
除非在操作实例中或另有指示，否则本说明书和权利要求书中所使用的表示成分的量、反应条件等的所有数字或表述应被理解为在所有情形下被术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则本说明书和随附权利要求书中所阐述的数值参数是可取决于本发明想要获得的期望特性而变化的近似值。至少，并且不是为了试图将等同原则限于权利要求书的范围，每一数值参数至少应根据所报告的有效位的数量并且通过应用一般的取舍技术来解释。
虽然阐述本发明的宽泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中所阐述的数值被尽可能准确地报告。然而，任何数值固有地含有由于相应测试测量中的标准偏差而必然导致的某些误差。
并且，应理解，本文所述的任何数值范围希望包含其中所包括的所有子范围。例如，范围“0到10”希望包含介于所述的最小值1与所述的最大值10之间并且包含所述的最小值1与所述的最大值10的所有子范围，即，具有等于或大于1的最小值以及等于或小于10的最大值的所有子范围。因为所公开的数值范围是连续的，所以所述数值范围包含介于最小值与最大值之间的每一值。除非另有明确指示，否则本申请中所指定的各种数值范围是近似值。
下文出于描述的目的，术语“上”、“小”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其衍生词应与本发明相关，这是因为它们是在附图中取向。然而，应理解，除非另有明确相反指定，否则本发明可呈现各种替代变化和步骤序列。还应理解，附图所图示并且本说明书所描述的具体装置和过程仅是本发明的示范性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其它物理特性不被视为限制性的。

Claims (20)

1.一种响应于被施加可变波形信号而在可变压力环境中进行静电荷中和的平衡电离器，所述平衡电离器包括：
中空介电通道，具有一定长度和外表面，所述介电通道至少部分设置在所述可变压力环境内；
参考发射极，沿着所述介电通道的所述长度并在所述介电通道的所述外表面上螺旋地设置；以及
高压电极，至少部分设置在所述中空介电通道内，所述高压电极响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形高压信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场，所述电场由于所述参考发射极与所述介电通道的所述外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。
2.根据权利要求1所述的电离器，其中所述通道由陶瓷材料制成，并且其中所述参考发射极包括由导电材料制成的平坦螺旋带。
3.根据权利要求1所述的电离器，其中所述介电通道具有内表面，并且其中所述高压电极包括设置在所述介电通道的所述内表面上的螺旋弹簧。
4.根据权利要求1所述的电离器，其中所述环境具有一定压力，并且其中所述可变波形高压信号的幅度小于所述高压电极与所述参考发射极在所述环境的所述压力下的击穿电压。
5.根据权利要求1所述的电离器，还包括用于感测所述可变压力环境内的至少一个环境条件的环境条件传感器，并且其中所述可变波形高压信号至少部分取决于所述传感器所感测的环境条件的改变。
6.根据权利要求1所述的电离器，还包括状态监视电路，所述电路与所述参考发射极合作以响应于在所述参考发射极与所述介电通道的所述外表面之间的所述界面处发生的阻挡放电而产生阻挡放电检测信号。
7.一种响应于被施加至少一个可变波形信号而在封闭可变压力环境中进行静电荷中和的平衡电离器，所述平衡电离器包括：
中空介电通道，具有一定长度、内表面、外表面、一个开端以及一个相对闭端，所述介电通道设置在所述可变压力环境内，以使得所述介电通道的所述开端不处于所述可变压力环境内，并且使得所述相对闭端处于所述可变压力环境内；
参考发射极，设置在所述可变压力环境内，并且沿着所述介电通道的所述长度并在所述介电通道的所述外表面上设置；以及
高压电极，设置在所述中空介电通道内，所述高压电极响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形高压信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场，所述电场由于所述参考发射极与所述介电通道的所述外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。
8.根据权利要求7所述的电离器，其中所述通道由陶瓷材料制成，并且其中所述参考发射极包括设置在所述介电通道的所述外表面上并设置在所述可变压力环境内的由导电材料制成的平坦螺旋带。
9.根据权利要求7所述的电离器，其中所述高压电极包括设置在所述介电通道的所述内表面上的螺旋弹簧并且不处于所述可变压力环境内。
10.根据权利要求7所述的电离器，其中所述高压电极包括导电杆，所述导电杆设置在所述中空介电通道内以使得所述高压电极不接触所述介电通道的所述内表面并且不处于所述可变压力环境内。
11.根据权利要求7所述的电离器，其中所述参考发射极包括在所述可变压力环境内围绕所述介电通道的所述外表面的金属丝网。
12.根据权利要求7所述的电离器，其中所述环境具有一定压力，并且其中所述可变波形高压信号的幅度小于所述高压电极与所述参考发射极在所述环境的所述压力下的击穿电压。
13.根据权利要求7所述的电离器，还包括用于感测所述可变压力环境内的至少一个环境条件的环境条件传感器，并且其中所述可变波形高压信号至少部分取决于所述传感器所感测的环境条件的改变。
14.根据权利要求7所述的电离器，还包括状态监视电路，所述电路与所述参考发射极合作以响应于在所述参考发射极与所述介电通道的所述外表面之间的所述界面处发生的阻挡放电而产生阻挡放电检测信号。
15.一种响应于被施加可变波形信号而在可变压力环境中进行静电荷中和的平衡电离棒，所述平衡电离棒包括：
细长底架，其中所述细长底架具有带有开放面的中空内部以及具有气体入口和多个孔的歧管，所述多个孔设置在所述歧管与所述中空内部之间，以使得进入所述歧管入口的气体从所述中空内部的开放面流出，所述底架至少部分设置在所述可变压力环境内；
中空介电通道，具有一定长度和外表面，所述介电通道设置在所述细长底架的所述中空内部内；
参考发射极，沿着所述介电通道的所述长度并在所述介电通道的所述外表面上螺旋地设置；以及
高压电极，设置在所述中空介电通道内，所述高压电极响应于由所述可变压力环境中的条件决定的可变波形高压信号的提供而经由所述介电通道向所述参考发射极呈现高强度电场，所述电场由于所述参考发射极与所述介电通道的所述外表面之间的界面处发生的阻挡放电而导致具有电平衡电荷载流子的等离子体区在所述可变压力环境内的产生。
16.根据权利要求15所述的电离棒，其中所述介电通道由陶瓷材料制成，并且其中所述参考发射极包括由导电材料制成的平坦螺旋带。
17.根据权利要求15所述的电离棒，其中所述高压电极包括导电杆，所述导电杆设置在所述中空介电通道内以使得所述高压电极不直接接触所述介电通道。
18.根据权利要求15所述的电离棒，其中所述环境具有一定压力，并且其中所述可变波形高压信号的幅度小于所述高压电极与所述参考发射极在所述环境的所述压力下的击穿电压。
19.根据权利要求15所述的电离棒，还包括用于感测所述可变压力环境内的至少一个环境条件的环境条件传感器，并且其中所述可变波形高压信号至少部分取决于所述传感器所感测的环境条件的改变。
20.根据权利要求15所述的电离棒，还包括状态监视电路，所述电路与所述参考发射极合作以响应于在所述参考发射极与所述介电通道的所述外表面之间的所述界面处发生的阻挡放电而产生阻挡放电检测信号。
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