用于使用等离子体热源进行材料处理的方法和装置与流程

本申请根据35U.S.C.§120要求2014年3月31日申请的美国申请序列号14/231008的优先权益，所述申请的内容为本文的基础并以全文引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及了用于使用等离子体热源进行材料处理的方法和装置。

背景技术：

玻璃基板可以用于各种应用，包括窗户、高性能的显示设备和任何数量其他应用。对玻璃基板的质量要求已随对提高的分辨率、透明度和性能的需求的增加而更为严格。然而，玻璃质量会不利地受到从形成玻璃熔体至最终封装玻璃产品等的各种处理步骤影响。

可能造成玻璃质量降低的一个处理步骤为熔融工艺，其中玻璃批料在熔融装置中混合和加热。在这项工艺期间，玻璃批料会熔融并反应，从而释出反应气体，所述反应气体在熔融玻璃中产生气泡。另外，熔融工艺可能产生非均质的玻璃熔体，所述非均质的玻璃熔体具有不同的化学组成的区域。要形成的第一熔体常常具有与耐火材料的高反应性，从而可能导致装置过度磨损和/或玻璃熔体存在缺陷。该熔体的较致密的部分还会沉至熔融装置底部，从而导致淤渣层，所述淤渣层具有与熔体剩余部分不同的光学性质，并且难以完全回混到总体熔体中。因此，淤渣层产生该熔体的非均质的部分，在这项技术中和本文中，这被称为起筋(chord)。最后，由于通常大的处理体积，因此可能的是，各种玻璃批料可能不完全地熔融。任何未熔融或部分熔融材料在整个熔融工艺中都会存在，并且之后可能变成玻璃产品中的缺陷。

用于产生高质量光学玻璃的当前熔融工艺利用高温和搅拌从玻璃熔体移除气泡。然而，此类工艺可受成本限制，因为它们需要昂贵金属和经特殊设计的高温耐火材料以用于处理设备。此外，此类昂贵熔融系统需要长处理时间和高能消耗，因为反应气体必须行进长距离才逸出玻璃熔体，并且淤渣层必须从熔融器槽的底部来混合到槽中玻璃熔体的剩余部分中，从而需要穿过高粘稠性流体的跨长距离的混合运动。

用于防止玻璃熔体中的玻璃气泡和非均质的部分的替代方法包括以较小批料来处理熔体。以此方式，气泡必须行进较短距离逸出熔体，并且淤渣层可更易于并入熔体的剩余部分中。然而，如同许多小规模的工艺一样，此类方法具有各种缺点，诸如增加的处理时间和费用。

因此，在本领域存在对改进用于产生高质量光学玻璃的玻璃批料熔融工艺的技术的需要。

技术实现要素：

本公开涉及了借助大气压热等离子体进行材料(例如，玻璃批料)的材料处理的领域，其中将处理的材料作为平面片状材料颗粒形式分配至呈平面片状构造的等离子体羽流中。为了产生等离子体羽流，电磁场提供至等离子体气体，以使等离子体羽流获得至少9,000K的电子温度，例如11,603K(其为1.602×10^-19J或1eV)的电子温度。等离子体气体的带电颗粒由电磁场加速，以便产生离子化并且将动量和动能赋予在等离子体气体中的离子和电子。当离子和电子与材料(例如，呈粉末形式的玻璃批料)碰撞时，动能被传递至材料。动能传递使材料的内部温度升高达它们热反应(例如，部分熔融、完全熔融和/或引起一些其他或另外的反应)的点。

出于商业目的，重要的是，大气压热等离子体工艺展现高生产量和足够热能以达成所需的热反应。

感应耦合等离子体(Inductively coupled plasma；ICP)系统已经用于基板上的低压溅射和蚀刻系统。感应耦合大气压等离子体材料处理系统通常利用小直径线圈或微波波导构造，所述小直径线圈或微波波导将等离子体限制于小体积的柱体(直径典型地为约5mm)中。因而，仅低速率的颗粒材料可在任何给定时间引入等离子体中。

电容耦合等离子体(Capacitively coupled plasma；CCP)系统已经用于其中处理固体基板的低压反应处理、溅射、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、薄膜物理气相沉积(PVD)等等。电容耦合等离子体系统也已经与充当分离电容器板的同心管一起使用，这产生了小的柱状等离子体体积(直径又为约5mm)并造成低颗粒材料处理速率。大气压均匀的辉光放电等离子体系统已经用于平行电容器板布置产生大气压等离子体的情形，然而，基本没有作为工艺的部分的加热。

本文所公开的实施方式克服现有系统的低颗粒材料处理速率，以便提供工业规模应用。实施方式在大气压力下提供大量等离子体，并且在等离子体羽流内产生足够动能以加热材料并达成所需反应，包括熔融和/或其他以热为基础的工艺。

本领域的技术人员将从结合附图的本文描述来清楚其他方面、特征和优势。

附图简述

出于例示目的，在附图中示出目前优选形式，然而，应当理解，本文公开和描述的实施方式不受限于所示出的精确的布置和器械。

图1为根据本公开的一或多个实施方式的用于熔融玻璃批料的系统的示意图；

图2为可用于图1的系统和/或其他实施方式的等离子体密闭容器的一或多个实施方式的示意性透视图；

图3为图2的等离子体密闭容器的侧视图；

图4为适用于实现图2的等离子体密闭容器和/或其他实施方式的入口结构的透视、部分透明的示意图；

图5为适用于实现图1的系统和/或其他实施方式的磁性系统的示意性顶视图；

图6为图5的磁性系统的示意性侧视图；

图7和图8为多个图2的等离子体密闭容器呈串联连接以达成制造可扩展性的示意图；以及

图9为采用多个图7的等离子体密闭容器的系统的示意性电路图。

具体实施方式

参考附图，附图中的相同元件符号指示相同元件，在图1中示出用于使用等离子体热源来处理材料的系统100。材料可呈大体颗粒形式，并且可为任何适合材料，例如玻璃批料。

词组“玻璃批料”和其变化形式在本文中用于表示玻璃前驱物颗粒的混合物，这些颗粒在熔融、反应和/或其他动作时组合形成玻璃材料。玻璃批料可通过用于将玻璃前驱物颗粒组合的任何已知方法来制备和/或混合。例如，在某些非限制性实施方式中，玻璃批料包括玻璃前驱物颗粒的干燥或基本上干燥的混合物，例如，无任何溶剂或液体。在其他实施方式中，玻璃批料可呈浆料形式，例如，玻璃前驱物颗粒在液体或溶剂存在时的混合物。根据各种实施方式，玻璃批料可以包括玻璃前驱物材料，诸如硅石、氧化铝，以及各种其他氧化物，诸如氧化硼、氧化镁、氧化钙、氧化钠、氧化锶、氧化锡或氧化钛。例如，玻璃批料可为硅石和/或氧化铝与一或多种其他氧化物的混合物。本领域的技术人员将会了解，玻璃批料可采取化合物和物质的多种特定组合。

现将参考图1-4提供对系统100的详细论述。图2为等离子体密闭容器200的一或多个实施方式的示意性透视图，其中图3为图2的侧视图。图4为等离子体密闭容器200的入口结构的透视、部分透明的示意图。

参考图1，玻璃前驱物颗粒可引入分批进料器和/或混合器102中，颗粒在其中被混合；接着，将混合颗粒进料至分批筛料器104，在其中使任何团聚物破碎。玻璃批料10可以具有范围为从约5微米至约1,000微米的平均粒度。玻璃批料10(其流动由标记为10的箭头来例示)离开分批筛料器104，并且进入等离子体密闭容器200。玻璃批料10暴露于等离子体密闭容器200内的等离子体羽流220下，由此等离子体羽流220具有足够热能以便至少引起玻璃批料10的热反应，从而产生热反应的玻璃批料12。

本文所涵盖的热反应类型的实例包括以下至少一者：(i)至少部分地熔融玻璃批料10以产生热反应的玻璃批料12，(ii)至少部分地熔融玻璃批料和一或多种另外材料中的至少一者，由此形成经涂布的玻璃批料颗粒12，以及(iii)至少部分地熔融玻璃批料，以便形成基本上均质的球形玻璃中间物颗粒12。本领域的技术人员将会了解，等离子体密闭容器200内的热反应(和/或其他反应)的类型可包括如将从技术先装显而易见的任何数量的其他反应。

为了有利于等离子体密闭容器200内的等离子体羽流220，将等离子体气体110的一或多个源耦合至容器200。冷却流体120(诸如空气、水等等)的一或多个源亦可耦合至等离子体密闭容器200，以便控制等离子体羽流220存在时的结构温度。

如将在本文中较详细地描述，等离子体气体经受电场和磁场。电场经由射频(RF)电源130和阻抗匹配网络140产生，所述RF电源和阻抗匹配网络驱动第一电极202和第二电极204在其之间建立电场。控制单元150(诸如，在软件程序的影响下操作的微处理器)可向RF电源130和/或阻抗匹配网络140提供信号发送，以便适当设定电极202、204的电压、电流和频率水平。磁场通过磁源电路160产生。利用电场和磁场的适当的定向和量值，等离子体羽流220就可实现足够能量以在玻璃批料10中引起热反应。

热反应的玻璃批料12在收集容器170中累积。在收集后，热反应的玻璃批料12可以经受其他和/或可选处理步骤。

参考图2-4，等离子体密闭容器200包括相对的第一壁构件210和第二壁构件212，它们通过相对的第一侧构件214和第二侧构件216互连。壁构件210、212和侧构件214、216界定内部容积218，等离子体羽流220被维持在其中。等离子体密闭容器200包括入口端部，以及在Y方向上与入口端部分离的相反出口端部。

内部容积218包括X、Y、Z正交维度(和方向)，其中，在优选实施方式中，所述体积呈正六面体的形式，其中Z维度基本上小于X维度和Y维度。例如，X维度和Y维度可各自为约200-300mm，而Z维度大致为约5-30mm。当然，虽然所需效果将为使内部容积218具有适合的大小和形状以促进三维、平面、片状等离子体羽流220产生(参见图4)，但此类维度的变化是可能的。界定三维、平面片状形状无需为完全直线或完全几何的，如图4所示。实际上，实际等离子体羽流220将展现出由自然定律指定的一些非均匀性。然而，出于论述目的，大体三维平面形状为所需的，其中三个维度中的两者相对大于第三维度。这种等离子体羽流220的有利影响将在本文中稍后做进一步详细论述。

第一壁构件210和第二壁构件212以及第一侧构件214和第二侧构件216可由适合非导电性、无腐蚀性、高温、介电材料形成，所述材料诸如高温陶瓷材料、石英，其优选地具有超低热膨胀系数。为了允许等离子体密闭容器200的一或多个元件的冷却，壁构件210、212、214、216中的一或多者可以包括一或多个内部通道，所述内部通道操作用以运载冷却流体从中穿过。就此而言，内部通道可经由与冷却流体120的一或多个源流体连通的相应入口/出口222、224来接取(access)。

等离子体密闭容器200也可包括设置在其入口端部处的入口结构230。入口结构230的基本目的是从诸如分批筛料器104的供应接收玻璃批料10，并且将材料10导向至等离子体密闭容器200的内部容积中，以便所述材料可通过等离子体羽流220来包封。入口结构230可由任何适合材料形成，诸如非磁性的合金，例如黄铜、铜、不锈钢等等。

入口结构230可包括用于接收玻璃批料10的材料入口232，以及用于使材料流出的相反材料出口234。材料入口232和材料出口234可在X方向上为细长的(呈狭槽的形式)，以使玻璃批料10作为玻璃批料颗粒10的基本上平面的片状累积而分配至内部容积218中(亦参见图4)。材料入口232可呈凸缘或轴环的形式，以便与来自分批筛料器104(或其他供应)的具有互补大小和形状的导管(未示出)配合。

入口结构230也可包括至少一个气体入口，以便cong等离子体气体110的一或多个来源接收等离子体气体。如将在下文更详细地论述，等离子体气体可包括氩、空气、氦、氮、氧中的至少一者，以及它们的混合物。在一或多个实施方式中，可以使用两个气体入口226、228，其中第一气体入口226可从一或多个第一来源110-1接收一或多种类型等离子体气体，且其中第二气体入口228可从一或多个第二来源110-2接收一或多种类型等离子体气体。入口结构230也可包括多个气体出口，其设置成接近材料出口234，以便将等离子体气体导向到等离子体密闭容器220的内部容积218中。

在一或多个实施方式中，多个气体出口可以包括至少一组气体出口，诸如第一组气体出口236和第二组气体出口238。参考图4，在这种配置中，细长材料出口234可以至少包括在X方向上延伸的相对的第一周缘和第二周缘，并且相应的第一组气体出口236和第二组气体出口238中的每个气体出口可沿材料出口234的这种相对的第一周缘和第二周缘中的至少一者按间隔地设置。例如，第一组气体出口236中的气体出口可沿材料出口234的第一边缘成直线地布置(在X方向上)，并且(如果使用)第二组气体出口238中的气体出口可沿材料出口234的第二边缘成直线地布置(也在X方向上)。如图4可见，以上布置可例如经由以下方式来实现：提供两个平行孔隙，所述孔隙起于气体入口226、228，并在X方向上沿材料出口234的相应侧面、以及上方延伸穿过入口结构230。直径约1.2mm(其直径可小于孔隙直径)的多个通道(或管道，或射道(jet))可大体上在Y方向上沿材料出口234的边缘从相应孔隙导向至相应气体出口。气体出口可以任何适合间距(优选最大间距)设置，诸如在X方向上沿长度每隔约4mm来设置。以此方式，气体出口可操作来将等离子体气体作为至少一个等离子体气体平面片层(诸如等离子体气体的第一平面片层和第二平面片层)导向至等离子体密闭容器200的内部容积218中。

参考图3，在一或多个实施方式中，给定组的多个气体出口可相对于Y方向成角度(诸如向内10-20度)地导向。因此，当使用两个等离子体气体平面片层时，它们将在Y方向上并朝彼此导向(在Z方向上向内)，以便包封玻璃批料颗粒10的平面片层。等离子体气体的向内导向平面片层利用相反的力朝玻璃批料10成角度，相反的力随后保持材料10大体处于等离子体羽流220的中心，在中心处存在最热温度。成角度的等离子体气体平面片层也趋向于保持玻璃批料10处于平面片层(或线性帘式)定向，使得在玻璃批料10下落穿过等离子体羽流220时，这些玻璃批料均匀散开。

入口结构230也可包括一或多个内部通道，所述内部通道操作用以运载流体从中穿过，以便在等离子体羽流220存在时冷却入口结构230。就此而言，内部通道可经由相应入口/出口来接取，所述入口/出口与冷却流体120的一或多个源流体连通。例如，第一冷却流体入口246和第二冷却流体入口248可以从一或多个冷却流体源120-1、120-2接收冷却流体。在可用设计选择中，相应入口246、248可与在X方向上延伸至相应出口的相应纵向孔隙连通。出口允许温热流体流出以再循环回冷却流体源120-1、120-2或予以处置。

等离子体密闭容器200也可包括第一电极202和第二电极204，所述电极覆盖第一壁构件210和第二壁构件212的相应的外表面的部分。第一电极202和第二电极204由诸如铜的导电材料形成，所述导电材料可电镀有另一导电材料，诸如银、金等等。第一电极202和第二电极204优选具有矩形或正方形板状配置，并且通过在Z方向上由壁构件210、212确定的距离彼此分离。第一电极202和第二电极204的尺寸优选稍微小于第一壁构件210和第二壁构件212的尺寸，以便可抑制电极202、204之间的RF电弧放电(arching)和/或击穿电压。当第一壁构件210和第二壁构件212由介电材料形成并且内部容积218在大气条件(也为介电性的)下时，所述组合产生电容性结构。

第一电极202和第二电极204从RF电源130和阻抗匹配网络140接收交流(alternating current；AC)功率源。RF功率具有的特征为足以在Z方向上、在电极202、204之间并穿过内部容积218来产生交变电场，所述交变电场足以辅助等离子体羽流220在等离子体密闭容器200内的产生。RF功率可处于2MHz、4MHz、13.56MHz、27MHz和60MHz(或其他适合频率)的频率下，并且可处于5kW至100kW的功率电平(或其他适合功率电平)下。

磁源60操作用以在等离子体密闭容器200的内部容积218内产生具有与电场相互作用并产生等离子体羽流220的足够特性的磁场。就此而言，参考图5-6，其中图5为适用于实现上述磁源60的磁性系统300的示意性顶视图，并且图6为图5的磁性系统300的示意性侧视图。磁性系统300包括第一极片302和第二极片304，其中极片302视为磁北(N)，并且极片304视为磁南(S)。因此，磁通量线从第一极片302延伸至第二极片304。第一极片302和第二极片304优选具有柱状构型(至少就第一电极202和第二电极204而言)，以使磁通量线在X方向上经导向以穿过等离子体密闭容器200的内部容积218。换句话说，第一极片302和第二极片304可定向成使得多个磁通量线在X方向上被导向并平行于第一电极202和第二电极204的相应X-Y平面。

在这种配置中，电场和磁场相互作用以产生等离子体羽流220。具体来说，第一电极和第二电极产生电场，所述电场具有在Z方向上从第一电极202和第二电极204中的一者向第一电极202和第二电极204的另一者发出的电通量线，其中这种通量根据RF功率的频率而周期性地反转。磁通量线大体上横向于电通量线。在足够量值下，电场和磁场的相互作用引起具有足够量值的电子(围绕磁通量线)的电子回旋频率，以便产生等离子体羽流220。重要地，以此方式来产生的等离子体羽流220展现足够热能使玻璃批料10热反应。

在适当量值的电场和磁场下，等离子体气体中的电子经由劳仑兹力和电子回旋共振(electron cyclotron resonance；ECR)围绕磁通量线螺旋。当电场反转并且磁场捕获迁移电子时，弱磁场线是由电极202、204之间的电荷的迁移联接。如由图5中的螺旋指示，电子在极高频率下绕磁场线移动，假定磁场强度为约3.6×10^-3特士拉时，则可达到6.22×10⁸弧度/秒。这个频率可被计算如下：w_ce＝eB/m＝(1.602×10^-19C)*(3.6×10^-3T)/9.11×10^-31kg＝6.22×10⁸弧度/秒。

已经确定，适合电子回旋频率将会包括以下至少一者：(i)至少约2.0×10⁸弧度/秒、(ii)至少约3.0×10⁸弧度/秒，以及(iii)至少约4.0×10⁸弧度/秒。为了达成此电子回旋频率，已经确定，磁场量值可为以下至少一者：(i)至少约2.0×10^-3特士拉、(ii)至少约3.0×10^-3特士拉，以及(ii i)至少约4.0×10^-3特士拉。此类条件可以产生具有在以下至少一个范围变化的核心温度的等离子体羽流220：(i)约9,000K至约18,000K；(ii)约11,000K至约15,000K；以及(iii)至少约11,000K。尽管等离子体羽流220的核心可为例如11,000K或更大，但是等离子体羽流220的外边缘可大致为约300K。然而，应当注意，等离子体羽流220有利地在大气压力下，由此等离子体羽流220可表征为大气压力热等离子体射流。

如图3可见，第一壁构件210和第二壁构件212、第一侧构件214和第二侧构件216以及入口结构230产生五侧包壳。等离子体密闭容器200的出口端部可保持为敞开，以便允许热处理的玻璃批料12因重力进料而流出。然而，在一或多个实施方式中，等离子体密闭容器200的出口端部可以包括开口结构400，以便可控制地打开和关闭出口端部，诸如在点火期间关闭。开口结构400可包括闸门402，所述闸门可响应于控制器404移动。闸门402(可由陶瓷材料形成)以及可与等离子体羽流220充分热连通的任何关联元件可为水冷式的，以便在生成等离子体羽流220时经受高热吸收。

为了在大气压力下点燃等离子体气体，可将闸门402关闭，并且可在等离子体密闭容器200的内部容积218内抽出真空。接着，可将氩引入(例如，达约10托)内部容积218中，并且随后可将RF功率施加于电极202、204上。氩应在RF电场(和磁场)下自行点燃，并且氩可用于使等离子体达到适合电子温度(诸如，至少约1eV)。在等离子体羽流达到足够高的温度后，可引入氮且所引发的等离子体羽流220将两个氮原子之间的分子键解离。将氮原子添加至等离子体气体的目的为增加等离子体气体的导热性，继而允许在更快速率下加热更多工艺颗粒。另外或替代地，如果需要燃尽过量的碳(如可为批料中存在聚合物元素时的状况)，那么可相对小量引入氧。用于促进等离子体羽流的条件会持续，直至在体积218内获得大气压力，并且完全实现等离子体羽流220。一旦内部容积218中的压力得以平衡，闸门402就可随即抽回。或者，当等离子体密闭容器200自身处于真空气密环境中时，可将闸门402消除。

系统100可按比例缩放以便达成制造目标，诸如使处理容积和速率增加。图7和图8为多个等离子体密闭容器200连接在一起以达成制造可扩展性的示意图。由于每个等离子体密闭容器200展现电容器的特征，因此等离子体密闭容器200可串联和/或并联地连接。例如，在图7和图8的图示中，16个等离子体密闭容器200可串联连接以获得某生产量。尽管并未示出，但是相应组的这种串联耦合等离子体密闭容器200可并联地连接，以使材料容量倍增(并且也使该组合的电容倍增)。

图9为16个串联耦合等离子体密闭容器200(示为一个等效的电容器200)的等效电路的图示，所述等效电路包括RF电源130和阻抗匹配网络140。以下提供的图示和描述仅表示了系统的合适实现方案的一个实例。RF电源130可以产生13.56MHz RF功率(在10KW下的707.1V RMS，以及50欧姆阻抗)。阻抗匹配网络140可以包括具有初级侧绕组142和次级侧绕组144的输入变压器，所述绕组被布置成电压步升配置。初级侧绕组142从RF源130接收RF功率并可汲取14.14A RMS的电流，而次级侧绕组144可发出0.625A RMS的电流(在10KW下的16KV RMS，以及25,606欧姆阻抗)。分路电容146可为0.26pF(45,142.7欧姆的电容性阻抗)。串联输出电感148可为10.6uH(903.12欧姆的电感性阻抗)。16个等离子体密闭容器200中的每者可展现出约130pF的电容(90.3欧姆的电容性阻抗)。因此，16个等离子体密闭容器200的串联耦合网络可展现出8.1pF的电容(1445欧姆的电容性阻抗)。

等离子体密闭容器200中的每者可以产生230mm×230mm×5mm等离子体羽流220，并且能够每分钟处理约179.4克的玻璃前驱物材料10。相较而言，常规感应耦合柱状等离子体羽流系统(产生直径为约5mm的等离子体羽流)可仅处理每分钟约3.9克。这被计算如下。假定常规系统处理因重力而自由下落速率为9.8m/s²的直径为大致5mm的单一材料柱体。假定高度为约两米，从等离子体包封开始至剩余位置的距离将为0.1m，并且等离子体将具有0.1m的长度。颗粒将会在t＝0.14s时遇到等离子体，并且在t＝0.20s时离开等离子体。总滞留时间为0.06s(忽略气体阻力和由于气体射流的向下加速度)。假定柱状体积的长度为10cm，并且柱状直径为0.5cm，体积将为1.96cm³。颗粒分布将为在50μm与150μm之间的范围变化的钟形曲线，其中大多数的颗粒将接近于直径100μm。100μm颗粒的体积将为4/3*π*(50×106m)³＝(5.24×10-13m³)*(1×10⁶cm³/1m³)＝5.24×10-7cm³。每一颗粒所占据的空间假定为立方形，因为每一颗粒将在最宽点处触碰每一其他颗粒，从而产生1.0×10^-6cm³的体积。在材料柱体空间内的颗粒的总数将为1.96cm3/1.0x 10-6cm³＝1,960,000个颗粒。假定颗粒不会紧密堆积并将通过流体化的颗粒进料的分散而以大致3个体积单位来散布(即，每3×3×3＝27个体积单位一个颗粒)，所得颗粒计数将为1/27或1,960,000/27或72,593个颗粒。每一颗粒质量将为约4.3×10^-6g。在任一时间上，等离子体中的72,593个颗粒的总质量将为3.12×10^-1g。这个质量将在0.06s内穿越过等离子体，从而产生3.12×10^-1g/0.06s＝5.2g/分钟。

尽管已经参考特定实施方式来描述本公开，但应理解，此类实施方式仅仅用于说明本文中的实施方式的原理和应用。因此，应当理解，可对说明性的实施方式做出多个修改，并且在不背离本申请的精神和范围的情况下可设计出其他布置。