СВЧ-ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2000 года по МПК H05B7/18 H05H1/24 H05H1/30 

Изобретение относится к микроволновым (СВЧ) плазменным реакторам с увеличенным объемом плазмы.

Предлагаемое устройство предназначено для осаждения на подложки из различных материалов слоев различных покрытий, в том числе слоя алмаза, и может быть использовано при производстве приборов электронной техники, инструментов для обработки материалов и в других областях.

СВЧ-плазма широко используется для обработки поверхностей и осаждения пленок. Разряд поддерживается в рабочем газе пониженного давления (менее 100 мм рт. ст. ), так как только в этом случае удается осуществить диффузный (относительно равномерный по объему) разряд благодаря сравнительно малому удельному энерговкладу, требуемому в этом случае для его поддержания. Из-за малого количества рабочего вещества процесс технологической обработки и осаждения очень длителен, что сдерживает его широкое промышленное использование. Необходимость повышения производительности оборудования требует увеличения давления рабочего газа и вкладываемой в разряд СВЧ-мощности.

При этом возникают две проблемы: разрушение диэлектрического окна, разделяющего собственно реактор, где поддерживается разряд, и систему подвода СВЧ-энергии к реактору; распад разряда на отдельные зоны (обычно в виде тонких плазменных каналов).

Первая проблема связана с тепловым и ультрафиолетовым воздействием на поверхность диэлектрического окна со стороны плазмы, которые существенно возрастают с увеличением давления газа в реакторе и подводимой СВЧ-мощности, и ведут к разрушению окна. Эта проблема решается удалением окна из зоны прямого воздействия на него излучений из плазмы [1], или за счет значительного снижения плотности потока СВЧ-энергии в области окна [2].

Однако указанные выше устройства обеспечивают получение диффузного разряда только при пониженном давлении газа и в ограниченном объеме, характерный масштаб которого определяется длиной используемой электромагнитной волны.

При увеличении давления газа и соответствующем повышении удельного энерговклада в разряде проявляются различного рода неустойчивости, нарушающие его диффузную форму. Основным видом неустойчивости является ионизационно-перегревная, которая вызывается возрастанием частоты ионизационных столкновений в газе в местах локального перегрева. Это ведет к росту электропроводности газа и энерговклада и дальнейшему локальному перегреву. В результате разряд распадается на отдельные каналы вдоль силовых линий электрического поля.

Преодолеть такое поведение разряда удается поддержанием СВЧ-разряда при величине напряженности электрического поля, значительно меньшей его пробойной величины, и при условии рециркуляции газа в зоне разряда [3, 4]. В этом случае ионизованный поток газа, выходя из зоны основного СВЧ-энерговклада, вновь возвращается в нее, сохранив степень ионизации, определяющую электропроводность, достаточную для необходимого СВЧ-энерговклада. В результате, разряд поддерживается не в режиме электрического пробоя, как в случае устройств [1, 2], а в режиме несамостоятельного (фактически с предварительной ионизацией) разряда и существует при напряженности электрического поля, значительно меньшей пробойного значения.

При этом, используя СВЧ электромагнитную волну, имеющую на границе разряда нормальную к ней напряженность электрического поля, удается избежать проявления ионизационно-перегревной неустойчивости и сохранить диффузный характер разряда, так как при локальном увеличении электропроводности напряженность электрического поля в этой области будет уменьшаться. В результате удается получить диффузный СВЧ-разряд при давлении газа, близком и превышающем атмосферное.

Прототипом предлагаемого нами устройства, реализующего описанный выше способ получения плазменного объема СВЧ-разряда при высоком давлении газа, является устройство [5], представляющее собой металлическую цилиндрическую камеру высотой, равной λ/2 (λ - длина электромагнитной волны, используемой для получения и поддержания разряда), с торцевыми днищами, к боковой поверхности камеры подсоединены не менее двух прямоугольных волноводов, широкие стенки которых расположены параллельно оси камеры, а формирователь ввода закрученного потока газа расположен у одного из днищ. В одном из днищ на радиусе r = (0,6 - 0,8) R_к, где R_к - радиус камеры, выполнены отверстия для выхода газа.

Недостатком этого устройства является расположение окон ввода СВЧ-энергии непосредственно в боковой стенке разрядной камеры, что создает возможность разрушения диэлектрических окон под действием излучений плазмы и инициированного этим излучением электрического пробоя на поверхности окон, что ограничивает уровень вводимой в разряд СВЧ-мощности.

Целью предлагаемого изобретения является устранение описанного недостатка, а именно повышение надежности устройства, увеличение вкладываемой СВЧ-мощности и тем самым повышение производительности.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве применена принципиально новая конструкция узла ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру. Узел ввода СВЧ-энергии подсоединен к верхнему днищу разрядной камеры и выполнен в виде двух коаксиальных металлических труб, внешняя из которых соединена с боковой стенкой цилиндрической разрядной камеры, а внутренняя труба введена в разрядную камеру с возможностью перемещения через диэлектрическое кольцо. Во внутренней трубе расположен элемент СВЧ-настройки, выполненный, например, в виде подвижного закорачивающего поршня.

Волноводы, с помощью которых узел ввода СВЧ-энергии соединяется с одним или двумя СВЧ-генераторами непрерывного или импульсного режимов работы, подсоединены к внешней стенке узла ввода СВЧ-энергии через окна так, что их широкие стенки параллельны оси трубы.

Сопла для ввода рабочей газовой смеси расположены тангенциально на боковой стенке у нижнего днища разрядной камеры. Внутренняя подвижная труба узла ввода СВЧ-энергии электрически изолирована от корпуса разрядной камеры.

Для обработки в плазме крупногабаритных деталей предлагается вариант исполнения разрядной камеры значительно увеличенного диаметра, существенно превышающего диаметр внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии. В этом варианте разрядная камера подсоединяется к узлу ввода СВЧ-энергии с помощью переходного узла, выполненного, например, в виде расположенного вокруг внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии тела, имеющего форму усеченного конуса, большое основание которого является частью верхнего днища разрядной камеры, при этом между этим телом и внутренней трубой узла ввода СВЧ-энергии имеется зазор, заполненный диэлектриком, а вокруг этого тела коаксиально ему расположен металлический кожух, соединяющий внешнюю трубу узла ввода СВЧ-энергии со стенкой разрядной камеры. Зазор между ними перекрыт диэлектрическим кольцом в плоскости верхнего днища разрядной камеры.

Предлагаемое устройство, показанное на фиг. 1 а, б, состоит из цилиндрической разрядной камеры 1, на днище 2 которой расположена платформа 3 для установки обрабатываемой в плазме детали, и узла ввода СВЧ-энергии 4, присоединенного к разрядной камере 1 через ее верхний торец. Узел ввода СВЧ-энергии 4 имеет внешнюю цилиндрическую металлическую трубу 5, в стенке которой со смещением вокруг оси на 90^o установлены четыре диэлектрических герметичных окна 6, к которым присоединены прямоугольные волноводы 7 так, что их широкие стенки параллельны оси трубы 5. К двум из этих волноводов присоединяются внешние генераторы СВЧ-энергии, а в противоположных волноводах установлены подвижные закорачивающие поршни 8 (см. фиг. 1).

Внутри внешней трубы 5 коаксиально расположена внутренняя металлическая труба 9 с возможностью осевого перемещения. Внутри трубы 9 размещен подвижный закорачивающий поршень 10.

Узел ввода СВЧ-энергии 4 отделен от разрядной камеры 1 диэлектрическим кольцом 11.

В боковой стенке разрядной камеры 1 у ее днища расположены тангенциальные к боковой стенке сопла 12 для подачи в разрядную камеру газовой смеси, а в нижнем днище разрядной камеры 1 выполнены отверстия 13 для выхода газовой смеси.

Верхнее днище 14 узла ввода СВЧ-энергии 4 выполнено с возможностью осевого перемещения. Между верхним днищем 14 и внутренней трубой 9 установлен диэлектрический цилиндр 15, а в конструкцию верхнего днища 14 введен СВЧ дроссельный элемент 16.

В боковой стенке разрядной камеры установлен на герметичном сильфоне подвижной штыревой электрод 17 для инициации разряда [4].

На фиг. 2 представлен вариант конструкции предлагаемого устройства с существенно увеличенным диаметром разрядной камеры 1.

В этой конструкции между узлом ввода СВЧ-энергии 4 и разрядной камерой 1 введен переходный узел 18, расположенный вокруг внутренней трубы 9 узла ввода СВЧ-энергии.

В состав переходного узла 18 входит металлическое коническое тело 19 и конический металлический кожух 21, соединяющий внешнюю трубу 5 узла ввода СВЧ-энергии 4 со стенкой разрядной камеры 1. Зазор между кожухом 21 и коническим телом 19 примерно равен разности радиуса внешней 5 и внутренней 9 труб узла ввода СВЧ-энергии. В этом зазоре, в плоскости верхнего днища разрядной камеры, установлено диэлектрическое кольцо 22. Во внутреннем отверстии конического тела 19 установлено второе диэлектрическое кольцо, в которое входит с возможностью осевого перемещения внутренняя труба 9 узла ввода СВЧ-энергии.

Диэлектрический материал окон 6 и колец 11, 16, 20 и 22 должен пропускать СВЧ-энергию с минимально возможным поглощением.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. СВЧ-энергия вводится через один или два волновода 7. Благодаря подсоединению волновода 7 к трубе 5 узла ввода СВЧ-энергии широкими стенками параллельно оси этой трубы, в ней возбуждается электромагнитная волна типа H₁₁ в коаксиальной линии, напряженность электрического поля которой перпендикулярна поверхности труб 5 и 9. Для обеспечения распространения в зазоре между внешней и внутренней трубами волны этого типа и предотвращения распространения волн других типов, нарушающих нормальную работу устройства, радиусы внешней R₁ и внутренней R₂ труб должны отвечать условию где λ - рабочая длина электромагнитной волны, так как критическая длина волны ближайшего высшего типа E₀₁ равна λ_кр ≃ 2(R₁+R₂).

Радиус внутренней трубы R₂ должен быть выбран таким образом, чтобы внутри нее обеспечивалось распространение волны типа H₁₁ - низшего типа волны в цилиндрическом волноводе, т.е. радиус R₂ должен быть больше величины, определяемой критической длиной волны, λ_кр = 3,41 R₂. Практически радиус внутренней трубы выбирается в пределах R₂ ≥ (0,3÷0,5)λ.
Через диэлектрические кольца 11, 20 и 22 СВЧ-энергия поступает в разрядную камеру 1.

Рабочая газовая смесь вдувается в разрядную камеру через тангенциальные сопла 12 со скоростью истечения на их выходе 50-200 м/с. В результате в разрядной камере образуется вихревой поток газа, поднимающийся вдоль ее боковой стенки. Затем газовый поток обтекает диэлектрическое кольцо 11 и через приосевую зону направляется к днищу разрядной камеры 1. Часть газа выходит наружу через отверстия 13, а часть вовлекается в поток газа, истекающий из сопел 12. В результате часть газа, вводимого в разрядную камеру, образует рециркулирующий поток, в котором газ совершает несколько оборотов, прежде чем попадает в выходные отверстия. Выходные отверстия 13 расположены на радиусе r = (0,6 - 0,8)R_к, где R_к - радиус камеры, т.е. аналогично прототипу. Этот размер определяет границу ядра вихревого потока в вихревых камерах и установлен теоретически и экспериментально. Диаметр выходных отверстий 13 выбирается из условия малости излучения СВЧ-энергии через них наружу, он не должен превосходить 0,2λ, количество отверстий 13 в соответствии с прототипом не менее четырех, чем больше их число, тем равномернее устанавливается радиальная граница рециркулирующего потока газа.

Кроме того, пройдя вдоль кольца 11, газовый поток обтекает торцевую часть внутренней трубы 9, выходящей под диэлектрическое кольцо 11, и создает под торцом трубы 9 дополнительную рециркуляцию. Благодаря этому улучшается равномерность параметров плазмы по ее объему и обеспечивается возникновение разряда преимущественно в центральной области разрядной камеры и дальнейшее заполнение им всей зоны рециркуляции.

Разряд поджигается путем ввода в центр зоны рециркуляции специального металлического штыревого электрода 17, инициирующего электрический пробой.

После поджига разряда плазма заполняет зону рециркуляции, изолируясь от боковой стенки разрядной камеры 1 и диэлектрического кольца 11 исходным потоком газа. Это происходит благодаря тому, что из-за расширения потока газа часть его движется навстречу фронту разряда и останавливает его перемещение. Положение этой границы разряда зависит от расположения выходных отверстий 13. В прототипе осуществить описанный режим потока газа у поверхности окон ввода СВЧ-энергии не удается, потому что в прототипе у ближайшей к соплам части окон ввода СВЧ-энергии, расположенных в боковой стенке разрядной камеры, имеется поток газа, направленный в сторону окон, что способствует проникновению разряда к поверхности окон.

После заполнения плазмой всей зоны рециркуляции внутренняя полость трубы 9 экранируется и разрядная камера ведет себя как отрезок волновода с центральным плазменным цилиндром, поглощающим распространяющуюся вдоль него СВЧ электромагнитную волну; его согласование осуществляется перемещением верхнего днища 14 устройства ввода СВЧ-энергии и с помощью поршней 8. Высота разрядной камеры выбирается из условия поглощения плазмой всей подводимой СВЧ-мощности и составляет примерно
При вводе СВЧ-энергии через волноводы 7, расположенные вдоль взаимоперпендикулярных осей (сдвинуты на 90^o вокруг оси трубы 5) от одного СВЧ-генератора со сдвигом по фазе на π/2, в устройстве возбуждается электромагнитная волна с вращающейся поляризацией, поэтому вся СВЧ-мощность равномерно распределяется по площади диэлектрического кольца 11.

При запитке от двух разных импульсов СВЧ-генераторов импульсы СВЧ-мощности от каждого генератора сдвигаются относительно друг друга во времени. Благодаря этому, во-первых, СВЧ-генераторы не мешают работе друг друга, а во-вторых, суммарная СВЧ-мощность равномерно распределяется по площади диэлектрического кольца 11.

Передвижением трубы 9 и поршня 10 осуществляется настройка разрядной камеры как резонатора с повышенным значением напряженности электрического поля вблизи торца трубы 9, что способствует развитию СВЧ-разряда в течение СВЧ-импульса из приосевой зоны разрядной камеры. Благодаря электрической изоляции трубы 9 от корпуса устройства на нее может быть подано электрическое напряжение для дополнительного энергетического воздействия на плазму.

Регулируя соотношения величин приложенного электрического напряжения, длительностей импульса и паузы и уровня импульсной СВЧ-мощности, можно получить достаточно однородную плазму комбинированного разряда. При этом рециркулирующий поток газа выносит к поверхности детали, расположенной на платформе 3, новые порции необходимых для технологического процесса веществ, образующихся в плазме.

Приведем пример реализации конструкции предлагаемого устройства и режимов его работы при использовании двух источников СВЧ-энергии с целью увеличения вкладываемой в разряд мощности.

В качестве источников СВЧ-энергии могут быть использованы выпускаемые промышленностью источники энергии с импульсной мощностью 10 кВт на частоте 2450 МГц при средней мощности до 5 кВт.

Источники СВЧ-энергии подсоединяются с помощью стандартных прямоугольных волноводов сечением 90х45 мм к входным волноводам 7. Диаметры трубы 5 и реактора 1 выбираются равными 150 мм, диаметр трубы 9 - 80 мм, высота реактора ≈ 100 мм. В днище реактора имеется восемь отверстий диаметром 15 мм.

Настройка СВЧ-плазмотрона производится с помощью короткозамыкающих поршней 8, передвижением трубы 9 и поршня 10.

Устанавливаются следующие режимы работы источников СВЧ-энергии: импульсная СВЧ-мощность 5 - 10 кВт, длительность СВЧ-импульса (30 - 60) • 10^-6 с, длительность паузы (100 - 300) • 10^-6 с.

СВЧ-импульсы от каждого из источников СВЧ-энергии вводятся в плазмотрон со сдвигом относительно друг друга во времени на величину, равную примерно половине паузы между импульсами.

В реактор вводится плазмообразующий газ с общим расходом 1 - 2 л/с через сопла диаметром 0,2 - 0,4 см.

Давление газа в реакторе близко к атмосферному.

Инициирование разряда осуществляется вводом штыря в реактор одновременно с включением одного из источников СВЧ-энергии. Производится подстройка плазмотрона с целью его оптимального согласования с источником СВЧ-энергии, затем включается второй источник СВЧ-энергии и производится настройка плазмотрона с помощью поршня 8 в волноводе 7, расположенном по оси подключения второго источника СВЧ-энергии.

Регулировка технологического режима производится вертикальным перемещением платформы 3 и регулированием СВЧ-мощности и электрического напряжения, приложенного между трубой 9 и платформой 3.

Предлагаемое устройство имеет следующие основные преимущества.

Конструкция узла ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру обеспечивает надежную защиту от СВЧ-пробоя по окнам во входных волноводах и по диэлектрическому кольцу, разделяющему узел ввода и разрядную камеру. Плотность потока СВЧ-мощности через это кольцо снижена, так как его площадь значительно больше площади окон в волноводах. Кроме того, надежность этого кольца повышается благодаря более рациональному распределению скоростей газового потока, который его обтекает. Таким образом обеспечивается возможность увеличения энерговклада в СВЧ-разряд и повышения производительности.

Выступающий в разрядную камеру торец внутренней трубы устройства ввода СВЧ-энергии создает возможности управления параметрами плазмы, стабилизации разряда и оптимизации технологического процесса благодаря его влиянию на распределение газового потока в камере и возможности воздействия на плазму постоянным или импульсным электрическим полем.

Описанные особенности предлагаемого изобретения создают благоприятные условия для возникновения разряда при импульсном режиме ввода СВЧ-энергии в центральной области разрядной камеры под торцом внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии и последующем в течение СВЧ-импульса заполнении разрядом периферийной зоны. Такое поведение разряда позволяет увеличить диаметр разрядной камеры и соответственно диаметр обрабатываемой детали.

Таким образом, предлагаемое устройство в отличие от известных обеспечивает надежную работу при атмосферном и более высоком давлении рабочей газовой смеси. Эта особенность значительно упрощает защиту рабочей камеры от проникновения в нее внешней среды и конструкцию устройств, обеспечивающих смену обрабатываемых деталей, а также сокращает время, затрачиваемое на смену деталей.

Литература
1. Патент США N 5501740 (заявка N 219208, 29.03.1994).

2. Патент Германии N 19507077 от 25.04.1996.

3. Батенин В. М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы. Физика, техника, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1988, стр. 162-164.

4. Низкотемпературная плазма. Том 6, ВЧ- и СВЧ-плазмотроны. Наука, Новосибирск, 1992, стр. 185-189.

5. Патент РФ N 1602376 (приоритет от 06.10.1988).

СВЧ плазмохимический реактор состоит из металлической разрядной камеры, узла ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру, подсоединенного к верхнему днищу разрядной камеры и выполненного в виде двух коаксиальных металлических труб, внутри внутренней трубы расположен элемент СВЧ-настройки, в стенке внешней трубы узла ввода выполнены одно или несколько окон, к которым подсоединены прямоугольные волноводы, на нижнем днище разрядной камеры установлена платформа для размещения обрабатываемой детали с возможностью перемещения относительно днища в направлении оси камеры, в боковой стенке разрядной камеры расположен подвижный штыревой электрод, в боковой стенке разрядной камеры у ее нижнего днища расположены тангенциально к боковой стенке сопла для ввода рабочего газа, в нижнем днище - отверстия для выхода газа. В одном из вариантов между верхним днищем разрядной камеры и узлом ввода расположено диэлектрическое кольцо, а в другом варианте разрядная камера имеет диаметр, значительно превышающий диаметр внешней трубы узла ввода, и подсоединена к нему с помощью переходного узла, состоящего из металлического тела и металлического кожуха конической формы, в зазоре между которыми в плоскости верхнего днища разрядной камеры установлено диэлектрическое кольцо. Технический результат заключается в повышении надежности, увеличении СВЧ-мощности, повышении производительности. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. СВЧ-плазмохимический реактор, состоящий из металлической разрядной камеры, в нижнем днище которой выполнены отверстия для выхода газа, узла ввода СВЧ-энергии, включающего один или более прямоугольных волноводов, отличающийся тем, что узел ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру подсоединен к верхнему днищу разрядной камеры и выполнен в виде двух коаксиальных металлических труб, внутри внутренней трубы расположен элемент СВЧ-настройки, выполненный, например, в виде подвижного закорачивающего поршня, в стенке внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии выполнены одно или несколько окон, к которым подсоединены прямоугольные волноводы, широкие стенки которых параллельны оси трубы, между верхним днищем разрядной камеры и узлом ввода СВЧ-энергии расположено диэлектрическое кольцо, в отверстии которого установлена с возможностью осевого перемещения внутренняя труба, на нижнем днище разрядной камеры установлена платформа для размещения обрабатываемой детали с возможностью перемещения относительно днища в направлении оси камеры, в боковой стенке разрядной камеры расположен подвижный штыревой электрод для инициации разряда, в боковой стенке разрядной камеры у ее нижнего днища расположены тангенциально к боковой стенке сопла для ввода рабочего газа. 2. СВЧ-плазмохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что между верхним днищем узла ввода СВЧ-энергии и внутренней трубой узла ввода СВЧ-энергии установлен диэлектрический цилиндр, при этом внутренняя труба узла ввода СВЧ-энергии имеет радиус R₂, равный (0,3-0,5)λ, в внешняя труба узла ввода СВЧ-энергии имеет радиус R₁, удовлетворяющий условию R₁ < λ/2+R₂, где λ - длина электромагнитной волны. 3. СВЧ-плазмохимический реактор, состоящий из металлической разрядной камеры, в нижнем днище которой выполнены отверстия для выхода газа, узла ввода СВЧ-энергии, включающий один или более прямоугольных волноводов, отличающийся тем, что узел ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру выполнен в виде двух коаксиальных металлических труб, внутри внутренней трубы расположен элемент СВЧ-настройки, выполненный, например, в виде подвижного закорачивающего поршня, в стенке внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии выполнены одно или несколько окон, к которым подсоединены прямоугольные волноводы, широкие стенки которых параллельны оси трубы, на нижнем днище разрядной камеры установлена платформа для размещения обрабатываемой детали с возможностью перемещения относительно днища в направлении оси камеры, в боковой стенке разрядной камеры расположен подвижный штыревой электрод для инициации разряда, в боковой стенке разрядной камеры у ее нижнего днища расположены тангенциально к боковой стенке сопла для ввода рабочего газа, разрядная камера имеет диаметр, значительно превышающий диаметр внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии, и подсоединена с нему с помощью переходного узла, состоящего из металлического тела и металлического кожуха, при этом металлическое тело расположено вокруг внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии и имеет форму усеченного конуса, большое основание которого является частью верхнего днища разрядной камеры, вокруг металлического тела коаксиально ему расположен конический металлический кожух, соединяющий внешнюю трубу узла ввода СВЧ-энергии со стенкой разрядной камеры, а в зазоре между кожухом и телом, равном примерно разности радиусов внешней и внутренней труб узла ввода СВЧ-энергии, установлено в плоскости верхнего днища разрядной камеры диэлектрическое кольцо, а во внутреннем отверстии тела установлено второе диэлектрическое кольцо, в которое входит с возможностью осевого перемещения внутренняя труба узла ввода СВЧ-энергии. 4. СВЧ-плазмохимический реактор по п. 3, отличающийся тем, что между верхним днищем узла ввода СВЧ-энергии и внутренней трубой узла ввода СВЧ-энергии установлен диэлектрический цилиндр, при этом внутренняя труба узла ввода СВЧ-энергии имеет радиус R₂, равный (0,3-0,5)λ, а внешняя труба узла ввода СВЧ-энергии имеет радиус R₁, удовлетворяющий условию R₁ < λ/2+R₂, где λ - длина электромагнитной волны.