СВЧ-ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2016 года по МПК H01J37/32 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к плазматронам, в которых получают плазму путем воздействия СВЧ-поля на газовый поток. Изобретение может найти применение в химико-технологических процессах, например, при получении из тетрафторида кремния моносилана для производства поликристаллического кремния высокой чистоты в микроэлектронной промышленности.

Известен способ получения моносилана [RU №2050320, C01B 33/04, опубл. 20.12.1995 г.], заключающийся в том, что смесь тетрафторида кремния и водорода превращают в неравновесную плазму неконтрагированного сверхвысокочастотного разряда, характеризующегося высокой электронной (Т_е) и колебательной (T_v) температурами и сравнительно низкой температурой (T_g) газа, так, что Т_е>T_v>T_g. При этом Т_е достигает величин 8000-10000°С, T_v - около 4000°С, а температура газа, в зависимости от давления, находится в пределах 300-3000°С. В таких условиях SiF₄ при взаимодействии с атомарным водородом конвертируется преимущественно в смесь SiF₂H₂ и SiFH₃. Образовавшуюся смесь ведут сначала через слой фторида натрия, не содержащего фторид водорода, при 280-350°С, затем через второй слой фторида натрия при 100-150°С, регенерацию первого слоя ведут при 550-600°С и давлении менее 1 Торр и второго слоя при 350-450°С.

Данный процесс имеет недостатки, а именно, при реализации данного способа используется микроволновой генератор, работающий на электромагнитной волне Н₀₁, который не позволяет регулировать глубину плазменно-водородной конверсии SiF₄, и его возможности ограничиваются получением SiF₂H₂ со следами SiFH₃. В результате, при сорбционной конверсии фторсиланов в моносилан, описываемой уравнениями

получают выход моносилана только 50-70% от теоретического.

Кроме того, в данном устройстве используется водород, взятый в избытке к стехиометрическому соотношению, что осложняет технологический процесс и отрицательно влияет на взрывобезопасность производства: плазмотрон должен иметь взрывозащитный колпак, системы контроля и блокировок водорода и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является СВЧ-плазматрон циклонного типа [RU №2082284, H05B 7/18, H05B 1/46, H01J 37/32. Опубл. 20.06.1997], принятый за прототип. Плазмотрон содержит волновод, по которому подается СВЧ-мощность, цилиндрическую разрядную камеру, выполненную из кварца, которая проходит через волновод в широкой стенке, завихритель, расположенный в нижней части разрядной камеры, с тангенциальной подачей воздуха. Принцип действия СВЧ-циклонного плазматрона заключается в том, что за счет формирования закрученного течения в нижней части камеры, имеющего радиальную составляющую газовой скорости, направленную к оси разрядной камеры, мелкодисперсные частицы стабилизируются в области плазмы и не выбрасываются на стенки.

Недостатком данного плазматрона является низкая мощность микроволнового разряда в потоке образующейся плазмы и невозможность регулирования мощности микроволнового разряда в этом потоке при плазменно-водородной конверсии SiF₄.

Целью изобретения является увеличение выхода фторсиланов в виде смеси SiFH₃ и SiH₄ при плазменно-водородной конверсии SiF₄ за счет увеличения мощности микроволнового разряда в процессе плазменно-водородной конверсии SiH₄ при одновременном увеличении взрывобезопасности производства.

Поставленная цель достигается тем, что СВЧ-плазмотрон содержит цилиндрическую разрядную камеру, волновод прямоугольной формы и завихритель в нижней части разрядной камеры, при этом разрядная камера выполнена в виде волновода с электромагнитной волной Н₁₁, волновод прямоугольной формы подводит электромагнитную волну H₀₁ и между ними установлен диэлектрический элемент, причем волноводов прямоугольной формы может быть несколько и они установлены на одном уровне или по высоте разрядной камеры под углом 90°.

На фиг. 1 показана схема СВЧ-плазматрона, на фиг. 2 - внешний вид СВЧ-плазматрона.

Плазмотрон содержит цилиндрическую разрядную камеру 1, в нижней части которой установлен завихритель 2 с патрубком 3 подачи исходного газообразного тетрафторида кремния. К боковой поверхности разрядной камеры под углом 90° присоединен волновод 4 прямоугольной формы. Между разрядной камерой и волноводом прямоугольной формы установлен диэлектрический элемент 5.

Исходным сырьем для генерации моносилана являются тетрафторид кремния и водород, взятые в количестве, равном или близком к стехиометрическому соотношению. Водород (плазмообразующий газ) подают в разрядную камеру 1, а парообразный тетрафторид кремния - в завихритель 2. Принцип действия СВЧ-плазматрона основан на трансформации электромагнитной волны H₀₁ из прямоугольного волновода 4 в волну Н₁₁ в цилиндрической разрядной камере 1 при стыковке их друг с другом под углом 90°. При трансформации волны Н₀₁ в волну Н₁₁ распределение электрического поля в круглом волноводе меняется так, что поле направлено по оси цилиндрического волновода и совпадает с направлением потока плазмообразующего газа. Микроволновый разряд возникает на пересечении потоков микроволновой мощности и газа, а сам разряд стабилизируется вихрем газообразного тетрафторида кремния, подаваемым тангенциально в завихритель 2. В такой конструкции плазматрона осуществляется так называемое поперечное возбуждение микроволнового разряда. Мощность такого микроволнового разряда можно наращивать прямым суммированием мощности, располагая отдельные подводящие мощность прямоугольные волноводы 4 вдоль цилиндрического волновода 1 под углом 90°. Диэлектрический элемент 5 представляет собой герметичную вставку между магнетроном (на фиг. 1 не показан) и зоной плазмообразования в цилиндрическом волноводе 1, чтобы газ из цилиндрического волновода не распространялся по прямоугольному волноводу 4.

Поскольку в работе предлагаемого СВЧ-плазматрона нет ограничений, связанных с его устойчивостью и водородной безопасностью, мощность в разряде и давление поддерживают на уровне, при котором водород полностью диссоциируется (атомизирован). В разряде возникает неравновесная плазма, разряд - объемный (неконтрагированный), температура электронов (Т_е) составляет около 8000 К, колебательная температура (T_v) - около 3000 К, а температура газа (T_g) в интервале давлений 105-104 Па, в зависимости от мощности разряда, составляет 950-600 К, т.е. выполняется соотношение Т_е>T_v>T_g. По этим причинам в реакторе не обязательно иметь избыток водорода, а можно поддерживать мольное соотношение, близкое к стехиометрическому, при расчете на полную конверсию тетрафторида кремния в моносилан и фтороводород.

При названных выше условиях в цилиндрическом волноводе 1 происходит практически полная атомизация и частичная ионизация водорода и при взаимодействии атомов водорода с тетрафторидом кремния в реакторе образуется смесь фторсилана SiFH₃, моносилана SiH₄ и фтороводорода. После реактора полученную газовую смесь направляют в сорбционную колонну, заполненную гранулированным фторидом натрия. Уровень температуры в сорбционной колонне обеспечивает сорбционную конверсию фторсилана в моносилан по уравнению (1) и подавляет конкурирующий процесс сорбции фтороводорода.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Газообразный тетрафторид кремния и водород подавали в плазмоторон. Электропитание плазматрона проводили от распределительного устройства трехфазной четырехпроводной сети переменного тока 3×380/220 В±5% В, 50 Гц, 50 кВт. Источник электропитания содержал микроволновый генератор КИ-5, максимальная мощность, потребляемая магнетроном из электрической сети, 5 кВт, частота 2450 Гц (фиг. 2).

Инициирование разряда производили при расходе основного потока 2 м³/час на уровнях микроволновой мощности 3-5 кВт. Разряд устойчиво горит в разрядной камере в диапазоне расходов основного потока от 2 до 15 м³/час. Мощность микроволнового генератора была 4,5 кВт. Давление в зоне образования (Si-F-H)-плазмы 150 Торр, разряд имел неконтрагирированную форму. Интегральное количество SiF₄, переработанное в ходе эксперимента - 0,94 кг, продолжительность эксперимента - 20,2 мин, соотношение тетрафторида кремния и водорода - 1:2.

Из реактора была получена смесь состава SiF_0,7H_3,3, HF, Н₂, которую направляли в сорбционную колонну. Время контакта фторсилана с фторидом натрия менее 1 с. Выход SiH₄ составил 82,5% от теоретического.

Пример 2.

Процесс осуществляли в том же оборудовании, что и в примере 1.

Мощность микроволнового генератора составляла 5 кВт. Давление в зоне образования (Si-F-H)-плазмы 150 Торр, разряд имел неконтрагирированную форму. Интегральное количество SiF₄, переработанное в ходе эксперимента - 0,79 кг, продолжительность эксперимента - 12,7 мин, соотношение тетрафторида кремния и водорода - 1:4.

Из реактора была получена смесь состава SiF_0,4H_3,6, HF, Н₂, которую направляли в сорбционную колонну. Время контакта фторсилана с фторидом натрия не менее 1 с. Выход SiH₄ составил 90,1% от теоретического.

Таким образом, показано на практике, что при плазменно-водородной конверсии SiF₄ с использованием электромагнитной волны Н₁₁ в СВЧ-плазматроне происходит увеличение выхода моносилана до 82-90% от теоретического за счет более глубокой плазменно-водородной конверсии SiF₄ и получения смеси SiFH₃ и SiH₄. Мощность СВЧ-плазматрона можно увеличивать для полной диссоциации водорода путем прямого суммирования мощности прямоугольных волноводов с электромагнитной волны H₀₁, присоединяя их вдоль цилиндрической разрядной камеры под углом 90°. При этом одновременно увеличивается взрывобезопасность производства за счет получения в плазматроне водорода в диссоциированной форме.

Изобретение предназначено для использования в плазмохимических технологических процессах при конверсии тетрафторида кремния в моносилан для производства поликристаллического кремния высокой чистоты в микроэлектронной промышленности. Технический результат - увеличение выхода моносилана до 82-90% от теоретического в процессе плазменно-сорбционной конверсии SiF₄ за счет использования в цилиндрической разрядной камере электромагнитной волны Н₁₁. Мощность СВЧ-плазмотрона можно увеличивать путем прямого суммирования мощности прямоугольных волноводов с электромагнитной волны Н₀₁, присоединяя их вдоль цилиндрической разрядной камеры под углом 90°. Одновременно увеличивается взрывобезопасность производства за счет полной диссоциации водорода в плазмотроне. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СВЧ-плазмотрон, содержащий цилиндрическую разрядную камеру, волновод прямоугольной формы и завихритель в нижней части разрядной камеры, отличающийся тем, что разрядная камера выполнена в виде волновода с электромагнитной волной H₁₁, волновод прямоугольной формы подводит электромагнитную волну H₀₁ и присоединен под углом 90°, между разрядной камерой и волноводом прямоугольной формы установлен диэлектрический элемент.

2. СВЧ-плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что волноводов прямоугольной формы может быть несколько и они установлены на одном уровне или по высоте разрядной камеры.