свч-плазмохимический реактор

Формула изобретения

1. СВЧ-плазмохимический реактор, состоящий из металлической разрядной камеры в виде цилиндрической трубы с торцевыми днищами, в нижнем днище которой выполнены отверстия для выхода газа, а формирователь вихревого газового потока расположен у одного из днищ, и узла ввода СВЧ-энергии, включающего прямоугольные волноводы, подсоединенные к боковым поверхностям цилиндрической трубы так, что их широкие стенки ориентированы параллельно оси разрядной камеры, а окна подсоединения волноводов закрыты диэлектрическими вставками, и поджигающего электрода, размещенного в боковой стенке разрядной камеры, отличающийся тем, что узел ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру, выполненный в виде двух коаксиальных металлических труб, подсоединен к верхнему днищу разрядной камеры с помощью переходного узла, состоящего из металлического тела, расположенного вокруг внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии, и металлического кожуха, расположенного вокруг металлического тела коаксиально ему и соединяющего внешнюю трубу узла ввода СВЧ-энергии с боковой стенкой разрядной камеры, диаметр которой превышает диаметр внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии, при этом в стенке внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии выполнены два или четыре окна, к которым подсоединены прямоугольные волноводы, а металлическое тело имеет форму усеченного конуса, большое основание которого является частью верхнего днища разрядной камеры, а в зазоре между кожухом и металлическим телом установлено диэлектрическое кольцо, нижняя поверхность которого образует часть верхнего днища разрядной камеры, при этом внутренняя труба имеет возможность перемещения внутри металлического тела, а внутри внутренней трубы расположен подвижный элемент СВЧ-настройки, на нижнем днище разрядной камеры установлена платформа для размещения обрабатываемой детали с возможностью перемещения относительно днища, а в боковой стенке разрядной камеры у ее нижнего днища расположены тангенциально к боковой стенке сопла для ввода рабочего газа, а к верхнему днищу узла ввода СВЧ-энергии подсоединен коаксиально-волновой переход таким образом, что его центральный проводник соединен плавным переходом с торцом внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии, при этом центральный проводник изолирован от корпуса коаксиально-волнового перехода, а внешний проводник-кожух подсоединен к верхнему днищу узла ввода СВЧ-энергии, при этом в отверстие в днище между кожухом и центральным проводником вставлено диэлектрическое кольцо.

2. СВЧ-плазмохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что между внутренней трубой узла ввода СВЧ-энергии и металлическим телом переходного узла вставлено диэлектрическое кольцо с возможностью перемещения внутренней трубы внутри этого кольца, а к элементу СВЧ-настройки, расположенному внутри внутренней трубы, подсоединено металлическое тело конусной формы, вершина которого направлена вдоль оси трубы наружу и выходит из внутренней трубы на расстояние, равное 1-2 радиусам внутренней трубы, а у края внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии со стороны разрядной камеры в зазоре между стенкой внутренней трубы и элементом СВЧ-настройки расположен формирователь дополнительного вихревого газового потока, а сопла ввода рабочего газа, расположенные в боковой стенке разрядной камеры, заключены внутри полости, образованной нижним днищем разрядной камеры и металлическим или диэлектрическим цилиндром, соосным с разрядной камерой и образующим между своей внешней поверхностью и стенкой разрядной камеры зазор, размер которого равен 1-5 диаметрам выходного отверстия сопел, при этом отверстия этой полости расположены вблизи плоскости нижнего положения платформы, на которой размещена обрабатываемая деталь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение отностися 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, инструмента 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 воздействиями 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 /2 ( - 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 в разрядную камеру. Узел ввода СВЧ-энергии в разрядную камеру подсоединен к верхнему днищу разрядной камеры и выполнен в виде двух коаксиальных металлических труб, внешняя из которых соединена с боковой стенкой разрядной камеры, имеющей диаметр значительно превышающий диаметр внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии 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, а металлический кожух расположен вокруг металлического тела коаксиально ему, а в зазоре между кожухом и телом 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, в стенке внешней трубы узла ввода СВЧ-энергии выполнены два или четыре окна, к которым подсоединены прямоугольные волноводы, широкие стенки которых параллельны оси трубы, а к верхнему днищу узла ввода СВЧ-энергии подсоединен коаксиально-волноводный переход таким образом, что его центральный проводник соединен плавным переходом с торцом внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии, при этом центральный проводник изолирован от корпуса коаксиально-волноводного перехода, а внешний проводник - кожух - подсоединен к верхнему днищу узла ввода СВЧ-энергии, вокруг отверстия в верхнем днище между ним и внутренней трубой узла ввода СВЧ-энергии установлен диэлектрический цилиндр, внутри внутренней трубы расположен элемент СВЧ-настройки, выполненный, например, в виде подвижного закорачивающего поршня, на нижнем днище разрядной камеры установлена платформа для размещения обрабатываемой детали с возможностью перемещения относительно днища, в боковой стенке разрядной камеры у ее нижнего днища расположены тангенциально к боковой стенке сопла для ввода рабочего газа, а у края внутренней трубы узла ввода СВЧ-энергии со стороны разрядной камеры на внутренней стенке внутренней трубы расположен формирователь дополнительного вихревого газового потока в разрядной камере, выполненный в виде сопел завихрителя, расположенного в зазоре между стенкой внутренней трубы и элементом СВЧ-настройки, к которому подсоединено металлическое тело конусной формы, вершина которого направлена вдоль оси трубы наружу и выходит из внутренней трубы на расстояние, равное 1-2 величины радиуса внутренней трубы: а сопла ввода рабочего газа, расположенные в боковой стенке разрядной камеры могут быть заключены внутри полости, образованной нижним днищем разрядной камеры, и металлическим или диэлектрическим цилиндром, соосным с разрядной камерой и образующим между своей внешней поверхностью и стенкой разрядной камеры зазор, размер которого равен 1-5 величины диаметра выходного отверстия сопел, при этом отверстие этой полости расположено вблизи плоскости нижнего рабочего положения платформы, на которой размещена обрабатываемая деталь.

На фиг.1а, 1б изображена предлагаемая конструкция устройства.

На фиг.2 изображены картины электрического поля для волн типа Н₂₁ и Н₁₁ в поперечном сечении разрядной камеры.

На фиг.3 изображена картина электрического поля для волн типа E₀₁.

На фиг. 4 показана схема соединения источников СВЧ-энергии к СВЧ-плазмохимическому реактору.

Предлагаемое устройство, показанное на фиг.1а, 1б, 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 установлены два (со смещением вокруг оси на 180^o) или четыре (со смещением вокруг оси на 90^o) герметичных окна 6, к которым присоединены прямоугольные волноводы 7, так что их широкие стенки параллельны оси трубы 5. К этим волноводам подсоединяются генераторы СВЧ-энергии.

Внутри внешней трубы 5 коаксиально расположена внутренняя металлическая труба 8 с возможностью осевого перемещения. Внутри трубы 8 размещен подвижный закорачивающий поршень 9.

В боковой стенке разрядной камеры 1 у ее днища расположены тангенциальные к боковой стенке сопла 10 для подачи в разрядную камеру газовой смеси, а в нижнем днище разрядной камеры 1 выполнены отверстия 11 для выхода газовой смеси.

Верхнее днище 12 узла ввода СВЧ-энергии 4 выполнено с возможностью осевого перемещения. Между верхним днищем 12 и внутренней трубой 8 установлен диэлектрический цилиндр 13.

В боковой стенке разрядной камеры установлен на герметичном сильфоне подвижный штыревой электрод 14 для инициации разряда.

Между узлом ввода СВЧ-энергии 4 и разрядной камерой 1 введен переходный узел 15, расположенный вокруг трубы 8 узла ввода СВЧ-энергии.

В состав переходного узла 15 входит металлическое коническое тело 16 и конический металлический кожух 17, соединяющий внешнею трубу 5 узла ввода СВЧ-энергии 4 со стенкой разрядной камеры 1. Зазор между кожухом 17 и коническим телом 16 примерно равен разности радиусов внешней 5 и внутренней 8 труб узла ввода СВЧ-энергии. В этом зазоре в плоскости верхнего днища разрядной камеры установлено диэлектрическое кольцо 16. Во внутреннем отверстии конического тела 16 установлено второе диэлектрическое кольцо 19, в которое входит с возможностью осевого перемещения внутренняя труба 8 узла ввода СВЧ-энергии.

Коаксиально-волноводный переход 20 подсоединен к верхнему днищу узла ввода СВЧ-энергии 12, его центральный проводник 21 соединен плавным переходом 22 с торцом внутренней трубы 8, а внешний проводник - кожух 23 - к верхнему днищу вокруг отверстия, в котором установлен диэлектрический цилиндр 13. Центральный проводник 21 изолирован от корпуса коаксиально-волноводного перехода с помощью зазора между ним и корпусом, в корпусе коаксиально-волноводного перехода имеется дроссельный элемент 24, препятствующий СВЧ-излучению наружу и вдоль центрального проводника.

Формирователь 25 дополнительного вихревого газового потока в разрядной камере расположен внутри внутренней трубы. Он может быть выполнен в виде сопел в стенке внутренней трубы, аналогично соплам в боковой стенке разрядной камеры или в виде завихрителя газа, подаваемого по внутренней трубе, располагаемого в зазоре между стенкой трубы 8 и подвижным закорачивающим поршнем 9, в этом случае завихритель представляет собой два соосных цилиндра, в зазоре между которыми размещены наклонные лопатки.

К подвижному закорачивающему поршню 9 подсоединено металлическое тело 26 конусной формы, вершина которого направлена вдоль оси трубы наружу и выходит из внутренней трубы 8 на расстояние 1-2 радиуса внутренней трубы, что позволяет уменьшить концентрацию силовых линий электрического поля на краях трубы.

Сопла ввода рабочего газа, расположенные в боковой стенке разрядной камеры, заключены в полость 27, образованную днищем разрядной камеры и металлическим или диэлектрическим цилиндром 28, соосным с разрядной камерой и образующим между своей внешней поверхностью и стенкой разрядной камеры зазор, размер которого равен 1-5 величины диаметра выходного отверстия сопел, при этом отверстие этой полости расположено вблизи плоскости нижнего рабочего положения платформы 3, на которой располагается обрабатываемая деталь.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. СВЧ-энергия вводится в СВЧ-плазмохимический реактор через два противостоящих друг другу волновода 7. При сдвиге фаз электромагнитных волн на входе в устройство ввода СВЧ-энергии 4 на 180^o в разрядной камере 1 возбуждается электромагнитная волна Н₂₁ или более высокого порядка, если это позволяет соотношение длины волны и размеров труб 5 и 8.

Картина электрического поля для волны Н₂₁ в поперечном сечении разрядной камеры 1 показана на фиг.2. Электрическое поле этой волны расположено на периферии разрядной камеры, поэтому СВЧ-энергия, переносимая этой волной, будет выделяться на периферии формирующегося в разрядной камере плазменного образования. При этом вращающееся вокруг оси плазменное образование будет попеременно подвергаться воздействию то азимутальной, то радиальной составляющей электрического поля, что способствует формированию диффузного вида разряда (без образования отдельных нитевидных каналов).

При синфазном подводе СВЧ-энергии к волноводам 7 в разрядной камере будет возбуждаться волна типа Н₁₁, электрическое поле которой заполняет и приосевую зону разрядной камеры.

При вводе СВЧ-энергии в СВЧ-плазмохимический реактор попеременно импульсами, синфазными и противофазными на входе в реактор, осуществляется возможность управления энерговкладом по всему сечению плазменного образования. При вводе СВЧ-энергии в реактор через коаксиально-волноводный переход 20 в разрядной камере 1 возбуждается азимутально-симметричная электрическая волна типа Е₀₁, картина поля которой показана на фиг.3.

Силовые линии электрического поля этой волны сконцентрированы в приосевой зоне разрядной камеры 1 и перпендикулярны силовым линиям электрического поля волн типа Н, поэтому использование этого ввода СВЧ-энергии способствует и формированию диффузного вида СВЧ-разряда и улучшению равномерности энерговклада по сечению плазменного образования.

Используя описанные режимы энерговвода в СВЧ-плазмохимический реактор можно увеличить среднюю величину вкладываемой в разряд СВЧ-мощности без увеличения импульсных значений, могущих вызвать нарушение стабильного режима горения разряда.

Расположение во внутренней трубе выступающего из нее металлического конусного тела 26 приводит к снижению напряженности электрического поля на краях внутренней трубы и тем самым препятствует возникновению пробоев между краями трубы и плазмой.

Рабочая газовая смесь вдувается в разрядную камеру через тангенциальные сопла 10. Расположение этих сопел внутри полости способствует лучшему смешению отдельных струй и улучшению азимутальной равномерности вихревого потока внутри разрядной камеры. Этот газовый поток обтекает стенку разрядной камеры, ее верхнее днище и образует в приосевой зоне рециркулирующий поток, в котором и формируется плазменное образование.

Через формирователь 25, расположенный внутри внутренней трубы 8 вдувается дополнительный вихревой поток, который компенсирует потерю вращательного момента основного потока.

Рабочий газ вытекает из разрядной камеры через выходные отверстия 11.

Разряд поджигается путем ввода в центр зоны рециркуляции специального металлического штыревого электрода 14, инициирующего электрический пробой.

После поджига разряда плазма заполняет зону рециркуляции, изолируясь от боковой стенки разрядной камеры 1 и верхнего днища разрядной камеры, образованного диэлектрическими кольцами 18, 19 и металлическим коническим телом 16, вихревым потоком газа.

Приведем пример реализации конструкции предлагаемого устройства и режимов его работы при использовании трех источников СВЧ-энергии импульсного режима.

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.

Схема подсоединения источников СВЧ-энергии к СВЧ-плазмо-химическому реактору показана на фиг. 4. Источники 29 и 30 подсоединены к развязанным плечам двойного волноводного моста 31, выходные плечи которого симметрично подсоединены к противостоящим друг другу прямоугольным волноводам узла ввода СВЧ-энергии.

К коаксиально-волноводному переходу 20 узла ввода СВЧ-энергии подсоединен источник 32.

СВЧ-энергия от источника 30, подсоединенного к плечу волноводного моста 32 в плоскости Н, подходит к узлу ввода СВЧ-энергии синфазно на каждом входе 7 и вводится в разрядную камеру 1 на волне Н₁₁.

СВЧ-энергия от источника 29, подсоединенного к плечу волноводного моста 31 в плоскости Е, подходит к узлу ввода СВЧ-энергии противофазно на входах 7 и вводится в разрядную камеру 1 на волне Н₂₁.

СВЧ-энергия от источника 32 вводится в разрядную камеру 1 на азимутально-электрической волне типа Е₀₁.

СВЧ-импульсы от каждого из источников СВЧ-энергии вводятся в СВЧ-плазмохимический реактор одновременно или со сдвигом относительно друг друга во времени. Характерная длительность СВЧ-импульсов =(10-100) 10^-6 с при длительности паузы Т=(1-5).

Давление газа в реакторе гложет изменяться от 0,5 атм до 5 атм при сохранении устойчивого диффузного плазменного образования над платформой 3 с обрабатываемой деталью.

Предлагаемое устройство имеет следующие основные преимущества в сравнении с прототипом:

1. Увеличение вкладываемой в разряд СВЧ-мощности.

2. Увеличение рабочего давления в разрядной камере.

3. Дальнейшее увеличение диаметра разрядной камеры и соответственно диаметра обрабатываемой детали.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить дальнейшее увеличение производительности технологического процесса осаждения покрытий на подложки.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Патент Германии 19507077 от 25.04.1996.

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

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

5. Патент РФ 1602376.