Устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий
APPARATUS FOR PLASMA CHEMICAL DEPOSITION OF DIAMOND COATINGS

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и электроники, а именно к устройствам для генерирования СВЧ плазмы высокой плотности мощности, и может быть использовано как исполнительный механизм контроля, стабилизации и регулирования температуры косвенного нагрева подложки по заданному алгоритму за счет позицинирования или фиксации подложки лежащей на основании внутренней полости запредельного кольца относительно основной платформы СВЧ реактора для нанесения алмазных покрытий на группы изделий микроэлектроники и машиностроения, в частности, резцы из твердого сплава для обработки высокопрочных полимерных композитных материалов.
В настоящее время широкое использование получили устройства для генерации плазмы высокой плотности мощности с применением ВЧ и СВЧ генераторов, когда подложки устанавливают на подвижные платформы стационарные или изменяющие свое положение выступающие внутрь резонатора, что позволяет вести процесс роста на повышенных давлениях газовой смеси и температурах.
Известно устройство для наращивания алмазов с использованием микроволнового плазме химического осаждения из паровой фазы (MPCVD) в камере осаждения, содержащее подложкодержатель образца алмаза, лежащий на основной платформе, выступающий внутрь резонатора, обеспечивающий тепловой контакт с боковой поверхностью алмаза, прилагающей к краю ростовой поверхности алмаза, в котором алмаз установлен с возможностью скольжения внутри теплоотводящего держателя [1].
Недостатком данного технического решения является наличие подложкодержателя образца алмаза, выступающего внутрь резонатора так, что давление в камере осаждения поддерживается не менее 130 Торр., а растущая поверхность монокристаллического алмаза находится при температуре 900-1400°С.
Известно устройство для осаждения покрытия на одном или нескольких монокристаллических алмазах, размещенных в держателе подложки в камере химического осаждения из паровой фазы, и размещенным одним или нескольких металлических дисках в той же горизонтальной плоскости, что и держатель подложки имеющих медленное перемещение одной или нескольких металлических пластин вверх или вниз [2].
Недостатком данного технического решения является наличие одного или нескольких металлических дисков в той же горизонтальной плоскости, что и держатель подложки расположенных выше основной платформы, выступающих внутрь резонатора.
Известно устройство для обработки подложек в СВЧ плазме в котором обрабатываемая пластина устанавливается на платформе с металлическим подложкодержателем, который изолирован кварцевым диском, имеющим сквозное отверстие, связанный с полой трубой, которая закреплена во втулке, удерживаемой скобами так, чтобы высоту платформы по вертикали можно регулировать относительно плазмы [3].
Недостатком данного технического решения является наличие платформы с металлическим подложкодержателем, расположенных выше основной платформы, расположенных внутри резонатора.
Известно устройство для осаждения алмазного покрытия на подложке расположенной на подложкодержателе, указанный подложкодержатель, образован сильфоном правильной формы, сделанный из гибкого материала, указанная подложка выполнена в виде пустотелой низкой плоской доски, которая неподвижно связана с охлаждающим клапаном [4].
Недостатком данного технического решения является наличие неподвижного подложкодержателя и регулировки тем самым расстояния до источника нагрева.
Известно устройство для наращивания алмазов с использованием микроволнового плазме химического осаждения из паровой фазы (MPCVD) в камере осаждения, содержащее подложкодержатель образца алмаза, лежащий на основной платформе, выступающей внутрь резонатора, так что подложкодержатель имеет наконечник, заходящий в плазму [5].
Недостатком данного технического решения является наличие неподвижного подложкодержателя и регулировки тем самым расстояния при нахождений внутри резонатора.
Известно устройство для осаждения алмазной пленки в вакуумной камере, в которой поддерживается заданный режим синтеза и на подложке, расположенной внутри корпуса образуется алмазная пленка, имеется источник генерации газовой плазмы вблизи подложка, детектор температуры поверхности алмазной пленки и электрический контроллер, поддерживающий нужную температуру для формирования алмазной пленки с помощью обратной связи [6].
Недостатком данного технического решения является ограничение площади одновременного нанесения покрытия, невозможность одновременного осаждения алмазного покрытая на группу подложек без сканирования.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) по постановке задачи и совокупности существенных признаков является устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий, содержащее СВЧ плазменный реактор для получения однородной нанокристаллической алмазной пленки, включающий герметичную осесимметричную камеру, центральная часть которой является СВЧ-резонатором и представляет собой радиальный волновод с СВЧ-полем, и установленный в ней охлаждаемый держатель подложки, при этом в СВЧ-резонаторе аксиально реактору установлена плазмообразующая кассета с наружным диаметром, пропорциональным длине волны СВЧ-поля, имеющая по меньшей мере одно внутреннее отверстие, причем основание упомянутой кассеты обращено к держателю подложки, а оси отверстий ориентированы перпендикулярно к ней, при этом высота Н кассеты составляет 1,75h ≤ Н > 0,75h, где h - высота подложки для размещения во внутреннем отверстии кассеты [7].
Недостатком данного СВЧ плазменного реактора является отсутствие устройства для регулирования положения ростовой поверхности подложки и ее температуры, что требует для регулирования температуры подложки изменения режимных параметров процесса и плотности мощности излучающей плазмы, что ограничивает диапазон возможностей осаждения в случае нанесения, например, мультислойных алмазных покрытий с чередованием температуры роста при подаче актуальной газовой смеси.
Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение диапазона возможностей осаждения покрытий при упрощении конструкции устройства, уменьшении его габаритов и снижении расхода газовой смеси и потребляемой мощности.
в отличие от
Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ плазменный реактор для плазмохимического осаждения алмазного покрытия на подложку из твердого сплава, выполненный с возможностью регулирования температуры косвенного нагрева подложки, содержит вакуумную камеру с резонатором, верхнее и боковые смотровые окна, систему откачки воздуха из упомянутой вакуумной камеры и подачи в нее газовой смеси для осаждения алмазного покрытия, источник СВЧ мощности, проводящее запредельное кольцо, выполненное с возможностью расположения внутри него подложки,  прототипа дополнительно содержит исполнительный механизм позиционирования подвижного основания запредельного кольца, содержащий основную проводящую платформу, подвижное основание запредельного кольца, сильфон, актуатор, трубопровод охлаждения и цилиндрический волновод, систему регулирования температуры косвенного нагрева подложки по обратной связи с инфракрасным пирометром, содержащую драйвер управляющего шагового двигателя и энкодер, и регулятор, при этом верхнее и боковые смотровые окна выполнены с возможностью установки инфракрасного пирометра, причем подвижное охлаждаемое основание проводящего запредельного кольца расположено внутри вакуумной камеры аксиально резонатору во внутренней полости основной проводящей платформы, причем упомянутое основание проводящего запредельного кольца выполнено с возможностью изменения высоты внутренней поверхности проводящего запредельного кольца при перемещении с сохранением постоянной высоты его внешней поверхности, а актуатор выполнен с возможностью обеспечения движения через сердечник сильфона и трубопровод охлаждения охлаждаемого основания проводящего запредельного кольца за счет получения сигналов регулятора и средств программного управления, обеспечивающих прием и обработку входящих сигналов инфракрасного пирометра, выполненного с возможностью контроля, стабилизации и регулирования температуры косвенного нагрева подложки, и энкодера, выполненного с возможностью формирования сигналов для драйвера управляющего шагового двигателя, определяющих диапазон позиционирования подложки, лежащей на подвижном охлаждаемом основании проводящего запредельного кольца.
В частных воплощениях:
СВЧ плазменный реактор с внешней стороны вакуумной камеры содержит трубопровод охлаждения, который через подвижный фланец соединен с сердечником сильфона, имеющим каналы для охлаждающей жидкости.
В СВЧ плазменном реакторе для осуществления передачи движения подвижному основанию запредельного кольца неподвижная часть актуатора жестко соединена с цилиндрической частью волновода СВЧ реактора, а шток актуатора закреплен на наконечнике трубопровода охлаждения.
2
Технический эффект будет осуществлен за счет регулирования температуры косвенного нагрева подложки, который будет происходить без влияния на режимные параметры процесса и сохранение постоянной плотности мощности излучающей плазмы и ее температуры, определяемой температурой димера углерода С в газообразном состоянии, расширение диапазона возможных процессов осаждения, например в случае нанесения мультислойных алмазных покрытий требующих чередования температуры роста, что обеспечит наибольшую производительность процесса и скорость роста алмазной пленки. Стабильную, равномерную и регулируемую температуру подложки расположенной в СВЧ плазменном реакторе внутри запредельного проводящего кольца внутри вакуумной камеры обеспечивает плавающее основание запредельного кольца, аксиально резонатору реактора, для этого неподвижная часть сильфонного узла герметично соединена с нижней стороной основной платформы, а подвижная, с помощью системы трубопроводов охлаждения, жестко связана со штоком актуатора, задающего его поступательное перемещение от шагового двигателя привода, при этом корпус актуатора, через клемные зажимы, жестко связан с цилиндрической частью волновода, охватывающего трубопровод охлаждения снаружи, причем плавающее основание запредельного кольца расположено с вакуумной стороны камеры, а подвижный фланец сильфонного узла - с наружной.
Предложенное техническое решение «Устройство СВЧ реактора с регулированием температуры подложки» является новым, поскольку проведенный анализ существующей патентной литературы и известных технических решений показал, что совокупность признаков, обеспечивающих решение поставленной в данной заявке задачи и отраженных в отличительной части формулы изобретения в проанализированных источниках информации, в том числе и патентных, известных заявителю, не выявлена.
На фиг. 1-3 представлены принципиальные схемы выполнения устройства для плазмохимического осаждения алмазных покрытий.
Предлагаемое устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий проиллюстрировано на фиг. 1 (общий вид устройства СВЧ плазменного реактора с регулированием температуры подложки, расположенной на подвижном основании запредельного кольца по обратной связи с инфракрасным пирометром), на фиг. 2 (исполнительный механизм для позиционирования подвижного основания запредельного кольца), на фиг. 3 (узел герметичного крепления устройства к СВЧ реактору).
Устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий содержит подложку 1, запредельное кольцо 2, основную проводящую платформу 3, смотровое окно 4, двухлицевой инфракрасный пирометр 5, подвижное основание 6 запредельного кольца, сильфон 7, датчик температуры 8, преобразователь сигнала 9, регулятор 10, драйвер 11 управляющего шагового двигателя 12, энкодер 13, линейный транслятор 14, концевые датчики 15, актуатор 16, крепление актуатора 17; трубопровод охлаждения 18, натяжное устройство волновода 19, цилиндрический волновод 20, патрубок откачки 21, СВЧ прозрачное окно 22, вакуумная камера 23, патрубок напуска 24 газовой смеси (фиг. 1).
Устройство СВЧ плазменного реактора с регулятором температуры подложки, расположенном на подвижном основании 6 запредельного кольца 2 по обратной связи с инфракрасным пирометром 5, состоит из вакуумной камеры 23, СВЧ прозрачного окна 22, системы напуска 24 и откачки 21 газа, верхнего и боковых смотровых окон 4, которые могут быть использованы для установки двухлучевого инфракрасного пирометра 5. Система регулирования по обратной связи с инфракрасным пирометром 5 включает драйвер 11 управляющего шагового двигателя 12, а также энкодер 13, линейный транслятор 14 и концерне датчики 15, в микроконтроллер регулятора 10 поступают и обрабатываются также сигналы от датчика температуры 8 и преобразователя сигнала 9, основной проводящей платформы 3, на которой лежит запредельное кольцо 2, внутри которого находится подложка 1 (фиг. 1).
В качестве датчика температуры 8 может быть использован двухлучевой инфракрасный пирометр 5, например, Williamson MW / MWF, схема преобразования сигнала - токовая петля 0/4-20 мА или цифровой интерфейс RS-485.
В качестве шагового двигателя 12 может быть использована, например, модель AD-200-31.
В качестве драйвера 11 управляющего шагового двигателя 12 может быть использована, например, модель SMSD-4.2.
В качестве регулятора 10 может быть использована, например, плата микроконтроллера (STM32) со всеми необходимыми интерфейсами.
Исполнительный механизм позиционирования подвижного основания запредельного кольца 2 содержит основную проводящую платформу 3, подвижное основание запредельного кольца 6, сильфон 7, актуатор 16 (может быть совмещен с излучателем ультразвуковых колебаний), трубопровод охлаждения 18, цилиндрический волновод 20 (его цилиндрическая часть), шток 25 актуатора 16, штанга 26 актуатора 16, клемный зажим 27 актуатора 16, неподвижный фланец сильфона 28 (фиг. 2).
Исполнительный механизм для позиционирования подвижного основания 6 запредельного кольца 2 (фиг. 1) состоит из узла (фиг. 2) герметичного крепления к основной проводящей платформе 3 реактора, узла задания шага ее поступательных перемещений, узла обеспечения ее осесимметричности с резонатором. Узел герметичного крепления к реактору состоит из неподвижного фланца сильфона 28 с помощью которого он фиксируется и герметично прижимается снизу к основной проводящей платформе 3 реактора (фиг. 1) и сильфона 7, имеющего с внешней стороны вакуумной камеры подвижный фланец через который проходит трубопровод охлаждения, соосный с узлом задания шага поступательных перемещений подвижного основания 6 запредельного кольца 2. Также может осуществляться наложение ультразвуковых колебаний, как на волновод с последующей передачей их плазме, так и непосредственно на подложку 1. Узел задания шага поступательных перемещений подвижного основания 6 запредельного кольца 2 состоит из актуатора 16, совмещенного с излучателем ультразвуковых колебаний, закрепленного на шпильках 26, жестко связанных клемными зажимами 27 актуатора 16 с цилиндрической частью волновода 20 (фиг. 2).
Узел герметичного крепления устройства к СВЧ реактору (фиг. 3) содержит подвижное основание 6 запредельного кольца 2, сильфон 7, трубопровод охлаждения 18, неподвижное соединение сильфона 28, наконечник 29; подвижное фланцевое соединение 30 сильфона 7, сердечник 31 сильфона 7.
Устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий работает следующим образом.
4
2
4
2
На подвижное основание 6 (фиг. 1) запредельного кольца 2 через открытую крышку вакуумной камеры 23 внутрь запредельного кольца 2, лежащего на основной проводящей платформе 3, размещают подложку 1, затем осуществляют откачку воздуха из вакуумной камера и через патрубок напуска 24 подают рабочую смесь газов. Для осаждения алмазных покрытий на изделия из твердого сплава используют рабочие газы, например, СН, N, SiH в сочетании с Н. Косвенный нагрев подложки 1 осуществляют от излучения плазмы образуемой периметром запредельного кольца 2 и контролируют датчиком температуры 8.
k
max
Регулирование температуры осуществляют позиционированием подложки 1 относительно запредельного кольца 2, высота которого относительно основной проводящей платформы составляет H. Позиционирование подложки осуществляют с помощью подвижного основания 6 запредельного кольца 2, движение которого вызывает изменение высоты внутреннего периметра запредельного кольца 2, максимальная высота которого зависит от высоты подложки и составляет H.
Первоначальную высоту внутреннего периметра запредельного кольца 2 настраивают по соотношению уровней поверхности подложки и запредельного кольца 2, на заданную температуру роста, для снижения температуры подложки 1 высоту внутреннего периметра увеличивают, а для повышения ее температуры высоту внутреннего периметра уменьшают. За счет этого обеспечивается регулирование температуры с большей точностью.
В заявляемом устройстве для плазмохимического осаждения алмазных покрытии подъем и опускание реализуется актуатором 16 с помощью линейного транслятора 14, шагового двигателя 12, драйвера 11 управляющего шагового двигателя 12, концевых датчиков 15, энкодера 13. Заранее отрегулированные на заданный диапазон высот опускания и подъема концевые датчики 15 задают диапазон перемещения подвижного основания 6, одновременно энкодер 13 обеспечивает контроль угла поворота вала шагового двигателя 12.
Средство программного управления - микроконтроллер регулятора 10, осуществляет прием и обработку входящих сигналов и формирует управляющие сигналы для драйвера 11 управляющего шагового двигателя 12. Алгоритм управления ростом в СВЧ плазме определяется программой микроконтроллера регулятора 10. Таким образом, температура подложки и высота внутреннего периметра запредельного кольца 2 согласуют при помощи программно-аппаратного комплекса, заложенного в средство программного управления регулятора 10. Для контроля, стабилизации и регулирования температуры подложки 1 по заданному алгоритму, позиционирования и фиксации подвижного основания запредельного кольца 2 аксиально оси реактора, подвижная часть соединения 30 сильфона 7 (фиг. 3) жестко соединена с трубопроводом охлаждения 18, который с одной стороны крепят в наконечнике 29, имеющим резьбовое отверстие для крепления штока 25 актуатора 16, а с другой, через сердечник 31 сильфона 7 с подвижным основанием 6 запредельного кольца 2. При этом сам актуатор 16 жестко с помощью клемного зажима 27 актуатора 16 соединяют с цилиндрической частью волновода 20 (фиг. 2) При движении штока 25 актуатора 16 (фиг. 2), аксиального наконечнику 29 (фиг. 3), трубопроводу охлаждения 18, подвижному фланцевому соединению 30, сердечнику 31 сильфона 7, подвижному основанию 6 запредельного кольца 2 и подложке 1 сообщают перемещение для регулирования ее температуры. При подключении излучателя ультразвуковых колебаний и сообщении их наконечнику 29, эти колебания передаются подложке 1 (фиг. 1), при подключении излучателя ультразвуковых колебаний к цилиндрической части волновода 20 (фиг. 2), эти колебания передаются по микроволновому тракту плазме. Средняя точность регулирования температуры вершины подложки 1, расположенной в центре подвижного основания 6 и на его периферии (диаметр 50 мм) при изменении высоты внутреннего периметра запредельного кольца 2 (фиг. 1) составляет ±0,15°С/мкм, что при разрешении инфракрасного пирометра 5 -±10°С составляет 35 мкм смещения.
На основании вышеизложенного новыми достигаемыми техническими результатами заявляемого изобретения (по сравнению с прототипом) являются следующие.
1. Предлагаемое устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий позволяет расширить диапазон возможностей осаждения покрытий не менее чем на 20% за счет создания новой системы для автоматического управления плазмохимического осаждения алмазных покрытий и устройства с регулированием температуры косвенного нагрева подложки по обратной связи с инфракрасным пирометром без изменения других параметров процесса (состава и давления газовой смеси, подводимой СВЧ мощности и др.), повышения технологических возможностей запредельного проводящего кольца посредством регулируемой высоты его внутреннего периметра при сохранении высоты наружного периметра запредельного кольца, отвечающего за расположение в резонаторе.
2. Предлагаемое устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий позволяет повысить качество алмазных покрытий за счет регулирования температуры подложки при сохранении постоянной плотности мощности над ней излучающей плазмой.
3. Предлагаемое устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий обеспечивает регулирование и поддержание температуры косвенного нагрева подложки длительное время с высокой точностью, не требует корректировки каких-либо режимных параметров плазмохимического осаждения, что упрощает конструкцию устройства, уменьшает его габариты и снижает расходы газовой смеси и потребляемой мощности не менее чем на 20%.
Применимость изобретения в высокотехнологических областях электроники и машиностроения, а также на предприятиях оборонной промышленности и Госкорпорации РОСКОСМОС, не вызывает сомнения: в настоящее время в «Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Федеральном исследовательском центре Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН» разработана конструкторская документация, изготовлен и апробирован опытный образец, который показал ожидаемую работоспособность.
Используемые источники
1. Патент US №6858078, 2005, МКИ С30В 25/02; С30В 25/12.
2. Патент US №7776408, 2010, МКИ С23С 16/00, Н05Н 1/24, Н05Н 1/46.
3. Патент US №4585668, 1986, МКИ B05D 3/06.
4. Патент US №5070274, 1991, МКИ СО1В 31/06.
5. Патент US №5628824, 1997, МКИ С3ОВ 29/04.
6. Патент US №5099788,1 992, МКИ С23С 16/48.
7. Патент RU №2644216, 2018, МКИ С23С 14/00, С23С 16/27, С23С 16/458, С23С 16/4581, С23С 16/54.