ИСТОЧНИК ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к источникам электромагнитных (ЭМ) колебаний для устройств плазмохимической обработки различных поверхностей с большой площадью и может быть использована при нанесении тонких пленок, модификации поверхностей, очистке и травлении, в частности, при создании наноструктуризированных покрытий и пленок.
Известен электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) плазменный источник для обработки полупроводниковых структур (RU, C1 №2216818, МПК: H01L 21/3065; H01L 21/8258; H01L 27/04, опубликован 20.11.2003 г.,) - [1] с вводом сверхвысокочастотной (СВЧ) мощности, в котором генератор высокочастотных электромагнитных колебаний, предназначенных для создания СВЧ разряда, создает колебания на двух частотах - 2,45 ГГц и 1,23 ГГц. В процессе работы реактора устройства используется одна частота, в соответствии с которой устанавливается напряженность магнитного поля. При этом условия электронно-циклотронного резонанса создаются в ограниченном объеме.
Известен электронно-циклотронный резонансный источник плазмы (US 6468603 B1, МПК: C23C 16/26, опубликован 22.10.2002 г.) - [2], который содержит высокочастотный (ВЧ) генератор электромагнитных колебаний и устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора. Используемый в устройстве высокочастотный генератор электромагнитных колебаний работает в узком диапазоне частот с центральной частотой 2,5 ГГц, поэтому условия электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) создаются в ограниченном объеме рабочей камеры. Перестройка частоты выполняется вручную или с помощью управляющего электрического сигнала. Следовательно, в каждый момент времени генератор создает колебания на одной частоте. С выхода генератора электромагнитные колебания поступают на устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является источник высокочастотных электромагнитных колебаний плазмохимического реактора (RU 89529 U1, МПК: C23C 16/513; H05H 1/30, опубликован 10.10.2009 г.) - [3].
Устройство-прототип [3] содержит последовательно включенные высокочастотный генератор электромагнитных колебаний, полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний с фиксированной рабочей полосой частот, усилитель мощности электромагнитных колебаний и высокочастотный вентиль, препятствующий прохождению отраженных от рабочей камеры реактора электромагнитных колебаний на выход усилителя мощности, и устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора. При этом в качестве генератора электромагнитных колебаний используется высокочастотный генератор колебаний со случайными амплитудой и фазой и с широким спектром частот.
Устройства аналогов [1, 2] и прототипа [3] имеют аналогичные недостатки, заключающиеся в отсутствии технических средств, позволяющих получать и поддерживать в процессе работы плазмохимического реактора максимальную мощность электромагнитных колебаний источника колебаний при минимальном энергопотреблении. Что не позволяет увеличить коэффициент полезного действия (КПД) источника электромагнитных колебаний плазмохимического реактора и ограничивает производственные возможности реактора (номенклатуру изготовляемых изделий, их габариты, качество изделий и длительность технологического процесса).
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создания источника высокочастотных электромагнитных колебаний для плазмохимического реактора, способного обеспечивать и поддерживать в процессе работы устройства условия электронно-циклотронного резонанса в рабочей камере в режиме максимально возможной мощности электромагнитных колебаний в широком спектре частот при минимальном энергопотреблении.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:
- повышение КПД плазмохимического реактора в целом за счет возможности получения максимальной мощности электромагнитных колебаний источника при минимальном его энергопотреблении;
- сокращение времени производственного процесса за счет увеличения энергии электромагнитных колебаний;
- расширение номенклатуры и снижение себестоимости создаваемых изделий.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что источник высокочастотных электромагнитных колебаний плазмохимического реактора, содержащий высокочастотный генератор электромагнитных колебаний со случайными амплитудой и фазой в широком спектре частот, полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний с перестраиваемыми центральной частотой и шириной спектра рабочих частот, усилитель мощности электромагнитных колебаний, высокочастотный вентиль и устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, причем полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний входом присоединен к выходу высокочастотного генератора электромагнитных колебаний, а высокочастотный вентиль выходом присоединен к устройству ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, при этом устройство снабжено направленными ответвителями исходных и усиленных электромагнитных колебаний, дополнительным высокочастотным вентилем, измерителями мощностей исходных и усиленных электромагнитных колебаний, вычислителем и индикатором разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний, а высокочастотный генератор электромагнитных колебаний со случайными амплитудой и фазой в широком спектре частот выбран с возможностью изменения его выходной мощности электромагнитных колебаний, причем направленный ответвитель исходных электромагнитных колебаний входом прямого канала присоединен к выходу полосового фильтра частот электромагнитных колебаний, а выходом прямого канала - к входу дополнительного высокочастотного вентиля, который выходом присоединен к входу усилителя мощности электромагнитных колебаний, кроме того, направленный ответвитель усиленных электромагнитных колебаний входом прямого канала присоединен к выходу усилителя мощности электромагнитных колебаний, а выходом прямого канала - к высокочастотному вентилю, при этом направленные ответвители исходных и усиленных электромагнитных колебаний выходами каналов ответвления присоединены соответственно к входам измерителей мощностей исходных и усиленных электромагнитных колебаний, которые выходами присоединены к соответствующим входам вычислителя разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний, к выходу которого присоединен индикатор разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний.
Введенные в устройство элементы в совокупности позволяют контролировать повышение мощности электромагнитных колебаний на выходе высокочастотного генератора и на выходе усилителя, а также доведение мощности на выходе усилителя до максимально возможной (так называемой «мощности насыщения»).
Введение в источник электромагнитных колебаний направленного ответвителя исходных электромагнитных колебаний, присоединяющего полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний к измерителю мощности исходных электромагнитных колебаний, позволяет контролировать и принимать решения об изменении мощности исходных электромагнитных колебаний, поступающих через дополнительный ВЧ вентиль на вход усилителя мощности электромагнитных колебаний. При этом дополнительный ВЧ вентиль позволяет значительно снизить мощность обратных электромагнитных колебаний, идущих от усилителя мощности электромагнитных колебаний к полосовому фильтру частот и ВЧ генератору электромагнитных колебаний, что предотвращает колебания и срывы в работе полосового фильтра и ВЧ генератора, а также уменьшает ошибки и погрешности в измерениях исходной и усиленной мощностей.
Введение в источник электромагнитных колебаний направленного ответвителя усиленных электромагнитных колебаний, присоединенного каналом ответвления к измерителю мощности усиленных электромагнитных колебаний, позволяет контролировать мощность электромагнитных колебаний на выходе усилителя мощности электромагнитных колебаний.
Введение в устройство вычислителя и индикатора разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний соответственно с выходов усилителя мощности электромагнитных колебаний и полосового фильтра частот электромагнитных колебаний позволяет установить момент достижения максимального значения мощности электромагнитных колебаний на выходе усилителя мощности электромагнитных колебаний.
Высокочастотный генератор электромагнитных колебаний выбран с возможностью изменять его выходную мощность электромагнитных колебаний, что необходимо для изменения мощности на выходе усилителя мощности электромагнитных колебаний и доведения ее до максимально возможной («мощности насыщения»).
Наличие совокупности признаков, отличающих предлагаемое техническое решение от устройства-прототипа и от других известных источников информации, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
На фиг.1 схематически показан предлагаемый источник высокочастотных электромагнитных колебаний плазменного реактора.
На фиг.2 представлена осциллограмма электромагнитных колебаний при выходной (усиленной) мощности усилителя электромагнитных колебаний ниже максимальной.
На фиг.3 представлена осциллограмма электромагнитных колебаний при максимальной выходной (усиленной) мощности усилителя электромагнитных колебаний.
На фиг.4 представлено графическое изображение зависимостей спектральной плотности мощности электромагнитных колебаний от частоты при усиленной мощности ниже максимальной (кривая 1) и при максимально усиленной мощности (кривая 2).
Предлагаемый источник высокочастотных электромагнитных колебаний содержит: высокочастотный генератор электромагнитных колебаний - 1, который является источником исходных электромагнитных колебаний и генерирует колебания со случайной амплитудой и фазой в широком спектре частот и с управляемой мощностью выходных электромагнитных колебаний; полосовой фильтр частот исходных электромагнитных колебаний - 2 с фиксированной полосой частот; усилитель мощности электромагнитных колебаний - 3; высокочастотный вентиль - 4; устройство ввода электромагнитных колебаний - 5 в рабочую камеру плазмохимического реактора (камера на фигуре не показана); направленный ответвитель исходных электромагнитных колебаний - 6; измеритель мощности исходных электромагнитных колебаний - 7; направленный ответвитель усиленных электромагнитных колебаний - 8; измеритель мощности усиленных электромагнитных колебаний - 9; вычислитель разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний - 10; индикатор разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний - 11; дополнительный высокочастотный вентиль - 12.
Заявленная модель имеет следующее устройство. Источником исходных электромагнитных ВЧ колебаний является ВЧ генератор 1 с управляемой выходной мощностью. Генератор создает колебания со случайной амплитудой и фазой и с широким спектром частот. Высокочастотный генератор 1 может быть выполнен в виде последовательно включенных транзисторных усилителей, усиливающих собственные шумовые колебания. В этом случае управление мощностью электромагнитных колебаний на выходе генератора будет выполняться путем изменения напряжений между коллекторами и эмиттерами усилителей. Существуют также ВЧ генераторы на базе тиратронов, газотронов и т.п.
К выходу ВЧ генератора 1 подключен вход полосового фильтра частот 2, выполненный с возможностью настройки его центральной частоты и ширины полосы рабочих частот электромагнитных колебаний. Для осуществления настройки центральной частоты и ширины полосы рабочих частот полосового фильтра 2 могут быть применены, например, несколько параллельно включенных объемных резонаторов со сдвинутыми друг относительно друга рабочими полосами частот. Настройка частот может выполняться разными известными способами, например, путем изменения объема резонаторов, введения в них диэлектрических стержней и др.
Выход полосового фильтра 2 подключен к входу прямого канала направленного ответвителя исходных электромагнитных колебаний 6, выход прямого канала которого подключен к входу дополнительного высокочастотного вентиля 12. В качестве направленного ответвителя исходных электромагнитных колебаний 6 может быть использовано волноводное или коаксиальное устройство, принцип действия которого основан на отборе из прямого канала небольшой части энергии электромагнитных колебаний (не более 1%) и разделении их на синфазные и противофазные составляющие за счет разной длины пути. В канале ответвления направленного ответвителя исходных электромагнитных колебаний 6 электромагнитные колебания, идущие от полосового фильтра 2 к усилителю мощности электромагнитных колебаний 3, суммируются в фазе, поэтому мощность суммарных колебаний достаточна для измерения ее величины.
Выход прямого канала направленного ответвителя исходных электромагнитных колебаний 6 подключен к входу дополнительного ВЧ вентиля 12, обеспечивающего прохождение электромагнитных колебаний в направлении усилителя мощности электромагнитных колебаний 3 и уменьшающего мощность отраженных (обратных) колебаний путем поглощения их энергии. В качестве дополнительного ВЧ вентиля 12 могут быть использованы известные волноводные и коаксиальные устройства, принцип действия которых основан на дифференциации затухания электромагнитной волны в зависимости от направления ее движения. В дополнительном ВЧ вентиле 12 волна, идущая в сторону усилителя мощности 3, практически не затухает, а обратная волна затухает на 20 дБ и более.
Выход дополнительного высокочастотного вентиля 12 подключен к входу усилителя мощности 3, увеличивающего мощность электромагнитных колебаний до величины, необходимой для создания сверхвысокочастотного разряда в рабочей камере реактора. Для усиления случайных колебаний с широким спектром, способных инициировать сверхвысокочастотный разряд, необходимо иметь относительно мощный усилитель мощности электромагнитных колебаний 3 с достаточно широкой полосой рабочих частот. Такой усилитель может быть выполнен на базе лампы бегущей волны.
Выход усилителя мощности 3 подключен к входу прямого канала направленного ответвителя усиленных электромагнитных колебаний 8, выход прямого канала которого подсоединен к входу высокочастотного вентиля 4. Высокочастотный вентиль 4 обеспечивает прохождение электромагнитных колебаний в направлении к устройству ввода электромагнитных колебаний 5 в рабочую камеру (на схеме не показана). Назначение ВЧ вентиля 4 - поглотить энергию электромагнитных колебаний, отраженных от рабочей камеры.
Выходы каналов ответвления направленных ответвителей исходных и усиленных электромагнитных колебаний (6 и 8) подключены соответственно через измерители мощности исходных и усиленных электромагнитных колебаний (7 и 9) к входу вычислителя разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний 10. В качестве измерителей мощностей 7 и 9 целесообразно использовать серийные ваттметры высокочастотных колебаний. Как правило, они имеют выход напряжения, прямо пропорционального измеряемой мощности. Это напряжение можно использовать для измерения разности мощностей. В качестве вычислителя разности соответствующих мощностей 10 можно использовать два усилителя (или повторителя) напряжений, работающих на общую нагрузку. При этом на выходах усилителей (повторителей) напряжения должны иметь противоположную полярность, что обеспечит формирование на нагрузке напряжения, пропорционального разности мощностей.
К выходу вычислителя разности соответствующих мощностей 10 подключен индикатор полученной разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний 11, в качестве которого может быть использован вольтметр или осциллограф.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы реактора рассчитывают величину центральной частоты спектра электромагнитных колебаний, вводимых в рабочую камеру реактора. При расчете используют данные об интенсивности магнитного поля и его распределении внутри рабочей камеры, о свойствах ионизируемого газа, спектре частот высокочастотного генератора 1 электромагнитных колебаний, амплитудно-частотных характеристиках устройств, следующих за полосовым фильтром частот 2 и др. Рассчитанную частоту устанавливают в одном из резонаторов полосового фильтра частот 2. Остальные резонаторы полосового фильтра частот 2 настраиваются на частоты, которые на (5-10)% выше и ниже центральной частоты. Включением высокочастотного генератора 1 электромагнитных колебаний обеспечивают подачу колебаний на вход полосового фильтра частот 2. С выхода полосового фильтра частот 2 электромагнитные колебания через направленный ответвитель исходных электромагнитных колебаний 6 и дополнительный ВЧ вентиль 12 поступают на вход усилителя мощности 3, обеспечивающего требуемый уровень мощности электромагнитных колебаний в рабочей камере плазмохимического реактора.
Для увеличения выходной мощности источника электромагнитных колебаний плазмохимического реактора и одновременного повышения его КПД необходимо: установить постоянными напряжения и токи питания усилителя электромагнитных колебаний 3; увеличивать напряжения и токи питания высокочастотного генератора электромагнитных колебаний 1 таким образом, чтобы увеличивать мощность колебаний на выходе ВЧ генератора 1. При этом будет увеличиваться выходная мощность усилителя 3 без увеличения его энергопотребления. Это приведет к увеличению мощности источника электромагнитных колебаний плазмохимического реактора в целом и повышение его КПД.
Усиленные электромагнитные колебания через направленный ответвитель усиленных электромагнитных колебаний 8 и высокочастотный вентиль 4 подают в рабочую камеру (не показана). Увеличивают выходную мощность высокочастотного генератора электромагнитных колебаний 1, наблюдая за показаниями измерителя мощности исходных электромагнитных колебаний 7 и индикатора разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний 11. Добиваются такого положения, когда при увеличении показаний измерителя мощности исходных электромагнитных колебаний 7 показания индикатора разности мощностей усиленных и исходных электромагнитных колебаний 11 прекращают увеличиваться. Это будет свидетельствовать о том, что мощность электромагнитных колебаний на выходе усилителя мощности 3 достигла максимально возможной величины («мощности насыщения»). Тем самым обеспечивается максимизация энергии электромагнитных колебаний, формирующих плазму в рабочей камере плазмохимического реактора, и повышение коэффициента полезного действия реактора.
Для определения степени изменения мощности и ширины спектра выходных электромагнитных колебаний усилителя мощности 3 при переходе в режим максимальной мощности проведен эксперимент. В качестве источника колебаний со случайными амплитудой и фазой применен измерительный генератор шумового сигнала Г2-37. Ширина спектра колебаний задана равной 20кГц. Сигнал генератора 1 зарегистрирован в компьютере и подвергнут функциональной обработке, воспроизводящей работу усилителя мощности 3 с амплитудной характеристикой, позволяющей имитировать переход усилителя мощности 3 в режим максимальной мощности («мощность насыщения»):
,
где: x - амплитуда сигнала на входе усилителя мощности электромагнитных колебаний;
у - амплитуда сигнала на выходе усилителя мощности электромагнитных колебаний;
A - максимально возможная амплитуда сигнала на выходе усилителя мощности электромагнитных колебаний;
g - параметр, определяющий протяженность линейного участка амплитудной характеристики усилителя мощности электромагнитных колебаний.
Представленная на фиг.2 осциллограмма демонстрирует изменение во времени сигнала на выходе усилителя мощности 3 с максимальной амплитудой у, не достигающей величины A, т.е. при отсутствии режима «насыщения по мощности» усилителя мощности 3.
Представленная на фиг.3 осциллограмма демонстрирует изменение во времени сигнала на выходе усилителя мощности 3 с максимальной амплитудой у, достигающей величины A, т.е. в режиме «насыщения по мощности» усилителя мощности.
На фиг.4 представлены графики спектральных плотностей мощности представленных на фиг.2 и фиг.3 сигналов на выходе усилителя мощности 3: кривая 1 - сигнал до режима «насыщения по мощности», кривая 2 - сигнал после входа усилителя в режим «насыщения по мощности». По оси абсцисс отложена частота сигнала F, по оси ординат - спектральная плотность мощности сигнала на выходе усилителя G. Видно, что при увеличении выходной мощности усилителя 3 до величины, соответствующей входу в режим «насыщения по мощности», спектральная плотность мощности G и ширина спектра сигнала также увеличиваются. Расширение спектра частот приводит к увеличению количества частот, соответствующих условию электронно-циклотронного резонанса, что позволяет более эффективно использовать объем рабочей камеры реактора.
Таким образом, вывод усилителя на максимально возможную мощность («мощность насыщения») позволяет получить положительный эффект, заключающийся в повышении КПД источника высокочастотных электромагнитных колебаний и расширении возможностей плазмохимического реактора.