СВЧ плазменный реактор
MICROWAVE PLASMA REACTOR

Изобретение относится к плазмохимии и плазменной технике, в частности, к СВЧ плазменным реакторам, и может быть использовано при обработке поверхностей образцов, осаждения на них покрытий, выращивания пленок и кристаллов, а также найти применение в других областях техники.
СВЧ плазменные реакторы имеют преимущества перед другими типами плазменных реакторов, например, дуговыми, в химической чистоте плазмы, так как она в СВЧ разряде объемная, поэтому тепловая нагрузка на поверхность электродов невысока, а, следовательно, в плазме отсутствуют продукты эрозии электродов, что позволяет получать сверхчистые материалы.
Известен СВЧ плазменный реактор, выполненный в виде плазмотрона, предназначенного для прямого восстановления мелкодисперсного сырья в потоке плазмы / Патент РФ 2270536 /.
Недостатком этого реактора, а также СВЧ плазмотронов такой конструкции, является вынужденно большой расход газа, что делает неэффективным его использование для осаждения пленок на поверхности образцов, поскольку лишь малая доля потока плазмы успевает взаимодействовать с поверхностью из-за большой скорости потока плазмы.
Ближайшим техническим решением является СВЧ плазменный реактор, включающий камеру, заполненную газом, СВЧ объемный резонатор для преобразования этого газа в плазму, электрод, имеющий две противоположные поверхности и размещенный внутри этого резонатора, средства ввода СВЧ энергии в резонатор, формирующие поток СВЧ энергии, направленный на ближайшую к СВЧ вводу одну из противоположных поверхностей электрода, обтекающий его и сходящийся у другой противоположной поверхности электрода, где создается максимум СВЧ поля, приводящее к возникновению и формированию плазмы, прижатой к этой поверхности электрода / Патент US 5,501,740 /.
СВЧ плазменный реактор такой конструкции, с так называемой радиальной линией, может работать с малым расходом газа в отличие от СВЧ плазмотронов.
Недостатком этого технического решения является ограничение удельных нагрузок на обрабатываемую поверхность при ее контакте с плазмой вследствие сложности и ограниченных возможностей системы принудительного охлаждения электрода, полностью размещенного внутри СВЧ объемного резонатора, что снижает мощность и производительность реактора.
Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка.
Техническим результатом предложенного технического решения являются повышение мощности и производительности СВЧ плазменного реактора за счет упрощения его системы принудительного охлаждения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что в СВЧ плазменном реакторе, включающем камеру, заполненную газом, СВЧ объемный резонатор для преобразования этого газа в плазму, электрод, имеющий две противоположные поверхности и размещенный внутри этого резонатора, средства ввода СВЧ энергии в резонатор, формирующие поток СВЧ энергии, направленный на ближайшую к СВЧ вводу одну из противоположных поверхностей электрода, обтекающий его и сходящийся у другой противоположной поверхности электрода, электрод и СВЧ объемный резонатор выполнены создающими абсолютный максимум СВЧ поля и плазму у поверхности объемного резонатора, расположенной напротив поверхности электрода, у которой сходится поток СВЧ энергии.
Часть поверхности СВЧ объемного резонатора, расположенная напротив поверхности электрода, у которой сходится поток СВЧ энергии, имеет форму полости, открытую внутрь СВЧ объемного резонатора, при этом абсолютный максимум электрического поля лежит внутри полости.
СВЧ объемный резонатор, электрод и полость выполнены осесимметричными и размещены соосно.
Полость имеет форму цилиндра или многогранной призмы.
Электрод выполнен в форме диска и на его поверхности, противолежащей открытой полости, выполнен выступ.
СВЧ ввод энергии в объемный резонатор выполнен в виде коаксиала, при этом центральный электрод коаксиала соединен с электродом, а внешний электрод коаксиала соединен с стенками СВЧ объемного резонатора.
СВЧ плазменный реактор имеет систему охлаждения.
Камера, заполненная газом, содержит герметично плотную диэлектрическую перегородку, отделяющую камеру от внешней среды и прозрачную для СВЧ. Перегородка размещена у ближайшей к СВЧ вводу поверхности электрода.
Камера содержит систему откачки, газонапуска и контроля газового состава.
Камера содержит устройство для крепления, по крайней мере, одного образца на внутренней поверхности полости.
Камера содержит диэлектрическую, прозрачную для СВЧ вставку, охватывающую плазму.
На фиг. 1 приведен СВЧ плазменный реактор в разрезе.
На фиг. 2 приведен СВЧ плазменный реактор с полостью в форме многогранной призмы.
На фиг. 3 приведено расчетное распределение напряженности электрического поля стоячей волны с частотой 2,45 ГГц (длина волны 12,25 см) вдоль основания полости в форме многогранной призмы (а) и вдоль противолежащей ему поверхности электрода (б).
СВЧ плазменный реактор состоит из камеры 1, металлические, например, алюминиевые, стенки 2 которой являются стенками объемного СВЧ резонатора. Внутри камеры (СВЧ объемного резонатора) 1 размещен электрод 3, выполненный, например, в форме диска из меди и имеющий две противоположные поверхности 4 и 5.
Средства ввода СВЧ энергии - волновод 6, например, коаксиальный тракт, соединяет СВЧ генератор 7 с СВЧ объемным резонатором 1.
СВЧ плазменный реактор имеет системы откачки, напуска газа и охлаждения стенок камеры, а также датчики расхода, давления и температуры, которые не показаны на фигурах.
СВЧ плазменный реактор работает следующим образом.
В заполненную газом камеру 1, являющуюся одновременно СВЧ резонатором, от СВЧ генератора 7 через волновод 6 направляют поток СВЧ энергии 8 на поверхность 4 электрода 3. Поток СВЧ энергии 8 огибает электрод 3 и сходится над его поверхностью 5. В СВЧ резонаторе формируется стоячая волна.
Плавно повышая мощность СВЧ генератора 7, организуют пробой газа и зажигают плазменный СВЧ разряд.
Пробой газа и образование плазмы происходит в области максимума электрического поля / Ю.П. Райзер. Физика газового разряда, - М. Наука, 1987 /. Поскольку в СВЧ объемном резонаторе больших размеров стоячая СВЧ волна может иметь несколько максимумов, то пробой газа и возникновение плазмы произойдет в наибольшем из них, т.е. в абсолютном максимуме СВЧ поля.
СВЧ резонатор 1 и электрод 3 выполнены так, что создают абсолютный максимум СВЧ поля 9 у поверхности 2 СВЧ резонатора, лежащей напротив поверхности 5 электрода 3, над которой сходится СВЧ поток энергии 8.
Возникшая плазма прижата к поверхности СВЧ резонатора в отличие от прототипа, где она прижата к поверхности 5 электрода 3. Регулируя величину СВЧ мощности генератора 7, формируют плазменное образование с требуемыми параметрами.
Стенки 2 СВЧ резонатора (камеры 1) являются внешними стенками СВЧ плазменного реактора, поэтому от них проще отводить тепло, поскольку доступ к ним облегчен по сравнению с прототипом, где тепло отводят от электрода 3, что усложняет систему охлаждения реактора, так как подача и отвод воды проводят через волновод 6.
Таким образом, предложенное техническое решение увеличивает удельные нагрузки на обрабатываемый образец, размещаемый на стенке 2, а, следовательно, повышает мощность и производительность СВЧ плазменного реактора и упрощает технологию изготовления конструкции.
Для увеличения обрабатываемой плазмой площади поверхности образцов стенки 2 камеры 1, лежащие напротив поверхности 5 электрода 3 выполняют в форме полости 10, а абсолютный максимум 9 СВЧ поля создают у внутренней поверхности полости 10, фиг. 2. Это позволяет увеличить площадь контакта плазмы с поверхностью 2 камеры 1, пригодной для размещения образцов.
01
Полость 10 и электрод 3 можно рассматривать как самостоятельный резонатор, открытый со стороны электрода и закрытый со стороны полости. Возбуждаемая в таком резонаторе СВЧ волна типа E имеет два максимума электрического поля, один у поверхности электрода, другой у поверхности резонатора внутри полости. В прототипе, наибольший из них создают у поверхности 5 электрода 3, в предложенном техническом решении - у поверхности стенки 2 камеры 1.
Размеры плазменного образования в СВЧ плазменном реакторе, определяющие площадь обрабатываемой поверхности, как правило, ограничены расстоянием между нулями электрического поля стоячей волны в СВЧ резонаторе. В открытой части самостоятельного резонатора оно меньше длины СВЧ волны в свободном пространстве и составляет Нем, 6 фиг. 3. В закрытой части самостоятельного резонатора диаметром 15 см нулей электрического поля нет, даже около его стенок 2, а фиг. 3. Такое различие объясняется увеличением длины стоячей волны в резонаторе при определенном соотношении его размеров / Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ, т. 1. Электронные приборы, М., Высшая школа, 1970 /.
Для увеличения площади обрабатываемой поверхности и обработки поверхностей сферической формы полость выполняют в форме цилиндра и образцы размещают на его торцевой и боковой поверхностях.
Для еще большего увеличения площади обрабатываемой поверхности плоских образцов полость выполняют в форме многогранной призмы и плоские образцы размещают на ее гранях.
Для обеспечения однородности обработки поверхности камеру, СВЧ резонатор электрод и полость выполняют осесимметричными и располагают соосно.
Для обеспечения пространственной однородности и равномерности подвода потока СВЧ энергии к плазме электрод 3 выполнен в форме диска.
Для увеличения величины абсолютного максимума СВЧ поля в полости 10 на поверхности 5 электрода 3 напротив полости делают выступ 11, повышающий добротность открытого резонатора, сформированного полостью 10 и выступом 11.
Для улучшения однородности СВЧ поля, его азимутальной симметрии, ввод СВЧ мощности в резонатор волновод 6 выполняют в виде коаксиального тракта, при этом его центральный электрод 12 соединяют с электродом 3, а внешний электрод 13 со стенками камеры 2.
Для работы с различными газовыми смесями и разном давлении камеру отделяют от внешней среды вакуумно-плотно диэлектрической перегородкой прозрачной для СВЧ 14, фиг. 2.
Для исключения влияния диэлектрической перегородки 14 на процессы в камере ее устанавливают под электродом 3 со стороны 4.
Для расширения функциональных возможностей СВЧ плазменного реактора камера содержит системы откачки, газонапуска и контроля газового состава.
Для повышения надежности фиксации обрабатываемых образцов камера 1 снабжена устройствами их крепления.
Для уменьшения тепловых потерь область камеры 1, где горит СВЧ плазменный разряд, теплоизолируют от остального объема камеры диэлектрической, прозрачной для СВЧ вставкой 15.
Таким образом, предложенный СВЧ плазменный реактор имеет, по сравнению с прототипом, большие мощность и удельные нагрузки и повышенную производительность.