ИСТОЧНИК ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА

Предлагаемая полезная модель относится к источникам электромагнитных 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 источник плазмы (US 6468603 В1, МПК: С23С 16/26, опубликован 22.10.2002 г., [1]), 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.
Недостатком элетронно-циклотронного плазменного источника [1] является возможность создавать пленки и покрытия относительно малой площади. Кроме того, при создании сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда и образовании плазмы в рабочей камере создается среда с нестабильным волновым сопротивлением. В моменты времени, когда волновое сопротивление среды отличается от волнового сопротивления устройства ввода СВЧ колебаний, возникает отраженная волна, которая приводит к изменению амплитуды и фазы колебаний. Это, в свою очередь, приводит к нестабильности плазмы и увеличению неоднородности ее потока на обрабатываемый объект, что приводит к снижению качества изделий. Кроме того, возникновение отраженной волны снижает коэффициент полезного действия (КПД) реактора, так как ее энергия не используется в процессах в рабочей камере, а также может приводить к сбоям работы источника электромагнитных колебаний.
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: С23С 16/513; Н05Н 1/30, опубликован 10.10.2009 г., [2]).
Устройство-прототип [2] 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.
Устройство-прототип [2] имеет аналогичный с [1] недостаток, связанный с возникновением отраженной волны в моменты времени, когда волновое сопротивление среды в рабочей камере отличается от волнового сопротивления устройства ввода колебаний в рабочую камеру. При этом происходит изменение амплитуды и фазы колебаний, которое вызывает нестабильность плазмы и неоднородность ее потока на обрабатываемый объект, что приводит к снижению качества создаваемых изделий (например, к неравномерности толщины пленок или неоднородности их физических характеристик). Кроме того, энергия отраженной волны является частью общей энергии электромагнитных колебаний, создаваемых источником электромагнитных колебаний плазмохимического реактора, а поскольку отраженная волна выходит из рабочей камеры реактора, то ее энергия не используется для формирования плазмы. Следовательно, снижается КПД плазмохимического реактора, так как не вся энергия источника электромагнитных колебаний используется в производственном процессе. В случае большой мощности отраженной волны (например, в мощных плазмохимических реакторах) необходимо охлаждать вентиль, так как его защитное действие заключается в поглощении энергии отраженной волны и переводе ее в тепло, а это усложняет устройство и требует дополнительных энергетических затрат.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создания источника ВЧ электромагнитных колебаний для плазменного реактора, обеспечивающего создание условий электронно-циклотронного резонанса в рабочей камере на возможно большем количестве частот электромагнитных колебаний, введенных в рабочую камеру, а также увеличения интенсивности электромагнитных колебаний на частотах, соответствующих электронно-циклотронному резонансу, за счет уменьшения интенсивности колебаний, отраженных от рабочей камеры реактора.
Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:
- повышение коэффициента полезного действия (КПД) плазмохимического реактора, расширение номенклатуры создаваемых с помощью плазмохимического реактора изделий, сокращение времени производственного процесса за счет увеличения доли полезной энергии электромагнитных колебаний, вызывающей образование плазмы;
- повышение стабильности потока плазмы за счет уменьшения доли энергии отраженной волны и, как следствие, улучшение качества изделий;
- исключение или снижение затрат энергии на охлаждение вентиля в мощных плазмохимических реакторах.
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в 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, усилитель мощности электромагнитных колебаний и высокочастотный вентиль, которые соединены последовательно, а также устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, введен направленный ответвитель прямой и отраженной волн, измеритель мощности прямой волны и измеритель мощности отраженной волны, вычислитель разности мощностей прямой и отраженной волн и индикатор разности мощностей прямой и отраженной волн, причем выход высокочастотного вентиля соединен через основной канал направленного ответвителя прямой и отраженной волн с входом устройства ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, при этом выход канала ответвления прямой волны направленного ответвителя прямой и отраженной волн соединен с входом измерителя мощности прямой волны, а выход канала ответвления отраженной волны направленного ответвителя прямой и отраженной волн соединен с входом измерителя мощности отраженной волны, при этом выходы измерителей мощностей прямой и отраженной волн соединены с входами вычислителя разности мощностей прямой и отраженной волн, выход которого соединен с входом индикатора разности мощностей прямой и отраженной волн, кроме того, полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний выполнен с возможностью раздельного управления его центральной частотой и шириной полосы рабочих частот.
Благодаря выполнению полосового фильтра с возможностью раздельной настройки его центральной частоты и ширины полосы рабочих частот электромагнитных колебаний обеспечивается ввод в рабочую камеру колебаний с большим количеством частот, соответствующих условиям электронно-циклотронного резонанса, и увеличивается мощность колебаний, затрачиваемых на создание безэлектродного высокочастотного разряда для образования плазмы в рабочей камере плазмохимического разряда. Но так как суммарная мощность колебаний на всех частотах не может быть выше уровня, определяемого устройством источника колебаний и заданным режимом его работы, то увеличение мощности, затрачиваемой на образование плазмы, приводит к уменьшению мощности обратной волны, отраженной от рабочей камеры реактора, и, соответственно, к повышению КПД источника колебаний.
Необходимость выполнения полосового фильтра с возможностью раздельной настройки его центральной частоты и ширины полосы рабочих частот вызвана тем, что перестройка центральной частоты колебаний, как правило, приводит к неконтролируемому изменению ширины полосы частот. Такое изменение полосы частот может только случайно увеличить количество частот, соответствующих электронно-циклотронному резонансу, и тем самым интенсифицировать образование плазмы. При неконтролируемом изменении ширины полосы возможно и ее уменьшение, что снизит мощность, затрачиваемую на формирование плазмы, и увеличит мощность волны, отраженной от рабочей камеры реактора. Поэтому выполнять контролируемое расширение полосы частот необходимо только с помощью специальной настройки, не зависящей от настройки центральной частоты колебаний.
Введение в устройство направленного ответвителя прямой и отраженной волн, подключенного каналами ответвления прямой и отраженной волн через измерители соответствующих мощностей к входу вычислителя разности мощностей прямой и отраженной волн, который соединен с индикатором разности мощностей, дает возможность измерять мощности прямой и отраженной волн, а также наблюдать за величиной их разности в процессе настройки полосового фильтра, что обеспечивает за счет наглядности высокую точность настройки центральной частоты и ширины полосы рабочих частот полосовым фильтром.
Перечисленная совокупность отличительных признаков позволяет увеличить долю полезной энергии электромагнитных колебаний и уменьшить долю энергии отраженной волны, что обеспечит повышение стабильности потока плазмы, повышение КПД реактора, расширение номенклатуры создаваемых изделий, сокращение времени производственного процесса, снижение энергетических затрат на охлаждение высокочастотного вентиля в мощных плазмохимических реакторах.
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 фигуре, поясняющей предлагаемую полезную модель, схематически изображен источник высокочастотных электромагнитных колебаний плазмохомического реактора.
Предлагаемый источник высокочастотных электромагнитных колебаний содержит: высокочастотный генератор электромагнитных колебаний - 1, который выполнен со случайной амплитудой и фазой и имеет широкий спектр частот; полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний с управляемой полосой частот - 2, который выполнен с возможностью раздельной настройки его центральной частоты и ширины полосы рабочих частот электромагнитных колебаний; усилитель мощности электромагнитных колебаний - 3; высокочастотный вентиль - 4; устройство ввода электромагнитных колебаний - 5 в рабочую камеру (не показана) плазмохимического реактора; направленный ответвитель прямой и отраженной волн - 6; измеритель мощности прямой волны - 7; измеритель мощности отраженной волны - 8; вычислитель разности мощности прямой и отраженной волн - 9; индикатор разности мощностей прямой и обратной волн - 10.
Заявленная модель имеет следующее устройство. Источником электромагнитных СВЧ колебаний является ВЧ генератор 1, создающий колебания со случайной амплитудой и фазой и с широким спектром частот. Высокочастотный генератор 1 электромагнитных колебаний со случайной амплитудой и фазой и с широким спектром частот выполняется в виде последовательно включенных транзисторных усилителей, усиливающих собственные шумовые колебания. 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 раздельной настройки его центральной частоты и ширины полосы-рабочих частот электромагнитных колебаний в процессе работы плазмохимического реактора. Для осуществления раздельной настройки центральной частоты и ширины полосы рабочих частот полосового фильтра 2 могут быть применены, например, несколько (система) последовательно включенных объемных резонаторов со сдвинутыми друг относительно друга рабочими полосами частот. При этом сначала настраивается одним из резонаторов системы центральная частота, а затем настраивается с помощью других резонаторов заданная полоса рабочих частот с обеих сторон от центральной частоты. Исходная центральная частота полосового фильтра 2 выбирается в зависимости от характеристик магнитного поля в рабочей камере реактора, параметров технологического процесса, спектра частот ВЧ генератора 1 случайных колебаний и амплитудно-частотных характеристик устройств, следующих за полосовым фильтром 2. Эта частота устанавливается в одном из резонаторов перед началом работы реактора. Остальные резонаторы полосового фильтра 2 перед началом работы реактора настраиваются на частоты выше и ниже центральной на 5÷10%. 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 усилителя мощности 3, увеличивающего мощность электромагнитных колебаний до необходимой величины. Для усиления случайных колебаний с широким спектром, способных инициировать сверхвысокочастотный разряд, необходимо иметь относительно мощный широкополосный усилитель мощности электромагнитных колебаний 3. Такой усилитель мощности 3 может быть выполнен на базе лампы бегущей волны.
Выход усилителя мощности 3 подключен к входу ВЧ вентиля 4, обеспечивающего прохождение электромагнитных колебаний в направлении рабочей камеры плазмохимического реактора и уменьшающего мощность отраженных колебаний путем поглощения их. В качестве ВЧ вентиля 4 могут быть использованы известные волноводные и коаксиальные устройства, принцип действия которых основан на дифференциации затухания электромагнитной волны в зависимости от направления ее движения. В ВЧ вентиле 4 волна, идущая в сторону рабочей камеры, практически не затухает, а обратная волна затухает на 20 дБ и более.
Выход ВЧ вентиля 4 подключен к входу основного канала направленного ответвителя прямой и отраженной волн 6, выход основного канала которого подсоединен к входу устройства ввода 5 электромагнитных колебаний в рабочую камеру. В качестве направленного ответвителя 6 может быть использовано волноводное или коаксиальное устройство, принцип действия которого основан на ответвлении и суммировании синфазных и противофазных колебаний. В канале ответвления прямой волны направленного ответвителя 6 синфазно суммируются электромагнитные колебания, идущие в рабочую камеру, а в канале ответвления отраженной волны - колебания, отраженные от рабочей камеры.
Выходы каналов ответвления прямой и отраженной волн направленного ответвителя 6 подключены соответственно через измеритель мощности прямой волны 7 и измеритель мощности отраженной волны 8 к входу вычислителя разности мощностей прямой и отраженной волн 9. В качестве измерителей мощностей 7 и 8 соответствующих волн целесообразно использовать серийные ваттметры высокочастотных колебаний. Как правило, они имеют выход напряжения прямо пропорциональный измеряемой мощности. Это напряжение можно использовать для измерения разности мощностей прямой о отраженной волн. В качестве вычислителя разности мощностей 9 прямой и отраженной волн можно использовать два усилителя (или повторителя) напряжений, работающих на общую нагрузку. При этом на выходах усилители (повторители) напряжения должны иметь противоположную полярность, что обеспечит формирование на нагрузке напряжения, пропорционального разности мощностей прямой и отраженной волн.
Кроме того, к выходу вычислителя разности мощностей 9 прямой и отраженной волн подключен индикатор разности мощностей 10 прямой и отраженной волн, в качестве которого может быть использован вольтметр.
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 2 и др. Рассчитанную частоту устанавливают в одном из резонаторов полосового фильтра 2. Остальные резонаторы полосового фильтра настраивают на частоты, которые на 5÷10% выше и ниже центральной частоты.
Затем включают высокочастотный генератор 1 электромагнитных колебаний, который обеспечивает подачу колебаний на вход полосового фильтра 2 частот. С выхода полосового фильтра 2 электромагнитные колебания поступают на вход широкополосного усилителя мощности 3, обеспечивающего требуемый уровень мощности электромагнитных колебаний в рабочей камере плазмохимического реактора. Усиленные электромагнитные колебания через высокочастотный вентиль 4 и направленный ответвитель 6 подают в рабочую камеру. У резонатора полосового фильтра 2, предварительно настроенного на расчетную центральную частоту электромагнитных колебаний, изменяют настройку, добиваясь максимальной величины показаний на индикаторе разности мощностей прямой и обратной волн 10. Затем последовательно производят настройку других резонаторов полосового фильтра 2 таким образом, чтобы получить дальнейшее увеличение максимальной величины показаний на выходе индикатора разности мощностей 10. Тем самым обеспечивают максимальный отбор энергии в электромагнитные колебания, формирующие плазму в рабочей камере плазмохимического реактора, и минимизируют мощность отраженной волны.