СВЧ ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР
SHF PLASMA REACTOR

Предлагаемое техническое решение относится к СВЧ реакторам для плазмохимического синтеза материалов из газовой фазы.
Одной из технологических задач является синтез углеродсодержащей пленки большой площади с высокой степенью однородности.
При формировании алмазной пленки в радиальном волноводе неоднородность распределения поля и, соответственно, энерговклада в плазму возрастает с увеличением диаметра образца и подводимой мощности СВЧ энергии. Для равномерного роста пленки по всей поверхности подложки необходимо компенсировать неоднородности температуры подложки, возникающие из-за неоднородности теплопередачи от плазмы СВЧ разряда к подложке.
Известен держатель подложки с контролем и управлением температуры (заявка РСТ WO 9737375), в котором держатель подложки содержит множество термоэлектрических модулей, находящихся в тепловом контакте с поверхностью держателя подложки. Для поддержания необходимой однородной по поверхности температуры подложки требуется постоянное внешнее управление, что усложняет систему и снижает ее надежность. Кроме того, термоэлектрические модули могут влиять на СВЧ поле разряда, создавая помехи.
Известен держатель подложки (Заявка ЕР 0867538 (А1)), в котором для равномерного распределения тепла держатель подложки, расположенный между источником нагрева и полупроводниковой подложкой, выполнен из материала с проводимостью выше, чем у графита. Однако данное решение не предполагает возможности отвода излишка тепла для поддержания оптимальной температуры подложки.
Известен СВЧ плазменный реактор, содержащий герметичную осесимметричную камеру и установленные в ней радиальный волновод, центральная часть которого является СВЧ резонатором, держатель подложки и каналы для газа (патент РФ RU 2299929 (С2)).
Задачей изобретения является создание СВЧ плазменного реактора с высокой однородностью температурного поля держателя подложки.
СВЧ плазменный реактор, содержащий герметичную осесимметричную камеру с каналами для газа и установленные в ней радиальный волновод, центральная часть которого является СВЧ резонатором, держатель подложки, СВЧ реактор снабжен коллектором, газовым теплообменником, содержащим цилиндрическую камеру, установленную коаксиально с держателем, и тороидальной мембраной, образующей в сечении U-образный полуволновой шлейф и расположенной между радиальным волноводом и держателем, при этом держатель выполнен цилиндрическим, осесимметричным, массивным из термостойкого и теплопроводного металла, один из каналов для газа выполнен осевым и соединен с цилиндрической камерой теплообменника, другой канал газа соединен с коллектором, цилиндрическая камера газового теплообменника соединена с обратной по отношению к подложке и СВЧ разряду стороной вышеупомянутого держателя, контактирует с ней по площади от 30 до 90% площади обратной стороны держателя и соединена с коллектором через зазор, а держатель подложки соединен с радиальным волноводом через тороидальную мембрану.
Держатель подложки, выполненный цилиндрическим, осесимметричным, массивным из термостойкого и теплопроводного металла, выравнивает температуру подложки за счет теплопроводности, обеспечивая тем самым равномерность роста пленки по поверхности подложки. Термостойкость металла позволяет использовать данный материал при высоких температурах порядка 1000 К. Газовый теплообменник, контактирующий с обратной стороной держателя подложки по площади до 90%, позволяет дополнительно, в зависимости от решаемой задачи, изменять температуру держателя. Так как держатель выполнен из массивного изотропного материала с высокой теплопроводностью, распределение в нем температуры приближается к однородному, но требует дополнительной корректировки. Эту задачу дополнительного выравнивания температуры держателя выполняет газовый теплообменник, находящийся в контакте с держателем подложки по площади держателя от 30 до 90%. Пространство под держателем подложки в данной конструкции позволяет установить теплообменник. Выбор диаметра газового теплообменника определяется характерным диаметром перегретой части держателя. Газовый теплообменник является оптимальным при высоких рабочих температурах реактора. Газовый теплообменник содержит цилиндрическую камеру, по периферии цилиндрической камеры выполнен зазор, соединяющий цилиндрическую камеру теплообменника с коллектором, газовые каналы, один из которых соединен с цилиндрической камерой теплообменника на оси симметрии, другой соединен с его коллектором. Газовые каналы, один из которых расположен в области оси симметрии, второй канал соединен с коллектором через зазор, позволяют решать различные задачи, оптимизируя температуру подложкодержателя с учетом осевой симметрии камеры реактора. Выбором скорости, направления и температуры подаваемого в теплообменник газа можно управлять распределением температуры держателя и подложки. При этом управляемыми элементами являются температура и скорость газового потока в газовом теплообменнике, что легко осуществить на практике. Газовый теплообменник не вносит помех в поле СВЧ разряда, что также положительно влияет на стабильность работы системы. Держатель подложки соединен с радиальным волноводом через тороидальную мембрану, образующую в сечении U-образный осесимметричный полуволновой шлейф (дроссель), включенный в радиальный волновод. Мембрана изолирует подложкодержатель от радиального волновода, препятствуя отдаче тепла держателя с подложкой через теплопроводность и излучение, так как форма мембраны дополнительно обеспечивает экранирование для бокового излучения держателя, стабилизируя, таким образом, температуру подложкодержателя. U-образная форма мембраны в виде узкого зазора глубиной в половину длины СВЧ волны одновременно выполняет роль короткозамкнутого шлейфа на зазоре, что не создает препятствий для распространения СВЧ волны в радиальной линии над держателем подложки.
T
0
T
0
T
4
-12
-2
-4
Держатель подложки выполнен из молибдена. Молибден является теплопроводным и термостойким металлом. Для стабилизации рабочей температуры подложкодержателя при температурах подложки порядка 1000°С нужно учитывать теплопередачу через излучательный и конвекционный каналы тепловых потерь. Согласно закону Стефана-Больцмана мощность, излучаемая с единицы поверхности металла, составляет w=ε*σ*T, где ε - интегральный коэффициент излучения металла, σ=5,67*10 Вт·смK - постоянная Стефана - Больцмана, Т - температура. Для молибдена с ε≈ 0,25 при Т=1300К излучение обратной (по отношению к плазме) стороны держателя из молибдена диаметром 12 см составит примерно 0,5 кВт. Таким образом, для стабилизации рабочей температуры реактора при держателе подложки, выполненном из молибдена, потери на излучение обратной стороны подложкодержателя составят не более 0,5 кВт.
Теплообменник может быть использован в разных вариантах - как для съема лишнего тепла с держателя подложки, так и для дополнительного его подогрева.
В варианте съема лишнего тепла осевой канал теплообменника является каналом подачи газа температурой ниже рабочей температуры реактора, канал, соединенный с коллектором, является каналом откачки газа. При таком исполнении и подаче газа с температурой ниже рабочей температуры подложки можно отвести излишек тепла из центра подложкодержателя, при этом в центре держатель охлаждается сильнее, что позволяет дополнительно выравнивать температурное поле, так как в резонаторе, являющемся частью радиального волновода, при больших размерах подложки температура плазмы в центре выше, чем на периферии.
В варианте дополнительного подогрева держателя осевой канал является каналом откачки газа, канал, соединенный с коллектором, является каналом подачи газа с температурой выше рабочей температуры подложки. При недостатке мощности либо при недостаточно высокой температуре подложки газовый теплообменник может служить средством подогрева, при этом подогретый газ подают в периферическую зону подложкодержателя, выравнивая температуру держателя, и, соответственно, подложки в зоне резонатора СВЧ плазменного реактора, являющегося частью радиального волновода.
В тороидальной мембране, образующей U-образный полуволновой шлейф, установлен отрезок кварцевой трубы без контакта со стенками тороидальной мембраны. При высокой мощности СВЧ излучения, вводимой в систему для синтеза пленки большой площади, увеличивается вероятность паразитных пробоев. Для предотвращения зажигания дуги между стенками тороидальной мембраны на половине глубины, где напряженность поля максимальна, в тороидальной мембране установлен отрезок кварцевой трубы.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание СВЧ плазменного реактора с системой поддержания однородной температуры на подложке увеличенной площади для осаждения однородных покрытий.
На чертеже представлено схематическое изображение поперечного сечения СВЧ плазменного реактора.
В осесимметричной камере реактора 1, образованной внешней стенкой 2 и внутренним участком радиального волновода 3, установлен массивный подложкодержатель 4, соединенный с газовым теплообменником. Газовый теплообменник содержит цилиндрическую камеру 5, установленную коаксиально с держателем подложки 4, по периферии камеры 5 выполнен зазор 6, соединяющий цилиндрическую камеру 5 с коллектором 7. Осевой канал 8 соединен с цилиндрической камерой 5, канал 9 соединен с коллектором 7. Между внутренним участком радиального волновода 3 и держателем положки 4 расположена тороидальная мембрана 10, образующая в сечении U-образный полуволновой шлейф. Подложкодержатель 4 выполнен из молибдена и прикасается к цилиндрической камере 5 теплообменника 80% своей поверхности со стороны держателя 4, обратной подложке 11.
При включении системы в реактор подают газ, в центральной части реактора 1 образуется плазма, являющаяся источником для синтеза материала на поверхности подложки 11, устанавливаемой на подложкодержатель 4.
Массивный подложкодержатель 4, выполненный из молибдена, выравнивает температуру подложки 11 за счет переноса тепла в объеме держателя. В осевой канал 8 газового теплообменника подают азот с температурой и скоростью, достаточной для коррекции температуры подложкодержателя 4. Канал 9 служит для откачки газа, подаваемого в цилиндрическую камеру теплообменника 5. Направления движения потоков газа показаны стрелками. U-образная мембрана 10 глубиной в половину длины волны изолирует по теплопередаче подложкодержатель 4 от радиального волновода 3 и не препятствует распространению СВЧ волны к подложкодержателю 4. Таким образом, температура подложкодержателя 4 стабилизируется и корректируется до оптимальной величины для необходимого роста пленки. Температура по поверхности подложкодержателя 4 становится существенно более однородной, возможность корректировать температуру подложки при сохранении однородности температурного поля подложки расширяет возможности системы и позволяет получать однородные пленки с заданными характеристиками.
Предлагаемое техническое решение позволяет получать в СВЧ плазменном реакторе качественные однородные пленки большого размера, соизмеримого по диаметру с длиной СВЧ волны.