РЕАКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ (PCVD) НА БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТАКОГО ОСАЖДЕНИЯ
PLASMA ENHANCED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (PCVD) REACTOR DEVICE AND METHOD FOR PROVIDING SUCH DEPOSITION

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к реакторному устройству и к способу активированного микроволновой плазмой химического осаждения из паровой фазы, MPCVD.
Предпосылки изобретения
Известны реакторы для активированного микроволновой плазмой химического осаждения из паровой фазы, MPCVD, использующие источник микроволновой энергии, который передает и доставляет микроволновую энергию внутрь камеры MPCVD-реактора. Камера MPCVD-реактора, образующая резонирующую полость для принимаемой микроволновой энергии, предназначена для придания формы электрическому полю электромагнитной энергии внутри камеры с напряженностью поля вблизи подложки, которая является достаточно высокой для формирования высокотемпературной плазмы, стимулирующей реакцию, которая образует пар материала, который в конечном итоге осаждается на размещенной вблизи подложке.
В известной конструкции MPCVD-реактора для осаждения алмазоподобного материала генерируемое источником микроволновой энергии микроволновое излучение обычно поступает в реакторную камеру через традиционный волновод, размещенный между источником энергии микроволнового излучения и реакторной камерой, так чтобы передавать выходную мощность от источника энергии микроволнового излучения по традиционному волноводному соединителю в отверстие в стенке реакторной камеры и через него. Волны, которые поступают в пространство реактора, согласно конструкции и форме камеры отражаются стенками реакторной камеры и распространяются дальше отражением от внутренних стенок полости так, чтобы сконцентрироваться с образованием плазмы в относительно малом объеме атмосферы реакторной камеры непосредственно над держателем подложки, надлежащим образом размещенным внутри реакционной камеры. Затем происходит реакция составляющих атмосферы внутри относительно малой области плазмы, в которой высоко локализованное электрическое поле микроволновой энергии внутри камеры ионизирует рабочие газы с образованием алмазного материала, и происходит осаждение алмазного материала на подходящей подложке, которая поддерживается держателем подложки. Держатель подложки обычно размещен с возможностью вертикального перемещения внутри камеры, обеспечивая возможность регулировки резонансных свойств резонирующей полости. Это может быть полезным для высокоплотной плазмы, которая стремится отражать часть поступающего излучения, которая, в свою очередь, влияет на резонансные свойства этой полости.
Ниже указаны некоторые документы с рекомендациями относительно микроволновой энергии и MPCVD-реакторов:
- A. Kromka и др., Linear antenna microwave plasma CVD deposition of diamond films over large areas, том 86, выпуск 6, 27 января 2012 года, страницы 776-779;
- S. Liao и др., Synthesis, Simulation and Experiment of Unequally Spaced Resonant Slotted-Waveguide Antenna Arrays Based on the Infinite Wavelength Propagation Property of Composite Right/Left-Handed Waveguide, труды конференции IEEE Transactions on Antennas and Propagation (том: 60, выпуск: 7, июль 2012 года);
- J. Kim и др., Large-area surface wave plasmas using microwave multi-slot antennas for nanocrystalline diamond film deposition, Plasma Sources Science and Technology, том 19, номер 1;
- Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition, Journal of Physics Condensed Matter (импакт-фактор: 2.35). 09/2009; том 21 (№ 36): 364202. DOI: 10.1088/0953-8984/21/36/364202;
- US 2005/0160986A1, J.-H. Hur и др., 28 июля 2005 года;
- L. XiaoJing и др., IC3ME 2015 (страницы 2170-2176);
- US5230740A, J.E.Pinneo; 27 июля 1993 года;
- US2006/0153994A1, A.H.Gicquel и др., 13 июля 2006 года;
- CN 103526187A, Wuhan Inst. Technology, 22 января 2014 года.
- Y. A. Lebedev. Microwave discharges at low pressures and peculiarities of the processes in strongly non-uniform plasma. Plasma Sources Sci. Technol., 24 053001, 2015, обзоры способов генерирования микроволновой плазмы при давлениях от приблизительно 10-2 до 30 кПа с микроволнами в сантиметрово-миллиметровом диапазоне на основе научных публикаций от 1950 года до настоящего времени.
- US 2005/000446 A1 относится к устройству для плазменной обработки, содержащему по меньшей мере один источник электромагнитных волн для генерирования электромагнитных волн, участок распределяющего электромагнитные волны волновода для распределения электромагнитных волн, сгенерированных источником электромагнитных волн, множество волноводов, каждый из которых соединен с участком распределяющего электромагнитные волны волновода, причем волноводы размещены в одной и той же плоскости, множество пазов, предусмотренных в каждом из волноводов, по меньшей мере одно волноводное окно для излучения электромагнитных волн, предусмотренное перед каждым пазом, и вакуумный сосуд, в котором генерируется плазма электромагнитными волнами, излучаемыми из волноводного окна для излучения электромагнитных волн.
- EP 0702393 A2 раскрывает устройство для плазменной обработки, содержащее плазменную камеру, имеющую узкое волноводное окно, и прямоугольный волновод для соединения с плазменной камерой, причем прямоугольный волновод имеет длинный паз, размещенный в его Е-плоскости, так чтобы быть напротив узкого волноводного окна плазменной камеры и простираться вдоль направления оси прямоугольного волновода. Кроме того, предусмотрены по меньшей мере два длинных паза, находящиеся по меньшей мере в одном прямоугольном волноводе.
- KR 20170101452 A относится к устройству с поверхностной плазменной волной, содержащему: первый волновод, содержащий множество щелевых антенн, соединенных с первым источником микроволновой мощности на одном конце; второй волновод, содержащий множество щелевых антенн, размещенных параллельно первому волноводу, имеющий второй источник микроволновой мощности, соединенный с противоположным концом первого волновода, диэлектрическую пластинку для введения микроволн, излучаемых из щелевых антенн, в камеру для генерирования поверхностной плазменной волны; и секцию подачи газа для подведения газа в камеру.
Вышеуказанные MPCVD-реакторы имеют ограниченную площадь осаждения, и поэтому существует потребность в реакторном устройстве с большой площадью для энергоэффективного плазмохимического осаждения из паровой фазы.
Сущность изобретения
Согласно изобретению представлена новая конструкция реакторного устройства для активированного микроволновой плазмой химического осаждения из паровой фазы на большой площади, LA MPCVD.
Настоящее изобретение представляет реакторное устройство для LA MPCVD, содержащее составную, направленную вправо/влево, CLRH, волноводную секцию, по независимому пункту 1 формулы изобретения.
Настоящее изобретение также представляет способ обеспечения плазмохимического осаждения из паровой фазы на большой площади в реакторной камере по независимому пункту 16 формулы изобретения.
LAMPCVD и способ по изобретению позволяют проводить осаждение однородных пленок поверх большой площади на различных подложках.
Одним примером применения реактора по изобретению является возможность масштабирования реакторной полости для увеличения размера области генерированной плазмы, например, обеспечивая нанесение алмазного покрытия на пластинчатые подложки со стандартными размерами.
Описание чертежей
Варианты осуществления изобретения теперь будут описаны более подробно со ссылкой на нижеследующие фигуры, чтобы проиллюстрировать его принципы, действие и преимущества. Следует отметить, что для лучшего иллюстрирования микроволновых характеристик некоторые из чертежей иллюстрируют полость, то есть внутреннее пространство элементов, а не сами физические элементы. Это упрощает визуализацию самих полостей и распределения электрического поля внутри полостей.
Фигура 1 иллюстрирует вид в перспективе полости составного, направленного вправо/влево, CRLH, волновода согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фигура 2 иллюстрирует плотность тока на верхней поверхности полости согласно Фигуре 1.
Фигура 3 представляет еще один чертеж передающего устройства на виде сверху, иллюстрирующий полости и принцип типичной конфигурации и однородного распределения плотности тока во втором примере реакторного устройства для LA MPCVD согласно изобретению, с использованием множества размещенных бок о бок закороченных CRLH-волноводов с пазами для передачи микроволновой энергии из волноводов. Следует отметить, что проиллюстрированы только полости CRLH-волноводов, а не все физическое устройство;
Фигура 4А иллюстрирует в трехмерной (3D) CAD-модели резонирующую полость согласно одному варианту осуществления изобретения, соединенный с серией CRLH-волноводов, как проиллюстрировано на Фигуре 3. Здесь показаны только полости.
Фигура 4В иллюстрирует распределения электрического поля в yz- и xz-плоскостях резонирующей полости, проиллюстрированной на Фигуре 4А. Как можно видеть, электрическое поле является высоким в пределах большого объема резонирующей полости.
Фигура 5 иллюстрирует распределение магнитного поля в yz-направлении. Здесь стрелки обозначают как направление, так и напряженность поля. Более крупные и более жирно напечатанные стрелки обозначают более высокую напряженность поля, чем мелкие и тонкие стрелки.
Фигура 6 иллюстрирует виды в разрезе реактора и распределения электрического поля в xy-, xz- и yz-плоскостях для варианта осуществления согласно Фиг. 4А. Сплошные красные линии обозначают стенки камеры для осаждения, точечный черный контур представляет кварцевое окно, тогда как штрих-пунктирный черный контур показывает область осаждения.
Фигура 7А иллюстрирует 3D CAD-модель резонирующей полости согласно изобретению, соединенного с серией CRLH-волноводов, как проиллюстрировано на Фигуре 3. Следует отметить, что здесь показаны только полости. Здесь полость реактора разделена на два основных объема, первую и вторую подкамеры, в этом примере соответствующие нижнему и верхнему объемам, соответственно.
Фигура 7В представляет изображение вида в перспективе в разрезе, приводящее 3-мерную иллюстрацию электрического поля внутри реакторного устройства для LA MPCVD согласно варианту осуществления изобретения, проиллюстрированному на Фигуре 7А.
Фигура 8 иллюстрирует распределение магнитного поля в yz-направлении для варианта осуществления резонирующей полости согласно Фиг. 7А. Здесь стрелки обозначают как направление, так и напряженность поля. Более крупные и более жирно напечатанные стрелки обозначают более высокую напряженность поля, чем мелкие и тонкие стрелки.
Фигура 9 иллюстрирует вид в разрезе распределения электрического поля в yz-плоскости для варианта осуществления согласно Фиг. 7А. Точечный черный контур представляет возможные местоположения кварцевых окон.
Фигура 10А представляет изображение вида в перспективе, иллюстрирующее электрическое поле в полости в данный момент времени для реакторного устройства для LA MPCVD согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на фигуре 7, содержащего четыре размещенных бок о бок закороченных CRLH-волноводных устройства, и схему расположения волноводных линий и разветвителей, таких как Т-образные разветвления, предназначенных для передачи микроволновой энергии ко всем CRLH-волноводным устройствам от общего источника микроволновой энергии. Также показаны размещенные горизонтально кварцевые окна.
Фигура 10В представляет вид в перспективе, иллюстрирующий физическое исполнение варианта осуществления с Фиг. 10А. Здесь реактор для LA MPCVD содержит четыре размещенных бок о бок закороченных CRLH-волноводных устройства под вакуумной камерой, и схему расположения волноводных линий и разветвителей, таких как Т-образные разветвления, предназначенных для передачи микроволновой энергии ко всем CRLH-волноводным устройствам от общего источника микроволновой энергии, присоединенных к прямоугольному порту ввода в нижней части чертежа. Между источником энергии и портом ввода может быть использован блок согласования полного сопротивления, такой как трехшлейфовый согласователь.
Фигура 11 иллюстрирует вид в разрезе распределения электрического поля в xz-плоскости. Штрих-пунктирный контур обозначает плазменную зону. Распределение могло бы быть представлено распределением согласно варианту осуществления с Фиг. 4А, или распределением согласно варианту осуществления с Фиг. 7А, второй подкамеры, верхнего объема реакторной камеры.
Фигура 12А представляет схематический вид в разрезе детали реактора согласно варианту осуществления, проиллюстрированному на Фигуре 7А.
Фигура 12В представляет вид в перспективе, иллюстрирующий физическое исполнение верхней половины вакуумной камеры реактора, показанного на Фигуре 10В. На этом изображении передняя панель была удалена для иллюстрирования подробностей реактора, показанного выше на Фигуре 12А.
Фигура 13А представляет вид в перспективе полости единичной ячейки CRLH-волновода.
Фигура 13В представляет шкалу рассеивания, показывающую сдвиг фазы на единичную ячейку при частоте 2,45 ГГц.
Фигура 13С иллюстрирует размеры полости единичной ячейки в мм согласно варианту осуществления изобретения, когда частота составляет 2,45 ГГц.
Фигура 13D иллюстрирует размеры и конфигурацию пазов CRLH-волноводов согласно одному варианту осуществления изобретения. Пазы в этом варианте осуществления размещены под углом 45° относительно z- и x-направлений волновода и имеют длину 40 мм и ширину 8 мм.
Фигура 14А иллюстрирует, как короткие штифты могут быть использованы для регулировки размеров единичной ячейки. Следует напомнить, что проиллюстрированная единичная ячейка представляет собой полость, тогда как короткие штифты представляют физические элементы.
Фигура 14В иллюстрирует в виде в разрезе со срезанным верхом, как короткие штифты могут быть введены в полость для изменения размеров единичных ячеек. Здесь показано физическое исполнение CRLH-волновода согласно изобретению. Полости представляют собой последовательно размещенные единичные ячейки, находящиеся внутри волновода.
Фигура 14С иллюстрирует фрагмент Фигуры 14В.
Фигура 15 иллюстрирует технологическую блок-схему варианта осуществления способа адаптации реактора к различным рабочим частотам, отклоняющимся от номинальной частоты, на которую рассчитан реактор.
На чертежах x- и y-направления определены как перпендикулярные CRLH-волноводам, тогда как z-направление ориентировано в продольном направлении волновода. Кроме того, y-направление представляет собой направление от волновода к реактору. Направления указаны на большинстве чертежей. Определение направлений проведено только для иллюстрации, и вместо этого могли бы быть использованы другие определения.
Фигуры, как подано, представлены в цвете. Это улучшает иллюстрирование распределения тока в реакторе и его элементах, например, такого как распределения тока в секции CRLH-волновода. Красный цвет показывает самую высокую плотность тока, тогда как синий показывает самую низкую плотность тока. Между красным и синим находятся оранжевый, желтый и зеленый участки со снижающимися плотностями тока. Красный цвет, и тем самым самую высокую плотность тока, можно видеть, например, в центре, вдоль CRLH-секции на Фиг. 2 и Фиг. 3, в середине верхней камеры на Фиг. 7В и Фиг. 9В, а также в середине Фиг. 11.
Подробное описание изобретения
Далее настоящее изобретение называется реактором для активированного микроволновой плазмой химического осаждения из паровой фазы на большой площади и обозначается здесь аббревиатурой LA MPCVD. В целом соответствующее изобретению LA MPCVD представляет в первом аспекте новый путь передачи микроволновой энергии в камеру для осаждения на большой площади. Как проиллюстрировано на фигуре 3, передающий микроволновую энергию элемент основан на по меньшей мере одной секции со свойством бесконечной длины волны составного, направленного вправо/влево, CRLH, волновода. CRLH-волноводное устройство может представлять собой закороченную секцию CRLH-волновода, составленную цепью единичных ячеек волновода. Каждая единичная ячейка в цепи выполнена так, чтобы создавать фазовый сдвиг для направленных влево, LH, и направленных вправо, RH, полос пропускания с нулевой дисперсией для частоты, которая соответствует рабочей частоте микроволновой энергии. Как правило, в практическом исполнении генератор микроволновой энергии может действовать при частоте 2,45 ГГц. В применении этого свойства к CRLH-волноводу, работающему при его «частоте распространения бесконечной длины волны», электрический ток в различных частях стенки волновода в любой момент времени проявляется однородным, или «когерентным», без видимой вариации вдоль направления распространения микроволнового излучения, в продольном направлении в волноводе, как указано осью, обозначенной «z», и простирающимся практически по всей длине закороченной секции CRLH-волновода, входящей в состав CRLH-волноводного устройства согласно изобретению.
Для передачи предположительно однородной или «бесконечной длины волны», «когерентной» электромагнитной энергии микроволнового излучения от волновода в камеру реактора для LA MPCVD CRLH-волноводное устройство согласно изобретению снабжено одним или более имеющими надлежащие размеры и должным образом ориентированными пазами в стенке CRLH-волновода, который переносит равномерно распределенный, «когерентный» электрический ток, наведенный микроволновой энергией, которая распространяется в волноводе. Этим путем все элементы пазов вдоль стенки закороченного CRLH-волновода могут быть возбуждены для выдачи микроволновой энергии, которая во времени является либо инфазной, либо антифазной.
Для расширения зоны однородного электрического поля также по направлению, которое отличается от направления распространения микроволновой энергии в CRLH-волноводе одиночного CRLH-волноводного устройства согласно изобретению, например, такому, как по направлению, указанному осью, обозначенной «y», несколько CRLH-волноводных устройств могут быть позиционированы в конфигурации бок о бок, и работать одновременно для создания электрического поля однородной микроволновой энергии на большой площади, формируя зону большой площади с однородной плазмой внутри реакционной камеры.
Поэтому в первом варианте осуществления изобретения представлено реакторное устройство (1) для LA MPCVD. Реакторное устройство (1) содержит реакторную камеру (2), приспособленную для обеспечения плазменной зоны во внутреннем пространстве реакторной камеры посредством электромагнитной энергии на первой частоте. Кроме того, оно содержит CRLH-волноводную секцию (3), приспособленную для работы с бесконечной длиной волны на первой частоте и имеющую в стенке средство передачи (4), выполненное с возможностью передачи электромагнитной энергии из внутреннего пространства CRLH-волноводной секции (3) во внутреннее пространство реакторной камеры (2). Два различных реакторных устройства проиллюстрированы непосредственно на Фиг. 4А и 7А со своими внутренними полостями. Фигура 10В иллюстрирует реакторное устройство (1) с внутренней полостью с Фиг. 7А. CRLH-волноводная секция, которая может быть использована для иллюстрации полости CRLH-волновода согласно этому варианту осуществления, проиллюстрирована на Фиг. 1.
В связанном с этим варианте осуществления средство передачи содержит множество устройств передачи электромагнитной энергии, разнесенных относительно друг друга. Это средство передачи может содержать паз в стенке CRLH-волноводной секции.
В связанном с этим варианте осуществления один или более CRLH-волноводов в CRLH-волноводной секции имеют второй, закороченный конец.
Вышеуказанное реакторное устройство для LA MPCVD может содержать источник электромагнитной энергии, имеющий устройство вывода энергии, и причем один или более CRLH-волноводов в CRLH-волноводной секции имеют первый принимающий конец ввода энергии, связанный с устройством вывода энергии источника электромагнитной энергии.
Между устройством вывода энергии и устройством ввода энергии может быть встроено устройство настройки.
Один или более CRLH-волноводов в CRLH-волноводной секции могут иметь второй, закороченный конец, как проиллюстрировано на Фиг. 3. Здесь закороченный конец является противолежащим относительно первого конца ввода энергии.
Во втором варианте осуществления, который иллюстрирован, например, на Фиг. 7А, реакторная камера содержит первую и вторую подкамеры, причем первая подкамера содержит средство передачи, и вторая подкамера выполнена с возможностью содержать плазменную зону. Электромагнитная энергия подается от CRLH-волноводной секции во вторую подкамеру через первую подкамеру. Другие элементы вне реакторной камеры могут быть такими же, как в первом варианте осуществления.
Первая и вторая подкамеры могут в поперечном сечении иметь одинаковую площадь.
Вторая подкамера может содержать кварцевые окна, выполненные с возможностью отделения плазменной зоны от атмосферного давления.
Первая и вторая подкамеры может быть размещены друг над другом и взаимосвязаны на каждом конце, как проиллюстрировано на Фиг. 7А.
Электромагнитная энергия может быть микроволновой энергией на первой частоте, причем первая частота в соответственном варианте осуществления может составлять 2,45 ГГц.
Реакторное устройство для LA MPCVD может содержать один или более CRLH-волноводов.
В третьем варианте осуществления, который может быть объединен с любым из вышеуказанных вариантов осуществления, CRLH-волноводная секция содержит множество CRLH-волноводных секций, размещенные параллельно бок о бок, как проиллюстрировано на Фигуре 3.
В четвертом варианте осуществления, который может быть объединен с любым из вышеуказанных вариантов осуществления, реакторное устройство для LA MPCVD по любому из вышеуказанных пунктов, в котором CRLH-волноводная секция содержит периодически каскадно соединенные единичные ячейки.
В связанном с этим варианте осуществления взаимосвязь между частотой и фазовым сдвигом единичных ячеек может быть перестраиваемой.
Чтобы конфигурировать единичные ячейки, единичные ячейки в связанном варианте осуществления содержат элементы настройки, выполненные с возможностью модификации внутренних размеров единичных ячеек. Элементы настройки могут представлять собой пару штифтов, выполненных вставляемыми в каждую из единичных ячеек, как проиллюстрировано на Фиг. 14А, 14В и 14С.
В одном варианте осуществления изобретение представляет способ обеспечения плазмохимического осаждения из паровой фазы на большой площади в реакторной камере, причем реакторная камера предназначена для обеспечения плазменной зоны во внутреннем пространстве реакторной камеры посредством электромагнитной энергии на первой частоте. Способ содержит передачу электромагнитной энергии из внутреннего пространства CRLH-волноводной секции во внутреннее пространство реакторной камеры через средство передачи в стенке CRLH-секции, причем CRLH-волноводная секция выполнена с возможностью работы с бесконечной длиной волны на первой частоте. Средство передачи в стенке здесь может представлять собой пазы, как проиллюстрировано, например, на Фиг. 3.
В одном варианте осуществления CRLH-волноводная секция содержит периодически каскадно соединенные единичные ячейки.
В связанном варианте осуществления единичные ячейки могут содержать элементы настройки, выполненные с возможностью модификации внутренних размеров единичных ячеек, причем способ содержит регулирование элементов настройки.
В связанном варианте осуществления источник электромагнитной энергии, имеющий устройство вывода энергии, соединен с входом CRLH-волноводной секции, причем способ содержит минимизацию измеренной отраженной мощности итеративным регулированием элементов настройки и согласование импеданса источника с CRLH-волноводной секцией.
Элементы настройки могут представлять собой, например, штифты, как иллюстрировано на Фиг. 14А, 14В и 14С.
Кроме того, реакторная камера и CRLH-волноводная секция в способе могут содержать признаки любого из вариантов осуществления вышеуказанного реактора для LA MPCVD.
Конкретный вариант осуществления изобретения
Далее описывается вариант осуществления изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи. В целом, этот вариант осуществления описывает реактор для LA MPCVD, содержащий некоторое число CRLH-волноводов, размещенных рядом друг с другом, например, четыре, как проиллюстрировано на Фиг. 3. Все четыре волновода, показанные на Фигуре 3, размещены таким образом, что вектор магнитного потока ориентирован в одном и том же направлении. Могут быть применены другие схемы расположения, составленные их любого числа размещенных рядом друг с другом CRLH-волноводов.
Резонирующая полость размещена поверх CRLH-волноводов. 3D CAD-модель соответствующей резонирующей полости поверх четырех CRLH-волноводов показана на Фигуре 4А. Размер резонирующей полости определяется площадью, занимаемой излучающими пазами. Высоту h камеры выбирают равной приблизительно половине длины волны передаваемого в полость микроволнового излучения. Важно отметить, что размер резонирующей полости реактора для LA MPCVD может быть масштабирован простым изменением длины и числа CRLH-волноводов, то есть, изменением площади, занимаемой излучающими пазами.
Микроволновое излучение передается в резонирующую полость посредством магнитного поля. Сечение изображенной на Фигуре 4А резонирующей полости по yz-плоскости показано на Фигуре 5, где стрелки указывают направление и напряженность магнитного поля, индуцированного пазами как излучающими элементами.
Переменное магнитное поле генерирует однородное электрическое поле в перпендикулярном магнитному полю направлении по большой площади резонирующей полости, как показано на Фигуре 4b. Поперечные сечения распределения электрического поля в xy-, xz- и yz-плоскостях показаны на Фигуре 6.
Однородное электрическое поле ионизирует рабочий газ и создает однородную плазму по всей большой площади, смотри штрих-пунктирный контур на Фигуре 6. Камера для осаждения реактора должна быть отделена от атмосферного давления. Это достигается размещением кварцевого окна над излучающими элементами. Однако размещение кварцевого окна очень близко к плазменной зоне обусловливает некоторые ограничения. Во-первых, для полостей с большой площадью требуются крупные кварцевые окна. Толщина волноводного окна возрастает по мере увеличения площади, чтобы противостоять атмосферному давлению. В результате при увеличении площади полости поверхность волноводного окна становится ближе к плазменной зоне. Во-вторых, горячая плазма может создавать высокие тепловые нагрузки на волноводное окно, и может повреждать его. Термического повреждения волноводного окна можно избежать снижением рабочего давления в камере до субмиллибарного диапазона, тем самым ограничивая температуру осаждения в процессе химического осаждения из паровой фазы.
Для разрешения этой проблемы предлагается еще одна конструкция резонирующей полости. Новая полость состоит из взаимосвязанных нижнего и верхнего объемов, или первой и второй подкамер, как показано на Фигуре 7а. Каждый объем имеет высоту h, и может занимать подобную площадь, как полость, показанная на Фигуре 4а. Расстояние между двумя объемами может варьировать от 130 мм до 170 мм. Выбор различных расстояний между объемами дает различные распределения электрического поля в верхней и нижней частях.
Фигура 7а иллюстрирует резонирующую полость в 3D CAD-модели. Поперечные сечения распределений электрического поля в yz- и xz-плоскостях проиллюстрированы на Фиг. 7b.
Подобным образом, как в предшествующей конфигурации резонирующей полости микроволновое излучение передается посредством магнитного поля в нижний объем, или первую подкамеру, как показано на Фигуре 8. Электромагнитная волна распространяется через соединенные волноводы вплоть до верхнего объема, или второй подкамеры, создавая подобную картину напряженности магнитного поля, как показано на Фигуре 5.
В вышеуказанных вариантах осуществления резонирующая полость была показана размещенной над CRLH-волноводной секцией. Однако резонирующая полость вполне может быть размещена, например, под CRLH-волноводом или сбоку от него.
Относительные размеры высоты, ширины и длины резонирующей полости и относительные размеры первой и второй подкамер, а также относительные величины первой и второй подкамер, и расстояние между ними также могут варьировать, пока они действуют при первой частоте.
CRLH-волновод и волноводы в CRLH-волноводной секции также могут иметь различные конфигурации. Для этой цели потенциально может быть использована любая конструкция с единичными ячейками указанного выше типа, например, изогнутая. Вместо закороченной конфигурации, они могут, например, соединены друг с другом последовательно.
Средства передачи, такое как один или более пазов в CRLH-волноводах, могут быть размещены на любой стенке, то есть, боковой, верхней или нижней стенках CRLH-волноводов. Предпочтительно, чтобы распределение напряженности поля было в продольном направлении, чтобы содействовать усилению плазменной зоны в резонирующей полости.
Конструкция резонирующей полости, составленная нижним и верхним объемами, устраняет проблему крупных кварцевых окон. Теперь кварцевые окна могут быть размещены в нескольких местах вдалеке от горячей плазмы, как показано на Фигуре 9. Штрих-пунктирные контуры показывают вертикальные и горизонтальные положения кварцевых окон. Положения выбраны намеренно в местах, где электрическое поле является минимальным. Полная конфигурация реактора для LA MPCVD с горизонтально размещенными кварцевыми окнами показана на Фигуре 10. Четыре CRLH-волновода соединены с серией Т-образных разветвлений, и возбуждаются с использованием одного волноводного порта.
Теперь будет разъяснен один вариант осуществления CRLH-волновода. Этот вариант осуществления может быть объединен с любым из описанных выше вариантов осуществления.
Передача микроволнового излучения внутри резонирующей полости реактора для LA MPCVD может достигаться с использованием серии составных, направленных вправо/влево (CRLH) волноводов с прорезями, каждый из которых имеет свойство распространения бесконечной длины волны. Это позволяет генерировать однородное электрическое поле высокой интенсивности по всей большой площади внутри полости. Теоретические основы относительно CRLH-линий передачи можно найти в литературе, например:
- A. Lai и др., Composite right/left-handed transmission line metamaterials. IEEE Microwave Magazine (том: 5, выпуск: 3, сентябрь 2004 года).
- Amr M. Nour Eldeen и Islam A. Eshrah. CRLH Waveguide with Air-Filled Double-Ridge Corrugations. Труды конференции 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI).
- T. Ueda и др., Dielectric-Resonator-Based Composite Right/Left-Handed Transmission Lines and Their Application to Leaky Wave Antenna. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (том: 56, выпуск: 10, октябрь 2008 года).
- L. Shaowei и др., Left-Handed Transmission Line Based on Resonant-Slot Coupled Cavity Chain. IEEE Microwave and Wireless Components Letters (том: 17, выпуск: 4, апрель 2007 года).
- Y. Chen и др., Unequally Spaced and Excited Resonant Slotted - Waveguide Antenna Array Based on an Improved Resonant - Slot Coupled Cavity Chain Composite Right/Left-Handed Waveguide. Progress In Electromagnetics Research, том 110, стр. 421-435, 2010.
CRLH-волновод составлен из цепи периодически каскадно соединенных единичных ячеек. Каждая единичная ячейка имеет уникальное свойство поддерживать направленное влево (LH) и направленное вправо (RH) распространение волны, и может быть представлена с использованием эквивалентной модели контура, как описано выше авторами Ueda и др. В сбалансированном состоянии единичная ячейка не имеет полосы затухания, и имеет место плавный переход от LH- к RH-полосам в шкале рассеивания. Поскольку в предлагаемом изобретении используют свойство распространения бесконечной длины волны CRLH-волновода, каждая единичная ячейка в волноводе должна быть сбалансирована. Этот критерий может быть выполнен различными конфигурациями единичной ячейки, например, такой, которая предложена выше в работах авторов Elden и Esrah, Uead и др., Shaowei и др., и Chen и др.
В данном варианте осуществления CRLH-волновода использована конфигурация единичной ячейки, подобная описанной авторами Chen и др. Показанная на Фигуре 13А единичная ячейка выполнена таким образом, что изображенная на Фигуре 13В шкала рассеивания имеет плавный переход от LH- к RH-полосам, и поэтому ячейка сбалансирована. Как можно видеть в 10В, частота распространения бесконечной длины волны составляет 2,45 ГГц, и соответствует рабочей частоте источника энергии, или СВЧ-генератора.
Единичная ячейка может быть выполнена с различными геометрическими формами, и поддерживает иную частоту распространения бесконечной длины волны, чем 2,45 ГГц.
CRLH-волновод составлен из матрицы периодически каскадно соединенных единичных ячеек, и завершается металлической стенкой, как показано на Фигуре 3. Микроволновое излучение подводится в CRLH-волновод через переходный волновод. Благодаря свойству распространения бесконечной длины волны CRLH-волновода поверхностный ток вдоль волновода (в z-направлении) протекает непрерывно, как показано на Фигурах 2 и 3. Поэтому пазы как излучающие элементы, используемые для передачи микроволнового излучения в полость, могут быть размещены в почти произвольных положениях, и близко друг к другу, по сравнению с традиционными волноводами, где соседние пазы отдалены друг от друга расстоянием, равным половине длины волны в волноводе (λg). Таким образом, согласно изобретению может быть достигнуто однородное распределение электромагнитного поля во всей большой площади.
Механизм излучения пазами является таким же, как для традиционных волноводов, и величина излучения каждым пазом определяется перехваченным током. В результате этого мощность излучения пазом зависит от угла наклона относительно соответствующей центральной линии CRLH-волновода. Здесь все пазы повернуты на 45 градусов для максимизации мощности излучения.
Результат изобретения состоит в том, что может быть масштабирована полость реактора. Это может быть сделано удлинением CRLH-волноводов или добавлением большего числа волноводов, как указано выше. Это эффективно увеличивало бы размеры зоны генерирования плазмы.
Еще один результат состоит в том, что LA MPCVD согласно вариантам осуществления изобретения может действовать при более высоком давлении, чем субмиллибарный диапазон, тогда как другие варианты осуществления реакторов для LA MPCVD, например, со стандартными волноводами, могут работать только при низких давлениях.
Это достигается благодаря новой технологии передачи, которая сделана возможной применением CRLH-волноводов, которые дают значительно более однородную и неглубокую форму плазмы в пределах области осаждения по сравнению с уровнем техники. Высота плазмы является меньшей, чем половина длины волны при 2,45 ГГц, что означает, что плазма может эффективно поглощать поступающее микроволновое излучение. Это создает высокие плотности поглощенной мощности, что обеспечивает возможность работы при более высоких давлениях.
Единичная ячейка может быть выполнена таким образом, что фазовый сдвиг на единичную ячейку для рабочей частоты 2,45 ГГц равен нулю.
Нулевой фазовый сдвиг на единичную ячейку для других частот, нежели 2,45 ГГц, или любых других рабочих частот, в варианте осуществления, который может объединен с любым из вышеуказанных вариантов осуществления, может быть достигнут изменением размеров единичной ячейки. Это является особенно важным для СВЧ-генераторов, рабочая частота которых не фиксирована и является функцией выходной мощности. Как правило, частота промышленных магнетронов повышается с ростом мощности, и может отклоняться от номинальной частоты на величину порядка ±1%. Поэтому форма единичной ячейки может быть активно приспособлена для соответствия изменению рабочей частоты, когда изменяется выходная мощность генератора.
В связанном варианте осуществления изменение формы единичной ячейки достигается таким образом, чтобы фазовый сдвиг на единичную ячейку для любой частоты был равен нулю. Все ячейки в CRLH-волноводе(-ах) могут быть приспособлены одновременно. Технологическая блок-схема, иллюстрирующая способ адаптивного управления единичными ячейками, показана на Фигуре 15.
Исполнение способа начинают настройкой выходной мощности СВЧ-генератора и измерением соответствующей рабочей частоты. Затем изменяют формы всех единичных ячеек регулировкой определенных размеров ячеек и вставкой элементов настройки, таких как штифты, и поддержанием ячеек сбалансированными. Форма каждой единичной ячейки должна быть изменена одинаковым образом с использованием входной информации моделирования или эмпирических данных. Частота отрегулированных ячеек должна соответствовать рабочей частоте, измеренной на предыдущем этапе. После регулировки ячеек импеданс, найденный на генераторе, может быть приведен в соответствие с блоком согласования импеданса, таким как трехшлейфовый согласователь, размещенный между источником энергии и CRLH-волноводом. Отраженную мощность Pref, измеренную на этом этапе, сохраняют для последующего использования. Поскольку входная информация, используемая для регулирования ячеек, имеет погрешности, на следующем этапе ячейки должны быть изменены на небольшое значение по сравнению с регулировкой на третьем этапе. Затем опять проводят согласование импеданса и измеряют соответствующую отраженную мощность P’ref. Наконец, сравнивают Pref и P’ref. Если P’ref<Pref, опять изменяют ячейки с последующим этапом согласования импеданса и нового измерения отраженной мощности. Эти этапы итеративно повторяют, пока отраженная мощность не будет сведена к минимуму. Если выходная мощность генератора изменяется, опять повторяют процедуру.
Адаптивное управление единичной ячейкой, например, может быть достигнуто одновременной вставкой двух (округленных) штифтов в нижнюю часть ячейки, как показано на Фигуре 14. Единичная ячейка может быть описана с использованием эквивалентной модели контура посредством разложения ячейки на набор из гофр, штифта и прямоугольного волновода с соответствующими шунтирующими индуктивностями, последовательной емкостью и последовательной индуктивностью, и шунтирующей емкостью. Поэтому вставка (округленных) штифтов в ячейку эффективно изменяет индуктивности и емкости элементов ячейки. В результате этого изменяется частота, которая соответствует нулевому фазовому сдвигу на единичную ячейку. Это позволяет адаптивно управлять каждой единичной ячейкой в CRLH-волноводе(-ах). Глубину вставки штифтов следует выбирать для соответствия рабочей частоты генератора так, чтобы плотность поверхностного тока в волноводе оставалась однородной и неизменной. Единичные ячейки должны сохраняться сбалансированными во время процесса.
Химическое осаждение из паровой фазы, CVD, алмазного материала может быть выполнено следующим образом. Однородное электрическое поле, показанное на Фигуре 7В и Фигуре 9, ионизирует рабочий газ и создает однородную плазму по большой площади, как показано на Фигуре 11.
Типичными рабочими газами для CVD-процесса осаждения алмаза являются водород и метан. Метан действует как источник углерода, и атомарный водород, образованный диссоциацией молекулярного газа плазмой, необходим для селективного вытравливания образованного в процессе графита. Другие газы, такие как азот, кислород или аргон, могут быть введены в камеру для изменения параметров CVD-процесса, таких как скорость роста и температура подложки. Схематическое представление варианта осуществления реактора для LA MPCVD показано на Фигуре 12. Важно отметить, что для процесса осаждения могут быть использованы как верхняя, так и нижняя плоскости изображенной полости камеры, то есть, второй подкамеры. Здесь представлен только процесс осаждения на нижних плоскостях.
Рабочий газ вводят с верха второй подкамеры. Газ подают на подложку с использованием труб, размещенных над подложкой. Каждая труба содержит серию отверстий для равномерного распределения газа по всей площади осаждения.
Плазменная зона обозначена красной эллиптической фигурой в середине Фигуры 12А. Она покрывает столик для подложки, представленный пурпурным прямоугольником. Алмазный материал осаждается на подложку, размещенную сверху столика. Подложка нагревается плазмой, но, если необходимо, может быть нагрет также столик, радиочастотной (RF) индукцией или другими средствами.
Рабочий газ может выводиться из камеры с использованием вакуумного насоса. Скорость откачивания может быть активно настроена во время CVD-процесса, чтобы поддерживать давление на постоянном уровне.