СВЧ ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР

Предлагаемое техническое решение относится к области СВЧ техники, в частности, к СВЧ плазменным реакторам, а именно к реакторам для СВЧ плазмо-химического осаждения пленок или покрытий различных материалов на подложках, в частности, для получения углеродных (алмазных) пленок, покрытий.
Алмазные пленки могут быть получены различными способами, но наиболее качественные пленки большого диаметра получают использованием технологии СВЧ плазмо-химического осаждения пленок на подложках. Новые методы получения пленок с улучшенными характеристиками могут быть разработаны, если в СВЧ плазменном реакторе можно будет кроме СВЧ поля формировать дополнительное электрическое постоянное или переменное поле, как, например, в патенте US 7645513.
Известны системы, в которых СВЧ поле подают через антенну, расположенную в верхней части рабочей камеры. В таких системах технически легко подавать на подложку дополнительное постоянное напряжение (смещение) или переменное ВЧ напряжение, как, например, в заявке США US 20060150913.
Пленки высокого качества получают в системах с подводом СВЧ энергии со стороны подложки как, например, в патенте РФ на изобретение №2999229. Для получения поликристаллической алмазной пленки с определенной ориентацией кристаллов необходимо дополнить СВЧ поле, формирующее плазму, электрическим полем для формирования направленного движения ионов.
Система с подводом СВЧ энергии со стороны подложки, патент США US 5501740, позволяет дополнить СВЧ поле, формирующееся в камере реактора, ВЧ полем. Для этого внутренний проводник коаксиального волновода изолирован втулкой из диэлектрика от внешнего проводника и прямоугольного волновода. Толщина стенки втулки определяет величину емкости изолятора, но стенка втулки не может быть тонкой из-за возможности разрушения при сборке. Кроме того втулка находится в ненагруженном состоянии, поэтому возможно образование воздушных зазоров между проводниками коаксиального волновода и втулкой, что может привести к концентрации СВЧ поля в воздушных зазорах, искрению с обугливанием фторопласта и, вследствие этого, к потере фторопластом изолирующих свойств.
Задачей является создание СВЧ плазменного реактора, у которого СВЧ энергия подводится со стороны держателя подложки, с возможностью подачи на держатель подложки дополнительного постоянного или ВЧ электрического смещения относительно заземленного корпуса камеры реакторы.
СВЧ плазменный реактор, содержащий осесимметричную герметичную рабочую камеру и соосно расположенную в центральной ее части платформу с установленным на ней держателем подложки, платформа образует с верхней стороной рабочей камеры радиальный волновод, со стороны платформы камера соединена с источником СВЧ энергии согласованным коаксиально-волноводным преобразователем, состоящим из последовательного соединения коаксиального конусообразного, коаксиального цилиндрического и прямоугольного волноводов, цилиндрический коаксиальный волновод выступает за границы прямоугольного волновода, центральный проводник коаксиального волновода соединен с платформой, выполнен полым, во фланцевом соединении между внешним проводником выступающей части цилиндрического коаксиального волновода и прямоугольным волноводом установлено осесимметричное плоское диэлектрическое кольцо, причем реактивное сопротивление шунтирующей электрической емкости, образованной плоским диэлектрическим кольцом, для диапазона СВЧ излучения не менее чем на порядок меньше волнового сопротивления цилиндрического коаксиального волновода, осесимметричный блокирующий утечку СВЧ излучения дроссель глубиной примерно в ¼ длины волны излучения сформирован под диэлектрическим кольцом, центральный проводник коаксиального волновода и прямоугольный волновод соединены с полюсами источника напряжения смещения. Расположение диэлектрического кольца во фланцевом соединении между внешним проводником выступающей части цилиндрического коаксиального волновода и прямоугольным волноводом позволяет надежно изолировать внутренний проводник коаксиального волновода, подать на подложку дополнительное электрическое смещение и соответственно расширить функциональные возможности СВЧ плазменного реактора. При этом установленное во фланцевом соединении тонкое плоское изолирующее кольцо формирует с окружающими его проводящими элементами волноводного тракта емкость, реактивное сопротивление которой для диапазона СВЧ излучения не менее, чем на порядок меньше волнового сопротивления цилиндрического коаксиального волновода, благодаря чему высокочастотные токи смещения коаксиальной ТЕМ волны проходят эту емкость без существенных потерь энергии. Тонкое изолирующее кольцо установлено во фланцевом соединении и находится под нагрузкой, что обеспечивает плотное его прижатие, исключает образование воздушных зазоров и искрение. Для повышения шунтирующего действия емкости можно уменьшать толщину диэлектрического кольца (шайбы) при сохранении ее пробивной прочности. Такая конструкция является надежной системой с широкими функциональными возможностями.
Современные средства позволяют рассчитать положение минимума напряженности поля стоячей волны для системы и рассчитать конструкцию так, чтобы диэлектрическое кольцо было расположено в зоне минимума напряженности поля стоячей электромагнитной ТЕМ волны коаксиального волновода, формирующейся при работе СВЧ плазменного реактора. Расположение диэлектрического кольца в зоне минимума поля необходимо для стабильной работы СВЧ реактора.
Одним из вариантов исполнения приложения к подложке дополнительного поля смещения является источник напряжения смещения, являющийся ВЧ генератором.
Реактивное сопротивление шунтирующей зазор емкости диэлектрического кольца для дополнительно вводимой в реактор ВЧ волны, частота которой в сотни - тысячу раз ниже частоты силового СВЧ поля, может быть сделано не меньше волнового сопротивления цилиндрического коаксиального волновода, так как реактивное сопротивление емкости обратно пропорционально частоте волны. Реактивное сопротивление емкости для ВЧ волн (3-30 МГц) будет примерно на три порядка больше, чем реактивное сопротивление емкости для СВЧ волн (3-30 ГГц). При указанном соотношении между волновым сопротивлением коаксиального волновода и реактивным сопротивлением емкости по ВЧ волне центральный и внешний проводники коаксиального волновода изолированы. Сказанное справедливо и для подачи дополнительного постоянного напряжения на подложку.
Другим вариантом исполнения приложения к подложке дополнительного поля смещения является источник постоянного напряжения.
Диэлектрическое кольцо, формирующее емкость, шунтирующую кольцевой разрыв, изготовлено из материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости не менее 6. Выбор такого материала вызван требованием минимизации толщины диэлектрического кольца, что важно для снижения утечек СВЧ энергии и сохранения эффективности системы.
Диэлектрическое кольцо, формирующее шунтирующую зазор емкость, имеет на контактирующих поверхностях плотно прилегающее к ним металлическое покрытие для обеспечения лучшего контакта с элементами волноводного тракта. Наличие плотного покрытия, не имеющего воздушных промежутков между диэлектриком и металлом, существенно для надежной работы системы.
Техническим результатом является создание эффективного, надежного СВЧ плазменного реактора, имеющего возможность подачи дополнительного постоянного или ВЧ смещения на подложку для получения различных режимов осаждения углеродных пленочных покрытий.
На фиг. 1. представлено схематическое изображение СВЧ плазменного реактора.
На фиг. 2. схематически представлено размещение и крепление диэлектрического кольца во фланцевом соединении.
На фиг. 1 камера реактора 1, крышка камеры и платформа держателя подложки 2 образуют радиальный волновод, центральная часть которого является резонатором. Камера реактора соединена с волноводным трактом, представляющим собой коаксиально-волноводный преобразователь, состоящий из последовательного соединения коаксиального конусообразного, коаксиального цилиндрического волноводов с полым прямоугольным волноводом 4, питаемым источником СВЧ энергии 8. Коаксиальный волновод состоит из внешнего проводника 5 и центрального проводника 6, который выступает за границы прямоугольного волновода 4 и закачивается короткозамкнутым шлейфом, являющимся элементом согласования тракта с прямоугольным волноводом 4. Камера реактора отделена от волноводного тракта цилиндрическим диэлектрическим окном 3, герметично установленным у основания конусообразной части внешнего проводника 5 коаксиального волновода. Центральный проводник 6 коаксиального волновода выполнен полым. Внутри центрального проводника 6 расположены система жидкостного охлаждения держателя подложки (на чертеже не показана) и элементы системы откачки камеры реактора.
Во фланцевом соединении на фиг. 2. между нижней выступающей частью внешнего проводника коаксиального волновода и прямоугольным волноводом установлено плоское диэлектрическое кольцо 7. Диэлектрическое кольцо во фланцевом соединении зажато между стенкой прямоугольного волновода 4 и фланцем, соединенным с внешним проводником коаксиального волновода 5, во фланце сформирован дроссель 9 глубиной в ¼ длины СВЧ волны для дополнительной блокировки утечки СВЧ излучения. Фланец коаксиального волновода закреплен на стенке прямоугольного волновода элементами крепления 10, изолированными от фланца диэлектрическими элементами 11. Центральный проводник коаксиального волновода 6, с одной стороны и прямоугольный волновод 4, с другой стороны, соединены с полюсами источника электрического смещения.
В качестве материала для диэлектрического элемента 7 может быть использована минеральная слюда. Толщина изолирующего слоя 7 выбирается минимальной с учетом требования по напряжению, не допускающему пробоя, что позволяет максимально увеличить шунтирующую емкость. Плотное прижатие диэлектрического элемента 7 во фланцевом соединении исключает образование воздушных зазоров и, тем самым, исключает искрение.
Узел натяжения внутреннего проводника 6 коаксиальной системы включает центральную пружину из набора упругих элементов тарельчатого типа. Пружина сжимается при откручивании центральной гайки. Узел натяжения крепится к волноводу фланцевым соединением элементами крепления (болтами) 10, изолированными диэлектрическими втулками и шайбами, чтобы избежать прямого контакта между фланцем и волноводом. При этом шайбы выдерживают лишь нагрузки резьбового соединения.
В качестве источника СВЧ энергии 8 использован магнетрон с частотой 2,45 ГГц. Частота источника ВЧ излучения составляла 5 МГц. Герметизируемую камеру реактора откачивают, подают рабочий газ. При подаче СВЧ излучения от источника 8 в резонаторе камеры реактора формируется стоячая волна, зажигается разряд, и создаются условия для поддержания стационарной плазмы, из которой формируется пленка на подложке, расположенной на платформе с держателем подложки 2. При этом переменный ток СВЧ волны беспрепятственно проходит сквозь диэлектрический элемент 7, выполненный из диэлектрического материала с высоким пробивным напряжением, низкими удельными СВЧ потерями и с высокой механической прочностью при нагрузках сжатия. Утечки СВЧ излучения через диэлектрическое кольцо 7 не происходит, благодаря тому, что кольцо 7 расположено в области минимума СВЧ поля и дополнительному шунтирующему действию дросселя 9. Напряжение смещения, подаваемое на клеммы между внутренним проводником коаксиального волновода 6 и прямоугольным волноводом 4, позволяет менять режимы формирования пленки, в зависимости от задачи.