Источник высокочастотных электромагнитных колебаний плазмохимического реактора

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 поверхности, очистке и травлении, в частности, при создании наноструктурированных покрытий и пленок. Использование источника высокочастотных электромагнитных колебаний в плазмохимическом реакторе позволит обрабатывать объекты с большой поверхностью в одном технологическом процессе и увеличить равномерность наносимых покрытий при одновременном увеличении КПД плазмохимического реактора и повышении надежности источника и реактора в целом. Выполнение высокочастотного (ВЧ) генератора электромагнитных колебаний (1) в виде ВЧ генератора электромагнитных колебаний со случайными амплитудой и фазой расширяет объем рабочей камеры, в котором выполняется условие электронно-циклотронного резонанса, что приводит к увеличению объема, занятого плазмой. Подключение полосового фильтра частот (2) между ВЧ генератором электромагнитных колебаний (1) и усилителем мощности электромагнитных колебаний (3) обеспечивает увеличение КПД плазмохимического реактора. Применение ВЧ вентиля (4) между усилителем мощности электромагнитных колебаний (3) и устройством ввода электромагнитных колебаний (5) в рабочую камеру плазмохимического реактора обеспечивает защиту усилителя мощности (4) от отраженных от рабочей камеры электромагнитных колебаний и одновременно стабильность плазмы и однородность ее потока на обрабатываемый объект за счет устранения влияния отраженной волны на амплитуду и фазу электромагнитных колебаний на выходе источника ВЧ электромагнитных колебаний. 1 ил.

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 поверхности, очистке и травлении, в частности, при создании наноструктуризированных покрытий и пленок.

Известен электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) плазменный источник для обработки полупроводниковых структур (RU, C1 2216818, МПК: H01L 21/3065; H01L 21/8258; H01L 27/04, опубликован 20.11.2003 г., [1]) с вводом сверхвысокочастотной (СВЧ) мощности, в котором генератор высокочастотных электромагнитных колебаний, предназначенных для создания СВЧ разряда, создает колебания на двух частотах - 2,45 ГГц и 1,23 ГГц. В процессе работы реактора устройства используется одна частота, в соответствии с которой устанавливается напряженность магнитного поля. При этом условия электронного циклотронного резонанса создаются в ограниченном объеме.

Недостатком ЭЦР-плазменного источника [1] является возможность создавать пленки и покрытия относительно малой площади.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является используемый в описанном плазмохимическом реакторе высокочастотный (ВЧ) источник электромагнитных колебаний (US, В1 6468603, МПК: С23С 16/26, опубликован 22.10.2002 г., [2]), который содержит ВЧ генератор электромагнитных колебании и устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру реактора. Используемый в устройстве-прототипе ВЧ генератор электромагнитных колебаний, работает в относительно узком диапазоне частот с центральной частотой 2,5 ГГц. Перестройка частоты выполняется вручную или с помощью управляющего электрического сигнала. Следовательно, в каждый момент времени генератор создает колебания на одной частоте. С выхода генератора электромагнитные колебания поступают на устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру.

Недостатком ВЧ источника электромагнитных колебаний [2] является использование для возбуждения плазмы электромагнитного колебания одной фиксированной частоты, поэтому электронно-циклотронный резонансный разряд возникает в относительно ограниченной зоне камеры. А так как по объективным причинам магнитное поле не может иметь одинаковую напряженность в зоне формирования плазмы, то при использовании для возбуждения ЭЦР-разряда узкополосного сигнала условие циклотронного резонанса выполняется в малом части объема рабочей камеры, что приводит к сильной неоднородности распределения плазмы. Поэтому для возбуждения электронного циклотронного резонанса необходимо иметь электромагнитные колебания не с одной частотой, а с определенным, достаточно широким спектром частот. Кроме того, при создании сверхвысокочастотного 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, а также может приводить к сбоям работы источника электромагнитных колебаний.

В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создания источника ВЧ электромагнитных колебаний для плазменного реактора, обеспечивающего:

- расширение объема рабочей камеры, заполненного плазмой;

- уменьшение неоднородности потока плазмы на обрабатываемый объект;

- уменьшение воздействия отраженной волны на параметры плазмы и источник электромагнитных колебаний.

Техническим эффектом от реализации поставленной задачи является:

- обеспечение возможности обработки объектов с большой поверхностью за один технологический процесс, что уменьшает продолжительность обработки;

- увеличение равномерности наносимых покрытий;

- увеличение КПД плазмохимического реактора;

- повышение надежности источника электромагнитных колебаний и реактора в целом.

Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в источнике высокочастотных электромагнитных колебаний для плазмохимических реакторов, содержащем высокочастотный генератор электромагнитных колебаний, усилитель мощности электромагнитных колебаний и устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, высокочастотный генератор электромагнитных колебаний выполнен в виде высокочастотного генератора электромагнитных колебаний со случайными амплитудой и фазой, при этом в устройство введен полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора электромагнитных колебаний, а выход - с входом усилителя мощности электромагнитных колебаний, кроме того, введен высокочастотный вентиль, вход которого соединен с выходом усилителя мощности электромагнитных колебаний, а выход - с входом устройства ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, при этом частотная характеристика f_ф полосового фильтра частот электромагнитных колебаний выбрана из соотношения:

,

где: G_к - требуемая спектральная характеристика частот электромагнитных колебаний в рабочей камере плазмохимического реактора;

G_г - спектральная характеристика частот высокочастотного генератора электромагнитных колебаний в полосе частот рабочей камеры плазмохимического реактора;

f_б - общая амплитудно-частотная характеристика усилителя мощности электромагнитных колебаний, высокочастотного вентиля и устройства ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора.

Благодаря применению в качестве высокочастотного генератора электромагнитных колебаний высокочастотного генератора колебаний со случайными амплитудой и фазой расширяется объем камеры, в котором выполняется условие циклотронного резонанса, что приводит к увеличению объема, занятого плазмой, и снижению ее неоднородности, а, следовательно, обеспечивает обработку объектов с большой площадью в одном процессе и с высокой равномерностью покрытий.

Благодаря введению в устройство полосового фильтра частот электромагнитных колебаний обеспечивается повышение КПД источника высокочастотных колебаний плазмохимического реактора.

Благодаря применению высокочастотного вентиля, препятствующего прохождению электромагнитных колебаний, отраженных от рабочей камеры, обеспечивается защита усилителя мощности электромагнитных колебаний от сбоев работы и повреждений, что повышает надежность высокочастотного источника электромагнитных колебаний и плазмохимического реактора в целом. Одновременно с этим увеличивается равномерность наносимых покрытий за счет уменьшения воздействия отраженной волны на параметры плазмы.

Наличие совокупности признаков, отличающих предлагаемое техническое решение от устройства-прототипа и от других известных источников информаций, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».

На фигуре, поясняющей предлагаемую полезную модель, схематически изображен источник высокочастотных электромагнитных колебаний для плазмохимического реактора.

Предлагаемый источник высокочастотных электромагнитных колебаний содержит: высокочастотный генератор электромагнитных колебаний со случайной амплитудой и фазой - 1; полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний - 2; усилитель мощности электромагнитных колебаний - 3; высокочастотный вентиль - 4; устройство ввода электромагнитных колебаний 5 в рабочую камеру (не показана) плазмохимического реактора.

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 зачастую выполняется в виде последовательно включенных транзисторных усилителей, усиливающих собственные шумовые колебания. Существуют также ВЧ генераторы на базе тиратронов, газотронов и т.п.

Выход ВЧ генератора 1 подключен к входу полосового фильтра частот 2, который имеет центральную частоту и полосу частот, выбираемые в зависимости от вида изготовляемого объекта, параметров технологического процесса, спектра частот ВЧ генератора 1 случайных колебаний и амплитудно-частотных характеристик устройств 3, 4 и 5, следующих за полосовым фильтром частот 2. Полосовой фильтр частот 2 может быть выполнен, например, в виде объемного резонатора или полосковой линии. Для настройки заданной полосы частот в резонатор вводятся изменяемые по длине металлические стержни или перемещающиеся диэлектрические пластины.

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 электронно-циклотронный резонансный (ЭЦР) 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 (в частности, СВЧ вентиля), 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 устройства ввода 5 электромагнитных колебаний в рабочую камеру.

Устройство работает следующим образом. Включением высокочастотного генератора колебаний 1 со случайными амплитудой и фазой обеспечивают подачу широкополосного сигнала на вход полосового фильтра частот 2. Спектральная характеристика сигнала на выходе полосового фильтра частот 2 является оптимальной для генерации плазмы заданной конфигурации. Сигнал подается на широкополосный усилитель мощности 3 электромагнитных колебаний, обеспечивающий требуемый уровень мощности высокочастотных колебаний в рабочей камере. Усиленный сигнал через ВЧ вентиль 4 подается на устройство ввода электромагнитных колебаний 5 в рабочую камеру. При помощи ВЧ вентиля 4 обеспечивается защита усилителя мощности 3 электромагнитных колебаний от отраженных от рабочей камеры колебаний.

При этом требуемая спектральная характеристика частот электромагнитных колебаний в рабочей камере G_к определяется экспериментально или путем расчета с использованием результатов измерения напряженности магнитного поля. Спектральная характеристика частот ВЧ генератора 1 электромагнитных колебаний G_г и общая амплитудно-частотная характеристика усилителя мощности 3, ВЧ вентиля 4 и устройства ввода 5 электромагнитных колебаний в рабочую камеру f_б определяются путем измерения.

Источник высокочастотных электромагнитных колебаний плазмохимического реактора, содержащий высокочастотный генератор электромагнитных колебаний, усилитель мощности электромагнитных колебаний и устройство ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, отличающийся тем, что высокочастотный генератор электромагнитных колебаний выполнен в виде высокочастотного генератора электромагнитных колебаний со случайными амплитудой и фазой, при этом в устройство введен полосовой фильтр частот электромагнитных колебаний, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора электромагнитных колебаний, а выход - с входом усилителя мощности электромагнитных колебаний, кроме того, введен высокочастотный вентиль, вход которого соединен с выходом усилителя мощности электромагнитных колебаний, а выход - с входом устройства ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора, при этом частотная характеристика f_ф полосового фильтра частот электромагнитных колебаний выбрана из соотношения:

,

где: G_к - требуемая спектральная характеристика частот электромагнитных колебаний в рабочей камере плазмохимического реактора;

G_г - спектральная характеристика частот высокочастотного генератора электромагнитных колебаний в полосе частот рабочей камеры плазмохимического реактора;

f _б - общая амплитудно-частотная характеристика усилителя мощности электромагнитных колебаний, высокочастотного вентиля и устройства ввода электромагнитных колебаний в рабочую камеру плазмохимического реактора.