Устройство для микроволновой вакуумно-плазменной обработки конденсированных сред на ленточных носителях

Использование: в области вакуумно-плазменной обработки конденсированных сред. Сущность изобретения: в устройстве для микроволновой вакуумно-плазменной обработки конденсированных сред на ленточных носителях ввод СВЧ-энергии в операционную камеру, выполненную в виде прямоугольного резонатора на частоте генерации СВЧ-источника, является многоканальным (распределенным). Возбуждение в резонаторе СВЧ-колебаний осуществляется через скошенный по узкой стенке прямоугольный волновод, расположенный вдоль широкой длинной стенки резонатора, и вакуумно-плотные диэлектрические отверстия связи в общей стенке, расположенные по определенному закону, размер которых увеличивается в направлении распространения СВЧ-излучений. В середине боковых противоположных стенок операционной камеры имеются невозмущающие для СВЧ-колебаний резонатора узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение со средствами откачки. Техническим результатом изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки пластин различной формы сколь угодно большой ширины и протяженности, увеличение плотности и равномерности плазменного разряда для повышения производительности и однородности микрообработки материалов на ленточных носителях, уменьшение габаритов вакуумной установки, ее массы и стоимости. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной обработки (очистки, осаждения, травления и т.д.) потоками ионов, атомов, молекул и радикалов инертных или химически активных газов слоев и пленочных материалов на ленточных носителях в микро- и наноэлектронике, оптике, гелиоэнергетике, стекольной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Известно устройство для микроволновой (на частоте 2,45 ГГц) вакуумно-плазменной обработки с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР) полупроводниковых пластин диаметром 8-10 дюймов, в котором для повышения равномерности плазменной обработки осуществляют удержание СВЧ-плазмы с помощью магнитной ловушки, представляющей собой набор постоянных магнитов, окружающих реакционную камеру, с чередованием противоположных полюсов [1]. Плотность магнитного потока быстро уменьшается от 0,1 Тл в центре плоскости каждого полюса магнита до нескольких десятых мТл на расстоянии нескольких сантиметров от полюса. В центральной части плазмы магнитное поле отсутствует. Передача СВЧ-энергии в плазму осуществляется по восьми и более стержневым антеннам, расположенным в нескольких миллиметрах над плоскостью каждого полюса магнита. СВЧ-мощность к антеннам поступает от отдельных генераторов или от одного генератора по отдельным линиям передач.

Описанные устройство и способ ввода СВЧ-мощности имеют существенные недостатки, основными из которых являются: сравнительно небольшой уровень мощности, подводимой к каждой антенне (до 200 Вт), необходимость их охлаждения, защиты, отдельного согласования и др. Продукты разряда могут покрывать или повреждать антенны, существенно изменять электрические характеристики диэлектрических и металлических поверхностей, что делает введение СВЧ-мощности неустойчивым, а процесс обработки замедленным и невоспроизводимым. Повышенная плотность плазмы ограничивается объемом ЭЦР-слоя, от которого плазма диффундирует внутрь операционной камеры, а это затрудняет возможность повышения плотности и равномерности плазмы в больших объемах. Спад плотности плазмы от максимума, находящегося в центре ловушки, к краям достигает 20%.

Известна установка [2] для обработки ленточных (рулонных) материалов и получения слоя плазмы большой площади, в которой для формирования распределения магнитного поля требуемой конфигурации в области подложки применены локальные постоянные магниты, представляющие собой мультипольную систему для создания распределенного ЭЦР. В установке применены устройства, обеспечивающие рассеяние электромагнитного поля с целью достижения равномерной плотности СВЧ-энергии в ЭЦР-слое.

Недостатком такой конструкции является высокая ее сложность и ограниченность ширины ленточного материала размерами источника плазмы, имеющего круглое сечение, и наличием краевых эффектов. Последние обусловлены различием форм источника плазмы и протягиваемого объекта, которое для сохранения равномерности обработки требует ограничения его ширины в 1,5-1,7 раз меньше по сравнению с диаметром источника плазмы. Вместе с тем хорошо известны трудности создания ЭЦР микроволновых источников большой площади с удовлетворительной равномерностью обработки. По имеющимся данным ширина обработки ленточных материалов с обеспечением допустимой неравномерности 5-10% не превышает 200-350 мм.

Кроме того, при таком одноканальном и сосредоточенном вводе СВЧ-энергии из-за ее отражения от области плазмы с ЭЦР оказываются недостаточно высокими энергетическая эффективность процесса и его производительность.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является устройство [3] для микроволновой вакуумно-плазменной обработки конденсированных сред на ленточных носителях, в котором ввод СВЧ-энергии в операционную камеру, выполненную в виде прямоугольного резонатора на частоте генерации СВЧ-источника, является многоканальным (распределенным). Возбуждение в резонаторе СВЧ-колебаний вида H_mnp с р>>m, n осуществляется через прямоугольный волновод, расположенный вдоль широкой длинной стенки резонатора, и вакуумно-плотные диэлектрические отверстия связи в общей стенке, расположенные по определенному закону. В середине боковых противоположных стенок операционной камеры имеются невозмущающие для СВЧ-колебаний резонатора узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение со средствами откачки. Невозмущающий характер щелей для СВЧ-колебаний резонатора обеспечивается тем, что индекс n колебаний является нечетным. При этом на щели имеется только продольный ток J_z. При выбранном способе возбуждения (через отверстия связи, расположенные симметрично относительно плоскости х=а/2, где а - ширина резонатора) индекс m также является нечетным. Расположение отверстий связи по координате z обеспечивает селективность возбуждения по продольному индексу р.

Для обеспечения селективного возбуждения резонатора на выбранном типе колебаний H_mnp с р>>m, n (m, n - порядка единицы), при котором линии электрического поля лежат в плоскости х, у, перпендикулярной длине операционной камеры, совпадающей с осью z, что обусловлено необходимостью создания скрещенных электрических и внешних магнитных полей для реализации распределенного по объему камеры ЭЦР, в общей длинной стенке волноводно-резонаторного перехода отверстия связи размещены с шагом l=Λ/(1+р Λ/2d) друг от друга. Здесь Λ=λ/{λ/λ_кр)²)^1/2 - длина волны в возбуждаемом волноводе [4], р - продольный индекс, d - длина резонатора.

Для повышения производительности и равномерности плазменной обработки в такой установке операционная камера выполнена в виде набора нескольких одинаковых волноводно-резонаторных модулей, расположенных вплотную друг к другу узкими щелями, причем отверстия связи в соседних резонаторах смещаются друг относительно друга на расстояние 1/n, где n - количество используемых волноводно-резонаторных пар.

Недостатком описанной конструкции является недостаточно высокая равномерность плазменной обработки по продольной оси в каждом резонаторе и в установке в целом (по ширине протягиваемой через камеру пластины или ленточного материала). Другим существенным недостатком является сравнительно низкая плотность плазмы в каждом отдельном резонаторе и недостаточно высокая производительность обработки. Следствием этого и является необходимость увеличения количества используемых волноводно-резонаторных пар, располагаемых друг за другом по ходу движения обрабатываемой ленты или пластины, что вызывает увеличение габаритов вакуумной установки, ее массы и стоимости.

Техническим результатом изобретения является создание устройства для вакуумно-плазменной обработки пластин различной формы сколь угодно большой ширины и протяженности, увеличение плотности и равномерности плазменного разряда для повышения однородности и производительности микробработки материалов на ленточных носителях, а также уменьшение габаритов вакуумной установки, ее массы и стоимости.

Достигается это тем, что ввод СВЧ-энергии в операционную камеру, выполненную в виде прямоугольного резонатора на частоте генерации СВЧ-источника, осуществляется через прямоугольный одномодовый волновод, скошенный по узкой стенке от максимальной величины на одном конце, который подключен к генератору СВЧ-мощности Р_вх до нуля на противоположном, и отверстия связи в общей стенке, размер которых увеличивается в направлении распространения СВЧ-энергии.

Для увеличения производительности и равномерности плазменной обработки материалов на ленточных носителях осуществляют наращивание объема одновременной обработки в операционной камере за счет использования многомодового резонатора с удвоенной шириной. В этом случае вдоль широкой длинной стенки резонатора на расстоянии L=(1…1,5)λ друг от друга, где λ - длина волны СВЧ-излучения генератора, устанавливаются два противоположно направленных одномодовых прямоугольных волновода, скошенных по узкой стенке и отверстиями связи, увеличивающимися в направлении распространения СВЧ-излучений, причем отверстия связи смещаются друг относительно друга на расстояние 1/2, где 1 - расстояние между отверстиями связи.

Для дальнейшего наращивания производительности плазменной обработки материалов на ленточных носителях возможно увеличение ширины резонатора и количества пар установленных на нем встречно-направленных волноводов. В этом случае для повышения равномерности обработки отверстия связи в соседних парах волноводов смещаются друг относительно друга на расстояние 1/2n, где n - количество пар противоположно направленных волноводов. За счет применения нескольких волноводных вводов энергии с уменьшающимся в направлении распространения СВЧ-энергии поперечным сечением в одну резонаторную камеру обеспечивается увеличение плотности мощности СВЧ-энергии и равномерность ее распределения в объеме камеры. Этому же способствуют и возрастающий в направлении распространения СВЧ-излучения размер окон связи между каждым волноводом и резонаторной камерой. Необходимо отметить, что такой ввод СВЧ-энергии приводит к выравниванию по длине волновода плотности передаваемой мощности и обеспечивает по сравнению с прототипом высокую равномерность передачи СВЧ-энергии от волновода в сопряженный с ним резонатор по всей длине.

Предлагаемая конструкция позволяет значительно улучшить в операционной камере как равномерность плазменного разряда, так и его плотность, что обеспечивает повышение по отношению к прототипу однородности и производительности микробработки материалов на ленточных носителях, а также уменьшение габаритов, массы вакуумной установки и ее стоимости за счет использования только одной резонаторной камеры.

Устройство представляет собой прямоугольный одномодовый скошенный по узкой стенке волновод, в результате чего его поперечное сечение линейно уменьшается в направлении распространения СВЧ-мощности, имеющий общую стенку и расположенный с внешней стороны вдоль длинной оси прямоугольного резонатора с размерами по осям a, b, d, причем d»а, b, λ - длина волны СВЧ-колебаний, и связанный с последним через керамические вакуумно-плотные отверстия связи, которые расположены с определенным шагом, зависящим от длины резонатора, частоты электромагнитных колебаний и др. факторов, причем размер их увеличивается в направлении распространения СВЧ-мощности. Нескошенный конец волновода подключен к генератору СВЧ-мощности Р_вх. На поверхности резонатора вдоль прямоугольного волновода устанавливаются мультипольные магнитные системы из постоянных магнитов. В середине длинных боковых стенок резонатора имеются узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и создаются вакуумная и плазмообразующая рабочие среды.

Микроволновое излучение, вырабатываемое генератором, направляется через скошенный прямоугольный волновод и систему керамических вакуумно-плотных отверстий связи в сопряженный с ним резонатор, который рассчитан на резонансную частоту задающего генератора и в середине длинных боковых стенок которого имеются щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение с вакуумными средствами откачки. Отверстия связи для ввода СВЧ-энергии и обеспечения селективного и равномерного по длине возбуждения резонатора на выбранном типе колебаний H_mnp расположены на определенном расстоянии друг от друга, определяемом из выражения: l=Λ/(l+pΛ/2d), а размер их увеличивается в направлении распространения микроволнового излучения. Здесь Λ=λ/{1-(λ/λ_кр)²)^1/2 - длина волны в возбуждаемом волноводе [4], р - продольный индекс возбуждаемого типа колебаний, d - длина резонатора. Под действием скрещенных электрического поля электромагнитного излучения генератора в резонаторе и внешнего магнитного поля постоянных магнитов, расположенных на внешней поверхности резонатора вдоль прямоугольного волновода, которое обеспечивает получение электронного циклотронного резонанса, в разреженной среде резонатора образуется область газового СВЧ-разряда.

При использовании для ввода через отверстия связи, увеличивающиеся в направлении распространения электромагнитных колебаний СВЧ-энергии, двух противоположно направленных одномодовых прямоугольных волноводов, скошенных по узкой стенке, которые устанавливаются на одном многомодовом резонаторе большей по сравнению с одноволноводным вводом ширины на расстоянии L=(1…1,5)λ друг от друга, где λ - длина волны СВЧ-излучения генератора, причем отверстия связи в этих волноводах смещены друг относительно друга на расстояние 1/2, где l - расстояние между отверстиями связи, улучшается равномерность по ширине и производительность непрерывной плазменной обработки материалов на ленточных носителях.

При использовании нескольких пар противоположно направленных скошенных прямоугольных волноводов, через которые осуществляется ввод СВЧ-энергии в операционную камеру, выполненную в виде одного многомодового резонатора с индексом m, определяемым количеством используемых волноводов, причем отверстия связи в соседних парах волноводов смещены друг относительно друга на расстояние 1/2n, где n - количество пар волноводов, увеличиваются равномерность обработки по ширине ленточного материала, плотность плазменного разряда и производительность непрерывной плазменной обработки. Ввод СВЧ-энергии в многомодовый резонатор осуществляется от одного или нескольких аналогичных генераторов через соответствующие прямоугольные волноводы.

Литература

1. Мультипольный источник СВЧ-плазмы с возбуждением по методу распределенного циклотронного резонанса: концепции и характеристики. // Пиню, Дюрандье, Пеллетье, Арналь, Вальс. // Приборы для научных исследований. 1988. N 7. С.56-60.

2. Патент ЕР 0279895 А2, 1С: Н01J 37/32.

3. Патент RU 2153733 С1. 27.07.2000. Бюл. №21.

4. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. Под ред. академика Н.Д.Девяткова. - М.: Высшая школа, 1970, 440 с.

1. Устройство для микроволновой вакуумно-плазменной с электронно-циклотронным резонансом обработки конденсированных сред на ленточных носителях, включающее микроволновой генератор и операционную камеру, выполненную в виде многомодового прямоугольного резонатора, в середине боковых противоположных стенок которого имеются невозмушающие для СВЧ-колебаний узкие длинные щели, через которые протягивается ленточный обрабатываемый материал и осуществляется соединение со средствами откачки, последовательно соединенные между собой одномодовым волноводом и согласованным переходом в виде вакуумно-плотных отверстий связи вдоль оси симметрии в общей широкой стенке многомодового резонатора и одномодового прямоугольного волновода, через который осуществляется ввод микроволнового излучения в операционную камеру, причем расстояние между отверстиями связи определяется из выражения l=Λ/(1+рΛ/2d), где Λ - длина волны в волноводе; р - продольный индекс, p>>m, n - поперечные индексы волны в резонаторе; d - длина резонатора, устройство, создающее магнитное поле в виде мультипольной магнитной системы, отличающееся тем, что одномодовый прямоугольный волновод является скошенным по узкой стенке от его максимальной высоты в месте ввода в него микроволнового излучения до нуля на противоположном конце, а размер вакуумно-плотных отверстий связи в общей широкой стенке многомодового резонатора и одномодового прямоугольного волновода, через которые осуществляется ввод микроволнового излучения в операционную камеру, напротив, увеличивается в направлении распространения СВЧ-излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что операционная камера выполнена в виде одного многомодового резонатора с удвоенной шириной, на внешней стенке которого расположены два противоположно направленных одномодовых прямоугольных волновода, скошенных по узкой стенке, и отверстиями связи, увеличивающимися в направлении распространения СВЧ-излучений, причем отверстия связи в соседних волноводах смещаются относительно друг друга на расстояние 1/2, где l - расстояние между отверстиями связи.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что операционная камера выполнена в виде одного многомодового резонатора с индексом m, определяемым количеством используемых волноводов, на внешней стенке которого расположены несколько пар противоположно направленных одномодовых прямоугольных волноводов, скошенных по узкой стенке, и отверстиями связи, увеличивающимися в направлении распространения СВЧ-излучений, причем отверстия связи в соседних парах волноводов смещаются относительно друг друга на расстояние 1/2n, где n - количество используемых пар волноводов.