RU158690U1

RU158690U1 - Microwave Plasma Reactor

Info

Publication number: RU158690U1
Application number: RU2015139947/02U
Authority: RU
Inventors: Константин Федорович Сергейчев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосистемы"
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2016-01-20

Abstract

1. СВЧ плазменный реактор, содержащий осесимметричную герметичную рабочую камеру и платформу с установленным на ней держателем подложки, соосно расположенную в центральной части рабочей камеры с образованием с верхней ее стороной радиального волновода, со стороны платформы камера соединена с источником СВЧ энергии посредством коаксиально-волноводного преобразователя, состоящего из последовательно соединенных коаксиального конусообразного, коаксиального цилиндрического и прямоугольного волноводов, при этом коаксиальный цилиндрический волновод выступает за границы прямоугольного волновода, а центральный проводник коаксиального волновода соединен с платформой и выполнен полым, отличающийся тем, что соединение внешнего проводника выступающей части коаксиального цилиндрического волновода и прямоугольного волновода выполнено фланцевым и в нем установлено осесимметричное плоское диэлектрическое кольцо с реактивным сопротивлением шунтирующей электрической емкости для диапазона СВЧ излучения не менее, чем на порядок меньше волнового сопротивления коаксиального цилиндрического волновода, при этом реактор снабжен источником напряжения смещения и осесимметричным блокирующим утечку СВЧ излучения дросселем с глубиной примерно равной 1/4 длины волны излучения, сформированным под диэлектрическим кольцом, а центральный проводник коаксиального цилиндрического волновода и прямоугольный волновод соединены с полюсами источника напряжения смещения.2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическое кольцо расположено в зоне минимума напряженности поля стоячей электромагнитной ТЕМ волн1. A microwave plasma reactor containing an axisymmetric sealed working chamber and a platform with a substrate holder mounted on it, coaxially located in the central part of the working chamber with the formation of a radial waveguide with its upper side, from the platform side the chamber is connected to a microwave energy source through a coaxial waveguide transducer consisting of series-connected coaxial cone-shaped, coaxial cylindrical and rectangular waveguides, while the coaxial cylinder The waveguide extends beyond the boundaries of the rectangular waveguide, and the central conductor of the coaxial waveguide is connected to the platform and is hollow, characterized in that the connection of the outer conductor of the protruding part of the coaxial cylindrical waveguide and the rectangular waveguide is flanged and an axisymmetric flat dielectric ring with reactive resistance of the shunt electric capacitance for the microwave radiation range is not less than an order of magnitude less than the coax wave impedance a cylindrical waveguide, the reactor being equipped with a bias voltage source and an axisymmetric microwave leakage blocking inductor with a depth of about 1/4 of the radiation wavelength formed under the dielectric ring, and the central conductor of the coaxial cylindrical waveguide and a rectangular waveguide are connected to the poles of the bias voltage source. 2. The reactor according to claim 1, characterized in that the dielectric ring is located in the zone of minimum field strength of the standing electromagnetic TEM waves

Description

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.The proposed technical solution relates to the field of microwave technology, in particular to microwave plasma reactors, and in particular to reactors for microwave plasma-chemical deposition of films or coatings of various materials on substrates, in particular, to obtain carbon (diamond) films, coatings.

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.Diamond films can be obtained in various ways, but the most high-quality films of large diameter are obtained using microwave plasma-chemical deposition of films on substrates. New methods for producing films with improved characteristics can be developed if, in addition to the microwave field, it is possible to form an additional electric constant or alternating field in the microwave plasma reactor, as, for example, in US Pat. No. 7,645,513.

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.Known systems in which the microwave field is fed through an antenna located in the upper part of the working chamber. In such systems, it is technically easy to apply additional constant voltage (bias) or alternating high-frequency voltage to the substrate, such as, for example, in US Patent Application 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.High-quality films are obtained in systems with the supply of microwave energy from the substrate side, as, for example, in RF patent for the invention No. 2999229. To obtain a polycrystalline diamond film with a specific crystal orientation, it is necessary to supplement the microwave field that forms the plasma with an electric field to form the directed motion of ions.

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.The system with the supply of microwave energy from the substrate, US patent US 5501740, allows you to complement the microwave field that is formed in the reactor chamber, RF field. For this, the inner conductor of the coaxial waveguide is insulated by a dielectric sleeve from the outer conductor and the rectangular waveguide. The thickness of the sleeve wall determines the value of the insulator capacitance, but the sleeve wall cannot be thin due to the possibility of destruction during assembly. In addition, the sleeve is in an unloaded state, therefore, air gaps can be formed between the coaxial waveguide conductors and the sleeve, which can lead to the concentration of the microwave field in the air gaps, sparking with carbonization of the fluoroplastic, and, as a result, to the loss of insulating properties of the fluoroplastic.

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.The objective is to create a microwave plasma reactor, in which microwave energy is supplied from the side of the substrate holder, with the possibility of supplying to the substrate holder an additional constant or RF electric displacement relative to the grounded chamber of the reactor.

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.A microwave plasma reactor containing an axisymmetric sealed working chamber and a platform coaxially located in its central part with a substrate holder mounted on it, the platform forms a radial waveguide with the upper side of the working chamber, from the platform side the chamber is connected to a microwave energy source by a coaxial waveguide transducer consisting of from a serial connection of a coaxial cone-shaped, coaxial cylindrical and rectangular waveguides, a cylindrical coaxial the conductor extends beyond the boundaries of the rectangular waveguide, the central conductor of the coaxial waveguide is connected to the platform, is hollow, an axisymmetric flat dielectric ring is installed in the flange connection between the outer conductor of the protruding part of the cylindrical coaxial waveguide and the reactance of the shunt electric capacitance formed by a flat dielectric ring, for the range of microwave radiation is not less than an order of magnitude less than the wave impedance a cylindrical coaxial waveguide, an axisymmetric blocking microwave leakage, a choke with a depth of about ¼ of the radiation wavelength is formed under a dielectric ring, the central conductor of the coaxial waveguide and a rectangular waveguide are connected to the poles of the bias voltage source. The location of the dielectric ring in the flange connection between the outer conductor of the protruding part of the cylindrical coaxial waveguide and the rectangular waveguide allows you to reliably insulate the inner conductor of the coaxial waveguide, apply additional electric bias to the substrate and, accordingly, expand the functionality of the microwave plasma reactor. In this case, a thin flat insulating ring installed in the flange joint forms a capacitance with the conductive elements of the waveguide path surrounding it, the reactance of which for the microwave radiation range is not less than an order of magnitude lower than the wave resistance of a cylindrical coaxial waveguide, due to which high-frequency bias currents of the coaxial TEM wave pass this capacity without significant energy loss. A thin insulating ring is installed in the flange connection and is under load, which ensures its tight pressing, eliminates the formation of air gaps and sparking. To increase the shunting effect of the capacitance, it is possible to reduce the thickness of the dielectric ring (washer) while maintaining its breakdown strength. This design is a reliable system with wide functionality.

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.Modern tools make it possible to calculate the position of the minimum field strength of the standing wave for the system and to design so that the dielectric ring is located in the zone of the minimum field strength of the standing electromagnetic TEM wave of the coaxial waveguide formed during the operation of the microwave plasma reactor. The location of the dielectric ring in the zone of minimum field is necessary for the stable operation of the microwave reactor.

Одним из вариантов исполнения приложения к подложке дополнительного поля смещения является источник напряжения смещения, являющийся ВЧ генератором.One embodiment of the application of an additional bias field to the substrate is a bias voltage source, which is an RF generator.

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.The reactance of the capacitance shunting the gap of the dielectric ring for an RF wave additionally introduced into the reactor, whose frequency is hundreds to a thousand times lower than the frequency of the microwave power field, can be made no less than the wave resistance of a cylindrical coaxial waveguide, since the reactance of the capacitance is inversely proportional to the wave frequency. The capacitance reactance for RF waves (3-30 MHz) will be approximately three orders of magnitude greater than the capacitance reactance for microwave waves (3-30 GHz). With the indicated ratio between the wave resistance of the coaxial waveguide and the reactance of the capacitance in the RF wave, the central and external conductors of the coaxial waveguide are isolated. The same is true for applying additional constant voltage to the substrate.

Другим вариантом исполнения приложения к подложке дополнительного поля смещения является источник постоянного напряжения.Another embodiment of the application of an additional bias field to the substrate is a constant voltage source.

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.The dielectric ring forming the capacitor that shunts the annular gap is made of a material with a dielectric constant of at least 6. The choice of this material is caused by the requirement to minimize the thickness of the dielectric ring, which is important to reduce microwave leakage and maintain system efficiency.

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.The dielectric ring forming the shunt capacitance has a metal coating tightly adjacent to the contact surfaces to provide better contact with the elements of the waveguide path. The presence of a dense coating that does not have air gaps between the dielectric and the metal is essential for reliable operation of the system.

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.The technical result is the creation of an effective, reliable microwave plasma reactor with the ability to supply additional constant or RF bias to the substrate to obtain various deposition modes of carbon film coatings.

На фиг. 1. представлено схематическое изображение СВЧ плазменного реактора.In FIG. 1. A schematic representation of a microwave plasma reactor is presented.

На фиг. 2. схематически представлено размещение и крепление диэлектрического кольца во фланцевом соединении.In FIG. 2. schematically shows the placement and fastening of the dielectric ring in the flange connection.

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.In FIG. 1, the reactor chamber 1, the chamber lid and the platform of the substrate holder 2 form a radial waveguide, the central part of which is a resonator. The reactor chamber is connected to the waveguide path, which is a coaxial waveguide transducer, consisting of a series connection of a coaxial cone-shaped, coaxial cylindrical waveguide with a hollow rectangular waveguide 4, fed by a microwave energy source 8. The coaxial waveguide consists of an external conductor 5 and a central conductor 6, which protrudes beyond the boundaries of a rectangular waveguide 4 and is pumped by a short-circuited loop, which is an element of matching the path with a rectangular olnovodov 4. The chamber of the reactor is separated from the waveguide path by a cylindrical dielectric window 3, hermetically installed at the base of the conical part of the outer conductor 5 of the coaxial waveguide. The Central conductor 6 of the coaxial waveguide is made hollow. Inside the central conductor 6 are a liquid cooling system of the substrate holder (not shown in the drawing) and elements of the pumping chamber of the reactor chamber.

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.In the flange connection of FIG. 2. a flat dielectric ring is installed between the lower protruding part of the outer conductor of the coaxial waveguide and the rectangular waveguide 7. The dielectric ring in the flange connection is sandwiched between the wall of the rectangular waveguide 4 and the flange connected to the outer conductor of the coaxial waveguide 5, a choke 9 with a depth of ¼ length is formed in the flange Microwave waves to further block microwave leakage. The flange of the coaxial waveguide is fixed to the wall of the rectangular waveguide by fastening elements 10, insulated by dielectric elements 11. The central conductor of the coaxial waveguide 6, on the one hand, and the rectangular waveguide 4, on the other hand, are connected to the poles of the source of electric bias.

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.As a material for the dielectric element 7 can be used mineral mica. The thickness of the insulating layer 7 is selected to be minimal, taking into account the voltage requirement, which does not allow breakdown, which allows to maximize the shunt capacitance. The tight pressing of the dielectric element 7 in the flange connection eliminates the formation of air gaps and, thereby, eliminates sparking.

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.The tension node of the inner conductor 6 of the coaxial system includes a central spring from a set of resilient disk-type elements. The spring is compressed when the central nut is loosened. The tension unit is attached to the waveguide by a flange connection by fastening elements (bolts) 10, insulated by dielectric bushings and washers, in order to avoid direct contact between the flange and the waveguide. In this case, the washers withstand only the load of the threaded connection.

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.A magnetron with a frequency of 2.45 GHz was used as a source of microwave energy 8. The frequency of the RF radiation source was 5 MHz. The pressurized chamber of the reactor is pumped out, the working gas is supplied. When microwave radiation is supplied from source 8, a standing wave is formed in the cavity of the reactor chamber, a discharge is ignited, and conditions are created for maintaining a stationary plasma, from which a film is formed on a substrate located on a platform with a substrate holder 2. In this case, an alternating current of the microwave wave passes unhindered through dielectric element 7 made of a dielectric material with a high breakdown voltage, low specific microwave losses and high mechanical strength under compression loads. Microwave radiation does not leak through the dielectric ring 7, due to the fact that the ring 7 is located in the region of the minimum microwave field and the additional shunting action of the inductor 9. The bias voltage applied to the terminals between the inner conductor of the coaxial waveguide 6 and the rectangular waveguide 4 allows changing the formation modes films, depending on the task.

Claims

1. A microwave plasma reactor containing an axisymmetric sealed working chamber and a platform with a substrate holder mounted on it, coaxially located in the central part of the working chamber with the formation of a radial waveguide with its upper side, from the platform side the chamber is connected to a microwave energy source through a coaxial waveguide transducer consisting of series-connected coaxial cone-shaped, coaxial cylindrical and rectangular waveguides, while the coaxial cylinder The waveguide extends beyond the boundaries of the rectangular waveguide, and the central conductor of the coaxial waveguide is connected to the platform and is hollow, characterized in that the connection of the outer conductor of the protruding part of the coaxial cylindrical waveguide and the rectangular waveguide is flanged and an axisymmetric flat dielectric ring with reactive resistance of the shunt electric capacitance for the microwave radiation range is not less than an order of magnitude less than the coax wave impedance a cylindrical waveguide, wherein the reactor is equipped with a bias voltage source and an axisymmetric microwave leakage blocking inductor with a depth of about 1/4 of the radiation wavelength formed under the dielectric ring, and the central conductor of the coaxial cylindrical waveguide and a rectangular waveguide are connected to the poles of the bias voltage source.

2. The reactor according to claim 1, characterized in that the dielectric ring is located in the zone of minimum field strength of the standing electromagnetic TEM wave formed during the operation of the microwave plasma reactor.

3. The reactor according to claim 1, characterized in that the bias voltage source is an RF generator.

4. The reactor according to claim 3, characterized in that the reactance of the shunt electric capacitance for the RF wave is not less than the wave resistance of a coaxial cylindrical waveguide.

5. The reactor according to claim 1, characterized in that the bias voltage source is a constant voltage source.

6. The reactor according to claim 1, characterized in that the dielectric ring is made of a material with a dielectric constant of at least 6.

7. The reactor according to claim 6, characterized in that the dielectric ring has a tightly adhering metal coating on the contacting surfaces.