[1]Предлагаемое техническое решение относится к СВЧ реакторам для плазмохимического синтеза материалов из газовой фазы.
[2]Одной из задач является синтез углеродсодержащей пленки большой площади с высокой степенью однородности.
[3]При формировании алмазной пленки в СВЧ реакторе с радиальным волноводом неоднородность распределения поля и, соответственно, энерговклада в плазму в зоне синтеза возрастает с увеличением подводимой мощности СВЧ энергии и диаметра образца. Для повышения равномерности роста пленки по всей поверхности подложки необходимо компенсировать неоднородности температуры, возникающие из-за неоднородности энерговклада в плазму.
[4]Известен держатель подложки (заявка РСТ WO 9737375), в котором держатель подложки содержит множество термоэлектрических модулей, находящихся в тепловом контакте с поверхностью держателя подложки. Для поддержания необходимой однородности температуры по поверхности подложки требуется постоянный контроль температуры и управление термоэлектрическими модулями, что усложняет систему и снижает ее надежность.
[5]Известен держатель подложки (Заявка РСТ WO 2007136023), в котором для выравнивания температуры подложки выполнены каналы с охлаждающим агентом. Однако для повышения однородности температуры поверхности требуется сложная герметичная структура каналов под подложкой. Кроме того, каналы выполнены дискретно, что ограничивает степень однородности температуры подложки.
[6]Задачей изобретения является создание СВЧ плазменного реактора с высокой однородностью температурного поля в зоне синтеза образца.
[7]СВЧ плазменный реактор, содержащий герметичный осесимметричный радиальный волновод, в центральной части которого установлены подложка, держатель подложки, внешняя по отношению к подложке сторона держателя подложки соединена с теплообменником, между держателем подложки и теплообменником, с зазором по отношению к стенке реактора, установлен теплоотводящий элемент такой формы, что площадь сечения поперечного оси симметрии теплоотводящего элемента уменьшается с увеличением расстояния от подложки. Синтез образца происходит на подложке в объемном разряде, который формируется электромагнитным полем радиального волновода реактора. Распределение температуры в зоне подложки определяется распределением плотности вводимой в разряд мощности, которая промодулирована в соответствии с рабочей длиной волны магнетрона. Подложка находится в контакте как с плазмой разряда, так и с держателем подложки. Теплоотводящий элемент выполнен такой формы, что площадь сечения поперечного оси симметрии теплоотводящего элемента уменьшается с увеличением расстояния от подложки. С учетом усредненных расстояний и поперечных сечений теплоотводящего элемента такая «Т-образная» форма имеет канал повышенного теплообмена между наиболее нагреваемой центральной зоной подложки и теплообменником и канал низкого уровня теплообмена между периферией подложки и теплообменником. Поэтому количество отводимого тепла от центральной части подложки, где амплитуда СВЧ поля наибольшая, также наибольшее. Так как от зоны с большей вкладываемой мощностью отводится большее количество тепла, то это способствует выравниванию температуры держателя подложки. Поскольку теплоотводящий элемент напрямую соединяет центральную зону подложки с периферийной зоной подложки, то происходит выравнивание температуры подложки и за счет теплообмена между этими зонами. Форма теплоотводящего элемента с уменьшающейся площадью поперечного сечения отводит тепло пропорционально распределению плотности мощности, вкладываемой в зоне подложки. Оптимальные размеры теплоотводящего элемента и параметры теплообменника выбираются из условий однородности температуры в зоне подложки при минимальном тепловом потоке между теплоотводящим элементом и теплообменником. Таким образом, созданы условия для более равномерного роста пленки без применения дополнительных устройств контроля и управления системой, что обеспечивает стабильность, надежность и высокий ресурс работы реактора.
[8]Теплопроводность материала держателя подложки выше теплопроводности материала теплоотводящего элемента. Это позволяет более эффективно использовать затрачиваемую на технологический процесс энергию, так как радиальный тепловой поток от центра к периферии подложки вносит основной вклад в выравнивание температурных условий. Теплоотводящий элемент при этом производит отбор только некомпенсированной радиальным потоком части тепла.
[9]Зазор между теплоотводящим элементом и стенкой реактора служит каналом откачки рабочей газовой смеси. В предложенной конструкции выведение отработанного, нагретого в разряде газа через радиальный зазор позволяет дополнительно нагревать периферийную зону теплоотводящего элемента. Это ведет к повышению температуры периферии подложки и выравниванию температурных условий во всей зоне синтеза. При этом повышается эффективность использования энергии.
[10]Хотя бы часть стенки зазора, противоположная теплоотводящему элементу, выполнена с высоким коэффициентом отражения теплового излучения. Поскольку наибольшая энергия вкладывается в центральной части подложки, то периферийные части подложки оказываются менее нагретыми, и стенка, противоположная теплоотводящему элементу, выполненная с высоким коэффициентом отражения теплового излучения, позволяет отражать тепловое излучение реактора в менее нагретые периферические части держателя, тем самым дополнительно выравнивая распределение температуры держателя. Это способствует равномерности роста пленки по поверхности подложки большой площади без дополнительных затрат энергии.
[11]Держатель подложки и теплоотводящий элемент выполнены интегрированно. Исполнение держателя подложки и теплоотводящего элемента в виде одного монолитного элемента уменьшает тепловое сопротивление между подложкой и теплопроводящим элементом, что в итоге снижает температурный градиент между центром и периферией подложки, а также упрощает конструкцию.
[12]Теплоотводящий элемент и теплообменник выполнены интегрированно. Это уменьшает тепловое сопротивление между теплоотводящим элементом и теплообменником, что снижает время выхода на стационарный режим работы после включения реактора, уменьшает габариты и упрощает конструкцию.
[13]Держатель подложки, теплоотводящий элемент и теплообменник выполнены интегрированно. Это снижает тепловое сопротивление между подложкой и теплообменником и упрощает конструкцию.
[14]Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание СВЧ плазменного реактора, обеспечивающего синтез качественных однородных пленок большой площади.
[16]На фиг.1 представлена конструктивная схема поперечного сечения конструкции СВЧ плазменного реактора с радиальным волноводом.
[17]На фиг.2 представлено поперечное сечение узла, состоящего из подложки, держателя подложки, теплообменника и теплопроводящего элемента с увеличенным теплоотводом от центральной части подложки.
[18]На фиг.3 представлено поперечное сечение держателя подложки, совмещенного с теплоотводящим элементом.
[19]На фиг.4 представлено поперечное сечение теплоотводящего элемента, совмещенного с теплообменником.
[20]СВЧ плазменный реактор по фиг.1, 2 содержит магнетрон 1, волноводы - прямоугольный 2, коаксиальный 3, коаксиальный конический 4 и радиальный 9. В центре герметичной осесимметричной камеры реактора, изолированной изолятором 5, расположена зона синтеза А, держатель подложки 11 и подложка 12. Держатель 11 установлен на теплообменнике 7 через теплопроводящий элемент 10. Держатель подложки 11, теплоотводящий элемент 7 и теплообменник имеют общую с радиальным волноводом ось симметрии В. Между теплоотводящим элементом 10 и стенкой реактора 8 имеется радиальный тепловой зазор С, который геометрически выполнен в виде короткозамкнутой полуволновой линии. Одной стороной зазора С является боковая поверхность теплоотводящего элемента 10, другой стороной является стенка реактора 8, удаленная от центра часть которой имеет теплоотражающую поверхность D. Трубопровод 13 служит для подачи, а трубопровод 6 и радиальный зазор С - для откачки рабочей газовой смеси. Подача хладагента в теплообменник 7 происходит по трубопроводу 14. Площадь поперечного оси симметрии В сечения теплоотводящего элемента 10 уменьшается с увеличением расстояния от держателя подложки 11. Теплоотводящий элемент 10 контактирует с теплообменником 7 в зоне оси симметрии.
[21]СВЧ реактор работает следующим образом. В зоне синтеза А через трубопроводы 6, 13 и зазор С прокачивается рабочая газовая смесь при заданном давлении. От магнетрона 1, по волноводам 2, 3, 4, 9 в зону синтеза А поступает энергия, поддерживающая СВЧ разряд. Плазмохимические реакции, происходящие в разряде, синтезируют материал на поверхности подложки 12, установленной на держателе подложки 11.
[22]В центральной части радиального волновода Е1 устанавливается максимальная напряженность поля, что является причиной неоднородности энерговклада в плазму. Газовая температура плазмы в зоне синтеза А и, соответственно, температура примыкающей к ней подложки 12 снижаются от центра Е1 к периферии Е2 подложки 10. Подложка и теплоотводящий элемент 10 часть тепла переносят радиально, от центральной зоны подложки Е1 к периферии подложки Е2, а избыточную часть тепла отводят от центра подложки в теплообменник 7. При этом благодаря описанной выше форме теплоотводящего элемента тепло из периферийной зоны Е2 в теплообменник 7 не переносится. Допустимый температурный градиент между центральной и периферийной зонами подложки достигается установкой соответствующего расхода и/или температуры хладагента в теплообменнике 7.
[23]Увеличение теплопроводности материала подложки 11 по сравнению с теплопроводностью элемента 10 создает два канала отвода тепла из зоны наибольшего вклада мощности. Радиальный тепловой поток от центра к периферии подложки вносит основной вклад в выравнивание температурных условий. А теплоотводящий элемент при этом производит отбор на теплообменник только не скомпенсированной радиальным потоком части тепла. Это позволяет выравнивать температурные условия по всей поверхности подложки при эффективном расходовании энергии и обеспечивает равномерный рост пленки относительно больших размеров.
[24]Прокачка рабочего газа через зазор С, с забором газа непосредственно из высокотемпературной зоны реактора, выравнивает температуру зоны синтеза за счет повышения температуры периферии держателя подложки 10 и, соответственно, периферии зоны подложки Е2 без дополнительного энерговклада.
[25]Интегрированное исполнение 15 теплоотводящего элемента с держателем подложки и интегрированное исполнение 16 теплоотводящего элемента с теплообменником повышают эффективность использования энергии, снижает габариты и упрощает конструкцию СВЧ реактора.
