Совершенствование конструкций магнетронных плазмохимических реакторов позволяет значительно повысить производительность и качество обработки материалов при производстве изделий за счет проведения процессов при пониженном давлении и более высокой плотности мощности по сравнению с объемными и диодными планарными реакторами [1-5].
В данной статье приведены результаты совершенствования конструкции магнетронного реактора с замкнутым дрейфом электронов вокруг электрода-подложкодержателя. Данный реактор представляет собой заземленный электрод, служащий вакуумной камерой, выполненный в виде тонкостенного прямоугольного параллелепипеда и верхней герметизирующей крышки, также являющейся частью заземленного электрода (рис. 1). В верхней крышке имеется окно, позволяющее контролировать процесс травления. Прохождение магнитного поля внутрь технологического объема осуществляется через боковые стенки вакуумной камеры-реактора.
ВЧ-напряжение подается на электрод, находящийся внутри вакуумной камеры на осях симметрии. Данный электрод также выполняет роль подложкодержателя (рис. 2). В этом электроде-подложкодержателе имеются каналы для циркулирования охлаждающей жидкости. Электрод-подложкодержатель закреплен внутри вакуумной камеры на трубках, которые служат одновременно для подачи охлаждающей жидкости. Герметизирующие прокладки этих трубок также являются диэлектрическими изоляторами. Снаружи вакуумной камеры расположена система магнитов, выполненных из сплава ЮНДК-25. К размерам магнитных панелей предъявлялись следующие требования: центральная часть разрядной камеры должна быть полностью использована, вектор напряженности магнитного поля должен быть в основном составляющую параллельную рабочей поверхности электрода-подложкодержателя.
Данная конструкция магнетронного реактора с горением разряда вокруг электрода-подложкодержателя обеспечивает получение плотности мощности разряда до 3 Вт/см при максимальной мощности питающего ВЧ-генератора ВЧД-2,5/13-СД-Л01 2,5 кВт. Минимальное рабочее давление, полученное в таком реакторе, при котором наблюдается устойчивое горение разряда, составляет 0,5 Па. Отличительной особенностью данного реактора является отсутствие механически движущейся магнитной системы, что значительно упрощает конструкцию.
Оценки характерных значений величин ларморовского радиуса показывают, что для эффективного формирования плазменного шнура в реакторе необходимо получить достаточно большие значения магнитной индукции над поверхностью электрода-подложкодержателя, что достижимо за счет максимального приближения магнитной системы к электроду, а также за счет минимизации его толщины. Однако уменьшение толщины электрода ограничено возможной формацией реактора, возникающей при его откачке, т.к. электроды реактора одновременно являются и частями вакуумной камеры. Стенки реактора, через которые магнитное поле проходит в технологический объем, должны иметь наименьшую толщину при условии обеспечения их прочности как элемента вакуумной системы.
Рис. 1. Принципиальная схема магнетронного реактора:
1 - электрод-подложкодержатель; 2 - корпус вакуумной камеры (второй электрод);
3 - плазменное образование; 4 - система магнитов; 5 - монохроматор; 6 - лазер; 7 - фотоприемник; 8 - самописец; 9 - система зеркал; 10 - смотровые окна; 11 - датчик давления; 12 - измеритель мощности; 13 - подложка; 14 - ВЧ-генератор; 15 - магнитопровод
Рис. 2. Конструкция охлаждаемого электрода-подложкодержателя:
1 - верхняя часть электрода; 2 - канавки для протока термостабилизирующей жидкости;
3 - герметизирующая пластина
Наибольшие изгибающие моменты Мх и Му, рассчитанных на единицу длины сечения, имеют место в центре электрода [7]:
и 
(1)
где Р - равномерно распределенное давление, В - меньшая сторона, выбираемая исходя из диаметра обрабатываемой подложки. Коэффициенты β и γ зависят от отношения длины электрода к его ширине. В данном случае, согласно [7], было принято: β = 0,08 и γ = 0,05. Момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести, с учетом того, что канавки охлаждения симметричны относительно оси, проходящей через середину сечения электрода, равен
(2)
где k - количество канавок охлаждения; Н - толщина электрода; h - высота канавки охлаждения; b - ширина канавки охлаждения.
Максимально допустимое напряжение определяется по формуле
(3)
где σm - предел текучести; n - запас прочности.
Зависимости толщины электродов от ширины, рассчитанные по формулам (1)-(3), показаны на рис. 3.
Наибольший прогиб имеет место в центре электрода, его можно определить по формуле
(4)
где а - коэффициент, зависящий от отношения длины электрода к его ширине; Е - модуль упругости.
Из вышеизложенного следует, что при минимальной толщине электрода, при условии обеспечения максимального проникновения магнитного поля в реактор, возникает сильный прогиб электрода под действием атмосферного давления. Этот прогиб необходимо компенсировать увеличением толщины электрода. На рис. 4 показаны зависимости толщины электрода от его ширины при 0,03 % прогибе, которые позволяют определить необходимую толщину электрода.
Рис. 3. Расчетная зависимость толщины электрода от его ширины:
1 - электрод из сплава D16, при kb1 = 0,5B и h1 = 0,5h; 2 - электрод из стали XI8HI0T, при kb1 = 0,5B и h1 = 0,5h; 3 - электрод
из сплава D16 без канавок охлаждения;
4 - электрод из стали XI8HI0T
без канавок охлаждения
Рис. 4. Расчетные зависимости толщины электрода при прогибе 0,03 %
(rk1 = 0,5B; h1 = 0,5h):
1 - электрод из дюралюминия D16;
2 - электрод из стали XI8HI0T
Данный реактор конструировался с расчетом на обработку подложек диаметром до 150 мм.
Библиографическая ссылка
Беневоленский С.Б., Жалнова Е.В., Кубрин В.И. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ МАГНЕТРОННОГО РЕАКТОРА ДЛЯ ТРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2011. – № 6. – С. 36-38;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=29374 (дата обращения: 21.11.2024).