Исследование эффективности и равномерности возбуждения волноводно-резонаторных СВЧ устройств для вакуумно-плазменной обработки материалов на широкоформатных носителях

Саратовский государственный университет им.

,

Исследование эффективности и равномерности возбуждения волноводно-резонаторных СВЧ устройств для вакуумно-плазменной обработки материалов на широкоформатных носителях

Учебное пособие

для студентов факультета нано - и биомедицинских технологий

Издательство Саратовского университета

2013

УДК 621.921.34

,

Исследование эффективности и равномерности возбуждения волноводно-резонаторных СВЧ устройств для вакуумно-плазменной обработки материалов на широкоформатных носителях: Учеб. пособие для студ. фак. Нано - и биомедицинских технологий. – Изд-во Сарат. ун-та, 201с.: ил.

Учебное пособие представляет собой руководство к практическим занятиям по курсу «Физика полупроводников». Содержит расширенное описание материала, знание которого необходимо при выполнении лабораторной работы по исследованию эффективности и равномерности возбуждения волноводно-резонаторных СВЧ устройств для вакуумно-плазменной обработки материалов на широкоформатных носителях. Для студентов, обучающихся по направлению «Электроника и микроэлектроника», специальностям «Физика твердого тела», «Физика», «Материалы и компоненты твердотельной электроники», «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы», «Микроэлектроника и твердотельная электроника», «Нанотехнологии в электронике».

Р е к о м е н д у ю т к п е ч а т и

Кафедра физики твердого тела физического факультета

Саратовского государственного университета

УДК 621.921.34

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………..…………....4

1. Теоретическая часть…..………………… …….………………..……….…...6

1.1. Принципы возбуждения электромагнитных полей в резонаторных СВЧ системах………………………………………….…….…6

1.2. Виды и особенности волноводно-щелевых антенн……..………..8

1.3. Моделирование резонаторов для вакуумно-плазменной микрообработки тонкопленочных покрытий на широкоформатных плоскослоистых подложках ………………………….….……… ………..12

1.4. Расчет масштабного макета планарного источника низкоэнергетичной СВЧ плазмы…………………………………………….. 18

2. Практическая часть………………………………………………………….. 19

2.1. Описание экспериментальной установки…………………………...19

2.2. Измерения напряженности и структуры поля электромагнитной волны……………………………………………………………………………21

2.3. Меры безопасности ………………………………………………..….26

2.4. Проведение холодных измерений ………….……………………….26

2.4.1. Порядок выполнения работы. Панорамное измерение КстU………26

2.4.2. Порядок проведения измерений распределения электрического поля………….. ……………………………………………………………..….29

2.5. Задание на обработку экспериментальных данных ………………….35

Вопросы для самопроверки ………………………………………………….35

Список литературы…………………………..……………………….………....36

Введение

Совершенствование современного технологического оборудования для низкоэнергетичной СВЧ вакуумно-плазменной микрообработки (очистки поверхности, снятия резистов, сухого травления, осаждения) материалов в микро - и наноэлектронике идет по пути по­вышения производительности и площади обрабатываемой пластины при сохранении качества (прецизионности микрообработки, минимизации теплового и радиационного воздействия и др.) и равномерности обработки. При этом основное внимание уделяется разработке цилиндрических реакторных камер периодического действия, которые, однако, не могут обеспечить комплексное выполнение указанных требований. В частности, имеются значительные трудности в обеспечении требуемой однородности обработки на пластинах большой площади.

Недостатком разрабатываемых, в том числе и за рубежом, подобного рода устройств является несовершенство конструкции элементов возбуждения многомодового СВЧ поля в круглых волноводных реакторах с большим поперечным сечением [1]. Элементы возбуждения, выполненные в виде отрез­ков многопроводной линии, введенных в плазменный объем, подвергаются воздействию плазмы, в ре­зультате чего они распыляются и/или требуют дополнительных мер по охлаждению. Мощность, переда­ваемая таким способом в реакторную камеру, невелика; требуется периодическое согласование элемен­тов возбуждения с СВЧ-полем, снижается химическая чистота процессов, площадь равномерной обра­ботки ограничена.

В отличие от существующих конструкций широкоапертурных СВЧ плазменных устройств в настоящей работе рассматриваются принципы создания новой плазменной электродинамической струк­туры, включающей в себя плоскую резонаторную камеру с устройством распределенного возбуждения электромагнитных волн заданного типа и изменяющейся добротностью за счет непрерывного ввода и вывода плоских обрабатываемых изделий через специальные щели без остановки ввода электромагнитной энергии. Возбуждение в резонаторе СВЧ-колебаний вида Нmnp (р»m, n) осуществляется через прямоугольный волновод, расположенный вдоль широкой длинной стенки резонатора и отверстий связи в обшей стенке. Один конец волновода соединен с генератором СВЧ-мощности Рвх, другой может быть короткозамкнут или иметь настроечный поршень. Отверстия связи между одномодовым волноводом и многомодовой операционной камерой выполнены в виде вакуумноплотнык диэлектрических окон. 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.

Планарная конструкция реакторной камеры позволит значительно (до 2 м и более в ширину) увеличить площадь обрабатываемых пластин, а при использовании шлюзовых систем проводить обработку ленточных материалов на потоке, т. е. в режиме непрерывного протягивания обрабатываемых пластин через реакторную камеру. Преимущества такого подхода по производительности и его актуальность очевидны. При этом открываются новые технологические возможности для создания и производства принципиально новых изделий электронной техники с повышенной степенью интеграции. Такими изделиями могут быть, например, широкоформатные плоские дисплеи двойного назначения на гибких носителях. Технологии нанесения диэлектрических, полупроводниковых, металлических, эмиссионных и других тонкопленочных покрытий на пластины большой площади и ленточные материалы шириной до 2 м и более востребованы в электронной отрасли, светотехнике, медицине, оптике, энергетике (включая получение слоистых структур для элементов солнечной энергетики), машиностроении, стекольной промышленности, архитектуре, транспорте (для нанесения на листовое стекло износостойких, энергосберегающих, декоративных и др. покрытий).

Цель работы: изучение конструкции и методик измерений амплитудно-частотных характеристик многомодовых волноводно-резонаторных СВЧ устройств плазменной обработки материалов на малом уровне мощности.

1.Теоретическая часть

1.1. Общие принципы возбуждения электромагнитных полей в резонаторных СВЧ системах

СВЧ электродинамическая система — это устройство, которое передает мощ­ность, поступающую от передающей линии, к обрабаты­ваемым материалам. Это нужно делать с минимальными потерями мощности и отражениями. В настоящее время СВЧ-установки обычно представляют собой нагруженные или ненагруженные передающие линии, резонаторы или антенны [2,3]. Если система заканчивается отражателем, то в ней будет иметь место интерфе­ренция волн, иначе — стоячие волны. Одновременно могут существовать одна или несколько стоячих волн. Примерами таких систем являются одно - и многомодовый резонаторы и резонансные передающие линии. В пучностях напряжения стоя­чей волны мощность легко может быть передана обрабаты­ваемому объекту. С другой стороны, в узлах стоячей волны (минимумы напряжения) тому же обрабатываемому объекту нельзя осуществить передачу ощутимой мощности. Образующиеся в результате «горячие пятна» являются нежелательными, и пучности стоячей волны необходимо перемещать путем «перемешивания» видов колебаний, частотной модуляции или умышленным частичным перекрытием (стоячих волн). Кроме того, необходимо предусмотреть защиту СВЧ-генератора от избытка отраженной мощности для случая, когда система находится без обрабатываемого материала. Если система заканчивается согласованной нагрузкой, то энергия не отражается к входу, и связь можно было бы считать постоянной по всей длине системы, если не учитывать имеющий место экспоненциальный спад амплитуд СВЧ-поля в направлении распространения энергии. Этот спад можно скомпенсировать соответствующей конструкцией установки и/или выбором положения обрабатываемого материала.

Характер колебаний в объемном резонаторе при небольшой за­грузке обрабатываемым объектом мало отличается от характера колеба­ний в том же резонаторе без загрузки. Наблюдается лишь некоторое смещение частоты резонатора и расширение резонансной кривой, пропорциональное уменьшению добротности.

Известны различные способы выравнивания плотности энергии электромагнитной волны по объему камеры. Среди них: перемещение в резонаторе объекта на предметном столе, изменение граничных условий с помощью вращающихся металлических элементов, изменение фазы излучаемых в резонатор колебаний, возбуждение в резонаторе нескольких видов колебаний, использование двух и более возбудителей, расположенных в различных местах резонатора. Особый интерес представляет возбуждение в резонаторе большого числа собственных видов колебаний, отличающихся, в частности, распределением узлов и пуч­ностей поля. Это обстоятельство и позволяет получить более равномерное распределение энергии по объему резонатора и, как следствие, более равномерную обработку объекта. Число же собственных видов колебаний, которые могут существовать в резонаторе, растет с увеличением его размеров относительно длины волны генератора.

После установления возможных для данного резонатора собст­венных видов колебаний необходимо обеспечить их возбуждение. Для этого, например, с помощью прямоугольного волновода необходимо ввод энергии поместить в область пучности магнитного поля этого ви­да колебания. Применяя несколько вводов энергии, можно увеличить число возбуждаемых собственных видов колебаний, а следовательно, увеличить равномерность распределения плотности энергии по объему камеры. Но чтобы избежать пере­дачи энергии из одного ввода энергии в другой, необходимо распола­гать каждый ввод энергии в области узла магнитного поля того собственного вида колебаний, который возбуждается другим вводом энергии.

1.2. Виды и особенности волноводно-щелевых антенн

Щели в качестве излучающих элементов или самостоятельных антенн широко используются в технике СВЧ. Возбуждение щели в волноводе происходит тогда, когда она своей широкой стороной пересекает поверхно­стные токи, текущие по внутренним стенкам волновода. При построении волноводно-щелевой антенны, на­пример на основе прямоугольного волновода с основ­ным типом волны Н10, необходимо учитывать, что в вол­новоде имеют место продольный и поперечный токи на его широких стенках и поперечный ток на узких стен­ках.

На рис. 1 показаны четыре основных типа излу­чающих щелей в таком волноводе. Щели I, II и III рас­положены в широкой стенке волновода, щель IV - в узкой. Продольная щель I пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода. При x1 = 0 излучение отсутствует. При увеличении смещения x1 излучение возрастает. Поперечная щель II возбуждается продольными токами. Интенсивность ее возбуждения уменьшается при смещении от средней линии. При x1 = 0 излучение ее максимально. Наклонно-смещенная щель III пересекается как продольными, так и поперечными токами. При x1 = 0 и δ = 0°, где δ — угол наклона щели относительно средней лилии широкой стенки волновода, излучение щели отсутствует. Щель IV, прорезанная в боковой стенке, при угле наклона δ = 0° не возбуждается. Если δ = 90°, излучение максимально.

Рис.1. Основные типы щелей, используемых в волноводно - щелевых антеннах

Путем совмещения центров щелей I и II можно по­лучить крестообразную щель. При расположении центра крестообразной щели в соответствующем месте на широкой стенке прямоугольного волновода она излучает волны, поляризованные по кругу.

Различают антенны резонансные, нерезонансные и антенны с согласованными щелями. В резонансных антеннах расстояние между соседними щелями равно λв (рис. 2а - случай синфазно-связанных щелей с полем волновода) или рав­но λв/2 (рис. 2б - случай переменнофазно связанных щелей с полем волновода). Таким образом, резонансные антенны являются одновременно синфазными и, следо­вательно, направление максимального излучения совпа­дает с нормалью к оси антенны. Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии при d = λв/2, обеспечивается за счет дополнительного сдвига по фазе на 180° в силу противоположных направлений поперечных токов по обеим сторонам от средней линии широкой стенки волновода. В случае наклонных щелей на боковой стенке дополнительный сдвиг на 180° получается за счет изме­нения знака угла наклона щели δ. Следовательно, результирующий сдвиг по фазе соседних излучателей в обоих случаях оказывается равным 360° или 0°, независимо от типа нагрузки на конце антенны. Антенны рассматриваемого типа могут быть хорошо согласованы с питающей линией в весьма узкой полосе частот. Действительно, так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то все отраженные от щелей волны складываются на входе антенны синфазно и коэффициент отражения системы становится большим. Очевидно, что это рассогласование можно компенсиро­вать на входе антенны за счет какого-нибудь элемента настройки, но так как уже при малых изменениях частоты согласование нарушается, то антенна остается очень узкополосной. Поэтому в большинстве случаев отказываются от синфазного возбуждения отдельных щелей и выбирают расстояние между ними λв/2<d< λв. Характерной особенностью получаемой таким образом нерезонансной антенны является более широкая полоса частот, в пределах которой имеет место хорошее согласование, так как отдельные отражения при большом числе излучателей приблизительно компенсируются. Однако отличие расстояния между щелями от λв/2 приводит к несинфазному возбуждению щелей падающей волной и направление главного максимума излучения отклоняется от нор­мали к оси антенны. Для устранения отражения от конца антенны устанавливают поглощающую нагрузку.

Рис.2. Резонансная антенна: а — с поперечными щелями; б — с продольными щелями.

На рис. 3 показаны схемы нерезонансных антенн с синфазной связью щелей с полем волновода (рис. 3 а, б) и с переменнофазной связью (рис. 3 в, г), причем щели прорезаны как в широкой, так и в узкой стенках волновода. Во всех случаях фазовое распределение вдоль антенны можно считать линейным, если взаимодействие излучателей как по внутреннему, так и по внешнему пространству не учитывается. Если щелевые антенны, показанные на рис. 3 а, б, в, имеют поле излучения только основной поляризации, то антенны с наклонными щелями в узкой стенке (рис. 3 г) имеют еще и поле паразитной поляризации.

В антеннах с согласованными щелями каждая щель (продольная, поперечная или наклонно-смещенная) в отдельности согласована с волноводом при помощи реактивного вибратора или диафрагмы, и не вызывает отражений. Следовательно, в таких антеннах с оконеч­ной поглощающей нагрузкой устанавливается режим бе­гущей волны. На рис. 4 показана, к примеру, схема антенны с наклонно-смещенными согласованными ще­лями на широкой стенке волновода. Такие антенны характеризуются двумя геометриче­скими параметрами: смещением x1 и углом поворота δ, с помощью которых можно регулировать независимо амплитуду и фазу поля, излучаемого щелью. В таких антеннах хорошее согласование с питающим волноводом получается в широкой полосе частот (5-10)%. В случае наклонно-смещенных щелей на широкой стенке волновода подбором угла наклона δ и смещения x1 добиваются того, чтобы нормированная активная проводимость волновода в сечении щели равнялась единице, а имеющуюся в этом сечении реактивную проводимость компенсируют с помощью реактивного штыря. Так как штырь устанавливается в сечении волновода, проходящем через середину щели, то при изменении частоты происходит одновременное изменение реактивных проводимостей штыря и щели и их взаимная компенсация в некотором диапазоне частот.

Рис. 3. Схемы нерезонансных волноводно-щелевых антенн

При существенном изменении частоты антенна также остается согласованной с питающим волноводом, так как антенна превращается в нерезонансную. Расстояние между согласованными излучателями в случае решетки с переменнофазно связанными щелями выбирается обычно равным λв/2 на номинальной частоте. Направление максимального излучения при этом пер­пендикулярно оси волновода.

Рис. 4. Щелевая антенна с наклонно-смещенными согласованными щелями.

Наибольший практический интерес представляют согласованные наклонно-смещенные щели, при применении которых отсутствует взаимное влияние излучателей по основной волне. Так как отражения от излучателей отсутствуют и в антенне устанавливается режим бегущей волны, расчет антенны на заданное распределение производится энер­гетическим методом для нерезонансных антенн.

1.3. Моделирование резонаторов для вакуумно-плазменной микрообработки тонкопленочных покрытий на широкоформатных плоскослоистых подложках

Проблема создания широкоформатных резонаторных камер с высокой равномерностью распределения СВЧ поля в заданной плоскости и возможностями конвейерной или статической (без движения образца) обработки ленточных материалов и плоскослоистых подложек рассматривалась в работах [4,5] для целей СВЧ нагрева, при этом предложено несколько типов конструкций камер и излучателей [6,7].

В данной работе рассмотренные конструкции моделируются при заполнении резонатора плазмой с целью получения соответствующих параметров, обеспечивающих качественную обработку. Основными рассматриваемыми параметрами являются модуль коэффициента отражения, КПД и равномерность электрического поля.

Простейшей конструкцией для рассмотренных целей является заполненный плазмой прямоугольный резонатор с плоскослоистой диэлектрической подложкой. Строгая электродинамическая модель резонатора рассмотрена в работах [4,5]. Для моделирования плазмы воспользуемся формулой ее диэлектрической восприимчивости в виде

, (1)

в которую входят плазменная частота и частота столкновений. Плазма является незамагниченной (изотропной) и частично ионизованной с коэффициентом ионизации , равным отношению числа ионов ni в единице объема к полному числу молекул N в нем. В этом случае для плазменной частоты имеем . Здесь e и m – заряд и масса электрона. Считается, что плазма однократно ионизована и число электронов равно числу ионов, а формула (1) дает электронную поляризуемость. Соответствующий вклад от ионной компоненты аналогичен при учете всех сортов ионов, но меньше более чем в 2000 раз из-за большой массы ионов. Можно учесть и вклад в поляризуемость от газовой компоненты. Для полярных газов она описывается формулой Дебая, а для неполярных – формулой

, (2)

где m относится к частицам разного сорта, а k – разным резонансным частотам. Для воздуха при нормальном давлении вклад формулы (2) имеет величину 0.001-0.002. В установках плазменной обработки используется плазма с диапазоном рабочих давлений газов от 0.1 Па до 100 Па при степени ионизации 0.1 до 0.00001. Диапазон частот электрон-атомных столкновений составляет от 600 до 6000 Гц. При таких параметрах членами типа (2) также можно пренебречь.

На рис. 5 и 6 приведены результаты вычисления согласования камеры при различных параметрах плазмы. При возбуждении камеры с помощью волновода через одно окно связи конфигурация поля в касательной к апертуре плоскости является резонансной и неравномерной. Поэтому в работах [4,5] предложено использовать четыре окна связи, повернутые друг относительно друга на 90 градусов, что также улучшает развязку. Типичные картины распределения поля в прямоугольной камере с одним и четырьмя окнами связи приведены на рис. 7. Для подавления резонансов можно использовать ребристые структуры на стенках с различными взаимно-ортогональными ориентациями четвертьволновых ребер. Еще более хороший результат может быть получен при внесении потерь в ячейки между ребрами, что препятствует образованию стоячих волн в поперечной плоскости. Следует ожидать для плазменной обработки лучшей равномерности, чем для СВЧ нагрева в силу большей нестационарности первого процесса из-за большой подвижности ионов. Моделирование процессов движения зарядов и разогрева плазмы в принципе возможно, поскольку поля известны, но это не являлось целью данной работы. Процесс ионизации достаточно медленный по сравнению с периодом колебаний, поэтому можно решать электродинамическую задачу как в стационарном случае на нескольких временных этапах с изменяющейся диэлектрической проницаемостью на каждом из них в зависимости от степени ионизации.

Более перспективными конструкциями для рассмотренных целей являются прямоугольные камеры с несколькими волноводными излучателями большой длины, расположенными на ее гранях. Такие конструкции позволяют получать хорошую равномерность поля [5]. В качестве излучателей можно использовать однородный или неоднородный отрезок волновода с одной продольной или несколькими поперечными щелями [7]. В случае продольной щели она прорезается под углом к оси на широкой стенке, либо вдоль оси на узкой стенке, при этом высота волновода уменьшается (линейно, кусочно-линейно, экспоненциально) с целью улучшения согласования, повышения КПД и равномерности излучения [7]. При использовании поперечных щелей они прорезаются на широкой стенке на весь ее размер и являются узкими шириной s.

Рис. 5. Металлическая камера с медными стенками и размерами 100, 50, 40 см при наличии вакуума (1), вакуума и стеклянной пластины () толщины 5 мм на расстоянии 20 см от апертуры (2), и при замене стеклянной пластины медной (3)

Рис. 6. Камера с плазмой и стеклянной пластиной при давлении плазмы 0.1 Па () и разных частотах столкновений, которым соответствует (1) , (2), а также при давлении 100 Па ()

Рис. 7. Распределение поля в прямоугольном резонаторе с одним (а) и четырьмя (б) окнами связи в двух различных плоскостях на расстоянии h=10 и h=20 см

При расстояниях между щелями они работают в противофазе, а их размер выбирается из условия , где n - число щелей. Отрезок волновода является при этом регулярным и короткозамкнутым, а последняя щель может либо непосредственно примыкать к короткозамыкающей стенке, либо находится от нее на расстоянии . Возможны и конструкции с расстоянием между щелями , но они могут быть менее перспективны, т. к. число щелей на заданной длине меньше в два раза. Для улучшения равномерности излученного поля в [7] предложены конструкции излучателей с расстояниями между поперечными щелями и меньше. Эти конструкции выполняются на отрезках волноводов со ступенчатым или плавным уменьшением высоты по определенным законам. Все рассмотренные излучатели могут иметь длину более одного метра (до нескольких метров). В работе [5] рассмотрены варианты расположения двух или нескольких одинаково и противоположно направленных излучателей на одной верхней грани камеры, или на верхней и нижней гранях. Камера может иметь щель для протягивания образца, либо образец загружается в нее для статической обработки.

В работе [8] показано, что для повышения энерговклада, однородности поля и равномерности СВЧ плазменной обработки расстояние между устройствами распределенного возбуждения электромагнитных волн и обрабатываемой пластиной не должно быть кратным , а электродинамическую связь между возбуждающим волноводом и реакционной резонаторной камерой целесообразно выполнять с большим количеством щелей ввода СВЧ энергии. При расстояниях между щелями они работают в противофазе, а их размер выбирается из условия , где n - число щелей. Отрезок волновода является при этом регулярным и короткозамкнутым, а последняя щель может либо непосредственно примыкать к короткозамыкающей стенке, либо находиться от нее на расстоянии .

Расстояние между устройствами распределенного возбуждения электромагнитных волн и обрабатываемой пластиной оказывает существенное влияние как на производительность плазменной обработки, которая обусловлена снижением степени ионизации плазмы при удалении от окна ввода СВЧ энергии, так и на возможность существования самого газового разряда. В частности, из выражения для амплитуды напряженности электрического поля электромагнитной волны, распространяющейся в плазме:

, (3)

где γ – коэффициент распространения, следует, что интенсивность ионизирующего воздействия СВЧ излучения падает с увеличением L и, как следствие, уменьшаются плотности токов заряженных частиц и производительность обработки. Кроме того, в результате интерференции падающих и отраженных от противоположной стенки реакционной камеры или обрабатываемой металлической поверхности волн, которая имеет место в любом случае, возможно снижение напряженности электрического поля в плазмотроне до величины меньшей пробивного электрического поля. Электрический газовый пробой при этом не происходит, а существовавшая до ввода или плазменного осаждения металлических покрытий плазма в СВЧ плазмотроне из-за снижения напряженности электрического поля и темпа ионизации может полностью рекомбинировать [8].

1.4. Расчет масштабного макета планарного источника низкоэнергетичной СВЧ плазмы

При расчете резонаторной камеры учитывается следующее:

а) должен обеспечиваться резонанс на частоте f0 генератора СВЧ;

б) линии электрического поля лежат в плоскости х, y, т. е. должны возбуждаться колебания вида Нmnp. Это обусловлено необходимостью создания окрещенных электрических и внешних магнитных полей для реализации распределенного по объему камеры ЭЦР;

в) щели ввода и вывода обрабатываемого объекта из камеры должны быть не возмущающими для СВЧ колебаний резонатора;

г) элементы связи должны обеспечивать по возможности селективное возбуждение выбранного типа колебаний Нmnp с p>> m,n ( m, n-порядка единицы).

Для реализации условия (а) необходимо, чтобы внутренние размеры резонатора, удовлетворяли соотношению:

(4)

где с – скорость света в свободном пространстве. Известно, что для поля типа Нmnp справедливы следующие соотношения:

Hx~ sin(mπx/a)• cos(nπy/b)

Hy~ cos(mπx/a)• sin(nπy/b) (5)

Hz~ cos(mπx/a)• cos(nπy/b)

Для обеспечения условия в) индекс n колебаний должен быть нечетным. При этом на щели имеется только продольный ток jz. При способе возбуждения (через отверстия связи, расположенные симметрично относительно плоскости х=а/2) индекс m также может быть только нечетным. Расположение отверстий связи по коорди­нате z обеспечивает селективность возбуждения по продольному индексу р.

2.Практическая часть

2.1. Описание экспериментальной установки

Схема конструкции, размеры масштабного макета планарной реакторной камеры, в которой осуществляется оптимизация элементов возбуждения многомодового СВЧ поля и его внешний вид, приведены на рис.8 и 9. Камера выполнена в виде прямоугольного резонатора с размерами по осям a, b, d причем d>> a, b,λ (λ- длина волны СВЧ колебаний). Для обеспечения селективного возбуждения резонатора на выбранном типе колебаний Нmnp на ее верхней поверхности размещен волновод с щелями, расположенными на расстоянии l друг от друга. Один конец волновода подключен к генератору СВЧ мощности Pвх, другой может быть короткозамкнут или согласован.

Рис. 8. Схема масштабного макета плоской резонаторной камеры для обработки материалов на ленточном носителе: 1 – короткозамкнутый отрезок волновода сечением (90х45) мм со щелями электродинамической связи; 2 – резонаторная камера; 3 – короткозамкнутая стенка.

Рис.9. Внешний вид масштабного макета планарной реакторной камеры

На рис. 10 показана структура электрического поля в резонаторной камере для колебаний типа HI,I,25 в сечениях, соответствующих максимальному значению амплитуды напряженности электрического по­ля. Из рис. 10 следует, что плоскости с максимальной амплитудой вектора Е располагаются на расстоянии L друг от друга и L/2 от торцевых стенок резонатора, находящихся в плоскостях z= 0, z=d. Расстояние L определяется из соотношения L = d/р.

Рис. 10. Структура электрического поля в резонаторной камере с селективным возбуждением колебаний типа Нmnp (возбуждающий волно­вод не показан).

2.2. Измерения напряженности и структуры поля электромагнитной волны

Измерение напряженности поля и его распределения при рассмотрении методов исследования ближнего поля антенн имеет большое значение и предпри­нимается, в частности, при исследовании свойств электромагнит­ных резонаторов и линий передач. Измеряя распределение поля в полости резонатора, можно определить его добротность. Знание распределения поля в волноводах дает возможность определить свойства волноводных трактов, например затухание или степень согласования различных элементов этих трактов [9].

Основными методами определения напряженности поля и его распределения являются непосредственные («холодные») измерения с помощью зондов при пониженном уровне входной мощности. Определение степени согласования посредством измерительной линии представляет собой пример исследования распределения поля в передающих линиях и волноводах с помощью зондов. Емкостные зонды малых размеров, имеющие форму небольших антенн, вводятся через щель в полость линии и позволяют при их продольном перемещении исследовать распределение электрического поля вдоль линии. Из распределения поля можно определить степень согласования исследуемых элементов, подключенных к выходу линии. Петлеобразный индуктивный зонд, введенный вместо емкостного зонда, может служить для тех же целей. Напряжение, наводимое на индуктивном зонде, как уже отмечалось, пропорционально напряженности магнитного поля в линии, если влияние электрического поля скомпенсировано с помощью специальных приспособлений.

При всех измерениях напряженности поля и его распределения необходимо следить за тем, чтобы зонд и его подводящая линия не вызывали заметных искажений исследуемого поля. Зонды могут вводиться в пространство, в котором исследуется распределение поля, через отверстия в стенках или через щели, позволяющие перемещать зонды в определенных пределах. Следует стремиться к тому, чтобы в исследуемое поле вводился только сам зонд, а подводящие линии находились за пределами исследуемого объема. Щели для исследования поля следует прорезать таким образом, чтобы они не пересекали линий тока; в противном случае распределение поля будет искажено. Кроме того, появится паразитная связь внутреннего объема с внешним пространством.

Различные конструкции емкостных зондов схематически изображены на рис. 11. Зонд представляет собой открытую на одном конце коаксиальную линию, внутренний проводник которой выступает на определенную длину. Зонд б имеет «противовес», укрепленный на открытом конце коаксиальной ли­нии и служащий для отражения энергии, которая принимается на внешнюю поверхность наружного проводника линии и может попадать внутрь. Связь между наружной поверхностью внешнего проводника линии и зондом может быть уменьшена также с помо­щью четвертьволнового дросселя, изображенного на рис.11 в. Зонд в этом случае образован выступающим концом внутреннего проводника и отогнутым четвертьволновым отрезком внешнего проводника.

Рис. 11. Различные конструкции емкостных зондов.

Длина зонда равна полуволне. Покрытие из ферромагнитного поглощающего материала, нанесенное на наружный проводник подводящей линии, дополнительно подавляет паразитные волны. На рис. 11 г изображен зонд-диполь с кристаллическим детектором и с витой низкочастотной подводящей линией. Во всех остальных конструкциях зондов, изображенных на рис. 11 сверхвысокочастотная энергия передается к индикатору по подводящим линиям. В качестве индикаторов могут быть использованы кристаллические детекторы, приемники или балансные схемы, в которых определяются амплитуда и фаза приходящих сигналов.

Для эффективной передачи микроволновой энергии от генератора к нагрузке в СВЧ установке, необходимо чтобы каждый элемент этой установки и вся установка в целом были согласованы. Наличие согласования означает, что микроволновая энергия распространяется лишь от генератора к нагрузке (без отражения). Режим передающей линии характеризуется коэффициентом стоячей волны по напряжению (КстU).

На рис. 12 приведены внешний вид масштабного макета резонаторной камеры и измерительная аппаратура испытательного стенда для определения КстU. Измеритель КстU панорамный предназначен для измерения и воспроизведения на экране ЭЛТ частотных характеристик КстU и ослабления элементов в определенном диапазоне частот. В состав измерителя КстU панорамного Р2-53 входят:

- индикатор КСВН и ослабления Я2Р-67;

- генератор качающейся частоты ГКЧ-53;

- измерительные СВЧ узлы.

Измерительные узлы в виде коаксиальных петлевых ответвителей имеют разъемы первичного канала сечением 16/6,95 мм и 7/3,04 мм (волновое сопротивление 50 Ом), выход вторичного канала – сечением 7/3,04мм. Связь осуществляется петлей, нагруженной на односторонней согласованной нагрузке.

Схемы электрические структурные измерения КстU и ослабления представлены на рис. 13 и 14.

Рис. 12. Внешний вид измерительного стенда с резонаторной СВЧ камерой.

Работа измерителя основана на принципе рефлектометра – раздельного выделения сигналов, пропорциональных мощности падающей от генератора и отраженной от измеряемой нагрузки (при измерении КстU) или прошедшей через измеряемый четырехполюсник (при измерении ослабления) волн.

Рис. 13. Схема электрическая структурная измерения КстU:

1 - линия коаксиальная; 2- переход коаксиальный 32-III/4 (для канала 16/6,95 мм); 3,5- головка детекторная 7/3,04 мм; 4,6- ответвитель направленный; 7- измеряемый объект; 9,10- кабель соединительный ВЧ; 11- кабель соединительный

В качестве генератора СВЧ сигнала в измерителе используется генератор качающей частоты (ГКЧ). Основное назначение ГКЧ – генерирование высокочастотного сигнала с изменяющейся частотой. Существует ряд ГКЧ, отличающихся диапазоном генерируемых частот. В данной работе используется генератор ГКЧ – 53, диапазон рабочих частот которого от 2000 до 4000 МГц.

Основное назначение индикатора Я2Р-67 – преобразование сигналов, несущих информацию о параметрах измеряемых объектов, с целью обеспечения возможности наблюдения частотных характеристик объектов на экране ЭЛТ и непосредственного отсчета КстU и ослабления по шкалам.

Рис. 14. Схема электрическая структурная калибровки и измерения ослабления:1 - линия коаксиальная; 2- переход коаксиальный 32-III/4 (для канала 16/6,95 мм); 3,5- головка детекторная 7/3,04 мм; 4,6- ответвитель направленный; 7- нагрузка согласованная; 8- измеряемый объект; 9,10- кабель соединительный ВЧ; 11- кабель соединительный.

СВЧ сигнал с выхода ГКЧ (рис. 14) с помощью коаксиального кабеля и переходов, подается на вход направленного ответвителя. К выходу вторичного канала падающей волны подключена детекторная головка, соединяемая со входом индикатора →ПАД. В индикаторе сигнал падающей волны усиливается и подаётся на разъем →АРМ, соединяемый со входом АРМ ГКЧ. К выходу вторичного канала отраженной волны подключена детекторная головка, соединенная с входом индикатора →ОТРАЖ. С помощью системы АРМ ГКЧ и измерителя отношений индикатора на выходе усилителя отраженной волны получается сигнал, пропорциональный отношению напряжений на входах канала отраженной (прошедшей) и канала падающей волны. Этот сигнал подается на синхронный детектор, в котором происходит дальнейшее усиление и детектирование. Выходное напряжение синхронного детектора подается на вход усилителя отклонения для визуальной индикации на ЭЛТ. В блоке управления ГКЧ вырабатывается:

- пилообразное напряжение, обеспечивающее горизонтальную развертку на экране ЭЛТ индикатора;

- напряжения, обеспечивающие индикацию выставленного диапазона частот и определения частоты в интересующей точке характеристики, наблюдаемой на экране ЭЛТ;

- напряжение, обеспечивающего возможность производить компенсацию неидентичности СВЧ каналов при калибровке измерителя.

2.3. Меры безопасности

При работе с измерителем необходимо соблюдать правила техники безопасности работы с СВЧ приборами:

1.Категорически запрещается эксплуатировать измеритель со снятыми крышками.

2.При сборке и разборке СВЧ тракта тумблер СВЧ генератора должен быть выключен.

3.При работе измерителя корпуса ГКЧ и индикатора должны быть заземлены.

2.4. Проведение холодных измерений.

2.4.1. Порядок выполнения работы. Панорамное измерение КстU

I. Калибровка

1. Соедините блоки и СВЧ узлы согласно структурной схеме, представленной на рис. 13, в режиме калибровки – на место поз.7 установите коаксиальный короткозамыкатель.

2. Установите на передней панели индикатора органы управления в исходное положение.

3. Установите на передней панели ГКЧ органы управления в исходное положение.

4. Подсоедините индикатор и ГКЧ к сети напряжения 220 В частотой 50 Гц. Включите тумблерами СЕТЬ индикатор и ГКЧ, дайте им прогреться в течение 15 мин.

5. Установите полосу качания частоты ГКЧ в интервале 2400 МГц и 2500МГц. Ручками АМПЛИТУДА М1 и М2 установите удобную для работы амплитуду меток.

6. Установите переключатель ПРЕДЕЛЫ на ПАД. Установите ручкой ОТСЧЕТ визир шкалы индикатора на отметку 2 mV. Совместите ручками УРОВЕНЬ и ПАД линию уровня на экране ЭЛТ с линией контрольного уровня. Установите переключатель ПРЕДЕЛЫ на 0. Установите ручкой ОТСЧЕТ визир шкалы индикатора на отметку 0 на верхней шкале. Совместите ручкой КАЛИБР линию калибровки на экране ЭЛТ с линией контрольного уровня. Установите переключатель ПРЕДЕЛЫ на ПАД. Проверьте калибровку по падающему сигналу. Если калибровка сбилась, то повторите калибровку.

II. Измерения

1. Подсоедините СВЧ узлы измерительного тракта в соответствие с режимом ИЗМЕРЕНИЕ и подключите измеряемый объект в соответствие с рис. 14.

2. Установите переключатель ПРЕДЕЛЫ так, чтобы кривая КстU занимала на экране положение удобное для наблюдения и измерения.

3.Совместите ручкой ОТСЧЕТ отсчетную линию на экране ЭЛТ с интересующей точкой на кривой КстU и по отсчетному устройству шкалы КСВ индикатора отсчитайте измеренное значение.

4. Для определения частоты, соответствующей интересующей точке наблюдаемой кривой, нажмите кнопку М1 и ручкой М2 совместите частотную метку с этой точкой. По отсчетному устройству ГКЧ отсчитайте значение частоты.

По окончанию работы выключите тумблерами СЕТЬ индикатор и ГКЧ. Отсоедините индикатор и ГКЧ от сети напряжения 220 В.

На рис. 15 приведены результаты измерений КстU, полученные для различных типов нагрузки в резонаторе макета планарного СВЧ реактора при длине щелей связи в волноводно-резонаторном переходе l1= 40 мм; l2= 42 мм; l3 = 44 мм; l4= 46 мм. Результаты аналогичных измерений для 9 щелей связи, каждая из которых имеет длину 89 мм, приведены на рис.16. Наилучшие результаты для этого случая получены при полностью выдвинутом поршне.

Рис. 16. Зависимости значений КстU от частоты для щелей длиной l1= 40 мм; l2= 42 мм; l3= 44 мм; l4= 46 мм при различных видах наполнения в камере: а - фторопла­стовая пленка; б - влажный лист бумаги на фторопластовой пленке; в - металлический лист.

Рис. 17. Зависимости значений КстU от частоты для 9 щелей длиной 89 мм при различных видах наполнения в камере: а - фторопла­стовая пленка; б - влажный лист бумаги на фторопластовой пленке; в - металлический лист.

2.4.2. Порядок проведения измерений распределения электрического поля.

Измерения структуры поля электромагнитной волны осуществляется на малых уровнях мощности поочередным опусканием зонда на заданную глубину в отверстия диаметром 3 мм, расположенные на задней стенке масштабного макета резонаторной СВЧ камеры. Для проведения измерений:

1. Включите измеритель КстU панорамный Р2-53: подсоедините индикатор и ГКЧ к сети напряжения 220 В частотой 50 Гц и включите тумблерами СЕТЬ индикатор и ГКЧ, дайте им прогреться в течение 15 мин.

2. Проведите калибровку измерителя. Соедините СВЧ узлы согласно структурной схеме, представленной на рис. 13, в режиме калибровка – на место поз.7 установите коаксиальный короткозамыкатель.

3. Подсоедините СВЧ узлы измерительного тракта в соответствие с режимом ИЗМЕРЕНИЕ и подключите измеряемый объект согласно рис. 14. Ответвитель направленный 4 подсоедините к волноводно-коаксиальному переходу (ВПК), который подсоединен к волноводу макета модуля резонаторной камеры. К ответвителю направленному 6 подсоедините зонд.

4. Опуская поочередно зонд на определенную глубину в отверстия диаметром 3 мм, расположенные на задней стенке макета, произведите отсчет значения ослабления L, определяемого выражением

L = 10 lg (Pвх/Pвых) = 20lg|Eвх|/|Eвых| дБ,

где Рвх- величина мощности поля бегущей волны, подаваемой на вход; Рвых - величина мощности поля бегущей волны, поступающей с зонда; |Eвх| - абсолютная величина напряженности поля бегущей волны, подаваемой на вход; |Eвых| - абсолютная величина напряженности поля бегущей волны, поступающая с зонда. Для этого:

- установите переключатель ПРЕДЕЛЫ так, чтобы амплитудно-частотная характеристика (кривая ослабления) занимала на экране ЭЛТ положение, удобное для измерения и наблюдения;

- совместите ручкой ОТСЧЕТ отсчетную линию на экране ЭЛТ с интересующей точкой на кривой ослабления и по отсчетному устройству линейной шкалы db индикатора отсчитайте значение;

- определите измеряемое значение ослабления как сумму показания переключателя ПРЕДЕЛЫ и отсчета по линейной шкале db.

На рис. 18-20 приведены результаты измерений распределения напряженностей электрического поля по длине резонатора при различных положениях короткозамыкающего поршня (КЗП). Расстояние от антенны до измерительного элемента в экспериментах составляло 45мм (в этом сечении резонатора предполагается располагать плоскость обрабатываемой подложки - носителя. В измерениях для возбуждения резонаторной камеры была использована конструкция антенны с поперечными щелями, расположенными на расстоянии λв друг от друга. При этом первая щель располагалась на расстоянии половины длины волны в волноводе λв/2 от короткозамыкающего поршня. Резонансная длина щелей была меньше λ/2: l1 = 40 мм; l2 = 42 мм; l3 = 44 мм; l4 = 46 мм. Настройка камеры проводилась на минимальное значение коэффициента стоячей волны.

Рис.18. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора при КЗП выдвинутом на 40мм.

Рис. 19. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора при КЗП выдвинутом на 20мм.

Рис. 20. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора при не выдвинутом КЗП.

На рис. 21-23 приведены результаты измерений распределения поля в продольном сечении резонатора удаленном на расстояние L = 20 мм от плоскости расположения антенны содержащей 9 одинаковых поперечных щелей длиной 89 мм и расположенных на расстоянии λв/2 друг от друга. Измерения выполнены при фиксированном положении КЗП выдвинутом на 20мм.

Рис. 21. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора на расстоянии от антенны L= 20мм.

Рис. 22. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора на расстоянии от антенны L = 45мм.

Рис. 23. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора на расстоянии от антенны L= 60 мм.

При сравнении данных полученных при использовании антенны с 4 и 9 щелями отмечается значительное увеличение уровня напряженности электрического поля во втором случае. Наилучшие результаты по величине напряженности поля и его однородности были получены на расстоянии 45мм от антенны. Результаты измерений для данного продольного сечения резонатора в зависимости от положения КЗП приведены на рис. 24 и 25.

Результаты измерений распределения напряженности электрического поля в камере с плоским диэлектриком, хорошо поглощающим СВЧ-энергию и имитирующим, тем самым, реальную нагрузку, представлены на рис. 26.

На рис. 27 приведены результаты измерений распределения электрического поля в реакторе с наклонно-смещенными щелями (см. рис.5).

Рис. 24. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора при не выдвинутом КЗП.

Рис. 25. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора при КЗП выдвинутом на 40мм.

Рис. 26. Распределение напряженности электрического поля E в продольном сечении резонатора на расстоянии от антенны 45мм при КЗП выдвинутом на 40мм.

Рис. 27. Структура электрического поля в планарном СВЧ реакторе на расстоянии 65 мм от плоскости антенны с наклонно-смещенными щелями.

Результаты холодных измерений свидетельствуют, что эффективность передачи энергии и равномерность распределения напряженности поля в прямоугольной резонаторной камере зависят от вида и количества щелевых антенн связи волновода с резонатором, удаленности от плоскости их расположения (уровня погружения зондов в камеру), положения короткозамыкающего поршня и характера поглощающей нагрузки в резонаторе. Эти факторы являются наиболее значимыми параметрами управления, от оптимизации которых могут существенным образом зависеть, как однородность распределения напряженности электрического поля в резонаторе, так и эффективность поглощения СВЧ энергии в процессах плазменной микрообработки материалов на широкоформатных носителях в реальных вакуумно-плазменных резонаторных системах.

2.5. Задание на обработку экспериментальных данных

1. Постройте зависимость КстU от частоты, пользуясь данными на экране панорамы Р2-53.

2. С использованием ЭВМ постройте трехмерное изображение структуры распределения электрического поля |Eвых|, исходя из формулы

L = 20lg|Eвх|/|Eвых|,

где |Eвх| - некоторая постоянная величина, условно принимаемая за единицу.

3.Постройте зависимость |Eвых| от х (0<x<a) в экстремумах зависимости |Eвых| от z.

4. По данным, полученным в п.3, рассчитайте среднее значение поля |Eвых|ср и отклонении от среднего и постройте графики их зависимостей от z.

5. Проведите измерения для трех значений глубины погружения зонда в резонаторную камеру.

6. Сопоставьте данные измерений КстU и измерений распределения напряженности поля с сделайте выводы по выполненной работе.

Вопросы для самопроверки

1.Как устроен планарный источник СВЧ плазмы? В чем его отличие от объемных источников СВЧ плазмы?

2. Какие существуют виды волноводно-щлевых антенн? В чем состоят их особенности и назначение?

3. Какие требования необходимо учитывать при расчете многомодовой резонаторной камеры планарного СВЧ плазменного источника?

4. Какие приборы используются в данной работе для измерения КСВН и распределения напряженности электрического поля в реакторной камере СВЧ плазменного источника?

5. В чем состоят принцип действия, назначение, устройство и правила эксплуатации измерителя КСВН панорамного Р2-53?

6. Как устроены зонды для измерений распределения напряженности электрического поля в реакторной камере планарного СВЧ плазменного источника?

Литература

1. , Яфаров ЭЦР вакуумно –плазменное воздействие на конденсированные среды в микроэлектронике (физика процессов, оборудование, технология). "Зарубежная электронная техника". 1997. N 1. С.77-120.

2. Лебедев и приборы СВЧ / М.: Высшая школа, 19с.

3. Воскресенский и устройства СВЧ / М.: Советское радио, 19с.

4. , Явчуновский моделирование камеры СВЧ нагрева // РЭ. 2005. Т. 50, № 10. С. 1252–1258.

5. , Явчуновский электромагнитных полей в камере СВЧ нагрева // Вопросы прикладной физики. Из-во Сарат. ун-та. Вып. 10, 2004. С. 49-54.

6. , Лопатин СВЧ - нагрева. Патент на полезную модель № 000. Приоритет от 01.01.2001, опубл. 20.04.2004. Бюл. № 11.

7. , Лопатин СВЧ мощности. Патент РФ на изобретение № 000. Приоритет от 01.01.2001, опубл. 10.12.2005. Бюл. № 34.

8. , Яфаров сверхвысокочастотной плазменной обработки в убывающем магнитном поле. Радиотехника и электроника 2009. т.54, №2, с. 236 – 242.

9. Техника измерений на сверхвысоких частотах. М.: Физ.-мат. литература, 196с.