RS63181B1 - Reaktorski uređaj velike površine za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi (la mpcvd) i postupak za njegovo obezbeđivanje - Google Patents

Description

Opis

Oblast tehnike

[0001] Predmetni pronalazak se odnosi na reaktorski uređaj i postupak za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi MPCVD (engl. Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition).

Stanje tehnike

[0002] Poznati reaktori za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi, MPCVD, koriste izvor mikrotalasne energije koji je spojen i isporučuje mikrotalasnu energiju u unutrašnjost MPCVD reaktorske komore. MPCVD reaktorska komora, formirajući rezonantnu šupljinu za primljenu mikrotalasnu energiju, projektovana je da oblikuje električno polje elektromagnetne energije unutar komore, sa jačinom polja u blizini supstrata koja je dovoljno velika da formira visokotemperaturnu plazmu, koja proizvodi reakciju za formiranje pare materijala koja se taloži na obližnjem supstratu.

[0003] U poznatom MPCVD reaktorskom rasporedu za taloženje dijamantskog materijala, mikrotalasi generisani mikrotalasnim izvorom energije obično ulaze u reaktorsku komoru kroz tradicionalni talasovod, raspoređen između izvora energije mikrotalasnog zračenja i reaktorske komore, tako da spoje izlaz iz izvora energije mikrotalasnog zračenja, preko tradicionalne talasovodne spojnice, unutra kroz otvor u zidu reaktorske komore. Talasi koji su ušli u prostor reaktora su po dizajnu i obliku komore odbijeni zidovima reaktorske komore, i šire se dalje odbijanjem od unutrašnjih zidova šupljine, tako da se koncentrišu da formiraju plazmu u relativno maloj zapremini atmosfere reaktorske komore, neposredno iznad držača supstrata, koji je pogodno smešten unutar reakcione komore. Reakcija sastojaka atmosfere se zatim odvija unutar relativno male oblasti plazme, u kojoj snažno lokalizovano električno polje mikrotalasne energije unutar komore jonizuje radne gasove da bi se formirao dijamantski materijal, a taloženje dijamantskog materijala se odvija na odgovarajućem supstratu, koji je oslonjen na držač supstrata. Držač supstrata je obično postavljen tako da se pomera vertikalno unutar komore, omogućavajući takođe i podešavanje rezonantnih svojstava rezonantne šupljine. Ovo može biti korisno za plazmu veće gustine, koja ima tendenciju da reflektuje deo dolaznog zračenja, što zauzvrat utiče na rezonantna svojstva šupljine.

[0004] Neki dokumenti sa člancima koji se odnose na mikrotalasnu energiju i MPCVD reaktore su:

- A. Kromka et al, Linear antenna microwave plasma CVD deposition of diamond films over large areas, Volume 86, Issue 6, 27. januar 2012, str. 776-779;

- S. Liao et al, Synthesis, Simulation and Experiment of Unequally Spaced Resonant Slotted-Waveguide Antenna Arrays Based on the Infinite Wavelength Propagation Property of Composite Right/Left-Handed Waveguide, IEEE Transactions on Antennas and Propagation (Volume: 60, Issue: 7, jul 2012);

- J. Kim et al, Large-area surface wave plasmas using microwave multi-slot antennas for nanocrystalline diamond film deposition, Plasma Sources Science and Technology, Volume 19, Number 1;

- Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition, Journal of Physics Condensed Matter. 09/2009; 21(36):364202. DOI: 10.1088/0953-8984/21/36/364202;

- US2005/0160986A1, J.-H. Hur et. al., 2005.07.28;

- L. XiaoJing et. al., IC3ME 2015 (stranice 2170-2176);

- US5230740A, J.E.Pinneo; 1993.07.27;

- US2006/0153994A1, A.H.Gicquel et. al., 2006.07.13;

- CN 103526187A, Wuhan Inst. Technology, 2014.01.22.

- Y. A. Lebedev. Microwave discharges at low pressures and peculiarities of the processes in strongly non-uniform plasma. Plasma Sources Sci. Technol.24 053001, 2015, daje pregled postupaka generisanja mikrotalasne plazme pri pritiscima od 10<-2>približno do 30 kPa sa mikrotalasima talasne dužine centimetar-milimetar, zasnovano na naučnim publikacijama od 1950. godine do danas.

- US 2005/000446 A1 se odnosi na uređaj za obradu plazme koji uključuje najmanje jedan izvor elektromagnetnog talasa za generisanje elektromagnetnog talasa, talasovodni deo za distribuciju elektromagnetnih talasa, za distribuciju elektromagnetnog talasa generisanog iz izvora elektromagnetnog talasa, mnoštvo talasovoda, svaki spojen sa talasovodnim delom za distribuciju elektromagnetnih talasa, pri čemu su talasovodi postavljeni u istoj ravni, mnoštvo proreza u svakom od talasovoda, najmanje jedan prozor za zračenje elektromagnetnog talasa koji je okrenut prema svakom prorezu, i vakuumski sud u kojem se plazma generiše elektromagnetnim talasom koji se emituje iz prozora za zračenje elektromagnetnog talasa.

- EP 0702393 A2 otkriva uređaj za obradu plazme koji uključuje plazma komoru koja ima uski prozor, i pravougaoni talasovod za spajanje sa plazma komorom, pravougaoni talasovod ima dugačak prorez, raspoređen u svojoj E-ravni tako da je nasuprot uskom prozoru plazma komore, i da se proteže duž pravca ose talasovoda pravougaonog talasovoda. Dalje su obezbeđena najmanje dva duga proreza, raspoređena u najmanje jednom pravougaonom talasovodu.

- KR 20170101452 A se odnosi na plazma uređaj površinskih talasa, koji sadrži: prvi talasovod, koji uključuje mnoštvo proreznih antena povezanih sa prvim mikrotalasnim izvorom napajanja na jednom kraju; drugi talasovod, koji uključuje mnoštvo proreznih antena, raspoređenih paralelno sa prvim talasovodom koji ima drugi mikrotalasni izvor napajanja povezan sa suprotnim krajem prvog talasovoda; dielektrična ploča za uvođenje mikrotalasa koji se zrače iz proreznih antena u komoru za generisanje plazme površinskog talasa; i deo za dovod gasa, za dovođenje gasa u komoru.

[0005] Gore navedeni MPCVD reaktori imaju ograničenu površinu taloženja, i stoga je potreban energetski efikasan reaktorski uređaj velike površine za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi.

[0006] US 2012/177542 A1 se odnosi na CVD reaktor sa mikrotalasnom plazmom velike površine, u kome se mnoštvo susednih jedinica za generisanje mikrotalasne plazme koristi za tretiranje supstrata velike površine. Svaka od navedenih jedinica sadrži talasovod povezan sa mikrotalasnim izvorom na jednom kraju, i otvor u plazma reakcionu komoru na drugom kraju. Mikrotalasi su spojeni iz pomenutih talasovoda u pomenutu komoru preko odgovarajućih dielektričnih prozora.

Izlaganje suštine pronalaska

[0007] Prema pronalasku, predlaže se novi dizajn reaktorskog uređaja velike površine za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi, LA MPCVD.

[0008] Predmetni pronalazak obezbeđuje LA MPCVD reaktorski uređaj, koji se sastoji od kompozitnog desno/levo okrenutog, CLRH talasovodnog dela, prema nezavisnom patentnom zahtevu 1.

[0009] Predmetni pronalazak je takođe postupak za obezbeđivanje hemijskog taloženja pare uz pomoć plazme velike površine u reaktorskoj komori, prema nezavisnom patentnom zahtevu 16.

[0010] LA MPCVD i postupak pronalaska omogućavaju nanošenje uniformnih filmova na velikoj površini na različite supstrate. Pronalazak je definisan patentnim zahtevima.

[0011] Primer primene reaktora prema datom pronalasku jeste mogućnost da se reaktorska šupljina skalira kako bi se povećala veličina oblasti generisane plazme, omogućavajući npr. da se oblatne standardne veličine oblažu dijamantom.

Opis slika nacrta

[0012] Načini izvođenja pronalaska će sada biti detaljnije opisani, pozivanjem na sledeće slike, da bi se ilustrovali njegovi principi, rad i prednosti.. Treba imati na umu da, radi bolje ilustracije mikrotalasnih karakteristika, nekoliko crteža ilustruje šupljinu, odnosno unutrašnji prostor elemenata, a ne same fizičke elemente. Ovo olakšava vizuelizaciju samih šupljina i raspodele električnog polja unutar šupljina.

Slika 1 ilustruje u perspektivi šupljinu kompozitnog desno/levo okrenutog, CRLH talasovoda, prema jednom načinu izvođenja pronalaska.

Slika 2 ilustruje gustinu struje na gornjoj površini šupljine sa slike 1.

Slika 3 je još jedan crtež spojnice odozgo, koji ilustruje šupljine i princip tipične konfiguracije, i homogenu raspodelu gustine struje drugog primera LA MPCVD reaktorskog uređaja, prema pronalasku koji koristi mnoštvo jedan pored drugog raspoređenih, kratkospojenih CRLH talasovoda, sa prorezima za spajanje mikrotalasne energije iz talasovoda. Treba napomenuti da su ilustrovane samo šupljine CRLH talasovoda, ali ne i fizički uređaj;

Slika 4A ilustruje u 3D CAD modelu rezonantnu šupljinu prema jednom načinu izvođenja pronalaska, spojenu na skup CRLH talasovoda kao što je ilustrovano na slici 3. Ovde su prikazane samo šupljine.

Slika 4B ilustruje raspodelu električnog polja u yz- i xz- ravnima rezonantne šupljine ilustrovane na slici 4A. Kao što se može videti, električno polje je visoko preko velike zapremine rezonantne šupljine.

Slika 5 ilustruje raspodelu magnetnog polja u yz pravcu. Ovde strelice pokazuju i pravac i jačinu polja. Veće i deblje strelice označavaju veću jačinu polja od malih i tankih strelica.

Slika 6 ilustruje poprečne preseke reaktora i raspodele električnog polja u xy-, xzi yz- ravnima za način izvođenja na sl. 4A. Pune crvene linije označavaju zidove komore za taloženje, tačkasta crna kontura predstavlja kvarcni prozor, dok isprekidana crna kontura pokazuje oblast taloženja.

Slika 7A ilustruje 3D CAD model rezonantne šupljine prema pronalasku, spojenu na skup CRLH talasovoda kao što je ilustrovano na slici 3. Treba imati na umu da su ovde prikazane samo šupljine. Ovde je šupljina reaktora podeljena na dve glavne zapremine, prvu i drugu podkomoru, koje u ovom primeru, odgovaraju donjoj i gornjoj zapremini, respektivno.

Slika 7B je isečeni crtež u perspektivi, koji daje trodimenzionalnu ilustraciju električnog polja unutar LA MPCVD reaktorskog uređaja, prema načinu izvođenja pronalaska ilustrovanom na slici 7A;

Slika 8 ilustruje raspodelu magnetnog polja u yz pravcu, za način izvođenja rezonantne šupljine na sl.7A. Ovde strelice pokazuju i pravac i jačinu polja. Veće i deblje strelice označavaju veću jačinu polja od malih i tankih strelica.

Slika 9 ilustruje u poprečnom preseku raspodelu električnog polja u yz-ravni za način izvođenja na slici 7A. Tačkasta crna kontura predstavlja moguće lokacije kvarcnih prozora.

Slika 10A je crtež u perspektivi, koji ilustruje električno polje u šupljini u datom trenutku LA MPCVD reaktorskog uređaja, prema načinu izvođenja ilustrovanom na slici 7, koji se sastoji od četiri, jedne pored druge raspoređenih CRLH naprava kratkospojenih talasovoda, i razmeštaja talasovodnih linija i razdelnika, kao što su T-spojevi, raspoređeni da napajaju mikrotalasnom energijom sve CRLH naprave talasovoda iz zajedničkog izvora mikrotalasne energije. Takođe su prikazani i kvarcni prozori, raspoređeni horizontalno;

Slika 10B je pogled iz perspektive koji ilustruje fizičku implementaciju načina izvođenja na slici 10A. Ovde se LA MPCVD reaktor sastoji od četiri, jedne pored druge raspoređenih CRLH naprava kratkospojenih talasovoda ispod vakuumske komore, i razmeštaja talasovodnih linija i razdelnika, kao što su T-spojevi, raspoređeni da napajaju mikrotalasnom energijom sve CRLH naprave talasovoda iz zajedničkog izvora mikrotalasne energije, koji treba povezati na pravougaoni ulazni port na dnu crteža. Između izvora energije i ulaznog porta može se koristiti jedinica za usklađivanje impedanse, kao što je tjuner sa 3 čepa;

Slika 11 ilustruje u poprečnom preseku raspodelu električnog polja u xz-ravni. Isprekidana kontura označava oblast plazme. Raspodela bi mogla da predstavlja raspodelu načina izvođenja ilustrovanog na slici 4A, ili raspodelu načina izvođenja sa slike 7A, druga potkomora, gornja zapremina reaktorske komore.

Slika 12A je šematski prikaz poprečnog preseka detalja reaktora, u skladu sa načinom izvođenja ilustrovanim na slici 7A.

Slika 12B je pogled u perspektivi, koji ilustruje fizičku implementaciju gornje polovine vakuumske komore reaktora, prikazane na slici 10B. U ovom pogledu, prednja ploča je uklonjena da bi se ilustrovao detalj reaktora prikazan na slici 12A iznad.

Slika 13A je pogled iz perspektive na šupljinu jedinične ćelije CRLH talasovoda.

Slika 13B je disperzioni dijagram, koji predstavlja fazni pomak po jediničnoj ćeliji sa frekvencijom od 2,45 GHz.

Slika 13C ilustruje mere šupljine jedinične ćelije u mm, prema jednom načinu izvođenja pronalaska, kada je frekvencija 2,45 GHz.

Slika 13D ilustruje mere i raspored proreza CRLH talasovoda, prema jednom načinu izvođenja pronalaska. Prorezi su u ovom načinu izvođenja raspoređeni pod uglom od 45 stepeni u odnosu na z i x pravce talasovoda i imaju dužinu od 40 mm i širinu od 8 mm.

Slika 14A ilustruje kako se čepovi mogu koristiti za podešavanje dimenzija jedinične ćelije. Treba imati na umu da je prikazana jedinična ćelija šupljina, dok čepovi predstavljaju fizičke elemente.

Slika 14B ilustruje u poprečnom preseku sa odsečenim vrhom kako se čepovi mogu uneti u šupljinu da bi se promenile dimenzije jediničnih ćelija. Ovde je prikazana fizička implementacija CRLH talasovoda prema pronalasku. Šupljine su sekvencijalno razmeštene jedinične ćelije raspoređene unutar talasovoda.

Slika 14C ilustruje detalj slike 14B.

Slika 15 ilustruje u blok dijagramu način realizacije postupka za prilagođavanje reaktora različitim radnim frekvencijama koje odstupaju od nominalne frekvencije za koju je reaktor projektovan.

[0013] Na crtežima su x i y-pravci definisani tako da budu upravni na CLRH talasovode, dok je z-pravac na uzdužnom pravcu talasovoda. Pored toga, y-pravac je pravac od talasovoda do reaktora. Pravci su naznačeni na većini crteža. Definicija pravaca je data samo kao ilustracija, i umesto nje su se mogle koristiti druge definicije.

[0014] Slike, kako su podnete, dostavljaju se u boji. Ovo poboljšava ilustraciju raspodele struje u reaktoru i njegovim elementima, kao što je npr. raspodela struje u CLRH odeljku talasovoda. Crvena boja označava najveću gustinu struje, dok je plava najmanja gustina struje. Između crvene i plave nalaze se narandžaste, žute i zelene oblasti sa opadajućim gustinama struje. Crvena boja, pa prema tome i najveća gustina struje, može se videti npr. u centru, duž CLRH odeljka, na sl.2 i sl. 3, u sredini gornje komore na sl.7B i sl.9B, kao i na sredini sl. 11.

Detaljni opis pronalaska

[0015] U tekstu koji sledi, predmetni pronalazak se pominje kao reaktor velike površine za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi i ovde je identifikovan akronimom LA MPCVD (engl. Large Area Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition Reactor). U globalu, inventivni LA MPCVD obezbeđuje u prvom aspektu novo spajanje mikrotalasne energije u komoru za taloženje velike površine. Kao što je ilustrovano na slici 3, spojnica mikrotalasne energije zasnovana je na najmanje delu svojstva beskonačne talasne dužine kompozitnog desno/levo okrenutog, CRLH talasovoda. CRLH talasovod može biti kratko spojen odeljak CRLH talasovoda, koji se sastoji od lanca jediničnih ćelija talasovoda. Svaka jedinična ćelija u lancu je projektovana tako da obezbedi fazni pomak za levo okrenuti, LH propusni opseg, i desno okrenuti, RH propusni opseg, sa nultom disperzijom za frekvenciju koja odgovara radnoj frekvenciji mikrotalasne energije. Tipično, u praktičnom načinu izvođenja, generator mikrotalasne energije može da radi na frekvenciji od 2,45 GHz. U primeni ovog svojstva CRLH talasovoda, koji radi na svojoj „frekvenciji prostiranja beskonačne talasne dužine“, električna struja u različitim delovima zida talasovoda izgleda uniformna u svakom trenutku vremena, ili „koherentna“, bez očiglednih varijacija duž pravca prostiranja mikrotalasa, uzdužno u talasovodu, kao što je naznačeno osom označenom sa "z", i protežući se u najvećoj meri preko cele dužine kratkospojenog odeljka CRLH talasovoda sadržanog u napravi CRLH talasovoda datog pronalaska.

[0016] Da bi se spojila naizgled uniformna, ili „beskonačne talasne dužine“, „koherentna“ elektromagnetna mikrotalasna energija iz talasovoda u komoru LA MPCVD reaktora, CRLH talasovodna naprava datog pronalaska ima jedan ili više odgovarajuće dimenzioniranih i orijentisanih proreza u zidu CRLH talasovoda koji nose uniformno raspoređenu, "koherentnu" električnu struju stvorenu mikrotalasnom energijom koja se širi u talasovodu. Na ovaj način, svi elementi proreza duž kratkospojenog CRLH talasovodnog zida mogu biti pobuđeni da daju kao izlaz mikrotalasnu energiju koja je vremenski u fazi ili u antifazi.

[0017] Da se oblast uniformnog električnog polja takođe proširi u pravcu koji se razlikuje od pravca prostiranja mikrotalasne energije u CRLH talasovodu jedne CRLH talasovodne naprave prema pronalasku, kao što je, na primer, u pravcu naznačenom osom označenom sa "y", nekoliko CRLH talasovodnih naprava može biti pozicionirano u konfiguraciji jedna pored druge i funkcionisati istovremeno da bi se uspostavilo uniformno električno polje mikrotalasne energije velike površine, postavljajući oblast uniformne plazme velike površine unutar reakcione komore.

[0018] U prvom načinu izvođenja pronalazak je, dakle, LA MPCVD reaktorski uređaj (1). Reaktorski uređaj (1) sadrži reaktorsku komoru (2), prilagođenu da obezbedi oblast plazme u unutrašnjosti reaktorske komore pomoću elektromagnetne energije na prvoj frekvenciji. On dalje sadrži CRLH talasovodni odeljak (3), prilagođen da radi sa beskonačnom talasnom dužinom na prvoj frekvenciji, i koji ima u zidu sredstvo (4) za spajanje, postavljeno tako da spaja elektromagnetnu energiju iz unutrašnjosti CRLH talasovodnog odeljka (3) u unutrašnjost reaktorske komore (2). Dva različita reaktorska uređaja su indirektno ilustrovana na slikama 4A i 7A po njihovim unutrašnjim šupljinama. Slika 10B ilustruje reaktorski uređaj (1) sa unutrašnjom šupljinom sa slike 7A. Odeljak CRLH talasovoda, koji se može koristiti za ilustraciju šupljine CRLH talasovoda prema ovom načinu izvođenja, ilustrovan je na sl.1. U povezanom načinu izvođenja, sredstvo za spajanje sadrži mnoštvo spojnica elektromagnetne energije, razmaknute jedna u odnosu na drugu. Ovo sredstvo za spajanje može da sadrži prorez u zidu CRLH talasovodnog odeljka.

[0019] U povezanom načinu izvođenja, jedan ili više CRLH talasovoda u CRLH talasovodnom odeljku imaju drugi, kratkospojen kraj.

[0020] LA MPCVD reaktorski uređaj iznad može da sadrži izvor elektromagnetne energije koji ima energetski izlaz, i pri čemu jedan ili više CRLH talasovoda u CRLH talasovodnom odeljku imaju prvi kraj za energetski ulaz povezan sa energetskim izlazom izvora elektromagnetne energije.

[0021] Uređaj za podešavanje može biti priključen između energetskog izlaza i energetskog ulaza.

[0022] Jedan ili više CRLH talasovoda u CRLH talasovodnom odeljku može imati drugi, kratkospojen kraj, kao što je ilustrovano na sl. 3. Ovde je kratkospojeni kraj nasuprot prvom kraju za energetski ulaz.

[0023] U drugom načinu izvođenja, koji je ilustrovan na, npr., sl.7A, reaktorska komora sadrži prvu i drugu potkomoru, pri čemu prva potkomora sadrži sredstvo za spajanje, a druga potkomora je prilagođena da obuhvati oblast plazme. Elektromagnetna energija se obezbeđuje iz CRLH talasovodnog odeljka u drugu potkomoru preko prve potkomore. Ostali elementi, izuzev reaktorske komore, mogu biti isti kao u prvom načinu izvođenja.

[0024] Prva i druga potkomora mogu u poprečnom preseku imati istu površinu.

[0025] Druga potkomora može da sadrži kvarcne prozore raspoređene tako da odvajaju oblast plazme od atmosferskog pritiska.

[0026] Prva i druga potkomora mogu biti postavljene jedna na drugu i međusobno povezane na svakom kraju kao što je ilustrovano na sl.7A.

[0027] Elektromagnetna energija može biti mikrotalasna energija na prvoj frekvenciji, pri čemu prva frekvencija može, u povezanom načinu izvođenja, biti 2,45 GHz.

[0028] LA MPCVD reaktorski uređaj može da sadrži jedan ili više CRLH talasovoda.

[0029] U trećem načinu izvođenja, koji se može kombinovati sa bilo kojim od gore navedenih načina izvođenja, CRLH talasovodni odeljak sadrži mnoštvo CRLH talasovodnih odeljaka raspoređenih jedan pored drugog, kao što je ilustrovano na slici 3.

[0030] U četvrtom načinu izvođenja, koji se može kombinovati sa bilo kojim od gore navedenih načina izvođenja, LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu CRLH talasovodni odeljak sadrži periodično kaskadne jedinične ćelije.

[0031] U povezanom načinu izvođenja, odnos jediničnih ćelija između frekvencije i faznog pomaka može se konfigurisati.

[0032] U cilju konfigurisanja jediničnih ćelija, jedinične ćelije sadrže u povezanom načinu izvođenja elemente za podešavanje, konfigurisane tako da modifikuju unutrašnje dimenzije jediničnih ćelija. Elementi za podešavanje mogu biti par čepova, raspoređenih tako da se umetnu u svaku jediničnu ćeliju, kao što je ilustrovano na slikama 14A, 14B i 14C.

[0033] U jednom načinu izvođenja, pronalazak je postupak za obezbeđivanje hemijskog taloženja pare u plazmi velike površine u reaktorskoj komori, pri čemu je reaktorska komora postavljena tako da obezbedi oblast plazme u unutrašnjosti reaktorske komore pomoću elektromagnetne energije na prvoj frekvenciji. Postupak obuhvata spajanje elektromagnetne energije iz unutrašnjosti CRLH talasovodnog odeljka u unutrašnjost reaktorske komore, preko sredstva za spajanje na zidu CRLH odeljka, pri čemu je CRLH talasovodni odeljak postavljen tako da radi sa beskonačnom talasnom dužinom na prvoj frekvenciji. Sredstva za zidnu spojnicu ovde mogu biti prorezi, kao što je ilustrovano, npr. na sl.3.

[0034] U jednom načinu izvođenja odeljak CRLH talasovoda sadrži periodično kaskadne jedinične ćelije.

[0035] U povezanom načinu izvođenja, jedinične ćelije mogu da sadrže elemente za podešavanje, konfigurisane tako da modifikuju unutrašnje dimenzije jediničnih ćelija, pri čemu postupak obuhvata podešavanje elemenata za podešavanje.

[0036] U povezanom načinu izvođenja, izvor elektromagnetne energije koji ima energetski izlaz priključen je na ulaz CRLH talasovodnog odeljka, pri čemu postupak obuhvata minimiziranje izmerene reflektovane snage iterativnim podešavanjem elemenata za podešavanje, i usklađivanjem impedanse izvora elektromagnetne energije sa CRLH talasovodnim odeljkom.

[0037] Elementi za podešavanje mogu biti npr. čepovi, kao što je ilustrovano na sl.14A, 14B i 14C.

[0038] Dalje, reaktorska komora i CRLH talasovodni odeljak ovog postupka mogu sadržati svojstva iz bilo kog od gore navedenih načina izvođenja za LA MPCVD reaktor.

Specifičan način izvođenja

[0039] U nastavku je opisan način izvođenja pronalaska sa referencom na priložene crteže. U globalu, ovaj način izvođenja opisuje LA MPCVD reaktor, koji sadrži veći broj CRLH talasovoda postavljenih jedan pored drugog, npr. četiri, kao što je ilustrovano na sl.

3. Sva četiri talasovoda prikazana na slici 3 postavljena su tako da vektor magnetne struje pokazuje u istom pravcu. Mogu se koristiti i druge konfiguracije, koje sadrže bilo koji broj CRLH talasovoda, postavljenih jedan pored drugog.

[0040] Rezonantna šupljina je postavljena na vrh CRLH talasovoda. 3D CAD model odgovarajuće rezonantne šupljine na vrhu četiri CRLH talasovoda je prikazan na slici 4a. Veličina rezonantne šupljine određena je površinom koju zauzimaju prorezi za zračenje. Visina h komore je odabrana tako da bude približno jednaka polovini talasne dužine mikrotalasnog zračenja spojenog u šupljinu. Važno je napomenuti da se veličina rezonantne šupljine LA MPCVD reaktora može skalirati jednostavno promenom dužine i broja CRLH talasovoda, odnosno da se promeni površina koju zauzimaju prorezi za zračenje.

[0041] Mikrotalasno zračenje se magnetno spaja u rezonantnu šupljinu. Pogled na poprečni presek u yz-ravni rezonantne šupljine, prikazane na slici 4a, prikazan je na slici 5, gde strelice naznačavaju pravac i jačinu magnetnog polja, indukovanog zračećim elementima proreza.

1

[0042] Naizmenično magnetno polje generiše uniformno električno polje u upravnom pravcu u odnosu na magnetno polje, preko velike površine rezonantne šupljine, kako je prikazano na slici 4b. Poprečni preseci raspodele električnog polja u xy-, xz- i yz- ravnima prikazani su na slici 6.

[0043] Uniformno električno polje jonizuje radni gas i proizvodi uniformnu plazmu na velikoj površini, videti isprekidanu konturu na slici 6. Reaktorska komora za taloženje mora biti odvojena od atmosferskog pritiska. Ovo se postiže postavljanjem kvarcnog prozora tačno iznad zračećih elemenata. Međutim, postavljanje kvarcnog prozora blizu oblasti plazme nameće nekoliko ograničenja. Prvo, šupljine velike površine zahtevaju velike kvarcne prozore. Debljina prozora se povećava sa površinom kako bi izdržala atmosferski pritisak. Kao rezultat toga, povećavanjem površine šupljine površina prozora se približava oblasti plazme. Drugo, vrela plazma može izazvati velika toplotna opterećenja na prozoru i može ga oštetiti. Termičko oštećenje na prozoru može se izbeći smanjenjem radnog pritiska u komori na ispod mbar opsega, čime se ograničava temperatura taloženja hemijskog procesa taloženja pare.

[0044] Da bi se prevazišao ovaj problem, predložen je drugačiji dizajn rezonantne šupljine. Nova šupljina se sastoji od međusobno povezane donje i gornje zapremine, odnosno prve i druge potkomore, kao što je prikazano na slici 7a. Svaka zapremina ima visinu h i može da zauzima sličnu površinu kao šupljina prikazana na slici 4a. Rastojanje između dve zapremine može varirati od 130 mm do 170 mm. Izbor različitih udaljenosti između zapremina daje različite raspodele električnog polja u gornjem i donjem delu.

[0045] Slika 7a ilustruje model rezonantne šupljine u 3D CAD. Poprečni preseci raspodele električnog polja u yz- i xz- ravnima ilustrovani su na sl.7b.

[0046] Na sličan način kao u prethodnom dizajnu rezonantne šupljine, mikrotalasno zračenje se spaja magnetno u donju zapreminu, ili prvu potkomoru, kao što je prikazano na slici 8. Elektromagnetni talas se dalje širi kroz spojne talasovode do gornje zapremine ili druge potkomore, dajući sličan obrazac jačine magnetnog polja kao što je prikazan na slici 5.

[0047] U napred navedenim načinima izvođenja, rezonantna šupljina bila je ilustrovana postavljena iznad CRLH talasovodnog odeljka. Međutim, rezonantna šupljina može biti postavljena npr. ispod ili sa strane CRLH talasovoda.

[0048] Relativne dimenzije visine, širine i dužine rezonantne komore i relativne prve i druge potkomore, kao i relativna veličina između prve i druge komore i rastojanje između njih takođe mogu da variraju, sve dok rade na prvoj frekvenciji.

[0049] CRLH talasovod ili talasovodi u odeljku CRLH talasovoda mogu takođe biti različitih konfiguracija. Bilo koji dizajn talasovoda sa jediničnim ćelijama gore navedenog tipa, npr. zakrivljen, potencijalno se mogu koristiti za ovu svrhu. Umesto kratko spojenih, oni mogu npr. biti međusobno povezani serijski.

[0050] Sredstvo za spajanje, kao što je jedan ili više proreza u CRLH talasovodima, može biti postavljeno na bilo koji zid, odnosno na bočni, gornji ili donji zid CRLH talasovoda. Poželjno tamo gde je raspodela gustine polja uzdužna, kako bi se doprinelo povećanju oblasti plazme u rezonantnoj šupljini.

[0051] Dizajn rezonantne šupljine, koji se sastoji od donje i gornje zapremine, prevazilazi problem velikih kvarcnih prozora. Sada se kvarcni prozori mogu postaviti na nekoliko lokacija dalje od vrele plazme, kao što je prikazano na slici 9. Isprekidane konture pokazuju vertikalne i horizontalne lokacije kvarcnih prozora. Lokacije se biraju namerno na mestima gde je električno polje minimalno. Kompletna konfiguracija LA MPCVD reaktora sa horizontalno lociranim kvarcnim prozorima je prikazana na slici 10. Četiri CRLH talasovoda su povezana skupom T-spojeva i pobuđena pomoću jednog talasovodnog porta.

[0052] Način izvođenja CRLH talasovoda sada će biti objašnjen. Ovaj način izvođenja se može kombinovati sa bilo kojim od napred opisanih načina izvođenja.

[0053] Spajanje mikrotalasnog zračenja unutar rezonantne šupljine LA MPCVD reaktora može se postići korišćenjem skupa kompozitnih desno/levo okrenutih (CRLH) talasovoda sa prorezima, pri čemu svaki ima svojstvo prostiranja beskonačne talasne dužine. Ovo omogućava generisanje uniformnog električnog polja velikog intenziteta na velikoj površini unutar šupljine. Teorija o CRLH dalekovodima može se naći u literaturi, npr:

- A. Lai et al. Composite right/left-handed transmission line metamaterials. IEEE Microwave Magazine (Volume: 5, Issue: 3, septembar 2004.).

- Amr M. Nour Eldeen and Islam A. Eshrah. CRLH Waveguide with Air-Filled Double-Ridge Corrugations. 2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI).

- T. Ueda et al. Dielectric-Resonator-Based Composite Right/Left-Handed Transmission Lines and Their Application to Leaky Wave Antenna. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (Volume: 56, Issue: 10, oktobar 2008.).

- L. Shaowei et al. Left-Handed Transmission Line Based on Resonant-Slot Coupled Cavity Chain. IEEE Microwave and Wireless Components Letters (Volume: 17, Issue: 4, april 2007.).

- Y. Chen et al. Unequally Spaced and Excited Resonant Slotted - Waveguide Antenna Array Based on an Improved Resonant - Slot Coupled Cavity Chain Composite Right/Left - Handed Waveguide. Progress In Electromagnetics Research, Vol.110, 421-435, 2010.

- C. Caloz et al. Composite right/left-handed transmission line metamaterials, IEEE Microwave magazine, Vol.5, no. 3, stranice 34-50, 2004.

[0054] CRLH talasovod se sastoji od lanca periodično kaskadnih jediničnih ćelija. Svaka jedinična ćelija ima jedinstveno svojstvo podržavanja levo okrenutog (LH) i desno okrenutog (RH) prostiranja talasa, i može se predstaviti korišćenjem modela ekvivalentnog kola kako su opisali Ueda et al. iznad. U balansiranom slučaju, jedinična ćelija nema zaustavnu traku i postoji besprekoran prelaz sa LH na RH opsege u dijagramu disperzije. Pošto predloženi pronalazak koristi svojstvo prostiranja beskonačne talasne dužine CRLH talasovoda, svaka jedinična ćelija u talasovodu mora biti izbalansirana. Ovaj kriterijum se može ispuniti različitim projektovanjima jedinične ćelije, na primer, onima koji su predloženi u referencama Elden i Esrah, Uead et al., Shaovei et al. i Chen et al. iznad.

[0055] Sadašnji način izvođenja CRLH talasovoda koristi sličan dizajn jedinične ćelije kao što su opisali Chen et al. Jedinična ćelija, prikazana na slici 13A, dizajnirana je na takav način da dijagram disperzije, prikazan na slici 13B, ima neometani prelaz sa LH na RH opsege, i stoga je ćelija uravnotežena. Kao što se može videti iz 13B, frekvencija prostiranja beskonačne talasne dužine je na 2,45 GHz i odgovara radnoj frekvenciji izvora energije ili mikrotalasnog generatora.

[0056] Jedinična ćelija može biti realizovana u različitim geometrijskim oblicima i podržavati frekvenciju prostiranja beskonačne talasne dužine koja je različita od 2,45 GHz.

[0057] CRLH talasovod se sastoji od niza periodično kaskadnih jediničnih ćelija, i završava se metalnim zidom, kako je prikazano na slici 3. Mikrotalasno zračenje se na CRLH talasovod dovodi kroz prelazni talasovod. Zbog svojstva prostiranja beskonačne talasne dužine CRLH talasovoda, površinska struja duž talasovoda (z-pravac) teče neometano, kao što je prikazano na slikama 2 i 3. Zbog toga zračeći prorezi, koji se koriste za spajanje mikrotalasnog zračenja u šupljinu, mogu biti postavljeni na skoro proizvoljne pozicije, i blizu jedan drugom, u poređenju sa konvencionalnim talasovodima, gde su susedni prorezi razdvojeni polovinom vodeće talasne dužine (λg). Dakle, datim pronalaskom može se postići ujednačena raspodela elektromagnetnog polja na velikoj površini.

[0058] Mehanizam zračenja proreza je isti kao kod konvencionalnih talasovoda, a količina zračenja svakog proreza određena je presretnutom strujom. Kao rezultat toga, snaga zračenja proreza zavisi od ugla nagiba u odnosu na odgovarajuću središnju liniju CRLH talasovoda. Ovde su svi prorezi rotirani za 45 stepeni da bi se maksimizovala snaga zračenja.

[0059] Jedan efekat pronalaska je taj da se šupljina reaktora može skalirati. Ovo se može uraditi produžavanjem CRLH talasovoda, ili dodavanjem više talasovoda, kao što je gore naznačeno. Ovo bi efektivno povećalo veličinu oblasti generisane plazme.

[0060] Drugi efekat je da LA MPCVD prema načinima izvođenja pronalaska može da radi na opsegu pritiska većem od onog ispod mbar, dok druge implementacije LA MPCVD reaktora, npr. sa standardnim talasovodima, mogu da rade samo sa nižim pritiscima.

1

[0061] Ovo se postiže zahvaljujući novoj tehnologiji spajanja, koju su omogućili CRLH talasovodi, a koja daje prilično uniforman i plitak oblik plazme u oblasti taloženja, u poređenju sa prethodnim stanjem tehnike. Visina plazme je manja od polovine talasne dužine na 2,45 GHz, što znači da plazma može efektivno da apsorbuje ulazno mikrotalasno zračenje. Ovo daje visoku apsorbovanu gustinu snage, koja omogućava rad na višim pritiscima.

[0062] Jedinična ćelija može biti projektovana na takav način da fazni pomak po jediničnoj ćeliji za radnu frekvenciju od 2,45 GHz bude nula.

[0063] Fazni pomak od nule po jediničnoj ćeliji, za frekvencije različite od 2,45 GHz, ili od bilo koje druge radne frekvencije, moguće je u jednom načinu izvođenja, koji se može kombinovati sa bilo kojim od gore navedenih načina izvođenja, postići promenom dimenzija jedinične ćelije. Ovo je naročito važno za mikrotalasne generatore čija radna frekvencija nije zaključana, i predstavlja funkciju izlazne snage. Frekvencija industrijskih magnetrona tipično se povećava sa snagom, i može odstupiti od nominalne frekvencije za 61%. Zbog toga se oblik jedinične ćelije može aktivno prilagoditi tako da se uzme u obzir promena radne frekvencije kako se menja izlazna snaga generatora.

[0064] U povezanom načinu izvođenja, promena oblika jedinične ćelije se postiže na takav način da je fazni pomak po jediničnoj ćeliji nula za bilo koju frekvenciju. Sve ćelije u CRLH talasovodu(ima) mogu se istovremeno prilagoditi. Blok dijagram koji ilustruje postupak adaptivnog upravljanja jediničnim ćelijama prikazan je na slici 15.

[0065] Postupak počinje podešavanjem izlazne snage mikrotalasnog generatora i merenjem odgovarajuće radne frekvencije. Zatim se oblici svih jediničnih ćelija menjaju podešavanjem određenih dimenzija ćelija ili umetanjem elemenata za podešavanje, kao što su čepovi, i održavanjem ćelija u ravnoteži. Oblik svake jedinične ćelije mora se promeniti na isti način, koristeći ulaze iz simulacija ili empirijske podatke. Frekvencija prilagođenih ćelija mora da odgovara radnoj frekvenciji izmerenoj u prethodnom koraku. Nakon prilagođavanja ćelije, impedansa koju vidi generator može se uskladiti pomoću jedinice za usklađivanje impedanse, kao što je tjuner sa 3 čepa koji je raspoređen između izvora energije i CRLH talasovoda. Reflektovana snaga Pref, izmerena u ovom koraku, čuva se za kasniju upotrebu. Pošto ulazi koji se koriste za prilagođavanje ćelije imaju greške, u sledećem koraku ćelije bi trebalo da budu izmenjene za mali iznos u poređenju sa prilagođavanjem u trećem koraku. Zatim se ponovo usklađuje impedansa i meri se odgovarajuća reflektovana snaga P'ref. Na kraju se porede Pref i P'ref. Ako je P’ref < Pref ćelije se ponovo menjaju, nakon čega sledi korak usklađivanja impedanse i novo merenje reflektovane snage. Ovi koraci se ponavljaju iterativno dok se reflektovana snaga ne minimizira. Ako se promeni izlazna snaga generatora, procedura se opet ponavlja.

[0066] Adaptivna kontrola jedinične ćelije, na primer, može se postići simultanim umetanjem dva (skraćena) čepa u donji deo ćelije, kao što je prikazano na slici 14. Jedinična ćelija se može opisati korišćenjem modela ekvivalentnog kola, razlaganjem ćelije na skup valovitosti, čepova i pravougaonog talasovoda sa odgovarajućim induktivnostima šanta, serijskom kapacitivnošću, i serijskom induktivnošću i kapacitivnošću šanta. Dakle, umetanje (skraćenih) čepova u ćeliju efektivno menja induktivnost i kapacitivnost ćelijskih elemenata. Kao rezultat toga menja se frekvencija koja odgovara nultom faznom pomaku po jediničnoj ćeliji. Ovo omogućava adaptivnu kontrolu svake jedinične ćelije u CRLH talasovodu(ima). Dubina umetanja čepova treba da bude odabrana da odgovara radnoj frekvenciji generatora, tako da površinska gustina struje talasovoda ostaje uniformna i nepromenjena. Jedinične ćelije treba da budu izbalansirane tokom procesa.

[0067] Hemijsko taloženje pare, CVD, dijamantskog materijala može se realizovati na sledeći način. Uniformno električno polje, prikazano na slici 7B i slici 9, jonizuje radni gas i proizvodi uniformnu plazmu na velikoj površini, kao što je prikazano na slici 11.

[0068] Tipični radni gasovi za dijamantski CVD proces su vodonik i metan. Metan deluje kao izvor ugljenika, a atomski vodonik, disociran plazmom od molekularnog gasa, neophodan je za selektivno nagrizanje sadržaja grafita u procesu. Drugi gasovi, kao što su azot, kiseonik ili argon, mogu se uvesti u komoru da bi se izmenili parametri CVD procesa kao što su brzina rasta i temperatura supstrata. Šematski prikaz načina izvođenja LA MPCVD reaktora je prikazan na slici 12. Važno je napomenuti da se za proces taloženja mogu koristiti i gornja i donja ravan predstavljene šupljine komore, odnosno druge potkomore. Ovde je prikazan samo proces taloženja na donjim ravnima.

[0069] Radni gas se uvodi sa vrha druge potkomore. Gas se dovodi do supstrata pomoću cevi postavljenih iznad supstrata. Svaka cev sadrži skup otvora za ravnomernu raspodelu gasa po celoj oblasti taloženja.

[0070] Oblast plazme je označena crvenom eliptičnom figurom u sredini sl. 12A. Ona pokriva fazu supstrata, koju predstavlja pravougaonik magenta boje. Dijamantski materijal se nanosi na supstrat postavljen na vrh faze. Supstrat se zagreva plazmom, ali ako je neophodno, faza se može zagrevati i RF indukcijom ili drugim sredstvima.

[0071] Procesni gas može izaći iz komore korišćenjem vakuumske pumpe. Brzina pumpanja se može aktivno podešavati tokom CVD procesa, kako bi pritisak bio stabilan.

1

Claims (18)

Patentni zahtevi

1. Reaktorski uređaj (1) velike površine za hemijsko taloženje pare u mikrotalasnoj plazmi, LA MPCVD, koji sadrži;

reaktorsku komoru (2), prilagođenu da obezbedi oblast plazme u unutrašnjosti reaktorske komore pomoću elektromagnetne energije na prvoj frekvenciji, i

kompozitni desno/levo okrenuti CRLH talasovodni odeljak (3), prilagođen da radi sa beskonačnom talasnom dužinom na prvoj frekvenciji, i koji ima u zidu sredstvo (4) za spajanje, postavljeno da spaja elektromagnetnu energiju iz unutrašnjosti CRLH talasovodog odeljka u unutrašnjost reaktorske komore.

2. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 1, gde sredstvo za spajanje sadrži mnoštvo spojnica elektromagnetne energije razmaknute jedna u odnosu na drugu.

3. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 1 ili 2, gde sredstvo za spajanje sadrži prorez u zidu CRLH talasovodnog odeljka.

4. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 1, 2 ili 3, koji sadrži izvor elektromagnetne energije koji ima energetski izlaz, i gde jedan ili više CRLH talasovoda u CRLH talasovodnom odeljku imaju prvi kraj za energetski ulaz povezan sa energetskim izlazom.

5. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 4, gde jedan ili više CRLH talasovoda u CRLH talasovodnom odeljku ima drugi, kratkospojen kraj.

6. LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, gde reaktorska komora sadrži prvu potkomoru i drugu potkomoru, pri čemu prva potkomora sadrži sredstva za spajanje, a druga potkomora je prilagođena da obuhvata oblast plazme, i gde se elektromagnetna energija obezbeđuje iz CRLH talasovodnog odeljka u drugu potkomoru preko prve potkomore.

7. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 6, gde prva potkomora i druga potkomora imaju istu površinu poprečnog preseka.

8. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 6 ili 7, gde druga potkomora sadrži kvarcne prozore, raspoređene tako da odvajaju oblast plazme od atmosferskog pritiska.

9. LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od gornjih patentnih zahteva 6 do 8, gde su prva potkomora i druga potkomora postavljene jedna na drugu i međusobno povezane na svakom kraju.

10. LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, gde je elektromagnetna energija mikrotalasna energija na prvoj frekvenciji.

11. LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, gde je prva frekvencija 2,45 GHz.

12. LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, gde CRLH talasovodni odeljak sadrži mnoštvo CRLH talasovoda, raspoređenih jedan pored drugog.

13. LA MPCVD reaktorski uređaj prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, gde CRLH talasovodni odeljak sadrži periodično kaskadne jedinične ćelije, pri čemu se za periodično kaskadne jedinične ćelije može konfigurisati odnos između frekvencije i faznog pomaka.

14. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 13, gde periodično kaskadne jedinične ćelije sadrže elemente za podešavanje, konfigurisane tako da modifikuju unutrašnje dimenzije periodično kaskadnih jediničnih ćelija.

15. LA MPCVD reaktorski uređaj prema patentnom zahtevu 14, gde elementi za podešavanje sadrže par čepova, raspoređenih tako da se umetnu u periodično kaskadne jedinične ćelije.

16. Postupak za obezbeđivanje hemijskog taloženja pare u plazmi velike površine u reaktorskoj komori (2)

gde je reaktorska komora postavljena tako da obezbedi oblast plazme u unutrašnjosti reaktorske komore pomoću elektromagnetne energije na prvoj frekvenciji, pri čemu postupak obuhvata:

spajanje elektromagnetne energije iz unutrašnjosti kompozitnog desno/levo okrenutog CRLH talasovodnog odeljka (3) u unutrašnjost reaktorske komore, preko zidnog sredstva (4) za spajanje CRLH talasovodnog odeljka, pri čemu je CRLH talasovodni odeljak postavljen tako da radi sa beskonačnom talasnom dužinom na prvoj frekvenciji.

17. Postupak prema patentnom zahtevu 16, gde odeljak CRLH talasovoda sadrži periodično kaskadne jedinične ćelije, koje sadrže elemente za podešavanje, konfigurisane tako da modifikuju unutrašnje dimenzije periodično kaskadnih jediničnih ćelija, pri čemu postupak obuhvata podešavanje elemenata za podešavanje.

18. Postupak prema patentnom zahtevu 17, gde izvor elektromagnetne energije ima energetski izlaz priključen na ulaz CRLH talasovodnog odeljka, pri čemu postupak obuhvata minimiziranje izmerene reflektovane snage iterativnim podešavanjem elemenata za podešavanje i usklađivanjem impedanse izvora elektromagnetne energije sa CRLH talasovodnim odeljkom.

1