close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11620

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 23C 14/35
H 01J 27/02
H 01J 37/317
ГЕНЕРАТОР АТОМАРНОГО ВОДОРОДА
(21) Номер заявки: a 20070769
(22) 2007.06.21
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Новицкий Николай Николаевич; Пашкевич Михаил Викторович; Стогний Александр Иванович
(BY)
BY 11620 C1 2009.02.28
BY (11) 11620
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение
"Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(56) Кузьмичев А.И. ПТЭ. - 1994. - № 5. C. 178-180.
RU 2088056 C1, 1997.
US 5311103 A, 1994.
US 2006/0101853 A1.
JP 4175201 A, 1992.
(57)
Генератор атомарного водорода, выполненный в виде микроволновой печи, включающей технологическую камеру, содержащую ионизационную и дополнительную камеры, вакуумноплотно соединенные, наружную магнитную систему, размещенную между
ионизационной и дополнительной камерами, СВЧ-магнетрон и вакуумную систему, отличающийся тем, что дополнительная и ионизационная камеры выполнены из тефлона,
ионизационная камера выполнена цилиндрической, в боковой стенке которой выполнена
продольная полость кольцеобразного сечения, обращенная открытым торцом внутрь дополнительной камеры, выполненной закрытой, с центральным отверстием, согласованным
по расположению и диаметру с наружным диаметром продольной полости кольцеобразного сечения в боковой стенке ионизационной камеры; содержит газораспределительное
BY 11620 C1 2009.02.28
кольцо, установленное в непосредственной близости от закрытого торца продольной полости кольцеобразного сечения в боковой стенке ионизационной камеры и выполненное с
субмиллиметровыми отверстиями, и кожух, выполненный закрывающим наружную поверхность дополнительной камеры, кроме области соединения с ионизационной камерой,
причем между кожухом и дополнительной камерой выполнена полость для заполнения
проточной водой.
Изобретение относится к генераторам атомарного водорода на основе электрического
разряда в вакууме и предназначено к применению в технологии изготовления материалов
опто-, микроэлектроники и водородной энергетики. В частности, обработка водородом
является важным этапом в производстве полупроводниковых приборов на основе Si, Ge,
GaAs, InP и GaN, а воздействие потоками атомарного водорода позволяет повысить к.п.д.
солнечных элементов до коммерчески востребованного уровня при использовании исходного кремния посредственного качества, выработанного по технологии массового производства Степанова [1].
Известен генератор атомарного водорода [2] на основе стационарного низковольтного
отражательного разряда с полым катодом и самокалящимся элементом, состоящий из разрядной камеры, образуемой последовательно расположенными и имеющими общую ось
симметрии теплоизолированными тонкостенным полым катодом, цилиндрическим анодом и отражательным (плоским) катодом, выполненным из магнитного материала и
имеющим эмиссионное отверстие. Он является эффективным источником атомарного водорода для применений в микроэлектронике.
Недостатком данного генератора неконтролируемый выход атомарного водорода во
время длительного переходного режима.
Известен генератор атомарного водорода на основе ВЧ-газового разряда [3]. Он состоит из высокочастотного генератора (1 МГц, 300 Вт), разрядной трубки из молибденового стекла с малым коэффициентом рекомбинации атомарного водорода на поверхности
(~10-3), и системы транспортировки атомарного водорода. При давлении молекулярного
водорода ниже 0,5 Тор в этом генераторе достигается одновременно степень диссоциации
водорода более 65 % и его последующая транспортировка в виде атомарного потока на
расстояние до 100 см.
Недостатком устройства является невозможность получения потока атомарного водорода диаметром более десяти миллиметров, что обусловлено конструктивными особенностями генератора.
Наиболее близким по техническому решению прототипом является описанный в [4]
генератор, который включает микроволновую печь, содержащую технологическую камеру.
В технологической камере размещается ионизационная камера в виде колпака из термостойкого стекла. Эта камера откачивается стандартной вакуумной системой и заполняется
рабочим газом через дополнительный ввод. Ионизационная камера стационарно прикрепляется ко дну технологической камеры, в котором сделано отверстие для выхода химически активных потоков из области СВЧ-плазмы внутри колпака в дополнительную камеру
обработки изделий. Для предотвращения утечек СВЧ-излучения все отверстия перекрываются металлическими мелкоструктурными сетками с отверстиями менее 3 мм каждое и
надежным электрическим контактом с землей. При необходимости сетка, перекрывающая
отверстие для выхода химически активных потоков из области разряда, может быть отсоединена от земли и тогда на нее подается требуемый для конкретной операции потенциал
смещения. Для предотвращения повреждения магнетрона отраженной мощностью в случае отсутствия разряда внутри технологической камеры отдельно располагается поглотитель мощности в виде емкости с водой объемом ∼200 мл. В режиме генерации потоков
химически активных частиц при пониженном давлении (менее 0,1 Тор) для возбуждения
2
BY 11620 C1 2009.02.28
разряда в режиме электронного циклотронного резонанса используется наружная магнитная система для создания в ионизационной камере, в периферийной области, находящейся
возле выхода в дополнительную камеру, магнитного поля с индукцией 0,1 Тл.
Недостатком прототипа является громоздкость конструкции и разогрев рабочих стенок из термостойкого стекла до температур свыше 200 °С преимущественно из-за рекомбинационных процессов на их поверхности. Последний недостаток будет особенно
выражен при использовании молекулярного водорода для генерации потока атомарного
водорода. Интенсивные рекомбинационные процессы на внутренних стенках громоздкой
конструкции генератора являются также причиной непроизводительных потерь атомарного водорода и, как следствие, снижают эффективность устройства.
Задачей заявляемого изобретения является создание компактного генератора и повышение эффективности получения пучков атомарного водорода, что приводит к увеличению КПД генератора.
Решение поставленной задачи выполняется в генераторе атомарного водорода, выполненном в виде микроволновой печи, включающей технологическую камеру, содержащую
ионизационную и дополнительную камеры, вакуумноплотно соединенные, наружную
магнитную систему, расположенную между ионизационной и дополнительной камерами,
СВЧ-магнетрон и вакуумную систему. Дополнительная и ионизационная камеры выполнены из тефлона, ионизационная камера выполнена цилиндрической, в боковой стенке
которой выполнена продольная полость кольцеобразного сечения, обращенная открытым
торцом внутрь дополнительной камеры, выполненной закрытой, с центральным отверстием, согласованным по расположению и диаметру с наружным диаметром продольной полости кольцеобразного сечения в боковой стенке ионизационной камеры; содержит
газораспределительное кольцо, установленное в непосредственной близости от закрытого
торца продольной полости кольцеобразного сечения в боковой стенке ионизационной камеры и выполненное с субмиллиметровыми отверстиями, и кожух, выполненный закрывающим наружную поверхность дополнительной камеры, кроме области соединения с
ионизационной камерой, причем между кожухом и дополнительной камерой выполнена
полость для заполнения проточной водой.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фигуре схематически изображен генератор атомарного водорода.
Генератор атомарного водорода содержит микроволновую печь 1 с технологической
камерой 2 и СВЧ-магнетроном 3 для подачи СВЧ-мощности в технологическую камеру 2.
В технологическую камеру 2 помещена ионизационная камера 4 с продольной полостью
кольцеобразного сечения 5 в боковой стенке ионизационной камеры 4 и дополнительная
камера 6 закрытого вида, вакуумноплотно состыкованная с ионизационной камерой 4 (вакуумное уплотнение на чертеже не показано). В дополнительной камере 6 выполнено центральное отверстие (на чертеже не показано), согласованное по расположению и диаметру
с наружным диаметром продольной полости кольцеобразного сечения 5. Дополнительная
камера 6 закрыта кожухом 7 по всей наружной поверхности, кроме области соединения с
ионизационной камерой 4 и таким образом, что между дополнительной полостью 6 и кожухом 7 образуется полость (на чертеже не показано), являющаяся водной рубашкой после заполнения проточной водой. Магнитная система 8 находится внутри водной рубашки
и служит для создания магнитного поля величиной 0,1 Тл в области выхода торца полости
кольцеобразного сечения 5 в дополнительную камеру 6. Кольцо 9 возле закрытого торца
полости кольцеобразного сечения 5, через субмиллиметровое отверстие в котором подается молекулярный водород (на чертеже не показано), выполняет роль газораспределителя
для обеспечения равномерного напуска молекулярного водорода в генератор. Откачка из
генератора водорода производится через ионизационную камеру 4 в направлении, обратном направлению напуска. Гибкие выводы откачки и напуска из тефлона (на чертеже не
показано) крепятся к стенкам технологической камеры 1, причем места соединения пер3
BY 11620 C1 2009.02.28
форированы отверстиями диаметром менее 2,7 мм (на чертеже не показано) для исключения утечек СВЧ-мощности из технологической камеры 1. Образцы 10 размещены внутри
дополнительной камеры 6 и обращены обрабатываемой поверхностью к ионизационной
камере 4. Элементы конструкции 4-7,9 выполнены из тефлона.
Генератор атомарного водорода работает следующим образом.
Конкретный образец генератора атомарного водорода был изготовлен на базе микроволновой печи фирмы "LG" с внутренним объемом технологической камеры 24 литра и
СВЧ-магнетроном 75S(31) мощностью 750 Вт на рабочей частоте 2,45 ГГц. Ионизационная
камера 4 имела высоту 120 мм, наружный диаметр 130 мм и внутренний диаметр 50 мм.
Высота полости кольцеобразного сечения 5 составляла 60 мм, наружный диаметр - 116 мм,
внутренний - 64 мм. Дополнительная камера 6 имела высоту 120 мм и внутренний диаметр
130 мм. Магнитная система 8 состояла из 12 самарий-кобальтовых магнитов в виде столбиков диаметром 16 мм и высотой 12 мм с намагниченностью вдоль оси каждого до 0,08 мТл.
Магниты ориентировались одноименными полюсами к оси и равномерно размещались по
окружности, возле торца полости 5, гарантированно обеспечивая области с магнитным
полем индукцией 0,1 Тл внутри полости 5 и далее быстро спадающего по величине в приосевой области ионизационной камеры 4. Емкость водной рубашки, ограниченной кожухом 7, составляла 0,45 литра. Количество одновременно обрабатываемых образцов 10 не
превышало 4 штук при использовании стандартных пластин кремния диаметром 100 мм.
Образцы погружались на атмосфере в дополнительную камеру 6, эта камера через стандартную дверцу микроволновой печи прикреплялась к стационарно закрепленной в технологической камере 2 ионизационной камере 4. Далее производилась откачка до предельного
вакуума ~10-5 Тор и при помощи микроигольчатого натекателя устанавливался рабочий
расход молекулярного водорода из интервала значений 0,05…0,2 см3с-1 атм, что приводило к увеличению давления внутри ионизационной камеры 4 до 2⋅10-3…10-1 Тор и к почти
на порядок более высокому значению давления внутри полости кольцеобразного сечения 5.
Таким образом максимальный градиент давления задавался примерно в области максимального магнитного магнитной системы 8 по торцу полости 5. После этого стандартными ручками панели управления микроволновой печи подбирались режимы длительности и
интенсивности (скважности) обработки. СВЧ-разряд возбуждался не более чем через секундную задержку после срабатывания СВЧ-магнетрона 3. Наиболее интенсивная область
горения разряда (соответственно его локализация) сосредоточивалась в области выхода из
торца полости кольцеобразного сечения 5, где магнитное поле максимально и одновременно обеспечивается градиент давления из-за пересечения потоков напуска и откачки.
Менее интенсивное свечение плазмы наблюдалось в области откачки из ионизационной
камеры 4 и только фоновое свечение фиксировалось внутри дополнительной камеры 6.
Последнему способствовало наличие водной рубашки под кожухом 7, т.к. слой воды является
эффективным поглотителем СВЧ-волн, а со стороны осевого отверстия в торце проникновению СВЧ-волн препятствовало поглощение их в газоразрядной плазме ионизационной
камеры 4. Поэтому значительная часть поверхности дополнительной камеры 6 была экранирована от прямого проникновения СВЧ-излучения. Разложение молекулярного водорода
на атомарный происходило посредством фотодиссоциации и диссоциации при электронном ударе. Последний процесс наиболее эффективно реализовывался в кольцеобразной
области максимального свечения плазмы в торце полости 5, где концентрация электронов
была также максимальна, а наличие сильного магнитного поля увеличивало время удержания их в области интенсивного взаимодействия с нейтралами в результате движения по
циклоидальным траекториям вдоль линий магнитного поля. Рост концентрации электронов
в плазме приводил к интенсификации процессов диссоциации электронным ударом и
позволял значительно увеличить выход атомарного водорода. Другим важным фактором
являлось изготовление всех внутренних рабочих поверхностей генератора из тефлона,
вероятность рекомбинации атомарного водорода на котором является незначительной и
4
BY 11620 C1 2009.02.28
ею можно пренебречь (в отличие от других вакуумных материалов). Градиент давления в
области интенсивной генерации атомарного водорода формировал его в расходящийся
поток диффузионной природы, направленный к поверхностям обрабатываемых деталей.
Конструкция прототипа, в отличие от заявляемого устройства, не предусматривала
возможности создания градиента давления внутри ионизационной камеры, а неотъемлемые элементы ее имели внутренние поверхности из кварца и металла (экранирующие сетки), коэффициенты рекомбинации атомарного водорода на поверхности которых в сотнитысячи раз превосходят аналогичное значение для тефлона. Для проведения сравнения
эффективности предлагаемого генератора атомарного водорода с прототипом был изготовлен макет, подобный заявляемому, но без полости кольцеобразного сечения в ионизационной камере 4. Обработке подвергались пластины солнечного кремния из одной
партии. Обработка в представленных генераторах водорода позволила на 10…12 % увеличить кпд элементов с исходным значением в 11…12 % и повысить их радиационную
стойкость. Но в предлагаемом изобретении насыщение указанных процессов происходило
после 4…8 минут обработки в средних режимах, а в макете - через 16-24 минуты в режимах, близким к предельным для микроволновой печи, причем в последнем случае эффект
был менее стабилен.
Таким образом, совмещение областей максимального градиента давления и максимального магнитного поля за счет выполнения дополнительной кольцеобразной полости 5
и подачи молекулярного водорода через нее в направлении, противоположном направлению откачки позволило создать компактный генератор атомарного водорода с высоким
КПД.
Источники информации:
1. Энциклопедия технологии полупроводниковых материалов. Т. 1. / Под ред. К.А.
Джексона, В. Шретера: Пер. с англ. Под ред. Домашевской Э.П. - Воронеж: Водолей,
2004. - С. 982.
2. Патент России 2088056, 1998.
3. Акулов Ю.А., Мамырин Б.А., Шихалиев П.М. Получение атомарного водорода в
высокочастотном газовом разряде и масс-спектрометрическая диагностика процесса //
ЖТФ. - 1997. - Т. 67. - № 5. - С. 140-142.
4. Кузьмичев А.И. Ионно-плазменные источники на базе микроволновых печей //
ПТЭ, 1994. - № 5. - С. 176-180.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
326 Кб
Теги
by11620, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа