Устройство для плазменного химического осаждения из газовой фазы и способ изготовления заготовки - RU2366758C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение касается устройства для выполнения процесса осаждения (PCVD, плазменного химического осаждения из газовой фазы), в котором один или более легированных или нелегированных слоев осаждают на внутреннюю поверхность стеклянной трубки подложки, и это устройство содержит аппликатор, имеющий внутреннюю и внешнюю стенки, и волновод микроволнового диапазона, который открывается в аппликатор, и этот аппликатор продолжается вокруг цилиндрической оси и снабжен проходом, примыкающим к внутренней стенке, через который могут выходить микроволны, где по этой цилиндрической оси можно поместить трубку подложки, и в котором, по меньшей мере, одна дроссельная канавка кольцеобразной формы, имеющая длину l и ширину b, центрирована вокруг цилиндрической оси внутри аппликатора. Кроме того, настоящее изобретение касается способа изготовления заготовки, и этот способ содержит выполнение процесса осаждения PCVD с целью осаждения одного или более легированных или нелегированных слоев на внутреннюю поверхность стеклянной трубки подложки и впоследствии термического сплющивания сформованной таким образом трубки подложки так, чтобы произвести заготовку.

Одним способом изготовления оптической заготовки является процесс плазменного химического осаждения из газовой фазы (PCVD), который известен из патента США №4314833, выданного на имя заявителя. Согласно процессу, который известен из этого патента, один или более легированных или нелегированных стекловидных слоев наносят на внутреннюю поверхность трубки подложки, используя плазму низкого давления в стеклянной трубке подложки. После того как стекловидные слои нанесены на внутреннюю поверхность стеклянной трубки подложки, стеклянную трубку подложки впоследствии сплющивают в сплошной стержень посредством применения тепла. В дополнительном варианте осуществления на массивный стержень можно снаружи нанести дополнительное количество стекла, например, посредством процесса внешнего осаждения из газовой фазы или с помощью использования одной или более предварительно сформированных стеклянных трубок, обеспечивая композиционную заготовку. Из заготовки, полученной таким образом, получают оптические волокна, нагревая один ее конец.

Согласно международной заявке WO 99/35304, зарегистрированной на имя заявителей, микроволны от СВЧ-генератора (сверхвысокочастотного генератора) проходят к аппликатору через волновод, и этот аппликатор окружает стеклянную трубку подложки. Аппликатор заставляет высокочастотную энергию образовывать плазму. Химически активные газы, которые могут быть или могут не быть легированными, подают на одну сторону трубки подложки, после чего происходит реакция под влиянием плазмы, и легированные или нелегированные стекловидные слои оседают на внутренней поверхности трубки подложки. Другая сторона трубки подложки соединена с вакуумным насосом, чтобы в трубке подложки создавать пониженное давление, в общем давление в диапазоне от 5 до 50 мбар. Аппликатор перемещают назад и вперед в продольном направлении трубки подложки, и с каждым перемещением тонкий стекловидный слой оседает на внутренней поверхности трубки подложки. Аппликатор и трубка подложки в общем окружены печью, чтобы во время процесса осаждения поддерживать трубку подложки при температуре 900-1300°C.

Для увеличения производительности процесса PCVD желательно увеличить скорость, с которой легированные или нелегированные слои оседают на внутренней поверхности стеклянной трубки подложки. Однако увеличение скорости осаждения требует, чтобы высокочастотная энергия, необходимая для диссоциации химически активных, превращающихся в стекло газов в плазме, пропорционально увеличивалась. Заявители нашли, что утечка высокочастотной энергии становится все более и более проблематичной при использовании высокочастотной энергии до уровней приблизительно 2,5 кВт. Следствием такой утечки является неэффективное потребление энергии. Кроме того, обычно происходит излучение в окружающее пространство, и это излучение может повлиять на работу электронного оборудования, присутствующего поблизости. В дополнение к этому утечка излучения нежелательна для обслуживающего персонала по медицинским причинам. Кроме того, заявители нашли, что такая утечка высокочастотной энергии может привести к формированию стоячей волны в трубке подложки, приводя к риску образования синусоидального распределения в осаждении стекловидных слоев по длине трубки подложки, которое является нежелательным.

Цель настоящего изобретения, таким образом, состоит в том, чтобы обеспечить устройство и способ для выполнения процесса осаждения PCVD, в котором можно соответственно использовать уровни энергии до 2,5 кВт без проявления каких-либо вышеупомянутых недостатков.

Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить устройство для выполнения процесса осаждения PCVD, в котором, в частности, величина утечки излучения во время работы такого устройства PCVD составляет менее 100 Вт/м² при измерении на расстоянии 5 см от устройства.

Изобретение, как упомянуто ранее, отличается тем, что длина l дроссельной канавки меньше или равна четверти длины волны, и эта четверть длины волны соответствует четверти длины волны в декартовой системе координат, причем длину l определяют как разность между длиной дроссельной канавки и длиной радиуса внутренней стенки аппликатора, где обе измеряют в направлении, перпендикулярном цилиндрической оси.

Заявители, в частности, нашли, что утечку высокочастотной энергии из аппликатора во время осаждения стекловидных слоев можно уменьшить, используя дроссельную канавку, имеющую специальную конфигурацию, и/или выбор материалов. Хотя присутствие дроссельной канавки известно само по себе, например, из международных заявок WO 99/35304 и WO 03/049141, зарегистрированных на имя заявителей, никакие специальные количества, состояния и/или размеры дроссельной канавки не известны из упомянутых документов, не говоря уже о том, какие количества, состояния и/или размеры можно из них получить. Из международной заявки WO 99/35304 известно, например, что дроссельная канавка может иметь форму кольцеобразного λ/4 волновода, в котором дроссельная канавка центрирована на цилиндрической оси и расположена так, что она размещена в непосредственной близости от двух концов объемного резонатора.

Заявители нашли, сколько высокочастотной энергии может просочиться, когда используют уровень мощности приблизительно 2,5 кВт. По мнению заявителей, упомянутая утечка также зависит от толщины слоя, подлежащего осаждению в трубке подложки, было установлено, что эффект "дроссельной канавки четвертьволновой длины", который известен из известного уровня техники, снижается, когда толщина осаждаемого слоя увеличивается. Другими словами, во время процесса осаждения полная толщина стекловидных слоев увеличивается, так что желательно создать конфигурацию дроссельной канавки (дроссельных канавок), которая приведет к оптимальному результату и в начале, и в конце процесса осаждения. На основании этого исследования заявители поняли, что эффект дроссельной канавки можно оптимизировать, используя длину дроссельной канавки меньше четверти длины волны, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Термин "четвертьволновая длина", как используется здесь, следует понимать как означающий длину в используемой системе координат, которая соответствует одной четверти длины волны в декартовой системе координат. Поскольку дроссельная канавка в цилиндрическом аппликаторе, который используется в настоящем способе и устройстве, является цилиндрическим промежутком, который окружает трубку подложки, для определения четвертьволновой длины используется цилиндрическая система координат. Когда используют микроволны, имеющие частоту 2,45 ГГц, длина волны составляет 122 мм. Длину цилиндрической дроссельной канавки четвертьволновой длины можно рассчитать посредством следующего уравнения:

где:

H_v⁽¹⁾, H_v⁽²⁾ - функции Ханкеля,

k₀ - волновое число в вакууме,

n - показатель преломления материала, используемого для заполнения дроссельной канавки,

где

f - сверхвысокая частота,

С₀ - скорость света в вакууме,

a - радиус внутренней стенки аппликатора,

b - радиус дроссельной канавки.

В дополнительном варианте осуществления настоящего устройства устройство содержит, по меньшей мере, две отдельные дроссельные канавки, каждая имеет длину l, которая меньше или равна четверти длины волны, причем эта четверть длины волны соответствует четверти длины волны в декартовой системе координат, где длину l определяют как разность между длиной дроссельной канавки и длиной радиуса внутренней стенки аппликатора, обе измеряют от цилиндрической оси. Заявители нашли, что применение наполнителя в дроссельной канавке будет влиять на поглощение микроволн. Это приведет к лучшему свойству дроссельной канавки.

Кроме того, в дополнительном варианте осуществления дроссельные канавки могут отличаться по длине l при условии, что каждая отдельная длина l меньше или равна четверти длины волны, причем эта четверть длины волны соответствует четверти длины волны в декартовой системе координат, где длину l определяют как разность между длиной дроссельной канавки и длиной радиуса внутренней стенки аппликатора, обе измеряют в направлении, перпендикулярном цилиндрической оси.

Следует понимать, что в таком варианте осуществления на одной стороне резонатора может присутствовать только одна дроссельная канавка. Однако согласно другой возможности дроссельная канавка присутствует на обеих сторонах резонатора. Если желательно, на одной стороне резонатора может присутствовать несколько дроссельных канавок, и эти дроссельные канавки могут отличаться по длине, однако и в этом случае каждая длина l должна отвечать вышеупомянутому требованию к длине. Однако согласно другой возможности на каждой стороне резонатора размещают несколько дроссельных канавок, и в этом случае вышеупомянутое требование в отношении длины l применяют для каждой дроссельной канавки.

Интенсивность плазмы во внутренней части трубки подложки можно дополнительно увеличить, образуя наименьший промежуток между двумя дроссельными канавками, помещенными на обеих сторонах аппликатора, так, чтобы упомянутый промежуток был меньше λ, где λ - длина волны СВЧ-излучения, подлежащего использованию. Согласно такому варианту осуществления получают более интенсивную плазму, которая обеспечивает более эффективное преобразование исходных материалов в настоящем процессе PCVD.

В дополнительном варианте осуществления полную длину дроссельной канавки можно увеличить на величину, кратную λ/2, где λ - длина волны используемых микроволн, без неблагоприятно воздействия.

Кроме того, заявители нашли, что можно сконструировать так называемые компактные аппликаторы, продлевая конфигурацию дроссельной канавки в продольном направлении, и эта дроссельная канавка отличается тем, что кольцеобразную форму дроссельной канавки конструируют так, что она содержит радиальный промежуток и продольный промежуток, и этот продольный промежуток, который имеет кольцеобразную форму, размещен от цилиндрической оси на расстояние l", продолжающееся вдоль упомянутой цилиндрической оси, и этот промежуток имеет длину m, измеряемую параллельно цилиндрической оси, и она содержит внутреннюю стенку и внешнюю стенку, где l" определяется как размер радиуса внутренней стенки, измеряемый в направлении, перпендикулярном цилиндрической оси.

Согласно такой дополнительной конструкции полная длина дроссельной канавки, а именно длина l" (перпендикулярная цилиндрической оси) плюс длина m (параллельная цилиндрической оси), предпочтительно меньше или равна четверти длины волны, и эта четверть длины волны соответствует четверти длины волны в декартовой системе координат.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения содержит конструкцию так называемой адаптивной дроссельной канавки, длина l которой может изменяться. Согласно такой конструкции устройство, которое может перемещаться в направлении, параллельном цилиндрической оси, предпочтительно присутствует в продольном промежутке, в котором расстояние, на которое микроволны проходят внутри дроссельной канавки, можно адаптировать, изменяя размер продольного промежутка посредством такого устройства. Можно использовать регулирующий элемент в качестве упомянутого устройства, который, например, соединяет дроссельную канавку посредством направляющего приспособления с устройством, содержащим подвижный плунжер, который позволяет изменять расстояние, на которое проходят микроволны внутри прибора. Кроме того, в дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения дроссельную канавку также можно заполнять материалом, показатель преломления которого может изменяться, например, под действием магнитного поля, тока или напряжения. Примером такого наполнителя является феррит, и этот материал имеет показатель преломления, который может изменяться под воздействием магнитного поля.

Используя такую дроссельную канавку, можно адаптировать длину дроссельной канавки в виде функции времени во время всего процесса осаждения, таким образом сводя к минимуму утечку высокочастотной энергии независимо от осаждения стекловидных слоев, в то же время гарантируя максимальную концентрацию высокочастотной энергии в плазме.

Кроме того, в дополнительном варианте осуществления радиальный промежуток дроссельной канавки предпочтительно расположен под углом 90 градусов относительно продольного промежутка дроссельной канавки.

В предпочтительном варианте осуществления аппликатор предпочтительно имеет осесимметричную и кольцеобразную форму, содержит объемный резонатор, который осесимметрично продолжается вокруг цилиндрической оси и который имеет кольцеобразную форму, причем упомянутый объемный резонатор содержит прорезь, которая продолжается по всей окружности вокруг цилиндрической оси, и через эту прорезь микроволновая энергия передается из волновода микроволнового диапазона. В частности, желательно, чтобы волновод микроволнового диапазона открывался в объемный резонатор. Кроме того, в этой связи предпочтительно, что волновод имеет продольную ось, которая продолжается по существу перпендикулярно цилиндрической оси, и эта продольная ось не пересекает прорезь или проход, более конкретно, она не делит объемный резонатор на две равные половины.

Далее дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения и обсуждаются более подробно в описании чертежей.

Настоящее изобретение дополнительно касается способа изготовления заготовки, содержащего выполнение процесса осаждения PCVD для осаждения одного или более легированных или нелегированных слоев на внутреннюю поверхность стеклянной трубки подложки, после которого формируют сплошную заготовку с помощью термического сплющивания полученной таким образом стеклянной трубки подложки, причем способ отличается тем, что процесс осаждения PCVD выполняют в устройстве, как определено выше, в котором трубку подложки располагают по цилиндрической оси, внутри внутренней стенки объемного резонатора, где трубка подложки и объемный резонатор являются по существу коаксиальными, и этот объемный резонатор перемещается назад и вперед вдоль длины трубки подложки.

Согласно такому способу во время всего процесса осаждения потери высокочастотной энергии сведены к минимуму, приводя к более эффективному потреблению энергии.

Использование полученной таким образом заготовки позволяет вытягивать оттуда оптическое волокно, нагревая один конец заготовки.

Чтобы гарантировать удовлетворительное действие адаптивных дроссельных канавок, как описано выше, можно обеспечить такие дроссельные канавки системой измерения и управления, в которой величину утечки энергии измеряют в аппликаторе или около него, после чего в зависимости от нее адаптируют дроссельную канавку.

Утечку высокочастотной энергии в диапазоне, в котором такую энергию используют, можно дополнительно свести к минимуму, снабдив печь, в которой во время процесса осаждения PCVD трубку подложки поддерживают при температуре 800-1300°C, металлической оболочкой. Дополнительные проблемы, которые происходят при использовании такого процесса PCVD, состоят, в частности, в герметизации прорези в печи, через которую проходит волновод для резонатора, и герметизации положений, в которых трубка подложки проходит через печь. В частности, прорезь в печи, через которую проходит волновод, переносящий высокочастотную энергию для аппликатора, должна быть закрыта металлической оболочкой, и эта металлическая оболочка перемещается вместе с аппликатором. Чтобы предотвращать утечку излучения из печи в положениях, в которых трубка подложки выступает из печи, трубку подложки предпочтительно окружают в упомянутых положениях цилиндрическим волноводом, имеющим критическую длину волны, которая меньше используемой длины волны микроволнового излучения. Примером этого является металлическая трубка, для которой принимают, что внутренний диаметр меньше C₀/(1,706×f), где C₀ - скорость света, а f - частота микроволн. Таким образом, при частоте микроволн 2,45 ГГц диаметр трубки должен быть меньше 71,7 мм, и такую металлическую трубку можно создать из двух противолежащих частей. В дополнительном варианте осуществления упомянутый волновод можно обеспечить одной или больше дроссельными канавками, что является желательным, в частности, при использовании более высоких уровней мощности до 5 кВт, чтобы предотвратить утечку излучения в окружающую среду.

Кроме того, в дополнительном варианте осуществления внутреннюю стенку печи можно обеспечить слоем, который поглощает микроволновое излучение, например слоем из карбида кремния (SiC). Толщина такого слоя предпочтительно согласуется с λ/4 (при определенной конфигурации и показателе преломления упомянутого материала). Дополнительное преимущество такой конструкции состоит в том, что микроволновое излучение преобразуется в тепло, в результате которого для подачи в печь требуется меньше энергии.

Настоящее изобретение в дальнейшем будет объяснено более подробно со ссылкой на ряд чертежей, в связи с чем, однако, следует отметить, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено таким особым чертежом.

Фиг.1A схематично изображает аппликатор согласно настоящему изобретению.

Фиг.1B изображает вид в разрезе аппликатора фиг.1А.

Фиг.2 изображает действие ряда дроссельных канавок во время процесса осаждения в виде функции времени процесса с различными значениями длины l.

Фиг.3 схематично изображает адаптивную дроссельную канавку согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 изображает дополнительный вариант осуществления адаптивной дроссельной канавки.

Фиг.5 схематично изображает печь, в которой выполняют процесс PCVD.

Фиг.1A и 1B изображают пример аппликатора при использовании в настоящем процессе PCVD. Микроволны из СВЧ-генератора (не показан) передаются к аппликатору 10 по волноводу 11. Через объемный резонатор 12 и прорезь 13 в аппликаторе высокочастотная энергия микроволнового излучения взаимодействует с плазмой, которая присутствует в трубке 14 подложки около объемного резонатора 12. В аппликаторе имеются дроссельные канавки 15, 16, которые предотвращают утечку высокочастотной энергии. Благодаря использованию для дроссельных канавок длины l, которая меньше четверти длины волны, действие дроссельных канавок оптимизируют. По практическим причинам ширину b дроссельной канавки обычно выбирают меньше длины l или длины дроссельной канавки и больше приблизительно 3 мм. Если используют две отдельные дроссельные канавки 15, 16, как показано на фиг.1A, промежуток d между двумя дроссельными канавками 15, 16 максимально составляет λ.

Фиг.2 изображает действие дроссельных канавок различной длины l во время осаждения слоев на внутренней стенке стеклянной трубки подложки. Сплошная линия изображает действие обычной дроссельной канавки, имеющей длину l, равную 37 мм, которая соответствует длине четвертьволновой дроссельной канавки с микроволновым излучением на частоте 2,45 ГГц и внутренним радиусом аппликатора 19 мм ("1/4 дроссельная канавка", которая известна из известного уровня техники). Очевидно, что удовлетворительный эффект получается только в начале процесса осаждения, но что в конце процесса осаждения происходят значительные потери высокочастотной энергии, и эти потери нежелательны. Пунктирная линия изображает действие дроссельной канавки, имеющей длину 30 мм (=80% "λ/4 дроссельной канавки"). В этом случае действие дроссельной канавки является приемлемым в начале процесса осаждения и лучше, чем действие обычной дроссельной канавки в конце процесса осаждения. Дроссельная канавка, имеющая длину 33 мм (=89% "λ/4 дроссельной канавки"), как показано штрихпунктирной линией, обеспечивает наилучший эффект в середине процесса осаждения и демонстрирует оптимальные характеристики во время всего процесса осаждения. Дроссельные канавки, имеющие длину менее 20 мм (=54% "λ/4 дроссельной канавки") (не показаны), имеют общий эффект, который менее благоприятен, чем действие обычных "λ/4 дроссельных канавок". Эффект дроссельной канавки, имеющей длину больше четверти длины волны (не показан), меньше, чем эффект "λ/4 дроссельной канавки" по всему диапазону осаждения.

Эффект дроссельной канавки можно еще больше улучшить, размещая в аппликаторе разные дроссельные канавки с длиной меньше четверти длины волны, одну позади другой. Кроме того, заявители нашли, что можно сконструировать компактные аппликаторы, продлевая промежуток, из которого состоит дроссельная канавка, в продольном направлении. Пример такой конструкции показан на фиг.3. Длина l адаптивной дроссельной канавки, которая здесь изображена, содержит длину дроссельной канавки в радиальном направлении плюс длину в продольном направлении. Согласно такой адаптивной конструкции дроссельной канавки, длину l можно адаптировать во время процесса осаждения таким образом, чтобы утечку высокочастотной энергии сводить к минимуму независимо от стадии процесса осаждения, и чтобы достигать максимальной концентрации высокочастотной энергии в плазме.

Фиг.3 схематично изображает резонатор, в котором длину l дроссельной канавки 35 адаптируют, перемещая прибор 36 назад и вперед. Упомянутое перемещение назад и вперед прибора 36 можно производить посредством давления масла или давления воды или посредством резьбовой конструкции.

Фиг.4 схематично изображает другой вариант осуществления адаптивной дроссельной канавки 45, и эта дроссельная канавка 45 соединена посредством волновода 48 с регулирующим элементом 49, действие которого основано на отражении микроволнового излучения. Эффект дроссельной канавки можно оптимизировать, изменяя положение, в котором упомянутое отражение имеет место в конце так называемой коаксиальной конструкции. Примером такого регулирующего элемента является коаксиальная конструкция, в которой присутствует подвижный плунжер. Можно сформировать другие регулирующие элементы, например, с помощью ответвления, в котором присутствует такой подвижный плунжер, или подвижного штыря из металла, который, например, радиально продолжается в коаксиальную конструкцию.

Фиг.5 схематично изображает печь, которую используют для поддерживания стеклянной трубки подложки при температуре 800-1300°C во время процесса осаждения PCVD, и эта печь снабжена металлической оболочкой. Из упомянутого чертежа следует, что прорезь в печи 50, через которую перемещается волновод 51, передающий высокочастотную энергию к аппликатору, покрыта металлической оболочкой, и эта металлическая оболочка перемещается вместе с аппликатором. Таким образом, аппликатор, который окружает трубку 54 подложки, присутствует в печи 50. Высокочастотная энергия передается в аппликатор посредством волновода 51, и этот волновод 51 может перемещаться назад и вперед в печи 50 в результате присутствия в печи 50 прорези. Печь 50 снабжена металлической оболочкой, которая предотвращает утечку высокочастотной энергии в окружающую среду. В частности, желательно, чтобы прорезь, через которую перемещается волновод 51, была закрыта пластинами 52, 53, и эти пластины 52, 53 были аналогичным образом снабжены металлической оболочкой так, чтобы утечка высокочастотной энергии через прорезь в печи оказалась невозможной. Такие пластины 52, 53 гарантируют, что печь 50 закрыта при любом положении аппликатора и волновода 51 таким образом, что утечка высокочастотной энергии является невозможной.

Реферат

Изобретение касается устройства для выполнения процесса плазменного химического осаждения из газовой фазы (PCVD), способа изготовления заготовки (варианты), способа изготовления оптического волокна (варианты) и печи для поддержания температуры подложки в процессе PCVD. Один или более легированных или нелегированных слоев наносят на внутреннюю поверхность стеклянной трубки подложки способом PCVD. Устройство содержит аппликатор, имеющий внутреннюю и внешнюю стенки, и волновод, который открывается в аппликатор. Аппликатор продолжается вокруг цилиндрической оси, и он имеет проход, примыкающий к внутренней стенке, через который могут выходить микроволны. По его цилиндрической оси помещают трубку подложки. В аппликаторе имеется, по меньшей мере, одна дроссельная канавка кольцеобразной формы, имеющая длину l и ширину b, которая центрирована вокруг цилиндрической оси внутри аппликатора. Технический результат заключается в повышении производительности процесса плазменного химического осаждения из газовой фазы и уменьшении утечки высокочастотной энергии из аппликатора в процессе PCVD. 7 н. и 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула