Таким же образом японские авторы [52] получили толстый защитный слой оксинитридного стекла на поверхности заготовок волоконных световодов, проведя процесс нитрирования на стадии пористого состояния заготовки в атмосфере азота и гелия.
В нашем случае для осаждения защитной оксинитридной оболочки на боковую поверхность заготовки использовался рабочий газ состава SiCl4+O2 (воздух)+ N2 в плазме резонансного СВЧ-разряда пониженного давления. Для защиты световода от диффузии ОН групп при его нагреве свыше 100оС в экстремальных условиях и повышения прочности и термостойкости толщина защитной оксинитридной оболочки должна составлять ~ 1% от диаметра световода (30-40 нм в вытянутом волокне), а концентрация азота в стекле должна быть не менее 8 вес. % [15, 17, 19, 22].
Резонаторный СВЧ-плазмотрон на виде колебаний Н111 (ТЕ111)
СВЧ-плазмотрон является основным рабочим органом СВЧ-плазмохимической установки, осуществляющим процесс плазменного активирования химических реакций в парогазовой смеси реагентов и обеспечивающим протекание гетерогенных плазмохимических реакций качественного осаждения тонких слоев прозрачного кварцевого и легированного стекла POVD или PCVD методами на внутреннюю и наружную поверхности опорной трубы или на боковую поверхность кварцевого стержня [8, 41, 42, 49].
Плазмотрон должен обеспечивать:
1. Высокую скорость осаждения.
2. Высокую эффективность легирования и использования исходных реагентов.
3. Равномерность и однородность геометрии осажденных слоев, а также однородность концентрации легирующих добавок в слоях (азимутальную и аксиальную) и их высокую воспроизводимость.
4. Высокий коэффициент передачи СВЧ-энергии в разрядный объем плазмы в диапазоне мощности СВЧ от сотен ватт до единиц киловатт и постоянство удельного энерговклада в разрядном объеме в резонансном режиме работы.
5. Сохранение работоспособности в условиях воздушной среды, нагретой до температуры 1200-1300оС.
6. Слабую чувствительность, либо отсутствие ее, к эксцентриситету трубки, стержня и плазмотрона.
7. Иметь минимальные габариты для снижения тепловых потерь и габаритов станка.
Перечисленные требования заставляют ориентироваться при выборе конструкции СВЧ- плазмотрона на резонаторную с низшим типом колебаний в цилиндрическом полом или коаксиальном волноводе. При этом желательно использовать азимутально-симметричный тип волны и обеспечить локальную плазменную зону.
Использование азимутально-симметричных волн в круглом полом или коаксиальном волноводах облегчает решение задачи получения азимутально-однородных по оптическим характеристикам слоев, не требует вращения опорной трубки в процессе осаждения и в целом способствует повышению качества осаждения.
Требование локальности плазменной зоны связано с кинетическими особенностями данного метода осаждения, а также с энергетикой разряда. Невыполнение этого требования может привести к слоевой неоднородности распределения легирующей добавки в единичном осажденном слое по его толщине, что связано с различием в скоростях реакций окисления в плазме основного реагента SiCl4 и легирующих добавок, например, GeCl4 или фторсодержащего соединения C2F6 (C3F8). При большой протяженности разряда поток тетрахлорида кремния разлагается и вступает в реакцию с кислородной плазмой сразу же при входе в разряд, максимум GeO2 наблюдается несколько дальше по потоку и еще дальше наблюдается максимальная концентрация фтора. В итоге может сложиться такая ситуация, когда осаждаемые слои SiO2 будут сильно обеднены или совсем лишены легирующей добавки [25].
В локальной плазменной зоне (несколько см), по сравнению с более протяженной, при той же вкладываемой СВЧ-мощности, обеспечивается удельный энерговклад, достаточный для синхронного протекания процессов окисления основного реагента и легирующей добавки. Наличие резких градиентов параметров плазмы (ne) на краях локальной плазменной зоны также способствует более интенсивному протеканию реакции по всем компонентам [25, 34].
В настоящее время отсутствует какая-либо теоретическая модель, которая позволила бы надежно выбирать, в зависимости от поставленной задачи, основные параметры плазмотрона - тип волны, рабочую частоту, подводимую мощность, геометрию и способы его настройки. Конструкция плазмотронов отрабатывается эмпирическим путем на макетах методом последовательных приближений.
Основная сложность при этом заключается в том, что необходимость получить достаточно высокие значения Е/р (где Е - напряженность электрического поля волны в плазме, р - давление в разряде)требует использования плазмотронов резонаторного типа, работающих на стоячей волне, в максимуме электрического поля которой располагается кварцевая труба или стержень. Однако эти плазмотроны очень чувствительны к заполняющим их средам, согласование их с генератором носит резонансный характер и требует механизмов настройки плазмотрона.
С другой стороны, такие плазмотроны невозможно рассчитывать по известным методикам расчета незаполненных резонаторов, т.к. в рабочем режиме они нагружены плазмой, которая является активной нагрузкой и резко снижает добротность резонатора, одновременно с этим изменяя резонансную частоту. Настроенный же в резонанс с СВЧ-генератором плазмотрон представляет известные трудности при зажигании разряда, т.к. в режиме без плазмы резонансной настройки нет. На резонансную частоту плазмотрона влияет также заполнение его кварцевыми деталями - опорной трубкой, стержнем, трубой- реактором. Все эти элементы сдвигают рабочую частоту в сторону ее уменьшения, в то время как плазма несколько ее повышает (в зависимости от типа волны на 3-5%).
Анализ типов волн, которые можно использовать для решения данной задачи, показывает, что к таким типам можно отнести волны ТЕМ, ТЕ11, ТЕ01, ТМ01, ТМ02. Из них только ТЕ11 не является азимутально-симметричной волной, однако она имеет и некоторые преимущества перед симметричными волнами [41-48].
Симметричные волны более предпочтительны с позиции обеспечения азимутальной однородности осаждения, однако и в этом случае имеется фактор, нарушающий эту однородность - боковой подвод энергии к плазме, находящейся на оси симметричного плазмотрона.
Проведенный анализ распределения полей и экспериментальное изучение процесса осаждения на макетах плазмотронов с различными типами волн позволяют выбрать из перечисленных следующие типы: ТЕ11 и ТМ02 и соответственно ТЕ111 и ТМ020 виды колебаний в резонаторах. Предполагается, что рабочая частота источника СВЧ энергии должна составлять 2,45 Ггц, а выходная мощность не превышать 6 кВт.
В плазмотроне на волне ТЕ11 [42] азимутальную неоднородность осаждения, вызванную как азимутально-несимметричными распределениями полей, так и односторонним подводом энергии, можно устранить вращением трубы (стержня), а в плазмотроне на волне ТМ02 существует возможность подвести энергию к разряду равномерно со всех сторон, несмотря на боковое возбуждение [16, 17].
Плазмотрон на волне ТЕ11 (ТЕ111 или Н111 вид колебаний)
Наш выбор этого типа волны, не обладающего азимутальной симметрией, основан на следующих особенностях [42-48]:
1. ТЕ11 является низшим типом волны в круглом волноводе и вторым (после ТЕМ) в коаксиальном. Отсутствие каких-либо компонент полей, совпадающих по направлению и фазе у этих двух типов волн, делает возможным одномодовый режим работы плазмотрона на волне типа ТЕ11 при волноводном возбуждении.
2. Волна ТЕ11 имеет максимальное значение вектора Пойнтинга на оси волновода, что хорошо стабилизирует разряд на оси при любых возмущающих воздействиях. При этом, если в незаполненном резонаторе z=0 из-за дополнительного сдвига фазы между и на , то в резонаторе Н111, заполненном поглощающей плазмой z0 и имеет максимум на оси.
3. Волна ТЕ11 в коаксиальной структуре, каковой является цилиндрический резонатор с проводящей плазмой на оси, практически не трансформируется в волну ТЕМ, что снижает выход СВЧ энергии через боковые отверстия плазмотрона и по диэлектрическим кварцевым элементам (трубы, стержня).
4. Волна ТЕ11 обеспечивает максимальный энерговклад в плазму СВЧ-разряда, в связи с чем, именно в этом случае, вероятнее всего получить максимальные значения Е при минимальных вкладах мощности.
5. Как уже отмечалось, неоднородность осаждения может быть снята вращением трубы и стержня, а также круговой поляризацией вектора Е или вращением плоскости поляризации.
6. Плазмотрон на волне ТЕ11 имеет малые габариты.
Расчет плазмотрона производится по обычной методике для цилиндрических или коаксиальных волноводов. Невозможность точного расчета геометрии заполненного плазмой и диэлектриком резонатора делает необходимым его подстройку, в связи с чем выбирается некоторый допуск на резонансную частоту, в пределах которого должна работать подстройка. Величина выбираемого допуска зависит как от параметров разряда (мощность, давление, состав реагентов), так и от размеров и геометрии кварцевых элементов, заполняющих плазмотрон. Максимальное влияние на резонансную частоту имеют элементы, которые находятся в области сильного электрического поля [41-48].
В коаксиальном волноводе с диаметрами наружного и внутреннего проводников соответственно D и d выражение для критической волны типа ТЕ11 дается формулой
Следующей возбуждается волна ТЕ21, для которой
Отсюда, условием работы плазмотроны на волне ТЕ11 является неравенство:
или, заменяя критические длины волн критическими частотами, согласно соотношению , где с-скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве, получим:
или
Значение диаметров, однако, не полностью определяет резонансные свойства плазмотрона.
Для резонатора ТЕ111 существует еще одна величина, а именно длина резонатора. Обычно диаметры D и d выбираются из конструктивных соображений и для обеспечения нужного значения волнового сопротивления
(ом),
а затем определяется длина резонатора
,
где - длина волны в волноводе
Резонатор можно рассчитывать и по формуле для расчета цилиндрического волновода
,
где .
Для волн магнитного типа справедливы соотношения:
откуда условие существования в резонаторе волны заданного типа определяется для волн магнитного типа выражением:
В частности, для волн ТЕ111 резонансная частота
Исходя из изложенного, нами выбраны размеры резонатора: , , .
Для этого резонатора волновое сопротивление , , , ,
В таком резонаторе тип волны ТЕ21 может возбудиться только при длине близкой к 133,4 мм. Хотя соотношение и не выполняется - , а .
Конструктивно плазмотрон выполнен в виде охлаждаемого цилиндра с внутренним диаметром 110 мм, имеющего два короткозамыкающих фланца с обеих сторон. При этом один фланец выполнен неподвижным и охлаждаемым, а второй имеет возможность перемещения в осевом направлении для изменения резонансной длины Lp в процессе настройки на резонансную частоту [42].
Конструкция плазмотрона приведена на рис. 15. Плазмотрон имеет цилиндрический охлаждаемый сварной корпус из нержавеющей стали 5,6, боковые экранные трубки 3 с контактными цангами 4, через которые соосно проходит кварцевая опорная трубка 2. В показанном варианте плазмотрон имеет подвижную боковую стенку 7, 8, 9, служащую для дополнительной настройки резонансной частоты, которая закрыта охлаждаемой боковой крышкой 10. Корпус плазмотрона, волновод, боковая крышка охлаждаются водой 14, 17, корпус плазмотрона покрыт толстым слоем теплоизолятора 1. СВЧ-энергия подводится к плазмотрону по волноводу 18 от волноводного тракта, установленного вместе с генераторным блоком СВЧ-генератора на подвижной каретке станка. Совершая вместе с кареткой возвратно-поступательное перемещение вдоль опорной трубки, плазмотрон обеспечивает на ее внутреннюю поверхность осаждение тонких прозрачных слоев чистого или легированного кварцевого стекла. Для наблюдения и исследования предусмотрены окна (отверстия) 11. Волновод 12,13 в рабочем состоянии охлаждается водой. Согласование волноводного тракта и резонатора осуществляется металлической диафрагмой индуктивного типа 16 в корпусе из фторопласта 15.
Кварцевая труба в СВЧ плазмотроне может быть расположена соосно на продольной оси цилиндрического корпуса. Максимальный наружный диаметр трубы - 50 мм. На оси трубки может быть расположен цилиндрический стержень из кварцевого стекла диаметром 18-28 мм. Соосно с кварцевой трубой через резьбовые отверстия в боковых фланцах внутрь плазмотрона введены цилиндрические экраны из нержавеющей стали, служащие для ограничения зоны разряда в осевом направлении, настройки резонатора и предотвращения вытекания СВЧ - энергии через боковые отверстия в окружающее пространство. Внутри цилиндрических экранов размещены поглотители СВЧ - энергии из графита, которые, в свою очередь, защищены от воздушной среды кварцевой трубой, выполняющей также функцию теплового экрана. Резонатор возбуждается волноводом сечением 72x20 мм, в плоскости “Н” которого расположена ось резонатора.