Приборы и техника эксперимента, 2021, № 5, стр. 53-56

В статье представлены результаты исследований генератора мощных импульсов высокого напряжения, разработанного для создания наносекундных разрядов в плазмохимических устройствах.

Электрическая схема генератора приведена на рис. 1. Наносекундные импульсы выходного напряжения формируются с помощью высоковольтного блока (ВБ), который содержит повышающий трансформатор Тр и прерыватель тока в виде блока последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением (DSRD – drift step recovery diodes) [1, 2 и др.]. Для коммутации энергии в первичную обмотку Тр используется описанный в [3] низковольтный транзисторный блок (НБ), который при значительном изменении импеданса цепей блока ВБ обеспечивает высокую стабильность напряжения зарядки накопительного конденсатора С и высокую эффективность рекуперации энергии, отраженной от блока ВБ. В блоке DSRD используются описанные в [4] кремниевые диоды с диаметром структур 20 мм, имеющие рабочее напряжение 1 кВ. Они позволяют обрывать ток с амплитудой до 600 А за время ~3 нс. Эффективная работа используемых диодов достигается с помощью цепей магнитного сжатия L₁, C₁ и L₂, C₂, которые обеспечивают протекание через структуры DSRD спаренных импульсов прямого и обратного тока с длительностью не более 300 нс и 150 нс. При протекании прямого тока в структурах DSRD накапливаются электроны и дырки, которые затем выносятся быстро нарастающим обратным током. Когда в диодных структурах не остается накопленного заряда, проводимость DSRD резко уменьшается, и происходит коммутация тока в коаксиальный кабель (КК), а затем в нагрузку Z. В результате в нагрузке выделяется энергия, накопленная в индуктивности L₂. Заданная выходная энергия (~100 мДж) обеспечивается при достаточно большой индуктивности L₂ (~0.8 мкГн). При такой индуктивности требуемая для эффективного выключения блока DSRD высокая скорость нарастания обратного тока достигается при зарядке конденсатора С₂ до напряжения ~12 кВ.

Рис. 1.

Электрическая схема генератора. ВБ – высоковольтный блок, НБ – низковольтный блок, ДТ – датчик тока, DSRD – блок дрейфовых диодов с резким восстановлением, КК – коаксиальный кабель; Т₁ – IRGPS60B120KDP (2 параллельно), Т₂ – IRGPS60B120KDP (4 параллельно); D₁ – KBPC3506, D₂, D₃ – 80APF12, D₄ – 80APF12 (2 параллельно); DSRD – диаметр структур 20 мм (20 последовательно); Тр – сплав 2НСР 64 × 40 × 50 мм, w₁ = 1, w₂ = 15; L₁ – феррит Epcos 63 × 38 × 25 мм, w = 25, w_r = 1 ; L₂ – феррит Epcos 41.8 × 26.2 × 12.5 мм, w = 10, w_r = 1; КК – РК75-7-15 (3 м).

Генератор работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор С₀ заряжен от сети ~220 В, через обмотки w_r протекает постоянный ток ~1 А, который переводит сердечники трансформатора Тр и дросселей L₁, L₂ в рабочее состояние. После включения транзисторов Т₁, Т₂ через индуктивность L и датчик тока (ДТ) протекает ток разряда С₀. В момент, когда этот ток достигает заданной величины, датчик тока ДТ формирует сигнал, по которому осуществляется выключение Т₁, Т₂. В результате происходит коммутация тока из индуктивности L в конденсатор C и его зарядка до рабочего напряжения (1 кВ). Величина этого напряжения определяется только энергией, запасенной в индуктивности L, и не зависит от величины сетевого напряжения и от процессов, протекающих в блоке ВБ при формировании импульса выходного напряжения.

После окончания процесса зарядки конденсатора С включается транзистор Т₂ и не отключается до следующего цикла зарядки С. В результате осуществляется разряд конденсатора С и зарядка конденсатора С₁. В процессе зарядки C₁ дроссель L₁ имеет большую индуктивность, которая препятствует нарастанию тока через блок DSRD. В момент насыщения сердечника индуктивность дросселя L₁ резко уменьшается и конденсатор С₁ быстро разряжается по цепи DSRD–С₂–L₁. В результате происходит зарядка конденсатора С₂ и через блок DSRD протекает прямой ток с амплитудой ~250 А и длительностью ~260 нс. В процессе зарядки С₂ ток через дроссель L₂ очень мал, так как индуктивность дросселя велика. После насыщения сердечника дросселя L₂ конденсатор С₂ разряжается по цепи DSRD–L₂, и в блок DSRD коммутируется быстро нарастающий обратный ток. Блок DSRD выключается через ~80 нс после коммутации обратного тока. В процессе выключения блока DSRD протекающий через индуктивность L₂ выходной ток генератора (~550 А) коммутируется в коаксиальный кабель КК, имеющий волновое сопротивление 75 Ом и длину ~3 м. Фронт и амплитуда импульса напряжения на входе кабеля определяются временем выключения блока DSRD и произведением выходного тока на волновое сопротивление кабеля, а амплитуда и форма импульса напряжения на конце кабеля КК – параметрами нагрузки Z.

При использовании нагрузки в виде резистора с сопротивлением 75 Ом импульс выходного напряжения имел амплитуду ~40 кВ, фронт ~3 нс и длительность ~18 нс. Осциллограмма этого напряжения приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Осциллограмма напряжения U на нагрузке с сопротивлением 75 Ом. Масштаб по вертикали 10 кВ/деление; по горизонтали – 4 нс/деление.

Известным недостатком LC-цепей магнитного сжатия является то, что после коммутации выходного тока в конденсаторах остается неиспользованная энергия. В разработанном генераторе эта энергия коммутируется в цепь первичной обмотки трансформатора и обусловливает протекание тока по цепи D₂–D₃–L–D₄–T₂. В результате происходит рекуперация энергии в индуктивность L. После окончания процесса рекуперации происходит включение транзистора T₁, и ток через индуктивность L нарастает до заданной величины, которая при выключении транзисторов Т₁, Т₂ обеспечивает зарядку конденсатора С до рабочего напряжения.

Рассмотренный DSRD-генератор был использован в АО “Астор” (Санкт-Петербург, Россия) для исследования возможности газоразрядного синтеза кремния.

В настоящее время поликристаллический и аморфный кремний остаются основными материалами для фотоэлектрических систем. Хорошо известен метод осаждения кремния из паровой фазы смеси силанов с водородом на затравках-стержнях (метод Сименса). Альтернативный метод основан на использовании водорода и тетрафторида кремния SiF₄ (SiF₄ + 2H₂ ⇒ Si + 4HF). Перспективность этого метода определяется малой стоимостью и взрывобезопасностью SiF₄. Основные трудности при его использовании обусловлены высокой стабильностью молекулярных связей SiF₄. Авторами [5] описана установка, обеспечивающая синтез кремния из смеси водорода и тетрафторида кремния в плазме индукционного высокочастотного (в.ч.) разряда. При входной мощности генератора в.ч.-разрядов ~300 Вт средняя скорость осаждения кремния составляла ~0.2 г/ч. Полученные в результате экспериментов “хлопья” кремния были преобразованы в объемный монокристалл при использовании “мини-метода Чохральского” [6], специально разработанного для роста кремния при экстремально низких нагрузках тигля.

Нами была исследована возможность синтеза кремния из газовой смеси H₂ и SiF₄ в низкотемпературной плазме, создаваемой объемными разрядами наносекундной длительности. Схема опытной плазменной установки представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Схема опытной установки. 1 – генератор импульсов высокого напряжения; 2 – разрядная камера; 3, 4 – электроды; 5 – накопительная емкость; 6, 7 – регуляторы массового расхода Н₂ и SiF₄; 8, 9 – датчики давления; 10, 11 – вентили; 12 – фильтр; 13 – запорный клапан; 14 – вакуумный насос.

Генератор 1 создавал разряды в камере 2 с объемом ~2 см³. Электроды 3, 4 были изготовлены из чистого кремния и располагались на расстоянии ~2.5 см друг от друга. Через отверстия в электродах в камеру 2 подавались водород и высокочистый тетрафторид кремния (содержание примесей <0.001%). Объемное соотношение H₂:SiF₄ составляло 4.6–6.6. В камере 2 поддерживалось давление ~100 Торр. Расход газовой смеси составлял ~300 норм. см³/мин.

В процессе экспериментов частота объемных разрядов регулировалась в диапазоне 0.5–1.5 кГц. Полученный кремний частично ссыпался в накопительный бак 5, а частично оседал на стенки камеры 2.

На рис. 4 приведены характерные осциллограммы разрядного тока I и напряжения U на разрядной камере. Как видно из осциллограмм, амплитуда и фронт импульса напряжения на разрядной камере составляют ~50 кВ и ~3 нс. Разрядный ток имеет амплитуду ~300 А и длительность ~40 нс.

Рис. 4.

Осциллограммы разрядного тока I и напряжения на разрядной камере U. Масштаб по вертикали: тока – 100 А/деление, напряжения – 10 кВ/деление; по горизонтали – 10 нс/деление.

На рис. 5 приведена зависимость производительности осаждения кремния от входной мощности генератора объемных разрядов.

Рис. 5.

Зависимость производительности осажденного кремния от входной мощности генератора.

На рис. 6 показан внешний вид разрядной камеры при частоте следования разрядов 1.5 кГц.

Рис. 6.

Внешний вид разрядной камеры.

Таким образом, результаты наших пилотных исследований показывают возможность синтеза кремния из смеси H₂ и SiF₄ в плазме наносекундного объемного разряда. При одинаковой входной мощности 300 Вт описанная технология получения неравновесной плазмы с использованием объемных разрядов обеспечивает примерно в 3 раза большую производительность осаждения кремния по сравнению с технологией [5], основанной на использовании индукционного в.ч.-разряда.

Производительность рассмотренной плазменной установки может быть повышена при увеличении выходной энергии и средней мощности генератора импульсов высокого напряжения. Выходная энергия может быть увеличена в несколько раз при использовании высоковольтного блока с более высоким рабочим напряжением. Средняя мощность генератора может быть существенно увеличена при увеличении частоты следования выходных импульсов. При эффективном охлаждении элементы схемы генератора способны работать на частоте несколько десятков килогерц.