用于執(zhí)行等離子體化學(xué)氣相沉積工藝的方法與流程

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于執(zhí)行等離子體化學(xué)氣相沉積工藝的方法，包括提供設(shè)備的步驟，該設(shè)備大體上為圓柱形的共振器，該圓柱形共振器具備外圓柱壁，該外圓柱壁包圍圍繞圓柱軸線沿圓周方向延伸的共振腔，該共振器還具備在圓柱方向限界共振腔的側(cè)壁部分，并且具備在沿圓周方向圍繞圓柱軸線延伸的狹縫結(jié)構(gòu)，該狹縫結(jié)構(gòu)提供從共振腔徑向向內(nèi)的入口。

背景技術(shù)：

以Draka Comteq B.V.名義的歐洲專利公開文獻(xiàn)EP 1 867 610公開了這樣一種用于制造光纖的設(shè)備。在等離子體激活的化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝中，在襯底管內(nèi)部進(jìn)行沉積。在此工藝中，該共振器是由微波源(典型地為磁控管)供給。該共振器通常在襯底管的軸向上前后移動。該襯底管內(nèi)部，微波能量產(chǎn)生等離子體，該等離子體激活反應(yīng)從而導(dǎo)致在襯底管中沉積薄的石英層。該襯底管和共振器放置在反應(yīng)爐內(nèi)部。

當(dāng)檢查該襯底管內(nèi)部的沉積時，沿襯底管軸向觀察到不均勻的厚度和/或折射率。這些現(xiàn)象對一些決定光纖質(zhì)量的參數(shù)，例如衰減量(OTDR追蹤)和/或單模光纖的模場直徑均勻性和/或用于多模光纖的阿爾法-值均勻性具有很大的負(fù)面影響。沉積厚度的不均勻性包括接近周期性的變化。

這些變化的原因是共振器與圍繞物的微波交互作用，主要取決于為了構(gòu)造目的和出于健康安全理由用于防止高微波漏泄目的所需要的圍繞反應(yīng)爐的金屬外殼。當(dāng)玻璃沉積量增加時，由于累積效應(yīng)和微波結(jié)構(gòu)有限的適應(yīng)能力、如扼流圈的效率，該微波交互作用的效果變得更壞。由于微波能量的反射，還可能存在接近該襯底管端部的縱向沉積不均勻性，由在該管中、在該反應(yīng)爐端部的等離子體引導(dǎo)。沿襯底管長度的不均勻微波能量引起長度/前端位置相對于該共振器位置沿襯底管長度變化，由此給基于該共振器位置的沉積目標(biāo)帶來偏差。

為了降低沉積厚度的偏差，專利公開文獻(xiàn)US 2009/0022906公開了使反應(yīng)爐沿管的軸向移動。結(jié)果顯示，該方法在某種程度上對于補(bǔ)償偏差是有效的。當(dāng)偏差過高時，例如對于厚度很大厚度的玻璃沉積(例如CSA大于大約350mm²)和/或很小的內(nèi)部直徑(例如小于大約20mm)和/或高的沉積速率(例如大于大約2.5g/min)或微波能量(例如大于大約5kW)和/或較高的質(zhì)量要求，可能需要較高的減縮系數(shù)。

此外，移動反應(yīng)爐具有另外的負(fù)面影響，因為其通過降低共振器滑架通過長度的距離減小了有效芯棒長度，其以負(fù)面方式影響光纖成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)前序部分的方法，其能夠以交替方式在襯底管上生產(chǎn)涂層厚度更均勻的玻璃材料。此外，根據(jù)本發(fā)明，其中狹縫結(jié)構(gòu)包括在圓柱方向相互偏移的多個狹縫部分。

通過布置在圓柱方向偏移的狹縫部分，在管上不同圓周位置的沉積厚度的偏差分布也在圓柱方向上位移。當(dāng)旋轉(zhuǎn)襯底管、例如步進(jìn)時，該模式重復(fù)交替，使得最終產(chǎn)品顯示出更少的震蕩特性。

優(yōu)選地，在狹縫部分之間的偏移是該等離子體(微波)波長的大約四分之一。通過調(diào)整該位移距離和、任選地、在管中不同等離子體之間的相互強(qiáng)度差，可以實現(xiàn)在沉積厚度和/或折射率方面震蕩特性更少乃至沒有震蕩特性的沉積。因此，可以顯著改善光纖質(zhì)量參數(shù)，例如衰減量(OTDR追蹤)和/或模場寬度均勻性。

通過將該共振器分為不同的部分，例如相對于供給波導(dǎo)部的對稱面分為兩個半部，產(chǎn)生可以在該管的縱向方向移動的兩個等離子體。

通常，每個狹縫部分都允許微波能量徑向向內(nèi)地通過以在襯底管內(nèi)產(chǎn)生等離子體。典型地，每個狹縫部分由此促進(jìn)相應(yīng)等離子體的存在。優(yōu)選地，相應(yīng)通過的微波能量強(qiáng)度基本上匹配，從而在設(shè)備工作期間獲得平衡的等離子體結(jié)構(gòu)。因此，等離子體的負(fù)荷也是匹配的。

有益地，狹縫部分的寬度，即在圓柱方向狹縫缺口的尺寸，相互不同，從而使等離子體負(fù)荷匹配。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步有利的實施方案在下面的權(quán)利要求書中描述。

附圖說明

現(xiàn)在僅以舉例的方式參考附圖來描述本發(fā)明的實施方案，其中

圖1顯示了用于執(zhí)行等離子體化學(xué)氣相沉積工藝的已知設(shè)備的示意性俯視剖視圖；

圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第一實施方案的示意性俯視剖視圖；

圖2B顯示了根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第二實施方案的示意性俯視剖視圖；

圖2C顯示了根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第三實施方案的示意性俯視剖視圖；

圖3A顯示了圖2C的設(shè)備的另一個示意性俯視剖視圖；

圖3B顯示了圖2C的設(shè)備沿著微波導(dǎo)引部的對稱豎直面的橫截面的示意圖；

圖4A顯示了描繪作為由已知設(shè)備生產(chǎn)的芯棒的軸向位置的函數(shù)的阿爾法的圖；并且

圖4B顯示了描繪作為根據(jù)本發(fā)明設(shè)備生產(chǎn)的芯棒的軸向位置的函數(shù)的阿爾法的圖。

需要指出的是該圖僅僅顯示了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。在這些圖中，相同的附圖標(biāo)記表示同樣的或?qū)?yīng)的部分。

具體實施方式

圖1顯示了用于執(zhí)行等離子體化學(xué)氣相沉積工藝的已知設(shè)備的示意性俯視剖視圖。該設(shè)備1包括大體上為圓柱形的共振器2。該設(shè)備還包括用于引導(dǎo)微波到該共振器2的微波導(dǎo)引部(此處未示出)。該微波導(dǎo)引部是優(yōu)選矩形地成形，從而獲得該導(dǎo)引部和該共振器2之間的最佳交接部。該設(shè)備可用于執(zhí)行等離子體化學(xué)氣相沉積工藝。

該共振器2具備包圍共振腔5的外圓柱壁4。該共振腔具有基本上相對于圓柱軸線C旋轉(zhuǎn)對稱的形狀。該共振器2還具備在圓柱方向CD上限界該共振腔5的側(cè)壁部分6a、6b。

該共振器2還包括在徑向R上朝向該圓柱軸線C限界該共振腔5的內(nèi)圓柱壁8。事實上，該共振腔5由此環(huán)狀地成形。該內(nèi)圓柱壁8具有圍繞該圓柱軸線C在沿圓周方向Ci以相同方式延伸的狹縫9。通過設(shè)置該狹縫9，微波能量可以從該共振腔5進(jìn)入由該共振器2圍繞的管狀內(nèi)部空間10。

該狹縫9本身是在該腔5和該共振器2的內(nèi)側(cè)、即該管狀內(nèi)部空間10之間延伸的小的徑向波導(dǎo)。原則上，該狹縫9可以是與該腔5本身一樣寬或較小，甚至降至數(shù)毫米。

通常，狹縫具有圓周尺寸、寬度尺寸和徑向尺寸。該圓周尺寸是狹縫9圍繞該腔5沿圓周方向Ci的長度，而該寬度尺寸是狹縫在圓柱方向CD的寬度。此外，該徑向尺寸是狹縫在徑向R的深度。

在該所示的實施方案中，該狹縫部分的圓周尺寸比該狹縫部分的寬度尺寸大。

該設(shè)備1放置在反應(yīng)爐中(未示出)以在應(yīng)用等離子體化學(xué)氣相沉積工藝期間調(diào)節(jié)工作溫度。

在該已知設(shè)備1的工作中，通過微波發(fā)生器、例如磁控管或速調(diào)管(未示出)產(chǎn)生的微波被注入到該微波導(dǎo)引部(也稱作波導(dǎo)部)的第二端，并且之后穿過該波導(dǎo)部被導(dǎo)引向共振器2。需要指出的是，該微波也可能以另一種方式進(jìn)入該波導(dǎo)部，例如通過附加的波導(dǎo)裝置。在該共振腔5中微波能量積聚。該微波能量通過該狹縫9部分地進(jìn)入該管狀內(nèi)部空間10并且在襯底管11內(nèi)部產(chǎn)生等離子體，用于執(zhí)行等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝。通過調(diào)節(jié)恰當(dāng)?shù)臍怏w流(例如SiCl₄、GeCl₄、O₂、C₂F₆等)并在該襯底管11的長度上往復(fù)移動該共振器2，在已經(jīng)插入管狀內(nèi)部空間10中的襯底管11的內(nèi)表面11a上沉積玻璃材料，見圖3A，從而提供在內(nèi)部沉積有多個玻璃層的管?？梢蕴s這種管以形成可用于進(jìn)一步加工制造玻璃光纖的固態(tài)預(yù)制棒或芯棒。

圖2A-2C分別顯示了根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第一、第二和第三實施方案的示意性俯視剖視圖。此處，狹縫9形成包括在圓柱方向CD相互偏移的一對狹縫部分9a、9b的狹縫結(jié)構(gòu)。

在圖2A-2C中，每個狹縫部分9a、9b在圓周方向Ci在半圓范圍內(nèi)延伸。第一狹縫部分9a的圓周末端位置基本上與第二狹縫部分的圓周起始位置重合，從而狹縫部分9a、9b不在圓周方向Ci重疊。當(dāng)沿圓柱方向CD觀察時，這一對狹縫部分9a、9b在圍繞管狀內(nèi)部空間10的相對側(cè)彼此相對。該交錯的狹縫部分9a、9b形成作為一個完整的圓在圓周方向延伸的狹縫結(jié)構(gòu)。該共振腔5包括與該狹縫部分相對應(yīng)的兩個腔體部分，并且在圓周方向圍繞該圓柱軸線CD延伸。

在該狹縫部分9a、9b之間的偏移量D是大約工作等離子波長的四分之一，以便最小化與反應(yīng)爐壁的電磁相互作用效果，優(yōu)選當(dāng)旋轉(zhuǎn)襯底管時，如下所述。更具體地，在狹縫部分9a、9b之間的偏移量大于約5mm，優(yōu)選在從大約30mm到大約50mm的范圍內(nèi)。

在如圖2A所示的實施方案中，該共振器2包括兩個基本上相同的半共振器單元2a、2b，其相對于彼此以沿著在圓柱方向CD的偏移距離D偏移地放置。在所示的實施方案中，保持第一共振器單元2a在已知共振器2的圓柱位置，同時第二共振器單元2b移動偏移距離D。

圖2B、2C顯示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的進(jìn)一步實施方案。同樣，狹縫部分9a、9b在圓柱方向CD相對彼此偏移。在圖2B中，每個狹縫部分9a、9b在相對于如圖2A所示的已知共振器的狹縫9位置相對于彼此沿相反方向位移。需要指出的是，其它狹縫部分設(shè)計也是可能的，例如將狹縫部分設(shè)置在與已知共振器的狹縫位置沒有關(guān)系的位置。在圖2C中，第一狹縫部分9b的位置與如圖2A中所示的已知共振器的狹縫位置相似，而第二狹縫部分9a的位置是在圓柱方向CD翻轉(zhuǎn)在共振器2的一半長度L上。在本實施方案中，如圖2A、2B所示，共振器2的外圓柱壁4在沿圓周方向Ci大體上是均勻的。該共振腔5作為一整體具有基本上旋轉(zhuǎn)對稱的形狀。可以整體形成該共振器2。另外，可以以模塊方式構(gòu)造該共振器，例如通過利用半圓柱形共振器單元2a、2b。在如圖2A、2C所示的實施方案中，原則上，可以使用兩個相同的共振器單元2a、2b。在功耗和位置方面進(jìn)行相互比較，這兩個等離子體半部優(yōu)選是大致相同的。在不同的時間，該共振器單元2a、2b物理上穿過反應(yīng)爐中的高場強(qiáng)區(qū)域和低場強(qiáng)區(qū)域。因為該襯底管11在共振器每次經(jīng)過時都旋轉(zhuǎn)，與在如圖1所示的已知設(shè)備中發(fā)生的沉積相比，在沉積層的折射率和/或厚度方面，沉積時的總效果更均勻。

圖3A顯示了圖2C設(shè)備的另一種示意性俯視剖視圖，而圖3B顯示了圖2C的設(shè)備在沿微波導(dǎo)引部的對稱軸線P的豎直面的橫截面的示意圖。如圖3B中清楚顯示，第一狹縫部分9a的圓周末端位置P1基本上與第二狹縫部分9b的圓周起始位置重合。類似地，第二狹縫部分9b的圓周末端位置P2基本上與第一狹縫部分9a的圓周起始位置重合，由此狹縫部分9a、9b不沿圓周方向Ci重疊。當(dāng)從圓柱方向CD看時，一對狹縫部分9a、9b在圍繞管狀內(nèi)部空間10的相對側(cè)彼此相對。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括具有端部7的微波導(dǎo)引部，其穿過外圓柱壁4延伸進(jìn)入共振腔5，用于引導(dǎo)微波進(jìn)入腔5。此外，微波發(fā)生器(未示出)連接到波導(dǎo)部的第二端。

為了降低對電弧的靈敏度，在設(shè)計共振器時要避免尖銳的外緣。第一外緣是經(jīng)常在波導(dǎo)部和腔5之間的交接部交會。在如圖3所示的設(shè)備中(以及在如圖2B所示的設(shè)備中)，腔5的寬度，即沿圓柱軸線C的內(nèi)部距離，大體上等于波導(dǎo)部的相應(yīng)尺寸，例如3.4英寸、86.38mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，從而減少一個外緣。腔5和波導(dǎo)部最大側(cè)面的寬度上的差異可以很小，即小于10mm，例如小于5mm、或者甚至小于1mm，特別是當(dāng)使用高于6kW的功率水平時。通過將邊緣圓化可以最小化在交接部的另一個外緣的電弧效應(yīng)。

在設(shè)備工作期間，襯底管11位于由共振器2圍繞的管狀空間10中。如圖3A所示，行進(jìn)穿過相互位移的狹縫部分9a、9b的微波在管11的內(nèi)部25產(chǎn)生等離子體22、23，從而在襯底管11的內(nèi)表面11a上引起玻璃材料20、21的沉積。沉積的玻璃材料具有周期結(jié)構(gòu)如圖3A、3B所示。沉積20、21的厚度在圓柱方向CD是不均勻的。在該襯底管11的左手側(cè)的沉積20和在該襯底11的右手側(cè)的沉積21都具有周期性厚度輪廓。由于等離子體22、23的偏移，沉積20、21中的厚度分布也是在圓柱方向CD上相互偏移的。該具體的偏移距離可以通過選擇在狹縫部分9a、9b之間適當(dāng)?shù)钠凭嚯x來確定。優(yōu)選，該偏移距離D是工作波長的大約四分之一。舉例來說，如果該共振器的工作頻率是2.46GHz，那么該偏移距離D可以是選為大約30mm。

通過在該等離子體工作期間旋轉(zhuǎn)該襯底管11，相對于該共振器2的圓柱軸線，左手側(cè)沉積20和右手側(cè)沉積21依次交替，使得總體沉積的厚度分布變得更均勻、平順。因此，該沉積層的折射率也將變得更均勻。

如圖3B所示，該狹縫部分9a、9b的位置是相對于供給共振器2微波W的微波導(dǎo)引部的對稱面P對稱。此處，圓柱軸線C在該微波導(dǎo)引部的對稱面P延伸。

該狹縫部分9a、9b是范圍從腔5到由該共振器2圍繞的管狀空間10的徑向波導(dǎo)部。在徑向波導(dǎo)部中，可以存在徑向模式的電磁場。當(dāng)形成完整的環(huán)時，參見圖1，狹縫部分9a、9b的總內(nèi)部圓周部分(360°)比應(yīng)用的微波的波長更大，并且小于該波長的兩倍，存在3種模式：一種旋轉(zhuǎn)對稱模式(旋轉(zhuǎn)恒定)和兩種旋轉(zhuǎn)不對稱模式(即sin(Φ)和cos(Φ)的從屬角度/Φ)。作為例子，該微波波長在大約2.46GHz的工作頻率時為大約122mm。在以上參照圖3A、3B描述的結(jié)構(gòu)中，微波導(dǎo)引部的對稱面P與共振器2的豎直對稱面重合。

在特殊情況下，該微波導(dǎo)引部形成為矩形的波導(dǎo)部，其中較小側(cè)垂直于對稱面P，從而較大側(cè)平行于對稱面P。因此，在工作期間，只有單一模式存在于該狹縫部分9a、9b，其中總的內(nèi)部圓周(360°)在應(yīng)用的微波的波長的1倍和2倍之間。由于矩形波導(dǎo)部的場對稱性，平行于對稱面P的電場分量趨于零。非常薄的金屬板可以放進(jìn)該豎直面且不會改變該整體結(jié)構(gòu)的功能。共振器狹縫可以分為多個部分但仍保持功能的見解，被用在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中。

圖4A顯示了描繪作為通過例如如圖1描述的已知設(shè)備生產(chǎn)的芯棒的軸向位置的函數(shù)的阿爾法(α)的圖。該參數(shù)阿爾法是從多模芯棒近似拋物線形構(gòu)型的所謂的阿爾法擬合(alpha fit)獲得的眾所周知的測量值，其與沿芯棒軸向位置的厚度和/或折射率變化有關(guān)。該參數(shù)阿爾法顯示了在某一軸向位置范圍的變化。作為軸向位置的函數(shù)的參數(shù)阿爾法的接近周期性變化對一些決定光纖質(zhì)量的參數(shù)(例如衰減、帶寬、系統(tǒng)性能)和這些參數(shù)沿光纖長度的均勻性具有很大的負(fù)面影響。該變化具有大約6cm的周期距離，其由與設(shè)備1放置在其中的反應(yīng)爐的內(nèi)壁的電磁相互作用所引起。

圖4B顯示了描述作為通過根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備生產(chǎn)的芯棒的軸向位置的函數(shù)的阿爾法(α)的圖。此處，參數(shù)阿爾法曲線更平滑。該變化的幅值顯著地小于通過已知設(shè)備生產(chǎn)的芯棒的曲線的變化幅值，參見圖4A。因此，例如就衰減、帶寬、系統(tǒng)性能和這些參數(shù)沿光纖長度的均勻性而言，也改善了光纖質(zhì)量參數(shù)。

本發(fā)明不局限于本文描述的實施方案。因為它的靈敏度，本發(fā)明的效果是通過在用于多模光纖的芯棒上測量的阿爾法(α)來闡明的。本發(fā)明也改善了在用于單模光纖中模場直徑的衰減和均勻性，并且對在色散控制單模光纖、例如色散位移或非零色散位移光纖中的色散均勻性和光纖截止波長數(shù)值具有正面影響?？梢岳斫庠S多變化是可能的。

該共振器可以包括調(diào)節(jié)如上所述組成部分的其它模塊。此外，該腔的內(nèi)表面是至少部分導(dǎo)電的。因此，壁優(yōu)選由金屬材料、比如鋼制造。

需要指出的是該狹縫結(jié)構(gòu)可以包括多于兩個的狹縫部分，例如三個或四個狹縫部分，其當(dāng)在圓柱方向CD觀察時形成閉合的環(huán)。

在所示的實施方案中，狹縫部分設(shè)置成第一狹縫部分的圓周末端位置基本上與第二狹縫部分的圓周起始位置重合，使得該狹縫部分在圓周方向Ci上連接。然而，原則上，其它布置是可能的，例如通過允許該狹縫部分在沿圓周方向Ci上重疊或偏移。

術(shù)語“共振器”和“共振腔”在本申請中是用來表示本領(lǐng)域中通常已知的相同結(jié)構(gòu)。然而這些術(shù)語并意味著排除沒有微波共振的情況，例如在等離子體中微波能量沒有實質(zhì)反射和沒有明顯吸收的情況。

其它這樣的變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，并且被認(rèn)為落入如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。