用于进行等离子体化学气相沉积工艺的方法和设备与流程

本发明涉及用于进行等离子体化学气相沉积工艺的方法，该方法包括用于提供设备的步骤，该设备包括大体为圆柱形的谐振器，该谐振器设置有圆柱形外壁和同轴的圆柱形内壁，在该圆柱形外壁和该圆柱形内壁之间限定谐振腔，该谐振腔能够以工作频率进行工作并且绕圆柱形内壁和圆柱形外壁的圆柱轴在圆周方向上延伸，其中该圆柱形外壁包括可连接至输入波导的输入端口，以及该圆柱形内壁包括绕圆柱轴在圆周方向上延伸的狭缝部，该方法还包括使该设备以工作频率进行工作的步骤。

背景技术：

以德拉克通信科技公司(drakacomteqb.v.)的名义的欧洲专利公开ep2605267公开了用于制造光纤的设备。在等离子体激活化学气相沉积(pcvd)工艺中，在基管的内部进行沉积。在该工艺中，谐振器由微波源(通常是磁控管)馈送。在基管内部，微波功率创建等离子体，其中该等离子体激活反应，从而使得在基管内沉积薄的石英层。基管和谐振器放置在加热炉内。

在例如为了提高生产力的目的而使pcvd工艺升级以应用于制造更大基管(特别是具有更大直径的管)时，在石英沉积中需要高的旋转对称程度，需要减少引起等离子体不稳定性并诱导等离子体闪烁现象的跳模(modehopping)的可能性，并且需要使由于通过与诸如pcvd加热炉等的周围环境相互作用所引起的微波振荡而产生的厚度和折射率方面的轴向近周期性变化(axialnear-periodicalvariation)最小。轴向近周期性变化可能会对一些得到的光纤质量参数(例如，衰减(otdr轨迹)和/或单模光纤的模场直径的均匀性和/或渐变折射率多模光纤的阿尔法值的均匀性)产生很大影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种根据前序部分所述的用于加工具有相对较大的直径的基管的方法。此外，根据本发明，使设备以工作频率进行工作，使得限定狭缝部的孔径的最大尺寸小于工作频率的波长的一半。通常，限定狭缝部的孔径的最大尺寸是孔径的长度和宽度中的最大值。

通过应用狭缝部(其中，诸如狭缝部的圆周长度等的最大尺寸小于工作频率的波长的一半)，不存在可以传播通过该狭缝部的传播模式。仅非传播模式可以辐射通过该狭缝部。

根据本发明的方面，提供一种用于进行等离子体化学气相沉积工艺的方法，所述方法包括以下步骤：提供设备，所述设备包括大致为圆柱形的谐振器，所述谐振器设置有圆柱形外壁和同轴的圆柱形内壁，在所述圆柱形外壁和所述圆柱形内壁之间限定谐振腔，所述谐振腔能够以工作频率进行工作并且绕所述圆柱形外壁和所述圆柱形内壁的圆柱轴在圆周方向上延伸，所述圆柱形外壁包括能够连接至输入波导的输入端口，以及所述圆柱形内壁包括绕所述圆柱轴在圆周方向上延伸的狭缝部；以及使所述设备以工作频率进行工作，使得限定所述狭缝部的孔径的最大尺寸小于所述工作频率的波长的一半。

本发明至少部分基于以下见解：非传播电磁模式可以有效地用于以稳定方式传输电磁能以向等离子体供电，同时抑制径向传播电磁模式。由于非传播模式的功率在辐射方向上呈指数衰减，因此特定非传播电磁模式(通常是最高阶非传播模式)成为主导，由此减少跳模的可能性。更高阶模式的任何影响均是最小的。此外，穿过狭缝部而反射回到腔中的电磁辐射仅能通过非传播电磁模式来进行。然后，该指数衰减行为减少了与腔的任何相互作用，由此有助于甚至提高谐振器的稳定性。此外，在管状内部空间中发起的任何电磁模式具有由该管状内部空间中的电磁点的空间变化引起的非传播模式类型。结果，基管的轴向端处的任何反射与谐振器的腔仅存在小的相互作用，这使得腔中以及等离子体自身中的电磁行为进一步稳定，从而减少了厚度和折射率方面的轴向近周期性变化。

此外，特别是在使用直径增大的基管的情况下，通过采用非传播模式并且抑制传播模式，获得了圆周方向上更加均匀的等离子体分布，如此提高了石英沉积中的旋转对称程度。

实验表明，在外直径大于工作波长的1/3的基管中，可以获得稳定的等离子体。

注意，在整个说明书中，工作频率的波长或者工作频率被理解为由在腔和谐振器的内侧(即，管状内部空间)之间延伸的狭缝部形成的径向波导中的波长。如果狭缝部开放，则波长与自由空间中的波长实质相同。然而，如果狭缝部充满诸如玻璃等的特定材料，则波长按与所述特定材料的折射率相等的因数而减小。

通常，各狭缝部允许微波能量径向向内地通过，以在基管内部产生等离子体。优选地，相应的通过的微波能量的强度基本一致，使得在设备的工作期间获得平衡的等离子体配置。

本发明还涉及一种用于进行等离子体化学气相沉积工艺的设备，所述设备包括大致为圆柱形的谐振器，所述谐振器设置有圆柱形外壁和同轴的圆柱形内壁，在所述圆柱形外壁和所述圆柱形内壁之间限定谐振腔，所述谐振腔能够以工作频率进行工作并且绕所述圆柱形外壁和所述圆柱形内壁的圆柱轴在圆周方向上延伸，其中，所述圆柱形外壁包括能够连接至输入波导的输入端口，以及所述圆柱形内壁包括绕所述圆柱轴在圆周方向上延伸的狭缝部，其中，限定所述狭缝部的孔径的最大尺寸小于所述工作频率的波长的一半。

在所附权利要求书中说明根据本发明的更多有利实施例。

附图说明

通过仅示例的方式，现在将参考附图来说明本发明的实施例，其中：

图1示出根据本发明的设备的第一实施例的示意截面侧视图；

图2示出穿过狭缝部辐射的电磁模式所剩余的功率的图表；

图3示出根据本发明的设备的第二实施例的示意透视图；

图4示出图3所示的设备中的圆柱形壁的投影的示意图；以及

图5示出根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

附图仅例示根据本发明的优选实施例。在附图中，相同的附图标记指代相等或相应的部分。

图1示出用于进行等离子体化学气相沉积工艺的设备的示意截面侧视图。设备1包括大体为圆柱形的谐振器2。该设备还包括输入波导3，其中该输入波导3用于将来自微波发生器(例如，磁控管或速调管)的微波w向着谐振器2引导。该设备可操作地用于进行等离子体化学气相沉积工艺。

谐振器2设置有谐振腔5，其中该谐振腔5能够以工作频率f进行工作，并且由圆柱形外壁4和圆柱形内壁8来界定。腔5绕圆柱形内壁8和圆柱形外壁4的圆柱轴c在圆周方向ci上延伸。通常，腔5相对于圆柱轴c具有旋转对称形状。如图3所示，谐振器2还设置有在圆柱方向cd上界定谐振腔5的侧壁部6a、6b。

圆柱形内壁8沿径向方向向着圆柱轴c向内界定谐振腔5，而圆柱形外壁4沿径向方向向外界定谐振腔5。实际上，腔5由此是环状。

圆柱形外壁包括连接至输入波导3的输入端口7。

圆柱形内壁8包括绕圆柱轴c在圆周方向ci上延伸的狭缝部9a、9b。通过设置狭缝部9a、9b，微波能量可以从谐振腔5进入到由谐振器2包围的管状内部空间10中。

在施加等离子体化学气相沉积工艺期间，将设备1放置在加热炉(未示出)中，以调节工作温度。

在设备的工作期间，将诸如磁控管或速调管(未示出)等的微波发生器所产生的微波注入到输入波导3(还被称为波导)中，然后这些微波穿过该波导向着谐振器2传播。微波发生器被配置成产生工作频率f的微波。注意，微波还可以以其它方式(例如，经由附加波导的组件)进入波导3。在谐振腔5中，微波能量累积。该微波能量的一部分经由狭缝部9a、9b进入管状内部空间10，并且在所述管状内部空间10内所配置的基管11的内部25中产生等离子体，从而执行等离子体化学气相沉积(pcvd)工艺。基管11的外直径20可以大于工作波长的1/3。通过调节适当的气体流(例如，sicl4、o2、gecl4、n2以及/或者含硼或氟的气体)并且可选地使谐振器2在基管11的长度上往复运动，来在已插入管状内部空间10中的基管11上沉积玻璃材料，由此提供内部沉积有多个玻璃层的管。可以使这种管收缩以形成实心预制件或芯棒，其中可以进一步加工该实心预制件或芯棒以制造玻璃光纤。

狭缝部9a、9b形成按连续顺序在圆周方向ci上延伸、但在圆柱方向cd上相互偏移的一对狭缝部9a、9b。可选地，这些狭缝部没有相互偏移。

图1中的各狭缝部9a、9b在半圆的范围内在圆周方向ci上延伸。如图1所示，在相互偏移的狭缝部的情况下，第一狭缝部9a的圆周结束位置p1与第二狭缝部9b的圆周开始位置基本一致，而第二狭缝部9b的圆周结束位置p2与第一狭缝部9a的圆周开始位置基本一致。

通常，狭缝部9a、9b在圆周方向ci上没有重叠，但在相互偏移的狭缝部的情况下，可以设置一些重叠(例如，小于圆周长度a的约10％)。一对狭缝部9a、9b在沿圆柱方向cd观看的情况下，在管状内部空间10周围的相对侧彼此面对。错开的狭缝部9a、9b使在圆周方向上延伸的狭缝结构形成为完整圆形。腔5包括与相应的狭缝部9a、9b邻接并且在绕圆柱轴c在圆周方向ci上部分延伸的两个腔部分。

参见例如图3，狭缝部9a、9b之间的偏移d可被选择为工作等离子体波长λ的约1/4，使得与加热炉壁的电磁相互作用的影响最小。通常，狭缝部9a、9b之间的偏移d可以大于例如约5mm，优选在约30mm～约50mm的范围内。

参见例如图3，所示的狭缝部9a、9b具有包括圆柱形部分的规则几何形状，其中该圆柱形部分具有圆周方向ci上的圆周长度尺寸a和圆柱方向cd上的宽度尺寸b。狭缝部9a、9b的宽度b沿着圆周方向ci可以是恒定的。同样，圆周长度a沿着圆柱方向cd可以是恒定的。在所示实施例中，圆周长度a和宽度b限定狭缝部9a、9b的孔径。通常，宽度b小于圆周长度a。原则上，狭缝部可以是如图所示沿着圆柱形内壁8呈矩形，或者可以具有诸如曲边多边形、椭圆形或圆形等的其它几何形状。

狭缝部9a、9b自身可被视为在腔5和谐振器2的内侧(即，管状内部空间10)之间延伸的短的径向波导。该径向波导的尺寸由狭缝部的圆周长度a和宽度b、并且由圆柱形内壁8的厚度或深度来确定。

狭缝部的圆周尺寸a小于工作频率f(即，向着谐振器2传播并且传播到管状内部空间10中的微波的频率)的波长λ的一半。该工作频率例如可以在约900mhz～约928mhz的范围内，或者在约2.4ghz～约2.5ghz的范围内，或者在约5.725ghz～约5.875ghz的范围内。作为示例，可以选择约2.46ghz的工作频率。

通过配置设备1、使得狭缝部9a、9b的圆周长度尺寸a小于工作频率f的波长λ的一半，径向波导中的所有模式都是非传播的。通常，根据本发明的方面，在限定狭缝部的孔径的最大尺寸小于工作频率f的波长λ的一半的情况下，由狭缝部形成的径向波导仅允许非传播模式。然后，狭缝波在任何方向上的最大延伸均小于工作频率f的波长λ的一半。作为示例，狭缝部9a、9b的圆周长度a是工作频率f的波长λ的1/3。然而，圆周长度a可以更大，例如略小于工作频率f的波长λ的一半，或者可以更小，例如工作频率f的波长λ的1/4。优选地，至少一个狭缝部的截面面积不同于其它狭缝部的截面面积，例如以调整所传输的功率。

通过选择狭缝部的特定截面面积、例如特定宽度b，可以设置穿过所述狭缝部所传输的能量的量。通常，截面面积更大使得能够将更多的功率传输到管状内部空间10中。优选地，通过各狭缝部的相应微波能量的强度基本一致，使得在设备的工作期间获得平衡的等离子体配置。于是，与输入波导3邻接的狭缝部可以具有相对较小的截面面积，而离输入波导3更远的狭缝部可以具有相对较大的截面面积。在沿着圆柱形内壁具有矩形几何形状的狭缝的情况下，可以通过在保持圆周长度a恒定的同时改变宽度b，来方便地改变截面。可选地，狭缝部具有相同的尺寸。

图2示出作为狭缝部9的深度的函数的辐射通过所述狭缝部9的电磁模式所剩余的功率的图表30，其中所述狭缝部9的深度等于圆柱形内壁8的厚度。该图表30示出与辐射通过如以下所述的图3所示沿着圆形的1/4延伸的狭缝部的电磁模式e(1,0)、e(2,0)、e(0,1)、e(1,1)和e(0,2)分别相对应的第一曲线f2至第五曲线f6。

所有的曲线f2～f6都具有作为圆柱形内壁8的厚度的函数的指数衰减行为。相应的电磁模式是所谓的非传播类型，这意味着：由于狭缝部的孔径与工作频率的波长相比太小，因此不存在传播波；换句话说，工作频率低于最低阶模式的截止频率；或者还换句话说，工作频率的波长高于最低阶模式的截止波长。于是，所有模式都是非传播的。

在这方面，注意，由于不存在按圆柱形内壁8的整个圆形延伸的狭缝，因此没有将不具有截止频率的基模(fundamentalmode)(即，(0,0)模式)注入到管状内部空间10中。

由于指数衰减行为，因此仅一个非传播模式对进入管状内部空间10中的辐射能量具有重大贡献。

通常，还被称为物理端口的各狭缝部可被视为潜在地包含多个波导模式的波导。关于正确的微波描述，各模式可被表示为单独端口。然而，在实践中可以忽略与难以激发以及/或者存在大功率衰减的模式相对应的端口。

狭缝部内的传播特性依赖于其横向形状和尺寸。设b是狭缝部在圆柱方向cd上的最大延伸，设a是在孔径的平面中的横向方向(例如，圆周方向ci)上的最大延伸，(对于圆形形状为)并且设l是波导的长度(等于狭缝的深度/高度)。然后，e型或h型模式(m,n)的截止波长等于(或者在非矩形横向开口的情况下小于)以下：

如果位于狭缝中的材料(通常是空气，但还可以是石英或混合物)内的电磁波的波长大于(m,n)模式的截止波长，则(m,n)模式是非传播模式。否则，(m,n)模式是传播模式。在2.45ghz处，空气中的波长约为122mm。

注意，在开口完全围绕管的情况下，仅存在(0,0)模式(即，m＝0且n＝0)。还注意，(0,0)模式始终是传播模式。在狭缝的宽度b或谐振器的内圆周至少等于波长的情况下，下一模式正传播。在后者情况下，在以2.45ghz进行工作时，这与约39mm的圆柱形内壁8的直径相对应。

完全围绕管的狭缝部中的最低阶模式的横向功能行为具有以下形式：

注意，对于e(m,0)模式，处的对称平面是磁壁，而(m≠0)处的对称平面是电壁。注意，e(0,n)模式具有磁壁作为对称平面，并且h(0,n)模式具有电壁作为对称平面。

在完整狭缝被分割成两个相等部分的情况下，m＝0被淘汰。两个去耦的e(m,0)模式与完整狭缝的一个e(m,0)模式相对应。在完整狭缝被分割成四个相等部分的情况下，四个去耦的e(m,0)模式与完整狭缝的一个e(2m,0)模式相对应。

由于狭缝部内的传播模式的衰减仅是因短的金属壁上的吸收而产生的，因此该衰减可忽略。狭缝内的非传播模式的衰减依赖于长度l和模式的阶次(m,n)。在局部平坦的平面中延伸的狭缝部的情况下，振幅的衰减等于以下：

e^-γl，

其中：

在局部弯曲(诸如圆形或椭圆形弯曲等)的金属周边中的狭缝的情况下，衰减可能甚至更大。

在图2中，示出具有以下参考图3所述的四狭缝部结构的示例性设备的狭缝部内的功率衰减。

图3示出根据本发明的设备1的第二实施例的示意透视图。这里，圆柱形内壁8包括绕圆柱轴c在圆周方向ci上延伸的四个狭缝部9a～9d。再次地，限定狭缝部9a～9d的孔径的最大尺寸小于工作频率f的波长λ的一半，使得仅非传播模式可以通过狭缝部9a～9d。

与图1的狭缝部相似，图3的狭缝部9a～9d在圆柱形内壁8上的环绕圆柱轴c的两个狭缝线12a～12b上错开。狭缝线12a～12b相对于彼此在圆柱方向cd上存在偏移d。邻接的狭缝部9的圆周偏移优选是将360度除以狭缝部的数量，在图3所示的实施例中将360度除以4等于90度。然后，狭缝部9大体均匀地分布在圆周方向ci上，使得这些狭缝部9以组合方式在圆柱形内壁8上基本环绕圆柱轴c。

此外，狭缝部包括以相对于圆柱轴c对称的方式位于相对侧的两对狭缝部9a、9c与9b、9d。

注意，例如根据圆柱形内壁8的直径和期望的工作波长，该圆柱形内壁8可以包括多于两个或多于四个的狭缝部，例如，三个、五个、六个、七个、八个或更多个狭缝部。由于对称的原因，可能优选狭缝部的数量是偶数。

还注意，作为上述的错开结构的替代，狭缝部可以与单个狭缝线对齐。

通常，还可以在将圆柱形内壁8投影到平坦平面以使得圆周方向ci变换为线性长度参数l的情况下，描述所述壁8中的狭缝部9的几何形状。从几何学上，该变换是圆柱形内壁8在沿着切割线ct打开时的表示，其中该切割线ct以沿着圆柱方向cd平行的方式在所述壁8中延伸，所述壁8是在平坦平面中折叠打开且拉直的。

图4示出圆柱形壁8的投影的示意图，其中圆周方向ci被变换为线性长度参数l。所投影的圆柱形壁中的狭缝部9a～9d具有以圆柱方向cd上的长度a和宽度b作为参数来表示的矩形几何形状。在投影平面中狭缝部9a～9d的最大尺寸是线性尺寸、即长度方向l上的长度a，其小于工作频率f的波长λ的一半。

如以上所示，狭缝部9可以具有其它形状，例如正方形、多边形、圆形、椭圆形或其它曲边形状。在图4中，示出具有特定非矩形形状的附加狭缝部9e。该附加狭缝部9e由矩形轮廓9’包围，其中该矩形轮廓9’以其长度a’和宽度b’中的最小值作为参数来表示，同时仍包围该附加狭缝部9e。长度a’和宽度b’中的最大值(在所示情况中为长度a’的线性尺寸)被视为附加狭缝部9e的最大尺寸，其中附加狭缝部9e的该最大尺寸小于工作频率f的波长λ的一半。然后，由附加狭缝部9e限定的径向波导中的所有模式都是非传播的。

图5示出根据本发明的方法的流程图。方法100用于进行等离子体化学气相沉积工艺。该方法包括用于提供如下设备的步骤(110)，该设备包括大体为圆柱形的谐振器，该谐振器设置有圆柱形外壁和同轴的圆柱形内壁，在该圆柱形外壁和该圆柱形内壁之间限定谐振腔，该谐振腔能够以工作频率进行工作，并且绕圆柱形外壁和圆柱形内壁的圆柱轴在圆周方向上延伸，其中，该圆柱形外壁包括可连接至输入波导的输入端口，以及该圆柱形内壁包括绕圆柱轴在圆周方向上延伸的狭缝部。此外。该方法还包括以下步骤(120)，其中该步骤用于使该设备以工作频率进行工作，使得狭缝部的圆周尺寸小于工作频率的波长的一半。

本发明不限于这里所述的实施例。应当理解，许多变形都是可以的。

作为示例，谐振腔在圆柱方向cd上的长度可以根据到圆柱轴c的径向距离而是恒定的，但在其它实施例中，可以根据到圆柱轴的径向距离而改变。在前者情况下，腔在圆柱方向cd上可以大体是均匀的。在后者情况下，例如，为了匹配和/或最小电弧的目的，腔在径向内侧可能具有更加复杂的边界，其中该边界例如部分包括如欧洲专利公开ep2594660所述的、与圆柱轴c同轴的锥体的表面。

注意，圆柱形内壁和圆柱形外壁可以具有圆形的截面轮廓、或者诸如椭圆形或多边形等的其它封闭轮廓。

这些实施例和其它实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且被视为落在如所附权利要求书所定义的本发明的范围内。为了清楚和简要说明的目的，这里将特征描述为相同或单独的实施例的一部分。然而，应当理解，本发明的范围可以包括具有所述的特征的全部或一部分的组合的实施例。