Un reactor de plasma de microondas es un sistema especializado utilizado para procesos de deposición química de vapor, en particular para sintetizar materiales como diamantes, nanotubos de carbono y grafeno. Este reactor utiliza energía de microondas a una frecuencia de 2,45 GHz para generar un plasma dentro de una cámara controlada. El plasma se forma por encima de una mesa de sustrato, lejos de las superficies del reactor, y puede ajustarse en posición relativa a la ventana de cuarzo transparente a las microondas para optimizar el circuito de microondas.
Explicación detallada:
-
Generación de microondas y formación de plasma:
-
El reactor está equipado con un generador de microondas que opera a 2,45 GHz, que es una frecuencia común para aplicaciones industriales y científicas. Las microondas se transmiten a la cámara cilíndrica a través de una guía de ondas rectangular y un convertidor de modo. Dentro de la cámara, las microondas crean un patrón de campo electromagnético resonante que calienta y excita los gases reactivos, formando un plasma. Este plasma es típicamente una masa en forma de bola sobre el sustrato, que es crucial para el proceso de deposición.Calentamiento del sustrato y control de los gases:
-
Los sustratos en el reactor pueden calentarse independientemente de la generación de plasma mediante métodos como el calentamiento por inducción (hasta 1000°C) y el calentamiento por polarización. Este control independiente permite una regulación precisa de la temperatura durante el proceso de deposición. Los gases utilizados en el reactor se introducen a través de tuberías de acero inoxidable y sus caudales se controlan mediante un caudalímetro másico. La unidad de control de gases MKS admite una gran variedad de gases, como hidrógeno, metano, acetileno, argón, nitrógeno y oxígeno, entre otros, que son esenciales para los distintos tipos de síntesis de materiales.
-
Diseño del reactor y retos:
-
El diseño de los reactores de plasma de microondas debe hacer frente a varios retos, como el desbordamiento térmico, la caída de tensión y la formación de arcos. Para evitar estos problemas, el diseño del reactor debe garantizar que la intensidad del campo de microondas se optimiza para evitar la formación de arcos y minimizar la pérdida de calor. Además, el reactor debe estar diseñado para evitar la entrada de polvo en el sistema de guía de ondas y evitar esquinas y bordes afilados que podrían provocar un sobrecalentamiento localizado y la formación de arcos. Los procedimientos de ajuste adecuados también son cruciales para evitar el acoplamiento del arco con la potencia reflejada.Tipos de reactores de plasma de microondas:
Con el tiempo, se han desarrollado varios tipos de reactores de plasma de microondas, cada uno con diferentes geometrías diseñadas para mejorar la acomodación de la potencia de microondas. Estos van desde simples tubos de cuarzo hasta estructuras más complejas como elipsoides, cúpulas, no cilíndricos multimodo, resonadores elipsoidales de antena en anillo y reflectores cónicos. El objetivo de cada diseño es mejorar la capacidad de enfoque de las microondas, proteger las ventanas dieléctricas del grabado por plasma y mejorar la capacidad de sintonización.
