Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов, страница 2

Плазменные параметры в H/C/Ar смесях при вариации доли аргона вшироком диапазоне …...................................................................................................... 2356.5.2. Энергетический баланс H/C/Ar плазмы и каналы диссипации мощностив эксперименте и модели. Предельные вкладываемые мощности Рmax игазовые температуры Tmax …........................................................................................... 2386.5.3. Ионизационно-рекомбинационный баланс H/Ar и H/C/Ar плазмы ........................... 2456.5.4. Эффекты вариации параметров ГХОСВЧР реактора: результаты 2-Dмоделирования в сравнении с экспериментальными данными и трендамидля УНКАП (UNCD) смеси 0.5%СH4/1%Н2/Ar и НКАП (NCD) смесей0.5%СH4/14.7%Н2/Ar и 0.5%СH4/25%Н2/Ar.

Прекурсоры УНКАП ……………….. 2476.5.5. Влияние разных инертных газов X (X=He, Ne, Ar, Kr) на процессы иусловия осаждения (У)НКАП в смесях СH4/Н2/X ....................................................... 254§6.6. Моделирование реакторов ГХОСВЧР в H/B/C/O/Ar смесях .................................... 2576.6.1. H/B/O химический механизм.

Данные экспериментов о В2Н6диссоциации и поведении В и ВН. Осаждения бора на стенках реактора …………. 2576.6.2. 2-D моделирование процессов активации B2H6/H2/Ar смесей с примесью O2 ......... 2656.6.3. H/B/С/O химический механизм. Экспериментальное поведение В и ВНпри варьировании разрядных параметров …................................................................ 2736.6.4. 2-D моделирование процессов активации B2H6/СH4/H2/Ar смесей спримесью О2.

ВН хемилюминесценция. Легирование бором АП ……................... 281§ 6.7. Выводы к Главе 6 ............................................................................................................. 288ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ................................................................................. 292СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …........................................................................................................ 297СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ......................................................................

3125ВВЕДЕНИЕАктуальность темы.Развитие многих отраслей электроники, оптики и техники зачастую сдерживаетсяфундаментальными свойствами традиционно используемых в них материалов. В этой связирезко возрос интерес к материалам с предельными свойствами и методам их создания. К числутаких легированных и нелегированных материалов можно отнести монокристаллический алмази поликристаллические алмазные пленки (АП): микрокристаллические (МКАП, английскаяаббревиатура MCD), нанокристаллические (НКАП, NCD) и ультрананокристаллические(УНКАП, UNCD) с характерными размерами кристаллитов от долей микрона до микронов(МКАП), ~10-100 нм (НКАП) и порядка и менее 10 нм (УНКАП).

Повышенный интерес к этимматериалам связан с тем, что они обладают комплексами или отдельными уникальнымифизико-химическими свойствами из следующего ряда табличных данных: рекордно высокойтвердостью,высокойэлектрическойпрочностьюиуникальнойтеплопроводностью,превышающей в ~65 и ~16 раз соответствующие показатели кремния, оптическойпрозрачностью в широком интервале видимого и инфракрасного излучения, химическойстойкостью по отношению к большинству агрессивных сред, высокой подвижностьюэлектронов и дырок, превышающей в ~3 и ~8 раз соответствующие показатели в кремнии,радиационной стойкостью и т.д.

Ряд рекордных параметров алмаза позволяют рассматриватьего перспективы в качестве материала для мощной и радиационно-стойкой электроники, атакже электроники, работающей в критических условиях, т.е. при высоких температурах (до700° С), в химически агрессивной среде.В природе очень редко встречаются кристаллы с размерами более несколькихмиллиметров, и их высокая стоимость затрудняет практическое использование изделий наоснове природного алмаза. В обычных условиях алмаз является метастабильной формойуглерода, поэтому в термодинамически равновесных условиях малоразмерные кристаллыалмаза могут быть синтезированы при высоких давлениях и температурах (метод ВДВТ).Синтезируемые при высоких давлениях, статических или динамических (создаваемых привзрыве боеприпасов), кристаллы искусственного алмаза широко используются в абразивных ирежущих инструментах, а в последнее время и в ювелирной промышленности (украшения изискусственных бриллиантов создают многие компании - Couleur Diamants, D.NEA,Ecoluxurydiamonds, Apollo Diamond, De Beers, Element Six, Sumitomo Electric Industries, Gemesis,Diamond Culture и др.).Начиная с 80-х годов с открытием и развитием практического способа газофазногохимического осаждения (ГХО, в англоязычной литературе CVD – Chemical Vapor Deposition)6АП на алмазные и неалмазные подложки различной площади (от квадратных миллиметров до~0.5 квадратного метра) появилось и исследуется масса новых приложений таких CVD пленок.Углеродные пленки уже нашли применение в электрохимии в качестве электродов для работы вагрессивных средах (например, DiaChem электроды площадью 0.5×1 м2 с алмазной пленкой,осаждаемой с помощью активации С/H смеси системой горячих нитей в компании DiamondTechnology при Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST, Braunschweig,Germany), в режущих и абразивных инструментах, в оптике, а также в качестве теплоотводящихструктур, полевых эмиттеров электронов.Сэтогожевремениначинаютиспытыватьсяииспользоватьсяразныеуглеродсодержащие рабочие смеси (как правило, разбавленные водородом, CxHyOz/H2) иоткрываются различные способы их активации в соответствующих реакторах ГХО сиспользованием горячей нити (ГН), пламени газовой горелки, дугового плазмотрона (ДП),плазмы разряда постоянного тока (РПТ) и сверхвысокочастотного разряда (СВЧР).

Это бурноеразвитие и экспериментальный поиск различных способов, конфигураций и режимов реакторовГХО АП, как правило, происходили методом проб и ошибок, без должного теоретическогосопровождения и понимания процессов активации смесей, за исключением, может бытьпростейшего реактора с горячей нитью (ГХОГН). Понимание механизмов осаждения АП ицеленаправленная оптимизация ГХО реакторов крайне затруднительны без адекватных иполноразмерных моделей реакторов и моделирования комплекса различных процессов в такихреакторах.Именно разработке и развитию таких пространственно двумерных (2-D) моделей длячетырех типов реакторов ГХОДП, ГХОРПТ, ГХОСВЧР и ГХОГН (для последнего развита итрехмерная 3-D(x,y,z) модель), проведению систематических расчетов процессов в этихреакторах, выявлению и объяснению основных механизмов активации различных смесей иосаждения АП и посвящена настоящая диссертационная работа.

Кроме практических целейразработка таких моделей имеет и самостоятельную методическую и образовательнуюценностькакспособисследованияразнородных,сложновзаимодействующихивзаимозависимых фундаментальных процессов. Например, для реактора ГХОДП необходимосамосогласованное описание таких взаимовлияющих друг на друга процессов как нагрев доэкстремально высоких температур (>12000 K) и ионизация газа в дуговом разряде, течение соколозвуковыми скоростями горячей плазменной струи и ее расширение в реакционной камереплазмотрона с образованием ударной волны, конверсия ионов и рекомбинация заряженныхчастиц плазмы, перенос массы, тепла и излучения, перепоглощение излучения, циркуляция газавне струи, диффузия, термодиффузия и бародиффузия, сложная плазмохимия и химияуглеводородных и водородных компонент в сильно различающихся по температуре зонах7реактора. Подобные проблемы, а также слабоисследованные смеси с малыми добавками длялегирования пленок, возникают и в других ГХО реакторах.

Даже в самом простом реакторе сГН есть загадочное экспериментально измеряемое поведение атомов Н и N как функцийдавления газа (Н2 или N2) и температуры нити, проблемы в объяснении каталитическойдиссоциации на поверхности горячей нити. Решения всех этих проблем в размерных моделяхтребует обязательной верификации моделей на широком и, по возможности, разнообразноммассиве экспериментальных данных для достижения для достижения достоверностирезультатов моделирования и понимания сложных процессов в реакторах ГХО АП.Цельюдиссертационнойработыявляетсяразработкаполноразмерныхмоделейимоделирование плазмохимических (химических) и транспортных процессов активации Н/Cсмесей (с различными добавками борных, азотных, кислородных компонент и/или инертныхгазов) газоразрядными источниками (дуговым плазмотроном, разрядом постоянного тока, СВЧразрядом) или термическим источником (горячей нитью) для газофазного химическогоосаждения алмазных пленок, а также формирование целостной картины функционированияэтих реакторов с помощью развитых моделей и их обязательным тестированием на массивахразнообразных экспериментальных данных.

В реакторах с ГН специальное исследованиепосвящено важному для активации рабочих смесей процессу каталитической диссоциациимолекул водорода и азота на поверхности ГН.Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 315 страницах,включает 107 рисунков, 28 таблиц и списка цитируемой литературы из 314 наименований.Далее приводится краткое изложение диссертации по главам.В Главе 1 представлен обзор основных исследований, выполненных по темедиссертации,кмоменту ее написания.Обзорвключает теоретические работыпомоделированию процессов в четырех типах реакторов ГХО АП и механизмам роста АП, атакже ограниченный ряд экспериментальных работ, результаты которых использовались ибыли важны для развития моделей изучаемых реакторов ГХО АП.В Главе 2 представлены разработанные пространственно трехмерные 3-D(x,y,z),двумерные 2-D(x,z) и 2-D(r,z) (в цилиндрической геометрии) модели реакторов ГХОГН,механизмы роста АП, результаты моделирования реакторов ГХОГН в CH4/H2, СH4/NH3/Н2,СH4/N2/Н2 смесях, B2H6/Н2 и СH4/B2H6/Н2 смесях с примесью кислорода.В данной главе с помощью разработанных моделей (§2.1) изучаются процессы осажденияалмазных пленок в реакторе ГХО с активацией смеси горячей нитью (спиралевидной, как влампе накаливания, или прямой) или системой параллельных нитей, натянутых над подложкой8на некотором расстоянии z от подложки.