Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов, страница 9

В таких установках разрядная камера,как правило, представляет собой водоохлаждаемый цилиндр из нержавеющей стали. С однойстороны цилиндра через изолятор вводится катод, а с другой – заземленный анод, на которомрасполагается подложка. Рабочие давления газа в реакторе 100-200 Тор и типичные газовыесмеси 1%-10%СН4/Н2 [88].Одним из основных методов получения информации о параметрах плазмы являетсяисследование спектров излучения плазмы. Характерный эмиссионный спектр содержит,помимо большого числа линий молекулярного водорода, линии атомарного водорода серииБальмера: H (656 нм), H (486 нм), H (434 нм), а также линии двухатомных молекул C2 (516 нм)и CH (431нм).

Плазма РПТ оказывается наиболее схожей по спектру и физико-химическимпроцессам с плазмой СВЧ разряда, что связано с сильной неравновесностью плазмы такихразрядов (отрывом электронной температуры от газовой Te~1.1-1.4 эВ >> T~0.15-0.3 эВ) посравнению с плазмой дуговых разрядов, где Te~T при давлениях порядка 100 Тор и выше [54].Спектры РПТ существенно отличаются от оптических спектров, снятых при осажденииалмазных пленок в реакторе ГХОДП [77], где гораздо слабее выражены или отсутствуют линиимолекулярного водорода, а серии линий Свана молекулы С2 в области длин волн 470, 516 и 560нм, а также линии радикалов СН с длинами волн 390 и 431 нм ярко выражены [77].По эмиссионному спектру Н2 в работе [86] определялась температура газа в РПТ, а такжеабсолютные линейные плотности (column density) {CH3} и {CH} по разнице спектровпоглощения излучения лампы дугового разряда, проходящего через разряд с присутствующимитам поглотителями СН3 (около 216 нм) и СН (полосы около 432 нм и 314 нм) и без31поглотителей.

В работе [87] достигнуто осаждение ультрананокристаллических АП (УНКАП)на большой площади (в круге диаметром ~10 см) в РПТ большой мощности (30 кВт и выше) всмесях 5%CH4/0.5%N2/94.5%H2 и 0.5%CH4/5%N2/6%H2/88.5%Ar, с малым зазором междукатодом и анодом (d=5 мм) и чрезвычайно эффективной системой охлаждения электродов. Вработе [85] увеличение площади осаждения и возможности одновременного осаждения АП нанескольких подложках достигались за счет использования многокатодной системы (например,шесть-семьцилиндрическихкатодовдиаметромпорядкаодного-двухсантиметров,расположенных по окружности в нескольких сантиметров друг от друга) и одного общегоанода, на котором расположены подложки. Количественное описание плазмохимическихпроцессов и параметров плазмы РПТ, достигнутое с помощью развитой 2-D модели иэкспериментальных данных для реактора ГХОРПТ (отдел микроэлектроники НИИЯФ МГУ),представлено в цикле работ [88-94] и в главе 5.§1.5.

Реакторы ГХО с активацией смеси сверхвысокочастотным разрядом (СВЧР)Необходимость получения алмазных пленок со стабильными и воспроизводимымисвойствами, без загрязнений от электродов, нитей или стенок камеры, привела к разработке ипромышленному выпуску систем для получения алмазных пленок из газовой фазы всверхвысокочастотной (СВЧ) плазме. Реакторы ГХОСВЧР включают в себя три основныхблока: СВЧ тракт, газовый тракт и разрядная камера (реактор).

По конструкции разряднойкамеры Реакторы ГХОСВЧР можно условно подразделить на установки "резонаторного типа"(ASTeX-type) и установки "волноводного типа" (NIRIM-type) [34]. Большое распространение,особенно в Японии, Корее, Китае и Индии получили более простые и дешевые установки"волноводного типа", имеющие типичные СВЧ мощности до 1 кВт и диаметр подложек 10 - 30мм, и где диэлектрическая трубка (прозрачная для СВЧ волны) с реагирующим газомпронизывает под прямым углом СВЧ волноводный тракт прямоугольного сечения. Этиустановки используются главным образом для научно-исследовательских работ в областитехнологии выращивания алмазных пленок и, как правило, изготавливаются самимиэкспериментаторами.

(Небольшая серия установок этого типа была изготовлена Sigma CoatingEngineering Co., Kyoto, Japan).К установкам первого "резонаторного" типа относятсяустановки фирм ASTeX, Modular Process Technology Corp. (MPT), Wawemat Inc., AEATechnology (UK), Vactronic Equipment Inc., и ряд других. Установки этого типа имеют СВЧмощность от 2 и менее кВт до десятков кВт и обеспечивают на подложках диаметром 30 - 100мм типичные скорости роста алмазных пленокдо 10 мкм/ч, при сравнительно низкихстоимостях (порядка 150-200$/карат), что существенно для конкурентоспособности этой32технологии,например,миллиметровыхприразмеровизготовлениивэтихрежущихреакторахинструментов.достигнутыДляскоростиподложекосаждениямонокристаллического алмаза более 150 мкм/ч, подробнее об этом в разделе 5.4.3.

Далее вобзоре и главе 6 диссертации рассматриваются и моделируются только реакторы"резонаторного" типа.Несмотря на производство и активное использование реакторов ГХОСВЧР, на моментначала разработки автором настоящей диссертации 2-D модели процессов в реакторахГХОСВЧР (2007 год) проблемы с адекватным представлением об основных плазмохимическихпроцессах, пространственных распределениях параметров плазмы были далеко не решены. Вплазме СВЧ разрядов для типичных вложенных мощностей Р~500-2000 кВт и давлений р~50200 Тор были примерно известны (из экспериментальных и теоретических работ) характерныегазовые температуры Т~2000-3500 K, степени диссоциации водорода (от процентов до десятковпроцентов) и концентрации электронов порядка ne~1011 - 5×1011 см-3 [95-100].

Но о типичныхконцентрациях СxHy компонент было мало что известно, и практически не было информации опространственном распределении [СxHy] в реакторе и пространственном механизме конверсийСxHy компонент (какие реакции разложения-синтеза СxHy компонент идут в горячейплазменной зоне и какие - вне ее). Для получения такой информации и других деталейосаждения АП в реакторе ГХОСВЧР необходимо учесть в модели много сложных ивзаимосвязанных процессов, например, распространение и взаимодействие с плазмойэлектромагнитных полей (E, H) вводимого в реактор СВЧ излучения, нагрев газа, тепло- имассоперенос, множество заряженных и нейтральных компонент, плазмохимических реакцийдля них в реальных рабочих Н/С смесях с и без их разбавления инертным газом, неравновеснуюэлектронную кинетику, излучение плазмы и его выход из плазменной области, диффузионныйи термодиффузионный перенос компонент реакционной смеси, их реакции на подложке,подложкодержателе и стенках реактора.

И для получения реалистичных результатов все этонадо учесть в рамках как минимум 2-D(r,z) модели (для цилиндрически симметричногореактора). Понятно, что реализовать такой самосогласованный подход в виде математическоймодели чрезвычайно не просто даже с применением эффективных численных методов и оченьзатратно с точки зрения времени счета такой задачи. Неудивительно, что вместо такоготруднодостижимого идеала в разрабатываемых моделях использовались различные упрощения.Наиболее радикальное и распространенное из них – применение нульмерных и одномерныхмоделей для H2 плазмы [95,96], H/C смесей [97,98], H/C/Ar смесей [99,100] или комбинациидвух 1-D(z) и 1-D(r) моделей по аксиальному и радиальному направлениям [101].

Такиеподходы чрезвычайно упрощают реализацию и численный расчет, но имеют проблемы спостановкой граничных условий, соблюдением баланса мощности и не позволяют получить33реалистичную пространственную картину процессов. Это признают авторы [99], которым неудалось в полной мере воспроизвести их масс-спектрометрические измерения (в CH4/H2/Ar иС2H2/H2/Ar смесях) долей СH3, CH4, H, С2H2, C2H4 в 1-D модели с использованиемпрограммных пакетов CHEMKIN и SURFACE CHEMKIN и различными граничнымиусловиями для состава смесей. В качестве причины авторы выдвигают не размерные эффекты, аотсутствие в модели плазмохимических процессов.Другое используемое упрощение – это 2-D(r,z) модели для чистого водорода (безуглеводородных компонент) без расчета полей [102] и с самосогласованным расчетомэлектромагнитных полей [94,103-109].

Из ранних работ отметим 2-D моделирование [102]переноса тепла и компонент с помощью известного коммерческого пакета FLUENT в смеси1%СН4/H2 при давлении p=40 Тор. Газофазная и поверхностная кинетика не рассчитывались.Результатымоделированияпоказали,чтопереностеплаопределяетсявосновномтеплопроводностью, перенос компонент – диффузией и лишь при больших расходах (800 sccm)существенным становится конвективный перенос. Над подложкой образовывалось вихревоетечение, что существенным образом сказывалось на времени пребывания газа в реакторе.Заявка на создание полной 2-D модели была представлена в работе [103] сотрудников компанииAstex – известного производителя коммерческих реакторов ГХОСВЧР. В этой статьеприводятся результаты расчетов распределений электрических и магнитных полей в реакторе(не согласованных с одновременным расчетом параметров плазмы) и газодинамическихпотоков.

Отдельно в нульмерном приближении рассчитывается временное поведениеконцентрации электронов и их функции распределения по энергии (ФРЭЭ). Далее сиспользованиемполученныхпоФРЭЭэлектронныхкинетическихкоэффициентоврассчитывается также в нульмерном приближении временное поведение 12 компонент C/Hсмеси с учетом 23 реакций. Авторы понимают неадекватность такого подхода и сообщают опредпринимаемых усилиях создать самосогласованную 2-D модель, но сообщений впоследующие годы об успехах этого начинания в литературе не обнаруживается. 2-D моделидля водорода с использованием собственных экспериментальных результатов (например,измерений газовых температур, степени диссоциации водорода, плотностей поглощаемойплазмой СВЧ мощности, оптической спектроскопии) развивают активные в изучении реакторовГХОСВЧР группы А.Л. Вихарева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород)[106] и японская группа H.