Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Эффекты вариации температуры подложки Ts и расстояния между ГН и подложкойДля тех же условий Стэнфордского реактора, что и в разделе 2.3.1 и базовойтемпературы Tf=2500 K, были проведены 3-D расчеты для разных температур подложки Ts=773,973, 1173 и 1373 K [29]. В таблице 2.2 приведены результаты для концентраций базовыхкомпонент и сравнение с CRDS измерениями [32] осредненных по оси у концентраций СН3.Стоит отметить, что в этой таблице, приведенной в [29], содержится типографская ошибка впервом и втором столбце 3-й и 4-й строки (последняя цифра (три) столбца температурыоказалось во втором столбце). Как видно, при понижении температуры Ts растет концентрацияатомов Н из-за уменьшения вероятности γ гибели Н на подложке. [CH3] имеет небольшоймаксимум при Ts =973 К, при низких Ts [CH3] падает из-за трехтельной рекомбинации (22) с Натомами, и интегральные по оси у расчетные и экспериментальные [32] концентрации СН3неплохо коррелируют при Ts=773-1173 К.Таблица 2.2.
Зависимость от температуры подложки Ts концентраций (в единицах 1014 см-3) надцентром подложки (x=0,y=0,z=0.5 мм) атомарного водорода H, C2H2, CH4, CH3 и осредненныхпо оси у расчетной и экспериментальной концентраций метила в Стэнфордском реакторе [32].65Эффекты варьирования расстояния Lfs = 7, 9 и 11 мм между ГН и подложкой былиизучены для условий Corat&Goodwin реактора [178] (р=26.6 Тор, 0.5%СН4/Н2, Tf≈2500 K,температура подложки Ts=1000 K, расход F=400 sccm, прямой вольфрамовой ГН длиной Lf=2см и радиусом Rf=0.01, подложкой шириной Ws=0.5 см и длиной вдоль нити Ls=2 см) иQ=2.5×1020 см-2с-1.
В Таблице 2.3 приведены концентрации над центром подложки важнейшихкомпонент и REMPI измерений СН3 (произвольные единицы) [178]. Как можно было ожидать,концентрации над подложкой H, C2H2 и CH3 падают, а CH4 растет с увеличением расстоянияLfs. Поведение относительных расчетных и экспериментальных концентраций [CH3] неплохосогласуется, как видно из Таблицы 2.3.Таблица 2.3. Зависимость от расстояния Lfs концентраций (в единицах 1014 см-3) над центромподложки (x=0,y=0,z=0.05 см) атомарного водорода H, C2H2, CH4 , CH3 и REMPI измерений СН3(произвольные единицы) [178].Lfs,мм[H][C2H2][CH4][CH3][CH3],REMPI,[Corat&Goodwin]79.30.524.170.370.3896.80.374.790.260.26115.20.285.180.180.142.3.3.
Эффекты вариации давления газа. Расчетные и экспериментальные скорости ростаАПЭффекты вариации давления были рассмотрены на примере 2-D(x,z) моделированиямногонитевого реактора с длинными прямыми параллельными нитями группы из ErlangenNurnberg University [171]. Длина нитей L (в направлении оси y) была много больше, чемрасстояния между нитями Lff = 2 см и расстояние Lfs = 2 см между плоскостью нитей иподложкой, поэтому здесь вполне уместно использование 2-D(x,z) модели, где по оси у нитипредполагаются бесконечно длинными. Для экспериментальных условий [171] (смесь1%СН4/Н2, Tf=2673 K, температура подложки Ts=1123 K) были проведены расчеты [48] в 10нитевом модельном реакторе для 6 разных давлений р=0.76, 2.28, 3.8, 7.6, 15.2, 38 Тор исоответствующих каталитических источников Q/1019=2.9, 4.52, 5.32, 5.76, 6.05, 5.73 см-2с-1 схарактерным насыщением при р=10-20 Тор (Глава 3).В результате были получены следующие зависимости от давления концентраций важныхкомпонент над центром подложки (на расстоянии z=1 мм от поверхности) (рис.
2.14). Следуетотметить немонотонный характер зависимостей от p водорода Н (из-за зависимостей Q(p) икоэффициентов диффузии D(p)~1/p) и, как следствие, подобной зависимости [С](p) и болеесложной зависимости [СН3](p). Из-за существенно большей горячей газовой области в66многонитевом реакторе по сравнению с однонитевым и, соответственно, более высокихконцентраций атомов Н конверсия метана в CHx (x=0-3, главным образом в СН3 и С) и далее вС2Hy компоненты идет более интенсивно в многонитевом реакторе, так что ацетиленстановится в горячей зоне доминирующей углеводородной компонентой при давлении p~3 Тори выше.
Как следствие, наблюдается линейная зависимость расчетной концентрации С2Н2 отдавления при p≥3 Тор (рис. 2.14).Рис. 2.14. Зависимость от давления концентраций важных компонент над центром подложки(на расстоянии z=1 мм от поверхности).Рис.
2.15. Зависимость от давления скоростей роста АП в многонитевом ГХОГН реакторе,расчетных (полной и отдельных вкладов метила и СНх, х=0-2) и экспериментальной [171].67На рис. 2.15 приведены расчетные скорости роста АП из метила и CHx (x=0-2, из этихтрех компонент доминирующим был вклад атомов С). Там же приведена суммарная скоростьроста G в сравнении с экспериментальной скоростью роста [171]. Как видно, для данногомногонитевого реактора ГХОГН вклады метила и атомов С сравнимы в широком диапазонедавлений газа и их суммарный вклад позволяет объяснить наблюдаемую сложную зависимостьG от давления.
Из рис. 2.14 и 2.15 также видно, что ацетилен, рассматривавшийся в раннихработах как возможный предшественник алмаза [9,175], демонстрирует совершенно отличнуюот G(p) зависимость от давления. Условия однородности скорости осаждения АП, одна изключевых проблем в многонитевых реакторах, обсуждается в следующем подразделе.2.3.4. Многонитевые реакторы. Условия однородности скорости роста АПВ 1990-х годах многонитевые (МН) реакторы ГХОГН начали разрабатывать дляобеспечения осаждения АП на подложках большой площади. При этом встала проблемаоднородности скорости роста АП и оптимизации геометрии и параметров реактора (например,расстояния между параллельными нитями (Lff) и между плоскостью нитей и подложкой (Lfs),рис. 2.1), способных обеспечить такую однородность скорости роста АП.
Прояснить многиеаспекты данной проблемы способно двумерное моделирование МН реакторов, подобное тому,что было рассмотрено в предыдущих разделах для разных р. Здесь на примере того жемодельного МН реактора будет рассмотрена проблема однородности по оси x (вперпендикулярном нитям направлении) распределений концентраций ключевых компонент искорости роста АП.Для условий реактора группы Erlangen-Nurnberg University [171] (предыдущийподраздел) и давления p=2.28 Тор, соответствующего максимуму экспериментальной скоростироста АП, на рис.
2.16 приведены типичные для МН реакторов двумерные распределениятемпературы газа Т, мольной доли атомарного водорода ХН и концентраций атомов углерода Си метила. Также как и реакторах с активацией смеси СВЧ разрядом (глава 6), концентрацияметила достигает максимума в области температур Т~1000-1300 К за границей самой горячейгазовой зоны. Соответственно, расчетная концентрация СН3 над подложкой растет от центра ккраю подложки (с ростом х).
Противоположное поведение (спад по мере удаления от центраподложки х=0) наблюдается для концентрации атомов С над подложкой. В результате для этогодавления p=2.28 Тор расчетная скорость роста АП сглаживается и показывает небольшойплавный подъем к краю подложки (рис. 2.17). Однако, неоднородность по х относительныхвкладов СН3 и С в G может приводить к вариации свойств АП по оси х даже при однородномраспределении G(x) и [Н](x,z=0). Упоминавшийся ранее (подраздел 2.2.2) рост [Н](x,z=0) накраю подложкодержателя также хорошо виден на рис.
2.16 и 2.17.68Рис. 2.16. Двумерные (x,z) распределения температуры газа Т, мольной доли атомарноговодорода ХН и концентраций атомов углерода С и метила CH3 в многнитевом реакторе.Давление p=2.28 Тор.Рис. 2.17. Зависимость от расстояния х от оси симметрии подложки концентраций [H](x,z=1мм) и [CH3](x,z=1 мм) (для p=2.28 Тор) и скоростей роста АП G(x) для p=2.28 и 7.6 Тор,рассчитанных по формуле (19).69Для избежания этой краевой неоднородности ширина подложки должна быть меньше,чем ширина подложкодержателя, и подложка должна быть желательно утоплена заподлицо вподложкодержатель.
Расчеты также предсказывают рост неоднородности G(x) с давлением. Такдля p=7.6 Тор наблюдается двукратный рост G к краю подложки (рис. 2.17) при почтиоднородном профиле [C] над подложкой и почти пятикратном росте [CH3] к краю подложки,[CH3](x=7 см)/[CH3](x=0)~5.Кроме крупномасштабных неоднородностей типа растущего от центра к краю подложкипрофиля [CH3](x) в МН реакторах возможны также мелкомасштабные периодическиенеоднородности с периодом, равным расстоянию между нитями Lff.
Расчеты показывают, чтоприотклоненииотоптимальногосоотношенияLff~Lfs,например,причрезмернойразреженности нитей Lff>(1.5-2)×Lfs, локальные максимумы в профилях концентраций Н, С иСН3(x,z=0) могут проявляться непосредственно под горячими нитями [39]. Соответственно, вэтих местах будут локальные максимумы G(x), а минимумы скорости роста G(x) – междунитями. Таким образом, профиль толщины осаждаемой АП будет представлять собой гребенкус шагом Lff.§2.4. Моделирование реакторов ГХОГН в СH4/NH3/Н2 и СH4/N2/Н2 смесях.H/C/N химический механизм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
