Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Также выявленыособенности активации СH4/B2H6/H2 смесей с наработкой атомов бора (из ВН3 в результате Нshifting реакций), его гибелью на поверхности ГН и важной ролью В атомов в легировании АП.3. Получены параметры газофазно-поверхностного двухстадийного механизма каталитическойдиссоциации молекул Н2 и N2 на поверхности горячей нити. Этот механизм совместно сразвитым аналитическим подходом для описания высокоградиентных профилей температурыгаза Т концентраций атомов Н у нити и 2-D модельными расчетами распределений Т иконцентраций атомов N позволяет получить скорости каталитической диссоциации Н2 и N2 ивпервые объясняет наблюдаемые парадоксальные зависимости концентраций Н и N атомов отдавления газа p, а также энергии активации образования атомов, измеряемые при вариациитемпературы нити Tf и составляющие порядка половины энергии связи соответствующихмолекул.В 2-D и 3-D модельных расчетах в азоте обнаружено также, что, несмотря на наличиеисточника колебательно-возбужденного азота N2(v=1) на поверхности горячей нити,12населенность N2(v=1) ниже равновесной в некоторой горячей области вокруг нити исверхравновесна в более отдаленных от нити областях.4.
Разработана 2-D(r,z) модель реактора ГХОДП с самосогласованным учетом плазмохимиирекомбинирующей H/C/Аr плазмы, транспортных процессов (тепло и массо-перенос, диффузия,термодиффузия и бародиффузия), переноса излучения, газофазно-поверхностных процессов наподложкеинеизвестныхпредложенапараметровэкспериментально-теоретическаяплазменнойструинавходеметодикавдляреакционнуюопределениякамеруиперераспределении вложенной мощности по затратам на нагрев газа и стенок плазмотрона, надиссоциацию Н2 и на ионизацию H/Ar смеси.5. В результате систематических расчетов H/Ar и H/C/Ar смесей в двух реакторах ГХОДПразличной мощности (более 6 кВт и менее 2 кВт) получена целостная картина взаимодействияразличных процессов в сильно отличающихся условиях горячей плазменной струи и холоднойзоны рециркуляции газа, позволившая впервые объяснить и описать ряд эффектов иэкспериментальных результатов:- парадоксальное падение на порядки измеряемой линейной плотности H(n=2) при увеличениив разы доли водорода в H/Ar смеси из-за ускоренного при больших долях Н2 распада плазмы врезультате диссоциативной электрон-ионной рекомбинации;- разделения содержания компонент Н и Ar в зоне ударной волны за счет бародиффузии;- критически важный эффект радиальных профилей концентраций Н(n=2) и электронов наизмеряемые по Штарковскому уширению линий Бальмера концентрации электронов;- излучения плазмы в результате химической люминесценции и диссоциативной электронионной рекомбинации, а также эволюцию параметров плазменной струи, бомбардирующейподложку и обеспечивающей скорости роста АП порядка 100 мкм/ч за счет наиболее вероятныхпредшественников алмаза - атомов углерода и молекул СН;6.
Для реакторов ГХОСВЧР с типичными рабочими плотностями вложенной мощности 20-40Вт/см3 установлен детальный энергобаланс с расчетом потоков тепла на все стенки реактора,подложку и подложкодержатель, выявлены и количественно описаны плазмохимическиепроцессы, радиационные потери и основные каналы трансформации поглощенной мощности сдоминирующей в используемых смесях 0%-10%CH4/H2 долей колебательно-вращательноговозбуждения Н2 электронным ударом с последующей диссипацией энергии посредством VT иRТ релаксации молекул на атомах Н в нагрев газа и, как следствие, в термическуюдиссоциацию Н2 и CxHy. Объяснены наблюдаемые в плазменной зоне функциональныезависимости мольных долей углеводородов X(CHx) ~ (X0C)0.5, X(C2Hx) ~ X0C от доли X0Cуглеродной компоненты (метана) в рабочей смеси, получены оценка мольной доли метила13(основного газофазного предшественника алмаза) над подложкой XCH3 ≈ 5×10-4×(X0C)0.5 изависимости скорости роста АП G~(X0C)0.5.7.
В рабочих режимах реактора ГХОСВЧР в СН4/H2/Ar смесях при вариации доли аргона XAr от0 до 98.5% установлены диапазоны изменения параметров плазмы (рост температурыэлектронов Те от ~1.3 до ~2.5 эВ, максимальных отношений [H]/[H2] от ~0.09 до ~2, падениесредних плотностей вложенной мощности при примерно постоянных максимальныхтемпературах газа Тmax~3000±100 K и вариации максимальных концентраций электронов вдиапазоне ne~(3±1.5)×1011 см-3).
Получена оценка предела допустимой вложенной мощности вH/C/Ar смесях в реакторе ГХОСВЧР заданного объема, объяснены причины резкого ростаизлучательных потерь в Ar-доминирующих смесях при XAr>80%. Установлена ограниченнаядоля (в диапазоне ~10-30%) реакции адсорбции атомарного водорода в нагрев подложки нафоне основного вклада газовой теплопроводности. Осаждение ультрананокристаллических(UNCD) пленок проанализировано для 0.5%CH4/1%H2/Ar и 0.5%CH4/1%H2/He смесей, гдеобнаружено, что концентрация над подложкой CH3, как наиболее вероятного предшественникаUNCD, превосходит на порядки концентрацию С2.8. В H/B/С/Ar смесях с примесью О2 выявлены ключевые конверсии борных компонент (вреакциях с участием С2Н2, С2Н4, H2O, CHx и Н и сохранением бора в более стабильных HBO иHzCOBHy компонентах), позволившие объяснить качественно и количественно разнообразныеэкспериментальные результаты в реакторе ГХОСВЧР, в том числе взрывной рост концентрацийВ и ВН при добавлении 1-2 sccm СН4 в H/B/Ar/О плазму, свечение внеплазменных зон реактораза счет хемилюминесценции ВН*, а также основной вклад атомов бора в легирование АП.Апробация работыРезультаты работы являются итогом 20-летних исследований автора в области физики и химиигазоразрядной плазмы.
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывалисьна Международных симпозиумах и конференциях по ГХО АП: Международном симпозиуме поалмазным пленкам, 2thISDF (Минск, 1994) и 3thISDF (Санкт-Петербург, 1996), Международномсимпозиуме Fourth International Symposium on Diamond Materials (Рино, США, 1995),Симпозиуме EURODIAMOND’96 (Турин, Италия, 1996), Конференции ЭлектрохимическогоОбщества (США) в рамках симпозиума Fifth Internat. Symposium On Diamond Materials (Париж,Франция, 1997), Международной конференции “Lasers in Synthesis, Characterization andProcessing of Diamond” (Ташкент, Узбекистан, 1997), Европейских конференциях EuropeanConference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide(Будапешт, Венгрия, 2001) и (Гранада, Испания 2002), Международных конференциях Hot WireCVD6 (Париж, Франция, 2010), а также на семинарах НИИ Ядерной физики МГУ, Химического14факультета Бристольского университета, (Бристоль, Англия), Микроэлектронного ЦентраIMEC (Левен, Бельгия) и др.Практическая значимостьПолученныевработеданныеомеханизмахактивациирабочихсмесей,опространственных распределениях компонент смесей и параметрах плазмы (газа) в реакторахГХО АП могут быть использованы для решения целого ряда задач физики низкотемпературнойплазмы, применения плазменно и термически стимулированных методов осаждения тонкихпленок, в частности, оптимизации работы современных реакторов ГХО.
Размерноемоделирование реакторов ГХО АП позволило объяснить ряд наблюдаемых эффектов иэкспериментальных зависимостей. Были получены формулы для скорости роста АП и оценкипредельной мощности в реакторе ГХОСВЧР. Некоторые результаты работы (полученныекольцеобразные распределения метила с максимумами вне горячей плазменной зоны) ужеиспользовались для модификации реактора ГХОСВЧР с результирующим двукратнымувеличением скорости осаждения АП (глава 6).
Реализованные в работе совместныеэкспериментально-теоретические методики могут быть использованы в различных химическихреакторах для получения характеристик активированных смесей и контроля режимовосаждения. Так с применением калориметрических методов были получены детальныезначения параметров влетающей в реакционную камеру горячей плазменной струи дуговогоплазмотрона, а в реакторе ГХОСВЧР проведены сравнения с расчетными распределениямипотоков тепла на стенки и подложку реактора.Предложенный для реакторов ГХОГН самосогласованный подход с применением 2-D и3-D модельных расчетов и аналитических методов может быть использован для изучения сред срезкими градиентами газовой температуры, мольных долей компонент и их взаимодействия сгорячей поверхностью, а также для получения или исправления абсолютных калибровокэкспериментальных методов измерения концентраций радикалов.
2-D модель реактора ГХОГНбыла также использована для оптимизации параметров многонитевого реактора ГХОГН.Численные методы в развитых моделях и результаты моделирования различныхпроцессов и характеристик реакторов ГХО АП могут быть использованы для анализа иизучения сложных систем (реакторов) с набором разнообразных взаимодействующихпроцессов, широкой вариацией плазменных (газовых) условий и резких градиентов параметровреагирующих потоков.Список основных публикаций по теме диссертации включает 55 работ [A1-A55], из них47 статей в реферируемых журналах, 8 статей в научных сборниках и материалах конференций.15Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ§1.1. Газофазное химическое осаждение (ГХО) алмазных пленок (АП)С середины 1980-х годов наблюдался взрывной рост интереса к газофазномухимическому осаждению (ГХО) алмазных пленок (АП) и количества вовлеченных в эту темуисследовательских групп.
Хотя история открытия и изучения ГХО АП началась намногораньше. Б. В. Спицыным, в 1953 году еще студентом третьего курса Томского университета, апозднее аспирантом Б. В. Дерягина в Институте физической химии АН СССР, была выдвинутаи реализована с другими сотрудниками ИФХ АН СССР методика достройки при низкомдавлении алмазной (а не графитовой) структуры на алмазной кристаллической затравке изгазофазного источника углерода - какого-нибудь соединения углерода (паров бромистого ииодистого углерода, метана), заполняющего объем вокруг затравки. Работа по выращиваниюалмазных монокристаллов без высокого давления привела к заявке в 1956 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
