Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Локальный дисбаланс впроизводстве и гибели химических компонент компенсируется диффузионным переносомкомпонент.Потоки радикалов (Н, CHx, x=0-3) на подложку и соотношения между этими потокаминаряду с температурой подложки определяют качество и свойства осаждаемой алмазнойпленки, ее морфологию. Параметры смеси у подложки и другие результаты численногомоделирования реактора ГХОРПТ рассматриваются в следующем подразделе.5.3.3. Результаты численного моделирования. Эффекты вариации разрядных параметровреактора ГХОРПТЧисленное моделирование разрядных установок позволяет получить количественныерезультатывлияниявариациипараметровреакторовнаразрядныепроцессы,датьпредставление о пространственных распределениях различных разрядных характеристик ипротестировать численные результаты с помощью экспериментальных данных, полученных наустановке ОМЭ НИИЯФ МГУ (внс Тимофеев М.А.)Распространенным методом получения информации о параметрах плазмы являетсяисследование спектров излучения плазмы.
В спектре помимо большого числа линиймолекулярного водорода присутствуют линии атомарного водорода серии Бальмера: H (656нм), H (486 нм), H (434 нм), а также линии двухатомных молекул C2 (516 нм) и CH (431нм).Спектры РПТ оказываются наиболее схожими со спектрами СВЧ плазмы [113], что косвенносвидетельствует о том, что физико-химические процессы, протекающие в РПТ весьма близки спроцессами в СВЧ разряде. Это связано с сильной неравновесностью плазмы (отрывомэлектронной температуры от газовой Te~1-1.5 эВ >> T~0.15-0.3 эВ) в таких разрядах в отличиеот плазмы дуговых разрядов, где Te~T при давлениях порядка 100 Тор и выше [54].Как упоминалось выше, основными процессами, определяющими распределениеконцентраций ионов и электронов в рассматриваемых разрядных условиях, являются ионизация185углеводородов (например, С2Н2), молекулярного и атомарного водорода, диссоциативнаяэлектрон-ионная рекомбинация и амбиполярная диффузия.
Для радикалов одними изважнейших процессов в тлеющем разряде постоянного тока являются термическая диссоциацияи диссоциация H2 электронным ударом, реакции с атомарным водородом, Джоулев нагревсмеси и термическая активация химических реакций. Для плазмохимических процессов,диффузионного переноса Н и СxHy, термодиффузионного переноса углеродсодержащихкомпонентизгорячихобластейразрядавболеехолодныевнеплазменныезоныпринципиальное значение имеет пространственное распределение температур, котороеопределяется, главным образом, балансом Джоулева нагрева и теплопроводностного выносаэнергии из горячей области к электродам и стенкам реактора [122].
В долгоживущихэлектронно-колебательных уровнях двухатомных молекул (Н2, С2) наблюдаемое распределениевращательных уровней хорошо описывается уравнением Больцмана с вращательнойтемпературой, совпадающей с газовой температурой Т. В рассматриваемых разрядах типичныегазовые температуры в межэлектродном зазоре, полученные из спектральных измеренийвращательных температур, лежат в диапазоне 2000-3000 К.Для изучения процессов в разряде постоянного тока и сравнения с экспериментальнымиданными и наблюдениями были проведены расчеты по двумерной модели для следующихпараметров реактора: радиус катода Rcath=1.2 см, межэлектродный зазор d варьировался от 1 до3 см. Подложка располагалась на цилиндрическом аноде радиусом 1.65 см, ее температураTs=1150 K бралась из экспериментальных данных.
Типичные токи в режиме осаждения были 11.5 А, напряжения – 500-800 В. Смесь рабочих газов (0%-7%)CH4/H2 подавалась через системумиллиметровых отверстий в катоде с типичными скоростями порядка 4-10 м/с, давление вкамере p=120 – 150 Тор.Приведем сначала некоторые результаты для конкретных параметров реактора [94](рабочая смесь 7%CH4/H2, давление в камере 132 Тор, полный ток I=1.3 A, межэлектродныйзазор d=2 см), для которых расчетное падение напряжения в положительном столбе разрядабыло Uпс~400 В. На рис. 5.2 приведены двумерные распределения газовой температуры Т (в К)и мольной доли атомарного водорода XH – важнейшего радикала для активации газофазной иповерхностной химии. Расчеты показывают, что в центре разрядной области достигаютсямаксимальные газовые температуры T~3020 K и мольные доли атомарного водорода XH~5.5%.От горячего центра Т и XH плавно спадают в радиальном направлении и к электродам, каквидно из рис.
5.2. Увеличение скорости прокачки газа на порядки приводило к смещениюмаксимума температуры к аноду, но при использованной в данном расчете скорости (4 м/c)потока газа во входных отверстиях в катоде такого заметного смещения еще не было.186Рис. 5.2. 2-D(r,z) распределения газовой температуры Т (левая половина рисунка) и мольнойдоли атомарного водорода ХН (правая половина) в реакторе ГХОРПТ. Смесь 7%CH4/H2,давление р=132 Тор, полный ток I=1.3 A, температура подложки 1150 К, межэлектродный зазорd=2 см, диаметр катода 2.4 см, диаметр анода 3.2 см. z – вертикальная ось, r – горизонтальнаяось, (r=0, z=0) соответствует центру подложки.Рис.
5.3. 2-D(r,z) распределения приведенного электрического поля E/N в Td (слева) иконцентрации электронов ne/1012 (см-3, справа) в реакторе ГХОРПТ. Смесь 7%CH4/H2, давлениер=132 Тора, полный ток I=1.3 A, межэлектродный зазор d=2 см, диаметр катода 2.4 см, диаметранода 3.2 см.Для рассматриваемого режима на рис. 5.3 изображены также расчетные распределенияприведенного поля E/N и концентрации электронов ni (в единицах 1012 см-3) в межэлектродномзазоре (ось симметрии реактора – вертикальная ось z, по горизонтали - радиальное направлениеr).
Приведенное поле E/N в зазоре распределено более однородно (особенно по осевойкоординате z), чем Т и, соответственно, полная концентрация газа N~1/T. Концентрацииэлектронов ne (и ионов nion=ne) смещены к аноду, как и источник ионизации – концентрацияС2Н2, и в радиальном направлении максимальны на оси реактора (r=0). На катоде реализуется187режим с однородной, близкой к нормальной, плотностью тока j=I/(Stop+Slateral)~0.2 A/см2 сзахватом, помимо торцевой поверхности Stop, части боковой поверхности катода Slateral~3 см2для смеси 7%CH4/H2 смеси и Slateral~7 см2 для Н2 плазмы, бравшейся из экспериментальныхнаблюдений ярко светящейся боковой части катода.30001.E+181.E+17CH3C2H2CH21.E+15CH2(S)CH20001.E+14T, KSpecies concentrations, 1/ccmH25001.E+16CC2HC2H61.E+13C2H4C2H51.E+121500C2H3CH4H2T1.E+111.E+1010000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0Distance from substrate, z, cmРис.
5.4. Распределение концентраций компонент смеси в межэлектродном зазоре длярадиальной координаты r=5.5 мм. Межэлектродный зазор d=2 см, рабочая смесь 7%CH4/H2,давление р=132 Тора, ток I=1.3 A, температура подложки Ts=1150 K.На рис. 5.4 для радиальной координаты r=0.55 см приведены профили концентрацийкомпонент CxHy и температуры газа Т как функций расстояния z от анода.
Как видно из рисунка5.4, для рассматриваемого режима практически полное разложение метана (падение егоконцентрации на два порядка) происходит на расстоянии ~0.5 см от места ввода рабочей смесив разрядную зону (от отверстий в катоде). Как и в реакторе ГХОСВЧР (глава 6), основнаяуглеводородная компонента в горячей плазменной зоне – ацетилен, 2-D распределение мольнойдоли которого приведено на рис. 5.5. Там же приведен характерный профиль ХСН3 смаксимумами вокруг центральной, наиболее горячей, зоны разряда. Стоит подчеркнуть, чтораспределения СН3, также как и других углеводородов и Н атомов, очень подобнысоответствующимраспределениямвреактореГХОСВЧР[111].Поэтомусхожиепространственные механизмы конверсии углеводородов будут детально разбираться далее напримере реактора ГХОСВЧР в главе 6. Здесь стоит отметить одно отличие изучаемыхреакторов: несмотря на более высокие максимальные температуры газа и средние удельныеэнерговклады PW в РПТ в базовых вариантах (Tmax~3000 K и PW ~50 Вт/см3 в РПТ против Tmax~2900 K и PW ~30 Вт/см3 в СВЧР) достигаемые мольные доли были ниже в РПТ (XH~5.5%) посравнению XH~7.5% в СВЧР.
Помимо небольших отличий в параметрах используемых смесей188существенной (для устанавливающихся распределений Т и XH) разницей в этих разрядах былоналичие в РПТ двухстороннего стока тепла и гибели Н атомов на относительно холодныхповерхностях катода и анода сверху и снизу плазменной области в отличие от одностороннегостока в СВЧР только вниз на поверхность подложкодержателя.Варьирование величинымежэлектродного зазора d приводит к значительным изменениям разрядных характеристик.Расчеты по двумерной модели для рабочей смеси 7%CH4/H2 и давления в камере р=132 Торапоказывают, что максимальная газовая температура Т в центре разряда меняется от T~2400 Kдля d=1.25 см до Т~2800 K для d=1.6 см и Т~3020 K для d=2 см.
При этом полный ток I=1.3 Aпостоянен, а падение напряжения в положительном столбе Uпс растет с зазором от 330 В дляd=1.25 см, до 370 В для d=1.6 см и ~400 В для d=2 см так, что типичные значения приведенногополя E/N в зазоре катод-анод находятся на уровне 38±3 Td, а концентрации электронов ne~(15)×1011 см-3 (см. рис. 5.3). Рост Т и XH в центре плазменной зоны с увеличением зазораобъясняется удалением от этого центра относительно холодных электродов – основных стоковтепла и Н атомов.Для оптимизации рассматриваемых реакторов c плазменной активацией важно знатьсоотношение между термически равновесными и неравновесными электронными механизмамирождения радикалов.
В частности, соотношение скоростей диссоциации молекул водорода засчет столкновений с электронами и нейтральными частицами. Расчеты показывают, чтоскорость термической диссоциации H2 начинает превышать диссоциацию электронным ударомв горячих областях с температурой газа выше 2750-2850 К.Рис. 5.5. 2-D(r,z) распределения мольной доли С2Н2 (слева) и СН3 (справа) в процентах длябазовых условий реактора ГХОРПТ (как на рис. 5.2).Следует отметить, что в чистом водороде (без углеводородов) расчетные температурыгаза и степени диссоциации значительно меньше, чем в смесях с метаном при одинаковых189разрядных токах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
