Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Так, для зазора d=2 см, давления р=120 Тор, тока I=1.4 A в чистом H2максимальная температура не превышает Т~2500 К, XH меньше 0.4%, а падение напряжения встолбе Uпс~340 В и E/N~34 Td. Такие тренды наблюдаются и в эксперименте, а модель этообъясняетследующимобразом.Врезультатебыстрыхреакцийионнойконверсиипервоначальный ион H2+ конвертируется в H3+ и далее в Н3О+, а при добавлении метана все этиионы перезаряжаются на молекулах CxHy (в дополнение к основному производству ионов CxHy+при ионизации молекул CxHy). Коэффициенты диссоциативной электрон-ионной рекомбинацииионов CxHy+ на 1-2 порядка больше, чем ионов H3О+ и H3+, что ведет к возрастанию скоростигибели заряженных частиц и, несмотря на значительно возрастающую за счет ионизации С2Н2полную скорость ионизации, к увеличению Uпс и E/N, необходимых для обеспеченияпротекания заданного тока.
Растущая вложенная мощность обеспечивает рост температуры газаи степени диссоциации водорода. Рост Т и XH в центре плазменной зоны с увеличением зазораобъясняется удалением от этого центра основных стоков тепла и Н атомов – относительнохолодных электродов.Проведенное моделирование РПТ в СО/H2 смесях показало, что углеродсодержащиерадикалы здесь, в отличие от неплазменных источников в СН4/Н2 смесях, образуютсяпервоначально в результате диссоциации СО электронным ударом.
Образующиеся атомы Смогут непосредственно служить строительным материалом АП или быстро конвертироваться вдругие радикалы, например, в СН и далее в другие углеводороды (СНx, x>1, и C2Hy) в реакцияхс участием Н и Н2. Дополнительный источник радикалов – реакции нейтральных компонент H2+ CO <=> H + HCO, HCO + M <=> H + CO + M, H2 + M <=> 2H + M – в рассмотренныхразрядных режимах был менее значителен, чем диссоциация СО и Н2 электронным ударом,ввиду недостаточно высоких газовых температур T~2500 K.194Глава 6. АКТИВАЦИЯ H/C, H/C/Ar(Нe) И H/B/C/O СМЕСЕЙСВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ РАЗРЯДОМ ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ АЛМАЗНЫХПЛЕНОК.
ДВУМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ИТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ В РЕАКТОРАХ ГХОСВЧР§6.1. Схема и основные принципы работы реакторов ГХО с активацией смеси СВЧразрядомОдним из важнейших преимуществ ГХО СВЧР метода синтеза АП является его чистота,т.е. отсутствие загрязнений от электродов, нитей или стенок камеры, поскольку плазмасуществует лишь около подложки и изолирована от стенок.
Большинство созданных кнастоящему времени реакторов ГХОСВЧР состоят из трех основных блоков: СВЧ тракта(обычно включающего себя магнетронный генератор непрерывной генерации частоты 2.45 ГГцс соответствующим блоком питания и волноводным трактом), газового тракта и разряднойкамеры (реактора). Отличия в установках состоят главным образом в мощности СВЧгенератора и способе ввода СВЧ излучения, конструкции разрядной камеры (размеры, форма,количество и место ввода газовых каналов, размеры подложки и подложкодержателя) и ее типа:"резонаторного" (ASTeX-type) и более простые и дешевые, мощностью до 1 кВт, установки"волноводного типа" (NIRIM-type) [34]. Установки "волноводного типа", где диэлектрическаятрубка (прозрачная для СВЧ волны) с реагирующим газом пронизывает под прямым углом СВЧволноводный тракт прямоугольного сечения, стали применяться для создания СВЧ плазмывысокого давления с начала 50-х годов, когда были созданы генераторы непрерывные действиякиловатной мощности [54].
Позже, после широкого распостранения в 80-х – 90-х годахгазофазного химического осаждения АП, СВЧ установки волноводного типа получилираспространение также для осаждения АП из активированной смеси (обычно углеводороднойкомпоненты с водородом) на подложке, располагаемой в трубке ниже (по потоку газа) зоныпоглощения СВЧ излучения [34,110].Далеебудутрассматриватьсяимоделироватьсятолькоустановкипервого("резонаторного") типа. Эти установки снабжаются СВЧ генераторами различных мощностей(от 1 до десятков кВт).
Волноводный тракт осуществляет передачу СВЧ мощности отгенератора к плазме, возбуждаемой электрической компонентой СВЧ колебаний. Обычно дляпередачи энергии на частоте 2.45 ГГц используются стандартные волноводы с внутреннимсечением 90х46 мм или 72х34 мм, изготавливаемые из меди или алюминия. В составволноводного тракта входят также устройства для измерения СВЧ мощности - как падающей(проходящей от магнетрона в нагрузку), так и отраженной (распространяющейся в тракте вобратном направлении) [4]. Циркулятор включается в волноводный тракт между магнетроном ирезонатором, обычно непосредственно у магнетрона, и выполняет две основные функции:195защиту магнетрона от повреждений отраженной мощностью, возникающей в волноводномтракте при его рассогласовании с нагрузкой и повышение стабильности амплитуды и частотыСВЧ колебаний. Для автоматического согласования волноводного тракта с разрядной камеройпри изменении нагрузки (плазменного поглощения при изменении режимов осажденияалмазных пленок) применяют согласующий трансформатор, позволяющий обеспечиватьэффективную передачу СВЧ энергии от генератора к плазме разрядной камеры [4].Рис.
6.1. Экспериментальная и модельная схема ГХОСВЧР реактора с цилиндрическойразрядной камерой (2), диагностическими окнами (6), подложкой (9) и подложкодержателем(10), кварцевым окном (7) для ввода СВЧ мощности (1) в плазму (8), лазерной диагностикой(4,5,12), газовым вводом (3) и выводом (11).На рис. 6.1 изображена схема ГХОСВЧР реактора (Бристольский университет, [112]) сцилиндрической разрядной камерой, выполняемой обычно из нержавеющей стали сдиагностическими окнами на боковой поверхности. Вакуумноплотное кварцевое окно (сверху)для ввода СВЧ мощности одновременно разделяет разрядный объем камеры от внешнейатмосферы. На нижней стенке камеры располагается подложка, утопленная заподлицо вподложкодержатель-диск диаметром 3 см. Диск лежит на кольце-спейсере или подвижнойтрубке, вставленной в отверстие внизу камеры и позволяющей менять по высоте положениеподложки в камере.
Такие реакторы ГХОСВЧР (MW PACVD) в C/H смесях (например, 110%СН4/Н2 обеспечивают на подложках (обычно диаметром 10 - 100 мм) скорости ростаалмазных пленок, как правило, 1-20 мкм/ч при сравнительно низких стоимостях осаждения, чтоважно,например,дляконкурентноспособноститехнологииизготовлениирежущихинструментов с углеродным покрытием. В литературе есть сообщения [255] о существеннобольших скоростях (~150 мкм/ч) гомоэпитаксиального роста алмаза ювелирного качества вузком диапазоне параметров (повышенной температуре подложки Ts~1400 K и малымидобавками O2 и/или N2).196Далее будет рассматриваться только установка "резонаторного типа" на примереБристольского реактора ГХОСВЧР мощностью до 2 кВт и частотой f=2.45 ГГц [111-114].
Длянего были проведены разнообразные экспериментальные исследования (с использованиемлазернойпоглощательной(CRDS)спектроскопии,оптической(OES)спектроскопии,Бристольский университет, группа проф. М. Ашфолда) в различных H/C, H/C/Ar, H/C/HeH/B/O/Ar, H/C/B/O/Ar смесях и двумерное моделирование плазмохимической активации этихсмесей и процессов осаждения АП (НИИ ЯФ МГУ, Манкелевич Ю.А) [111-114]. Стандартныйрабочий режим этого реактора для базовой смеси 4.4%СН4/7%Ar/Н2 реализуется при давлениир=150 Тор, мощности Р=1500 Вт, температуре подложки Ts=973 K и полном расходе газа F=565sccmсм3(стандартныхмикрокристаллическойсоответствующегоемувминуту),приэтомтипичнаяскоростьосажденияАП была G~2 мкм/ч. Схема этого реактора (также как ицилиндрическисимметричногомодельногореакторабездиагностических окон и с отличающейся геометрией ввода/вывода газа) с радиусом разряднойкамеры Rr=6 см и высотой hr≈6.2 см представлена на рис.
6.1. Ввод газовой смеси вэкспериментальной установке осуществлялся через две противоположные трубки диаметром ¼дюйма (0.64 см), выведенные на боковую стенку камеры в ~1 см от кварцевого окна, вывод газа– через две трубки, выходящие из основания камеры. Это система ввода-вывода нарушает 2D(r,z) цилиндрическую симметрию камеры, что невозможно реализовать в модельном 2-D(r,z)реакторе. Поэтому ввод-вывод газа в 2-D(r,z) модельном реакторе был в виде тонких, в однурасчетную ячейку ∆r с внутренним радиусом Rr-∆r и внешним Rr, кольцевых отверстий вверхней и нижней стенках реактора, соответственно.До описания 2-D модели реактора ГХОСВЧР и результатов моделирования полезнопривести общие сведения о принципах работы и характерных параметрах плазмы в режимахосаждения АП. СВЧ излучение проходит через прозрачное для него диэлектрическое кварцевоеокно и отражается от металлических стенок.
Отраженная волна интерферирует с падающей ипри надлежащем выборе размеров цилиндрического резонатора (радиуса Rr и высоты hr)образуются стоячие волны различной конфигурации (различные моды ТМ, ТЕ, зависящиетакже от моды падающей волны). Для обеспечения условий пробоя и максимальныхэлектрических полей Е у подложки в ГХОСВЧР реакторах обычно используют ТМ0mn моды(компоненты электрического и магнитного поля в направлении распространения волны Еz≠0,Hz=0) [256].
Электромагнитные поля (Е, Н) в резонаторе в вакууме (без поглощающей плазмы)могут иметь чрезвычайно сложное пространственное распределение полей с резкимилокальными максимумами и минимумами [94]. В области максимальных электрических полей вкамере с рабочей смесью (или основной компонентой смеси, например, Н2) происходитначальный пробой газа. Оптимальные условия для пробоя реализуются при соотношении νm~ω197(транспортная частота электронов νm порядка частоты СВЧ поля ω=2πf=1.54×1010 c-1) и дляСВЧ пробоя это условие реализуется при давлениях газа p~1-10 Тор [54]. Ухудшение условийпробоя при меньших давлениях (νm<<ω) связано с увеличением диффузионных потерьэлектронов, а при больших давлениях (νm>>ω) – с ростом упругих и неупругих потерь энергииэлектронов, пропорциональных p [54].После пробоя и повышения давления до рабочего плазменная область цилиндрическойили полусферической формы локализуется над подложкодержателем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
