Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Приведено также сравнение степенидиссоциации водорода fD=[H]/([H]+2[H2]) в центре плазменной области (правая ось ординат наOES графиках).Для двух долей метана (0.88% и 4.4%) в смеси качественно не меняется рассмотренный в§6.3 механизм конверсий углеводородных компонент с тремя отмеченными основными зонамиконверсий, доминированием С2Н2 и соответствующими соотношениями между компонентами вгруппах СНx и C2Hy (Таблица 6.5). Выявленные зоны и механизм СxHy конверсий детальнообъясняет природу обнаруженной экспериментально независимости результатов осаждения АПи пространственных распределений компонент в плазме [112-114] от сорта используемойуглеводородной компоненты.230Таблица 6.5.
Расчетные температура газа T, электронов Те и концентрации компонент (в см-3 )над центром подложки (r=0, z=0.05 см) и вблизи центра плазменной области (r=0, z=1.05 см)для базовых параметров р=150 Тор, Р=1500 Вт, F=565 sccm и трех смесей с разнымсодержанием метана (0%СН4/7%Ar/H2, 0.88%СН4/7%Ar/H2 и 4.4%СН4/7%Ar/H2) и смеси0.001%О2/7%Ar/H2 (примесь 10 ppm кислорода О2), для которой приведены и концентрациидополнительных компонент О2, H2O, O, OH, H3O+.X0CH4,%X0О2, %z , смТе, эВT, KHCH4CH3CH2CH2(s)CHCC2(a)C2(X)C2HC2H2C2H3C2H4C2H5C2H6C3C3HC3H2C4C4HC4H2H(n=2)H(n=3)H2*Ar*Ar**eC2H2+C2H3+H3+H2+ArH+Ar+H+ArH2(v=1)H2(v=0)000.0512156.53E+154.13E+061.36E+054.42E+082.72E+088.48E+063.91E+103.91E+102.19E+041.46E+062.26E+033.02E+066.18E+169.07E+151.11E+180.8800.0512646.83E+156.39E+145.45E+131.91E+113.85E+096.19E+093.04E+101.01E+082.25E+064.84E+092.89E+155.77E+121.75E+141.10E+114.21E+112.23E+123.13E+104.39E+131.69E+047.53E+061.90E+121.36E+075.11E+051.47E+097.79E+082.72E+077.21E+103.40E+103.80E+105.84E+079.07E+042.45E+059.27E+031.79E+065.70E+161.13E+161.07E+184.400.0513067.59E+151.05E+151.11E+144.28E+111.04E+101.49E+104.04E+101.44E+081.26E+072.88E+101.05E+161.87E+134.97E+142.73E+111.05E+121.02E+131.61E+111.94E+142.33E+059.23E+071.75E+131.26E+075.07E+051.29E+094.16E+081.82E+071.06E+118.39E+102.22E+101.11E+076.77E+041.31E+055.37E+034.54E+054.28E+161.28E+161.03E+18001.050.8801.054.401.0500.0011.051.2428222.79E+161.3528403.02E+162.08E+132.32E+132.58E+122.89E+114.64E+115.45E+111.26E+112.51E+106.09E+128.26E+142.06E+112.11E+112.39E+082.13E+071.25E+114.80E+097.68E+115.01E+072.23E+092.69E+111.28E+088.21E+061.82E+091.67E+082.09E+071.69E+116.23E+101.06E+113.93E+082.83E+053.10E+061.88E+048.29E+071.77E+165.01E+164.12E+171.2828843.72E+162.34E+133.27E+134.63E+125.29E+111.05E+121.45E+126.70E+111.51E+112.90E+132.89E+157.63E+116.11E+114.17E+083.18E+071.10E+123.52E+104.50E+121.08E+093.79E+103.41E+121.16E+087.00E+061.24E+097.28E+071.08E+071.95E+111.33E+116.14E+107.53E+071.67E+056.83E+058.73E+031.89E+071.36E+165.01E+163.99E+171.257.31E+074.36E+061.08E+091.11E+081.29E+071.78E+111.77E+111.41E+051.97E+089.36E+037.21E+081.83E+165.01E+164.17E+1728132.85E+16[О2]= 2.08E+03[H2O] = 1.93E+12[O] = 1.26E+09[OH] = 3.32E+107.49E+074.53E+061.10E+091.02E+081.21E+071.69E+11+[H3O ]=1.42E+112.56E+101.47E+052.66E+079.00E+039.25E+081.70E+165.01E+164.20E+172316.4.2.
Эффекты вариации давления и вложенной мощностиЭкспериментальные поведение линейных концентраций CH(X,v=0), C2(a,v=0) и H(n=2) иинтенсивностей излучения в оптическом диапазоне линий C2(d3Π−a3Π) полосы Свана (Swanband) в области длин волн ~515 нм, CH(A2∆−X2Π) (~431 нм), Бальмеровских линий (Balmer-α иβ) H(n=3,4 – n=2) показало плавно и монотонно растущий характер c ростом давления p ивкладываемой мощности P [112,113]. 2-D модель достаточно хорошо воспроизводит эти тренды(рис.
6.10, Таблица 6.6) при соответствующих изменениях плазменного объема: Vpl~66 см3 дляp=75 Тор и Vpl~37 см3 для P=1250 Вт по сравнению с базовым Vpl~52 см3 для p=150 Тор иP=1500 Вт. Как видно из этих данных, при уменьшении мощности P на 17% средняя плотностьвложенной мощности растет на ~15% (за счет такого же возрастания концентрации электроновпри примерно неизменных температурах Т и Те), а при уменьшении давления р на 50% PWпадает на ~20% (при ~30% росте концентрации электронов, ~2% падении максимальныхгазовых температур Т и ~10% росте температуры электронов Те, Таблица 6.6). Эти результатыхорошо согласуются с полученной ранее теоретической функциональной зависимостью PW(уравнение 11).
Так, вместо линейного 50% падения PW с уменьшением давления от 150 до 75Тор и, соответственно, 50% падения функционального параметра C(p,E/N) мы имеем его лишь~20%-е падение из-за компенсации за счет ne и Те. На падение Те с давлением, кроме модели,явно указывает поведение излучения в линиях (рис. 6.10), падающее для Ar(750.4 нм) вопрекиросту [Ar] и слабо меняющееся для Н(n=3→n=2, 656.5 нм). Здесь отличие поведения Н* отвозбужденного аргона вызвано тем, что [H(n=1)] растет с давлением быстрее (чем примернолинейно растущая [Ar]), близко к квадратичной зависимости [H(n=1)]~p2, в основном из-заосновного источника Н - термической диссоциация, пропорциональной ~kdiss[H2]2.Стоит отметить возможность некоторого отклонения приведенных параметров плазмыот реальных значений из-за не строго однозначного подбора плазменного объема, приводящегок приемлемой аппроксимации экспериментальных линейных концентраций CH(X,v=0),C2(a,v=0) и H(n=2).
Цилиндрический объем Vpl – параметр 2-D модели, и реальная формаплазменного объема может отличаться от строго цилиндрической. Высота плазменного объемаНpl определялась из экспериментальных z-профилей Н(n=2,3), CH, CH*, C2 и С2*. Как былопоказано в [113], относительные профили возбужденных компонент CH*, С2* хорошосогласуются с {CH(X)}, {C2(a)}, что указывает на прямое электронное возбуждение из CH(X) иC2(a) как на доминирующий источник этих возбужденных компонент и малость в C/Н плазмедругих источников излучения этих компонент, например, хемилюминесценции, как в С/H/Oплазме [124] или хемилюминесценции ВН* в В/H/O плазме [124], заполняющей весь объемреактора [120], подробнее об этом в §6.6.
В случаях с заметным вкладом хемилюминесценции ввозбуждение какой-либо компоненты определение высоты Нpl по этой компоненте может быть232некорректным и для этой цели следует выбирать компоненты с преимущественно плазменнымисточниками возбуждения: электронном ударом, реакций передачи возбуждения, например,между возбужденными молекулами CO* и OH* [123,124].Таблица 6.6.
Расчетные средняя температура электронов Те, линейные концентрации нарасстоянии z ≈ 1 см от подложки и экспериментальные (измеренные методом CRDS) линейныеконцентрации (в см-2) компонент CH(X,v=0), C2(a,v=0) и H(n=2) для базовых параметров (р=150Тор, Р=1500 Вт, F=565 sccm, смесь 4.4%СН4/7%Ar/H2) и трех наборов параметров реактора сотклонением от базового значения одного параметра (содержание метана, вложенная мощностьи давление газа, соответственно).ПараметрыреактораБазовый0.88%CH41250 Вт75 Тор2-D модельTe, эВ1.291.361.301.45{CH(X,v=0)}4.24E+122.14E+123.36E+121.47E+12Эксперимент, CRDS измерения{C2(a,v=0)}1.49E+122.97E+111.06E+121.85E+11{H(n=2)}5.99E+086.83E+085.58E+084.06E+08{CH(X,v=0)}4.63E+122.56E+123.48E+121.50E+12{C 2(a,v=0)}1.50E+122.20E+111.20E+12<2e11{H(n=2)}5.93E+086.12E+084.63E+083.13E+08Что касается влияния вариаций аргона на параметры плазмы, то малые добавкиX0(Ar)<10%-20% в реакционную СН4/H2 смесь не вызывают каких-либо заметных эффектов,как было показано экспериментально и в 2-D моделировании [112,113].
Однако придоминирующей доле Ar в рабочей смеси плазменные процессы, параметры и свойстваосаждаемых АП претерпевают значительные изменения. Эффекты вариации Ar в широкихпределахбудутрассмотреныотдельнов§6.5.Эффектывариациигеометрииподложкодержателя будут затронуты в следующем подразделе этого параграфа в условияхосаждения монокристаллического алмаза.6.4.3. Моделирования условий осаждения монокристаллического алмаза (МНКА) (singlecrystal diamond, SCD) в смеси 10%СH4/90%Н2В заключительном разделе этого параграфа будет затронута отдельная проблемаосаждения монокристаллического алмаза (МНКА или SCD в английской литературе, singlecrystal diamond), экспериментальные достижения в этой области подробно рассмотрены вобзоре [280].
Наиболее впечатляющие результаты (по скоростям роста G>50-150 мкм/ч иразмерам алмазных кристаллов с высотой порядка 1 см и сечением ~3×3 мм) достигнуты вгруппе Carnegi Institute(USA) [255] в узком диапазоне параметров реактора (по температуреподложки, составу смесей с малыми добавками О2 и/или N2) и, как следствие, возможнымипроблемами с устойчивостью и воспроизводимостью этих режимов. О более устойчивойтехнологии осаждения МНКА позволяют говорить недавние результаты группы изМичиганского университета [281].2-D моделирование осаждения МНКА [50,118] проводилось на примере более детальноописанного ГХОСВЧР реактора бельгийской группы Hasselt University/IMEC/KatholiekeUniversiteitLeuven[282,283]сотличнойотБристольскогогеометрией233подложкодержателя/подложки и параметрами реактора: С/H смесь с большой долей метана(10%CH4/90%H2), давление р=180 Тор, мощность Р=600 Вт, температура подложки Ts=973 K.Не все геометрические детали этой установки были известны во время моделирования, вчастности, диаметр подложкодержателя.В модельном реакторе с высотой h=6.2 см и радиусом Rr=5 см, алмазной подложкойразмером 2.5×2.5 мм, утопленной заподлицо на верхней поверхности цилиндрическогоподложкодержателя hsh=2 см и диаметром Dsh (рассматривались два размера Dsh=0.9 см и 1.2см), расчеты проводились для двух объемов цилиндрической плазменной области: Vpl~12 см3 (свысотой Hpl=1.8 см, радиусом Rpl=1.45 см и средней плотностью мощности PWaver = 50 Вт/см3) иVpl~5 см3 (с высотой Hpl=1.6 см, радиусом Rpl=1 см и PWaver =120 Вт/см3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
