Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Мощность PWaver=120Вт/см3 была существенно больше, чем характерная для осаждения микрокристаллических АП(МКАП) PWaver ~25-30 Вт/см3, и давала более высокие газовые температуры Tmax~3300 K,мольные доли атомов водорода ХН~23% и температуры электронов Te≈1.5 эВ в центральномядре плазмы. В свою очередь, это обеспечивало и более высокие, необходимые для ростаМНКА [50], отношения [Hs]/∑[CHx]~250 концентрации атомарного водорода к суммеконцентраций над подложкой (z=0) CHx радикалов (x=0-3) - прекурсоров АП.
Для PWaver=50Вт/см3 эти параметры были ниже (Tmax~3000 K, ХН~10%, Te≈1.3 эВ, [Hs]/[CH3]~12) исущественно ближе к МКАП режиму подраздела 6.4.1.На рис. 6.11 приведены 2-D распределения температуры газа Т (левая половина рисунка)и мольной доли атомов Н атомов X(Н) для PWaver=120 Вт/см3 и диаметра подложкодержателяDsh=0.9 см. Положение горячего излучающего ядра плазмы можно проследить пораспределению С2 на рис. 6.12 (слева), а характерное, огибающее плазменную область,распределение основного прекурсора АП (метила) приведено там же на правой половинерисунка.
Как и раньше, яркая светящаяся область плазмы существенно меньше, чемреакционная область, где идут обсуждавшиеся выше различные конверсии углеводородов.Рис. 6.11. 2-D распределения температуры газа Т (левая половина) и мольной доли Н атомовX(Н) для PWaver=120 Вт/см3 и диаметра подложкодержателя Dsh=0.9 см.234Рис. 6.12. Распределению [С2] (слева) и огибающее плазменную область распределение [СН3]для PWaver=120 Вт/см3 и диаметра подложкодержателя Dsh=0.9 см.Наряду с температурой подложки потоки радикалов Н, CHx (x=0-3) на подложку исоотношения между потоками Н и CHx определяют морфологию и качество АП, ее свойства.Возможно управление процессом газофазного синтеза АП посредством изменения условийосаждения при варьирования различных параметров реактора.
Следует, однако, заметить, чтоварьирование одного параметра (в данной серии мощности и геометрии подложкодержателя)вызывает, как правило, целый ряд изменений в параметрах плазмы и условиях над подложкой,что затрудняет изучение зависимости свойств АП от параметров. На рис. 6.13 приведеныраспределения над подложкой и подложкодержателем концентраций Нs и CH3 для трехрежимов (PWaver=50 Вт/см3 и Dsh=1.2 см, PWaver=120 Вт/см3 и Dsh=1.2 см, и последний режимPWaver=120 Вт/см3 и Dsh=0.9 см), иллюстрирующих эффекты вариации плотности мощности идиаметра подложкодержателя Dsh=0.9 см.
Поскольку использованная в эксперименте Dsh небыла известна, то были проведены расчеты для разных Dsh. Оказалось, что для меньших Dsh, вчастности Dsh=0.6 см, невозможно обеспечить однородность Нs над подложкой (меньше, чем 710% перепада от минимума в центре при r=0 до r~1.4 мм) и, соответственно, однородностьскорости роста G, что необходимо для успешного осаждения МНКА и что было достигнуто вэкспериментах [282,283]. Как и прежде (и в ГХО реакторах других типов), концентрация [H](r,z=0) с ростом радиальной координаты r резко растет по мере приближения к краюподложкодержателя и сразу за ним (рис.
6.12 и 6.10). Таким образом, условие существенногопревышения Dsh по сравнению с размером (диаметром) подложки для успешного осажденияМНКА является одним из выводов по результатам моделирования этой серии режимов.Расчетные скорости роста для режима PWaver=50 Вт/см3 были порядка G~8 микрона в час, а длябазовойв этойсерииPWaver=120 Вт/см3достигалисьдолирадикальныхсайтовС*/(С*+CH)~0.09 и скорости G порядка ~2-2.5 микрона в час, что в принципе неплохосогласовывалось с экспериментальными G~3-4 микрона в час [282,283].235Рис.
6.13. Радиальные распределения (r,z = 0.5 мм) над подложкой и подложкодержателемконцентраций Нs и CH3 для трех режимов (PWaver=50 Вт/см3 и Dsh=1.2 см, PWaver=120 Вт/см3 иDsh=1.2 см, и последний режим PWaver=120 Вт/см3 и Dsh=0.9 см). Диаметр подложки Ds = 0.3 см.Рассмотренные режимы осаждения МНКА имеют узкое окно пригодных параметров ипроблемы с устойчивой воспроизводимостью и повторяемостью результатов осаждения, что непозволяет пока говорить об осаждении МНКА как о реализованной технологии.
Кроме того, всеупомянутые в этом разделе успешные эксперименты по осаждению МНКА были выполнены смалыми (миллиметровыми) размерами подложки.§6.5. Моделирование реакторов ГХОСВЧР в смеси СH4/Н2/(Ar или He) с доминирующейдолей инертного газа. Условия для осаждения (ультра)нано-кристаллических АП((У)НКАП)6.5.1. Плазменные параметры в H/C/Ar смесях при вариации доли аргона в широкомдиапазонеВ предыдущем параграфе были рассмотрены основные плазмохимические процессы вH/C/Ar плазме с 7% долей Ar, при которой аргон не оказывал никакого заметного влияния наработу ГХОСВЧР.
Понятно, что в типичных смесях 0.5%СH4/1%Н2/98.5%Ar, используемых дляосаждения УНКАП (UNCD, ultrananocrystalline diamond с размером кристаллитов порядка 10нм и менее [128,129]) и рассматриваемых в подразделе 6.5.2, аргон будет существеннойкомпонентой во многих процессах (для ФРЭЭ, электронной кинетики, плазмохимии). В данномподразделе будет предпринята попытка последовательно проследить изменение плазменныхпроцессов и условий осаждения АП в ГХОСВЧР реакторах при варьировании доли аргона вН/C/Ar плазме от несущественной (как в рассмотренной выше 4.4%СH4/88.6%Н2/7%Ar смеси)до доминирующей (в смеси 0.5%СH4/1%Н2/98.5%Ar для UNCD условий) с расчетом двухпромежуточных смесей 0.5%СH4/14.7%Н2/84.8%Ar и 0.5%СH4/25%Н2/74.5%Ar. Для этих трех236новых смесей в группе проф.
Ашфолда проводились такие же, как и для рассмотренных вышесмесей [112-114], детальные OES и CRDS измерения при базовом расходе 525 sccm и давлении150 Тор [122]. Поддерживать постоянной вложенную мощность при таком существенномизменении смеси не представляется возможным. Р=1500 Вт, например, является запредельнойдля аргон доминирующей плазмы (UNCD смеси): плазма начинает заполнять весь объемреактора вплоть до кварцевого окна уже для заметно меньших, чем 1500 Вт, мощностях [122].Поэтому рассматривались экспериментальные режимы с типичными рабочими мощностями итемпературами подложки Ts для осаждения разных типов АП: Р=500 Вт для UNCD пленок(смесь 0.5%СH4/1%Н2/98.5%Ar, Ts=750 К), Р=1000 Вт для NCD пленок (нанокристаллическихпленок с характерными размерами кристаллитов в десятки нм) в базовом для рассматриваемойсериирежимеисмеси0.5%СH4/14.7%Н2/84.8%Ar,Ts=1130Кидругойсмеси0.5%СH4/25%Н2/74.5%Ar с большим X0(H2) и Ts=1200 К, и прежний МКАП режим с Р=1500 Вти Ts=973 К для смеси 4.4%СH4/88.6%Н2/7%Ar.Для моделирования этой серии плазменных смесей и условий использовалась та же 2-Dмодель и плазмохимическая кинетика, что и ранее (§6.2), только с расширенным составомионов (с дополнительными ионами C+, C2+, C3+, CH+, C2H+ и C3H+).
Кроме того, для трех смесейс преобладающей долей Ar предполагался 20% градиент электронной температуры (±10% отсредней Tе) [122], позволяющий хорошо воспроизводить экспериментальные профили{Н(n=2)}. Перепоглощение в H и Ar резонансных линиях учитывалось приближенно спомощью фактора ускользания θ (escape factor) с заменой константы скорости радиационногораспада A на Aθ для оптически толстой плазмы. В расчетах использовался θ =0.1 для Ar** → Ar+ hν резонансных линий и θ =0.1-0.3 для H(n=2,3) → H(n=1) + hν линий в смесях с долей аргонаX0(Ar)=74.5-98.5, соответственно. Впрочем, значение θ слабо влияло на радиационные потери,поскольку Aθ×[Ar**] мало меняется при варьировании θ, так как с ростом θ падает [Ar**] (инаоборот), так что произведение Aθ×[Ar**] сохраняется на примерно одном уровне.
2-Dмодельные расчеты давали долю радиационных потерь <7% от вложенной мощности приX0(H2)≥14.7%. Эта доля достигала ~20-30% для UNCD условий (0.5%CH4/1%H2/98.5%Ar смеси)в результате резко выросшего излучения в линиях таких компонент, как C3*, C2*.237Рис. 6.14. Расчетные изменения средней плотности мощности PW, температуры электронов Te,отношения [H]/[H2], максимальных газовых температур Tmax, плазменного объема Vpl и центра(по высоте над подложкой) плазменной области zc для четырех рассматриваемых смесей0.5%СH4/1%Н2/98.5%Ar,0.5%СH4/14.7%Н2/84.8%Ar,0.5%СH4/25%Н2/74.5%Ar,4.4%СH4/88.6%Н2/7%Ar с широко варьируемыми долями X0(H2) и X0(Ar).Для общего представления об эффектах такого широкого варьировании доли Ar (исоответственно Н2) на рис.
6.14 приведены расчетные изменения некоторых важныххарактеристик плазмы: средней плотности мощности PW, температуры электронов Te,отношения [H]/[H2], максимальных газовых температур Tmax, плазменного объема Vpl и центра(по высоте над подложкой) плазменной области zc [122]. Из данных этого рисунка следуетотметить существенный рост плазменного объема (и соответственно, zc), [H]/[H2] и Te с ростомдоли Ar при примерно постоянном уровне максимальных газовых температуртенденции с ростом доли Ar, а именно рост VplTmax.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
