Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Эти конверсии позволили объяснить качественно и количественно разнообразныеэкспериментальные результаты в реакторе ГХОСВЧР, в том числе взрывной рост В и ВНконцентраций при добавлении 1-2 sccm СН4 в H/B/Ar/О плазму. Был выявлен существенныйвклад хемилюминесценции в излучение ВН* и объяснено свечение внеплазменных зонреактора этой хемилюминесценцией. Расчетные концентрации BHx над поверхностьюподложки позволяют дать оценки возможной степени легирования бором АП в ГХОСВЧРреакторе с основным вкладом атомов бора в процесс легирования АП.292ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1.
Разработаны полноразмерные (2-D и 3-D) модели реакторов ГХОГН для осаждения алмазныхпленок с самосогласованным учетом сложной химии реальных рабочих H/С, H/С/N и H/C/B/Oсмесей, транспортных процессов и газофазно-поверхностных процессов на подложке и горячейнити. Проведены систематические расчеты и впервые получены 2-D и 3-D распределенияконцентраций компонент различных смесей, температуры газа и их зависимостей отпараметров реактора, его конфигурации (однонитевого реактора для H/С, H/С/N и H/C/B/Oсмесей и многонитевого для Н/C смесей). Расчеты для СH4/H2 смесей позволили описатьпространственно-разделенный механизм конверсий углеводородов внутри семейств СНx (x=04), C2Hy (y=0-6) и между ними, промоделировать эффекты вариации параметров реактора(давления газа р, температуры нити Tf и подложки, расстояния между ними, количества нитей)напроцессыосаждения,скоростиростаАП,сравнитьрасчетныерезультатысэкспериментальными данными о поведении Н, CH3, CH4 и скоростей роста АП.Исследованы особенности активации и химии СН4/NH3/H2 и CH4/B2H6/H2 (с примесью О2)смесей и гетерогенных процессов на горячей нити, получены потоки радикалов на подложку,определяющие рост алмазных пленок и их легирование азотом и бором.
Выявлен механизмвзаимодействия водородных и углеводородных компонент с азотными компонентами вСH4/NH3/H2 смесях реактора ГХОГН и ключевые реакции: разложение NHx компонент в Hshifting реакциях, наработка заметных ([N]>1013 см-3) концентраций атомов азота и их роль (вреакциях с СН3) в конверсии NH3 и СН4 в стабильные продукты, такие как HCN.Количественно описан массив разнородных экспериментальных результатов и тенденций(относительные концентрации [H], [CH3] как функции Tf и %NH3, линейные плотности NH какфункции расстояния от нити z и доли аммиака NH3 в смеси).
Исследованы механизмывзаимодействия водородных, углеводородных, бор-содержащих и кислородных компонент вСH4/B2H6/H2 смесях с примесью О2 и распределения концентраций борных компонент.Проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных о профилях концентрацийатомов бора для разных Tf.2.Полученыпараметрыкоэффициентовскоростигазофазно-поверхностныхреакцийдвухстадийного механизма каталитической диссоциации молекул Н2 на поверхности нити. Этотмеханизм совместно с развитым аналитическим подходом для описания высоко-градиентныхраспределений температуры газа и атомов Н у нити позволил впервые объяснить наблюдаемуюпарадоксальную зависимость скорости каталитической диссоциации и поведения Н атомов отдавления газа p и температуры нити Tf, выявить интересную картину сложной взаимосвязискорости каталитической диссоциации Н2, газофазно-поверхностных процессов и условий на293нити (долей свободных и сильно связанных Н-терминированных сайтов) и их зависимостей от pи Tf.
Для типичных в ГХОГН реакторах p и Tf выведены из калориметрических данных потеримощности на излучение нити, диссоциацию Н2 и нагрев газа.•Двухстадийныйгазофазно-поверхностныймеханизмразвитидлякаталитическойдиссоциации N2. Он был встроен в 2-D модель реактора с ГН и такой совместный подход былуспешно использован для объяснения и расчета экспериментального источника каталитическойдиссоциации молекул азота на поверхности ГН для разных p и Tf. Наблюдаемыеэкспериментально энергии активации производства Н и N атомов, почти в два раза меньшие,чем энергии связи D0(H-H) и D0(N≡N) изолированных молекул Н2 и N2, были объясненыдвухступенчатостью процесса диссоциации с двумя стадиями с примерно одинаковымиэнергиями активации, что и требуется для эффективного каталитического процесса, в которомнет какой-либо одной сильно лимитирующей стадии.
Однако, ввиду более чем двукратнойразницы в энергиях связи D0(N≡N) ≈ 2.17×D0(H-H) каталитическая диссоциация азота на 4порядка менее эффективна, чем диссоциация Н2 на нити.•ОсобенностипространственнойкартиныколебательнойнеравновесностиN2(v=1)(населенность ниже равновесной в горячей около нитевой области и сверхравновеснаянаселенность в более отдаленных от нити областях) впервые обнаружены в специальных 2-DмодельныхрасчетахэкспериментовпоизмерениюнаселенностиN2(v=1).Полученаполуэмпирическая формула для скачка температуры у нити в зависимости от давления N2.3.
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 наподложке. Проведены систематические расчеты H/Ar и H/C/Ar смесей в двух реакторах ГХОДПразличной мощности (более 6 кВт и менее 2 кВт) и сравнения расчетных результатов имногочисленных экспериментальных данных.Предложена методика определения параметров плазменной струи на входе в реакционнуюкамеру из уравнений сохранения энергии и компонент струи и из калориметрическихизмерений мощности, отводимой охлаждающим контуром.
Методика позволила датьпредставление о распределении вложенной мощности по каналам. Так, для базовых0расходов FAr= 190 sccs, FH02 = 30 sccs, мощность дугового аргонового разряда (~6250 Вт)распределяется следующим образом: ~1800 Вт на нагрев стенок разрядной камеры и камерысмешения, ~1800 Вт на нагрев аргон-водородной струи, ~600 Вт на диссоциацию Н2 иоставшаяся часть ~2050 Вт на ионизацию, обеспечивая параметры струи на входе в реакторную294камеру (температуру T ≈ 12100 K, давление p≈900 Тор; скорость потока v~2.5 км/с, мольныедоли атомарного водорода XH=0.208 и электронов Xe≈0.11).В результате проведенного 2-D моделирования реактора была получена целостная картинавзаимовлияния различных процессов в сильно отличающихся условиях горячей плазменнойструи плазмотрона и холодной зоны рециркуляции газа и взаимодействия этих зон,позволившая объяснить:• 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 – основного источника H(n=2);• критически важный эффект пространственных профилей концентраций электронов и Н(n=2)на измеряемые по Штарковскому уширению концентрации электронов;• наблюдаемое разделение содержания компонент Н и Ar в зоне ударной волны за счетпроцесса бародиффузии;• излучение плазмы в результате химической люминесценции и диссоциативной электронионной рекомбинации;• поведение в разных операционных режимах реакторов измеренных параметров струи(температуры, скорости) и концентраций различных компонент (электронов, H(n=2), С, СН,С2(a), С3, C2H2) и их пространственных распределений, потоков на подложку и скоростей ростаАП G~100 мкм/ч за счет, в основном, С атомов и СН радикалов.4.
Для реакторов ГХОРПТ разработана 2-D(r,z) модель плазмохимических и транспортныхпроцессов с расчетом электронной кинетики, 2-D распределений потенциала электрическогополя и газофазно-поверхностных процессов на подложке. Проведенное моделирование в Н2,CH4/H2 и CО/H2 смесях позволило впервые получить целостную, пространственноразрешенную картину процессов осаждения АП в разрядах постоянного тока, распределенийконцентраций компонент плазмы, электрических полей, выявить основные плазмохимическиепроцессы и зависимости параметров плазмы от вариаций параметров реактора. Как и в СВЧРплазме, в плазменной зоне РПТ в CH4/H2 смесях доминирующая углеводородная компонента –ацетилен, а метан разлагается практически весь в термической диссоциации и реакциях с Натомами.
Для базовых параметров реактора ГХОРПТ (давление р=132 Тора, разрядный токI=1.3 A, межэлектродный зазор d=2 см, смесь 7%CH4/H2) достигаются максимальные значениятемпературы газа Т~3000 К, мольной доли атомарного водорода XH~5.5%, концентрацииэлектронов ne~5×1011 см-3 и приведенного поля E/N~40 Td. Расчетные скорости роста АП (восновном за счет СН3) G~4 микрон/час были на уровне экспериментальных G в реактореГХОРПТ.2952-D моделирование показало, что температура газа и степень диссоциации водородазначительно падают с уменьшением межэлектродного зазора d (в связи с приближением кгорячей центральной зоне разряда основных стоков тепла и Н атомов – относительно холодныхэлектродов), а также с прекращением подачи метана.
Последний эффект модель объясняетсменой основных ионов и изменением баланса электрон-ионной рекомбинации и ионизации.Моделирование РПТ в СО/H2 смесях показало, что углеродсодержащие радикалы здесь, вотличие от неплазменных источников в СН4/Н2 смесях, образуются в результате плазменнойдиссоциации СО. Образующиеся атомы С могут непосредственно служить строительнымматериалом АП или быстро конвертироваться в другие компоненты СНx, x>1, и далее в C2Hyкомпоненты в реакциях с участием Н и Н2.5. Для реакторов ГХОСВЧР разработана в цилиндрической геометрии 2-D(r,z) модельплазмохимических и транспортных процессов с расчетом электронной кинетики, 2-Dраспределений удельных вложенных мощностей, газофазно-поверхностных процессов наподложке и всесторонним тестированием модели на массиве экспериментальных данныхБристольского реактора ГХОСВЧР.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
