Плазменно и термически стимулированное осаждение алмазных пленок многомерные модели химических реакторов (1097823), страница 68
Текст из файла (страница 68)
Проведенные систематические расчеты для C/H, C/H/O,C/H/Ar, H/B/Ar/О и H/B/С/Ar/О смесей позволили•получить целостную пространственную картину распределений компонент и параметровплазмы с характерными значениями в центре плазменной области: температурой газа Т~2900 Kи электронов Тe~1.3 эВ, плотностью вложенной мощности ~25±5 Вт/см-3, мольной доли атомовводорода XHmax~8%, концентрации электронов ne~2.4×1011 см-3 и расчетными концентрациями уподложки [H]~7.6×1015 и [CH3]~1.1×1014 см-3, обеспечивавшими близкую к экспериментальнойскорость осаждения АП G~2 мкм/час.• промоделировать эффектыи вариации давления газа, вложенной мощности, доли метана исравнить их с экспериментальными результатами;•выявить основные плазмохимические процессы (баланс скоростей ионизации, в основном,СxHy, Н2, Н и гибели зарядов, главным образом, в реакциях диссоциативной рекомбинацииосновных ионов CxHy+ с электронами), влияние примеси О2 на электрон-ионную рекомбинациюв Н/Ar плазме;• выделить три области (центральную, горячую плазменную зону А с околоравновеснымраспределением СxHy компонент и две полусферические кольцевые оболочки В и С) сразличными характерными Т, XH и направленностью конверсий углеводородов СxHy.
В среднейзоне В, при температурах 1400 < T < 2200 K идет преимущественная конверсия метана вацетилен с расходованием H атомов. Обратная конверсия C2H2→2CH4 происходит в зоне C, пригазовых температурах 500 < T < 1400 K; и не потребляет в итоге H атомы, выступающие здесь вроли основного активатора этой многоступенчатой конверсии;296•выявить и количественно описать энергетический баланс плазмы и каналы трансформациипоглощенноймощностис доминирующимизатратаминаколебательно-вращательноевозбуждение Н2. Дальнейшая трансформация большей части энергии СВЧ поля, потраченнойчерез электронную подсистему на активацию газовой смеси, идет посредством V→Tрелаксации H2(v) на нагрев газа (поддержание высоких газовых температур Т) и далееотводится газовой теплопроводностью к стенкам реактора и подложкодержателю в разныхпропорциях;• объяснить наблюдаемые зависимости мольных долей углеводородов X(CHx)~XC0.5,X(C2Hy)~XC от доли XC углеродной компоненты (метана) в рабочей смеси и, как следствие,корневую зависимость скорости роста АП G~[CHx]~ XC0.5;• провести систематическое исследование активации СН4/H2/Ar смесей при вариации долиаргона XAr от 7% до 98.5% и проследить изменения параметров плазмы c ростом XAr: ростобъема плазмы Vpl, температуры электронов Те от ~1.3 до ~2.5 эВ, максимальных отношений[H]/[H2] от ~0.09 до ~2, падение плотностей вложенной мощности при примерно постоянныхмаксимальных температурах газа Тmax~3000±100 K), распределения потоков тепла на стенкиреактора, подложку и подложкодержатель, ограниченный вклад (~10-30%) реакций атомарноговодорода в нагрев подложки, объяснить резкий рост излучательных потерь при XAr>80% иполучить для H/C/Ar смесей оценку предельной допустимой мощности Pmax в реакторезаданного объема.• промоделировать процессы осаждения UNCD пленок с разными инертными газами напримере 0.5%CH4/1%H2/Ar и 0.5%CH4/1%H2/He смесей и установить, что концентрация CH3над подложкой превосходит на порядки концентрацию С2, считавшегося основнымпрекурсором UNCD, и что потери энергии электронов в упругих столкновениях с атомами Неприходилось аномально много (порядка половины) вложенной мощности.• промоделировать различные H/B/Ar и H/B/С/Ar смеси с примесью О2 (~10 ppm), сравнимой сиспользуемыми долями В2Н6 и влияющей на поведение борных компонент, выяввить ключевыемеханизмы конверсии борных компонент: BHx ↔ HyBCz (с участием С2Н2 и С2Н4); BHx →(HBO/H2BO) → HzCOBHy → BHx (с участием или активацией посредством таких компонент,как H2O, CHx и/или Н).
Эти конверсии позволили объяснить качественно и количественноразнообразные экспериментальные результаты в реакторе ГХОСВЧР, в том числе взрывнойрост В и ВН концентраций при добавлении 1-2 sccm СН4 в H/B/Ar/О плазму. Был выявленсущественный вклад хемилюминесценции в излучение ВН* в плазменных и внеплазменныхзонах реактора. Расчетные концентрации BHx позволили дать оценку степени легированиябором АП в ГХОСВЧР реакторе за счет, в основном, атомов бора.297БЛАГОДАРНОСТИАвтор считает своим приятным долгом выразить благодарность своему первому научномуруководителю С.С.
Филиппову (ИПМ им. М.В. Келдыша), Н.В. Суетину за привитые навыкичисленного исследования сложных плазмохимических систем, руководителям и сотрудникамОтдела микроэлектроники НИИ Ядерной физики МГУ Рахимову А.Т., Рахимовой Т.В.,Тимофееву М.А., Дзбановскому Н.Н., Палю А.Ф., Серову А.О., Селезневу Б.В., КлоповскомуК.С., Попову Н.А., Прошиной О.В., Волошину Д.Г. и первооткрывателю направления ГХО АПБ.В. Спицыну (ИФХ) за полезные обсуждения и поддержку, а также Х. Умемото (УниверситетШизиоку, Япония), Дж. Батлеру (NRL, Вашингтон) и особенно М. Ашфолда и его “алмазную”группу из Бристольского университета за плодотворное сотрудничество.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.
Spitsyn B.V., Bouilov L.L., Derjaguin B.V. Vapor growth of diamond on diamond and othersurfaces // J. Cryst. Growth. 1981. v.52. p.219-226.2. Matsumoto S., Sato Y., Kamo M., Setaka N. Vapor Deposition of Diamond Particles from Methane// Jap. J. Apl. Phys. 1982. v.21. L183-L185.3. Bachmann P.K., Leers D., Lydtin H. Towards a general concept of diamond chemical vapourdeposition // Diamond and Related Materials. 1991.
v.1. p.1-12.4. Манкелевич Ю.А., Суетин Н.В. Получение углеродных пленок / Энциклопедиянизкотемпературной плазмы, под ред. В.Е. Фортова. М: Наука. 2000. т.IV. с.404-4145. Erdemir A., Donnet C. Tribology of diamond-like carbon films: recent progress and future prospects// J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. v.39. R311–R327.6. Kee R.J., Meeks E., Dandy D.S., Coltrin M.E. // Combustion and flame. 1993. v.92. p.144.7. Kim J.S., Cappelli M.A.
A model of diamond growth in low pressure premixed flames // J. Appl.Phys. 1992. v.72. p.5461-5466.8. Harris S.J., Weiner A.M. Methyl radical and H-atom concentrations during diamond growth // J.Appl. Phys., 1990. v.67. p.6520-6526.9. Frenklach M., Wang H. Detailed surface and gas-phase chemical kinetics of diamond deposition //Phys. Rev. B. 1991.
v.43. p.1520-1545.10. Goodwin D.G., Gavillet G.G. Numerical modeling of the filament-assisted diamond growthenvironment // J. Appl. Phys. 1990. v.68. p.6393-6400.11. Dandy D.S., Coltrin M.E. Effects of temperature and filament poisoning on diamond growth inhot‐filament reactors // J. Appl. Phys. 1994. v.76. p.3102-3113.12. McMaster M.C., Hsu W.L., Coltrin M.E., Dandy D.S. Experimental measurements and numericalsimulations of the gas composition in a hot-filament-assisted diamond chemical-vapor-depositionreactor // J.
Appl. Phys. 1994. v.76. p.7567-7577.13. Kee R.J., Miller J.A., Evans G.H., Dixon-Lewis G. A computational model of the structure andextinction of strained, opposed flow, premixed methane-air flames // 22-th Intern. Symposium onCombustion, held on August 14-19, 1988, at the University of Washington in Seattle, Washington,Pittsburgh. The Combustion Institute. 1989. p.1479-149414. Hsu W.L. Mole fractions of H, CH3, and other species during filament‐assisted diamond growth// Appl.
Phys. Lett. 1991. v.59. p.1427-1429.15. Celii F.G., Butler J.E. Hydrogen atom detection in the filament‐assisted diamond depositionenvironment // Appl. Phys. Lett. 1989. v.54. p.1031-1033.29816. V. Zumbach, J. Schafer, J. Tobai, Ridder M., Dreier T., Schaich T., Wolfrum J., Ruf B., BehrendtF., Deutschman O., Warnatz J. Experimental investigation and computational modeling of hot filamentdiamond CVD // J. Chem. Phys.
1997. v.107. p.5918-5928.17. DebRoy T., Tankala K., Yabrough W.A., Messier R. Role of heat transfer and fluid flow in thechemical vapor deposition of diamond // J. Appl. Phys. 1990. v.68. p.2424-2432.18. Tankala K., DebRoy T. Modeling of the role of atomic hydrogen in heat transfer during hotfilament assisted deposition of diamond // J. Appl. Phys. 1992. v.72. p.712-718.19. Kondoh E., Tanaka K., Ohta T. Reactive flow simulation of the hot‐filament chemical‐vapordeposition of diamond // J.
Appl. Phys. 1993. v.74. p.4513-4520.20. Childs M A, Menningen K L, Anderson L W, Lawler J E. Atomic and radical densities in a hotfilament diamond deposition system // J. Chem. Phys. 1996. v.104. p.9111-9119.21. Wolden C., Gleason K.K. Heterogeneous formation of atomic hydrogen in hot‐filament diamonddeposition // Appl. Phys.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
