Исследование источников неравновесной плазмы на основе СВЧ разрядов, предназначенных для осаждения алмазных пленок

• Автор: Колданов, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Положения, выносимые на защиту

ГЛАВА 1. ОБЗОР СВЧ РАЗРЯДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В РЕАКТОРАХ ПО ОСАЖДЕНИЮ АП

1.1 Осаждение алмазных пленок из газовой фазы (СУБ технология)

1.2 СУБ реакторы на основе СВЧ разряда

1.3 Параметры плазмы в СУБ реакторах с СВЧ разрядом

1.4 Задачи СУБ технологии и поиск путей их решения 26

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ РАЗРЯДА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ

2.1 Экспериментальная установка

2.1.1. Генераторный блок с 6 кВт магнетроном

2.1.2. Блок питания магнетрона

2.1.3. Плазменный реактор на основе объемного резонатора

2.1.4. Реакционная камера с регулируемой системой охлаждения подложки
2.1.5. Система контроля газового потока
2.1.6. Система автоматического управления установкой
2.1.7. Система регистрации оптического излучения СВЧ разряда
2.2 Методы измерения параметров СВЧ разряда
2.2.1. Измерение степени диссоциации водорода в разряде
2.2.2. Методика измерения температуры газа в разряде
2.3 Диагностика качества алмазных пленок по рамановским спектрам
2.4 Исследование влияния внешних параметров на характеристики СВЧ разряда
2.4.1. Влияние давления газовой смеси и СВЧ мощности
2.4.2. Влияние состава газовой смеси
2.4.3. Исследование импульсного режима поддержания разряда
2.5 Экспериментальное исследование процессов осаждения АП
2.5.1. Зависимость скорости роста АП от процентного содержания метана
2.5.2. Зависимость скорости роста от режима поддержания СВЧ разряда (1,5 кВт)
2.5.3. Влияние частоты следования импульсов на рост АП (3 кВт)
2.6. Обсуждение результатов
ГЛАВА 3. САМОСОГЛАСОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО СВЧ РАЗРЯДОВ В ВОДОРОДЕ
3.1 Описание модели
3.1.1. Электродинамический и плазменный блоки
3.1.2. Газодинамический блок
3.1.3. Блок вычислений концентрации атомарного водорода
3.1.4. Блок расчетов с учетом колебательной кинетики водорода
3.1.5. Блок расчетов с учетом диссоциативного прилипания электронов
3.1.6. Методика сравнения результатов моделирования с экспериментальными
’ данными
3.2 Результаты численного моделирования и их обсуждение
3.2.1. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными
3.2.2. Механизмы переноса энергии в непрерывном СВЧ разряде
3.2.3. Влияние метана на ионный состав плазмы

3.2.4. Обсуждение основного механизма ионизации в СВЧ разряде в водороде
3.3 Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА НА ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЕ
4.1 Аналитическое описание разряда на поверхностной волне
4.2 Возбудители разряда на поверхностной волне
4.3 Экспериментальное исследование импульсного РПВ в воздухе
4.3.1. Схема экспериментальной установки
4.3.2. Исследование механизма движения фронта РПВ в воздухе
4.4 Моделирование импульсного СВЧ разряда на поверхностной волне в воздухе
4.4.1. Описание модели
4.4.2. Результаты расчетов и их обсуждение
4.5 Исследование РПВ в водород-метоновых смесях
4.6 Моделирование процессов ионной конверсии в водородном разряде
4.7 Применение разряда на поверхностной волне для напыления алмазных пленок... 105 ^ 4.7.1. Схема микроволнового С УО реактора на базе ПВ
4.7.2. Описание численной модели для микроволнового СУЕ) реактора на ПВ
4.7.3. Влияние давления и положения подложки на скорость роста АП
4.6.4. Зависимость параметров разряда от скорости газового потока
4.6.5. Оценки для скорости роста АП
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Список публикаций по теме диссертации

Настоящая диссертация посвящена исследованию источников неравновесной плазмы на основе СВЧ разрядов, применяемых для осаждения алмазных пленок (АП). СВЧ разряд в газах является предметом многочисленных исследований, что связано с широким применением такого разряда в качестве источника неравновесной плазмы в различных технологиях. Одной из таких успешно развивающихся технологий является получение алмазных пленок (АП) методом осаждения из газовой фазы [1]. Интерес к этим исследованиям вызван уникальными физико-химическими свойствами искусственного алмаза [2] и возможностью получения поликристаллических пленок и пластин большой площади [1] (до сотен квадратных сантиметров). Метод искусственного выращивания алмаза заключается в осаждении атомов углерода из газовой фазы с образованием ими кристаллической решетки алмазного типа. Такой процесс получил название chemical vapor deposition (CVD) - химическое осаждение из газовой фазы в русскоязычной литературе [1,
3]. Как правило, при CVD процессе для осаждения алмаза применяется водород с небольшой добавкой углеродосодержащего газа (обычно метана) [3].
Широкое распространение получили CVD реакторы, в которых для активации рабочей смеси используется СВЧ разряд [4] на частоте 2,45 ГГц. Эти реакторы позволяют выращивать высококачественные поликристаллические алмазные пленки, поскольку плазма существует только около подложки, изолирована от стенок и тем самым отсутствуют загрязнения от электродов или стенок реактора. Скорость роста АП определяется скоростью образования радикалов в объеме плазмы, скоростью их переноса к подложке и скоростью протекания поверхностных реакции [3]. Поэтому для совершенствования технологии плазменного синтеза поликристаллических алмазных пленок требуется изучение параметров плазмы и протекающих в ней процессов образования радикалов.
Недостатком микроволновых CVD реакторов является невысокая скорость роста алмазных пленок (порядка 1-2 микрона в час) и ограниченная площадь напыления АП (как правило 30-50 см2) [4], тогда как для некоторых приложений необходимы АП большей площади (100 см2 и более). Также для ряда приложений необходимы высококачественные АП толщиной 1-2 мм, для напыления которых необходимы тысячи часов непрерывной работы CVD реактора. Поэтому поиск новых конструкций и оптимизация режимов работы существующих CVD реакторов с целью повышения скорости роста АП является актуальной задачей.

импульсном режиме размеры плазмы больше, а температура подложки меньше, чем в непрерывном режиме.
Поведение и форма разряда существенно зависит также от частоты следования импульсов. На рисунке 2.24 представлены фотографии разряда при последовательном увеличении частоты следования импульсов при средней СВЧ мощности 3 кВт и давлении 105 Тор.
100 Гц 250 Гц 500 Гц 1000 Гц
Рис. 2.24. Фотографии разряда при различных частотах следования импульсов.
По мере увеличения частоты следования импульсов форма разряда становится шарообразной. При максимальной частоте 1000 Гц форма разряда становится близкой к непрерывному режиму. Такое изменение формы разряда, по-видимому, свидетельствует о том, что при высоких частотах следования импульсов газ не успевает остывать за время между импульсами.
2.5 Экспериментальное исследование процессов осаждения АП
2.5.1. Зависимость скорости роста АП от процентного содержания метана
Зависимость скорости роста алмазной пленки в плазме непрерывного СВЧ разряда от процентного содержания метана при давлении газовой смеси 90 Тор и СВЧ мощности 3 кВт представлена на рисунке 2.25. Скорость роста алмазных пленок возрастает с увеличением содержания метана в смеси. Однако увеличение содержания метана приводит к быстрому, линейному, росту концентрации не-алмазных фракций углерода в алмазной пленке и ухудшению ее качества. Обычно в СУО реакторах на основе объемного резонатора для выращивания алмазных пленок высокого качества содержание метана не должно превышать 1 %.