Исследование источников неравновесной плазмы на основе СВЧ разрядов, предназначенных для осаждения алмазных пленок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Колданов, Владимир Александрович

• Колданов, Владимир Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Колданов, Владимир Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

Положения, выносимые на защиту.

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

1.1 Осаждение алмазных пленок из газовой фазы (CVD технология).

1.2 CVD реакторы на основе СВЧ разряда.

1.3 Параметры плазмы в CVD реакторах с СВЧ разрядом.

1.4 Задачи CVD технологии и поиск путей их решения.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ РАЗРЯДА В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ РЕЗОНАТОРЕ.:. i 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.78 ■

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 F 4.7.1. Схема микроволнового CVD реактора на базе ПВ.

4.7.2. Описание численной модели для микроволнового CVD 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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование источников неравновесной плазмы на основе СВЧ разрядов, предназначенных для осаждения алмазных пленок»

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 см) [4], тогда как для некоторых приложений необходимы АП л большей площади (100 см 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.

Целью диссертационной работы является исследование процессов, происходящих в неравновесной плазме СВЧ разрядов, применяемых для осаждения алмазных пленок из газовой фазы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 122 страницы, включая 101 рисунок и 1 таблицу. Список литературы содержит 73 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Колданов, Владимир Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулируем основные результаты, полученные в диссертационной работе.

1. Экспериментально исследовано влияние внешних параметров (СВЧ мощности, давления и состава газовой смеси, режима поддержания разряда) на характеристики непрерывного СВЧ разряда в объемном резонаторе. Показано, что увеличение давления газовой смеси приводит к уменьшению объема разряда при одновременном росте степени диссоциации водорода в разряде. Температура газа при давлении выше 40 Тор слабо зависит от давления из-за потерь тепловой энергии на процессы термической диссоциации водорода. При высоких давлениях газа основным механизмом теплопереноса в центральных областях разряда является диффузия атомарного водорода. На периферийных областях преобладает перенос энергии за счет теплопроводности газа.

2. Интенсивность оптического излучения СВЧ разряда в объемном резонаторе зависит от процентного содержания метана в смеси. Предложено объяснение, что это связано с изменением поля поддержания разряда, которое обусловлено сменой основного иона в разряде. При одинаковых условиях СВЧ разряд в водород-метановой смеси имеет меньший объем и большую электронную температуру по сравнению с разрядом в чистом водороде. Увеличение СВЧ мощности приводит к изменению объема разряда и росту температуры подложки, и слабо влияет на остальные характеристики разряда.

3. Скорость роста АП быстро увеличивается с ростом давления газовой смеси в микроволновом CVD реакторе с непрерывным СВЧ разрядом.

4. Экспериментально исследован импульсный режим поддержания СВЧ разряда в объемном резонаторе и проведено его сравнение с непрерывным режимом. Показано, что при одинаковом давлении газа и средней СВЧ мощности размер разряда в импульсном режиме существенно больше, а температура подложки меньше по сравнению с непрерывным режимом. Разработан критерий для сравнения условий напыления АП в импульсном и непрерывном режимах, заключающийся в использовании различных давлений газа, таких, чтобы видимые размеры разряда и температура подложки были одинаковы в обоих режимах.

5. Продемонстрировано, что применение импульсно-периодического режима поддержания разряда в микроволновом CVD реакторе на базе объемного резонатора позволяет существенно (в 2-3 раза) увеличить скорость роста АП по сравнению с непрерывным режимом. Повышение скорости роста АП в импульсном СВЧ разряде связано с увеличением максимальной концентрации атомарного водорода по сравнению с непрерывным разрядом. Дополнительное увеличение скорости роста АП, по-видимому, связано с более интенсивным перемешиванием газовой смеси в импульсном режиме.

6. Изменение частоты следования импульсов не приводит к заметному изменению скорости роста АП, однако оказывает существенное влияние на морфологию ее поверхности. Таким образом, импульсный режим работы микроволнового CVD реактора позволяет не только увеличить скорость роста АП, но и выращивать АП с заданной структурой поверхности.

7. На основе полученных экспериментальных данных разработана самосогласованная двумерная численная модель СВЧ разряда в водороде. Разработана методика сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными. Показано, что для построения адекватной модели необходимо учитывать колебательную кинетику водорода и баланс энергии в химических реакциях. Предложен численный метод нахождения установившихся газовых течений в квази-изобарическом приближении, обладающий высокой скоростью и устойчивостью, и учитывающий возникающие в газе конвективные потоки. Показано, что основным каналом образования атомарного водорода является диссоциация электронным ударом колебательно возбужденных молекул водорода.

8. Исследован новый тип возбудителя разряда на поверхностной волне (РПВ), позволяющий создавать этот тип СВЧ разряда в широком диапазоне частот (до 40 ГГц) при высоких уровнях падающей СВЧ мощности. Найдены оптимальные соотношения между диаметрами разрядной трубки, волновода и диафрагмы. Определена зависимость эффективности возбуждения поверхностной волны от глубины погружения разрядной трубки в волновод.

9. Исследована динамика движения фронта ионизации РПВ. Показано, что движения фронта разряда происходит благодаря волне пробоя. По мере удаления фронта волны от возбудителя поток СВЧ мощности уменьшается в результате затухания, и, когда разряд приближается к своей стационарной длине, наблюдается резкое замедление движения фронта разряда. В этой области механизм волны пробоя, обеспечивающий высокую скорость распространения разряда, сменяется более медленным движением фронта в направлении градиента электронной концентрации в результате амбиполярной диффузии заряженных частиц.

Исследована возможность применение РПВ для напыления АП. Показано, что из-за сильного контакта плазмы со стенками разрядной колбы, эффективность микроволнового CVD реактора на базе РПВ значительно ниже, чем у других типов CVD реакторов (например, чем у микроволнового CVD реактора на базе объемного резонатора).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Колданов, Владимир Александрович, 2006 год

1. May P. W. И Phil. Trans. R. Soc. bond. A (2000), 358, pp.473-495

2. Field J.E. II The properties of natural and synthetic diamond (1992)

3. Goodwin D.C., Butler J.E. II Handbook of industrial diamond and diamond films (1997), Ed. by Prelas M.A. et, ch.l 1, New York: Marcel Dekker

4. T. A. Grotjohn and J. Asmussen, "Microwave plasma-assisted diamond film deposition," in "Diamond Films Handbook", Ed. by J. Asmussen and D. K. Reinhard, Marcel Dekker, New York, 2001,p.211

5. Goodwin D.G. II J. Appl. Phys. (1993), 74,11, p.6888 and p.6895

6. Hassouni K., Grotjohn T.A., Gicquel A. // J. Appl. Phys. (1999) V.86, p.134

7. Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films, Ed. by M.A.Prelas, G.Popovici and L.K.Bigelow, Marcel Dekker, New York-Basel-Hong Kong, 1998

8. Bachmann P.K. II Handbook of industrial diamond and diamond films (1997), Ed. by Prelas M.A. et, New York: Marcel Dekker (1998), pp. 821-850

9. Asmussen J. II "Microwave plasma disk processing machines", in "High density plasma sources", Ed. by O.A.Popov, Park Ridge, NJ: Noyes, 1995, p.251Eversole W.G. // US Patent 3030187, 3030188 (1958)

10. Eversole W.G. //US Patent 3030187, 3030188 (1958)

11. Deryagin В. V. et.al. И J. Cryst. Growth (1968), 2, p.380

12. Angus J.C., Will H.C., Stanko W.S. И J. Appl. Phys. (1968), 39, p.2915

13. Дерягин Б.В. и dp. И Доклад Академии Наук СССР (1976), 231, с.ЗЗЗ

14. Spitsyn B.V., Builov L.L., Deryagin B.V. // J. Cryst. Growth (1981), 52, p.219

15. Matsumoto S., Sato Y., Kamo M., SetakaN. // J. Mater, Sci. (1982), 17, p.3106

16. Kamo M., Matsumoto S., Sato Y., Setaka N. // J. Cryst. Growth (1983), 62, p.642

17. Bachmann P.K. et.al. II Mater. Res. Soc. Symp. Proc.(1994), 339, p.267

18. Baik Y.J., Lee J.K., Lee W.S., Eun K. Y. И Thin Solid Films (1999), 341, p.202-206

19. Ohtake N. and Yoshikawa M. II J. Electrochem. Soc. (1990), V.137, p.717

20. FunerM., Wild C„ Koidl P. //Appl. Phys. Letter (1998), 72, pp.l 149-1151

21. VikharevA.L. et.al. И Vth International Workshop "Microwave discharge: fundamentals and applications", Greifswald, Germany (2003) p.84

22. Borges C.F.M., Moisan M., Gicquel A. II Diamond and Related Materials (1995), 4, pp. 149-154

23. Лебедев Ю.А., Мокеев M.B. И Физика Плазмы (2003), т.29, №10

24. Grotjohn Т.А. et.al. И Diamond and Related Materials 9 (2000), pp.322-327

25. Юрьев А.Ю. И Автореферат диссертации «Исследование влияния параметров низкотемпературной плазмы на физические свойства синтезируемых материалов», Москва 2005.

26. Вихарев A.JI. и др. II Физика плазмы, 2005, 31, №4

27. Gicquel A. et.al. И J. Appl. Phys. (1998), v.83, №12, р.7504

28. Rousseau A., Granier A., et. al. III. Phys. D: Appl. Phys. (1994), v.27, p.1412.

29. Coburn J. W., Chen M. И J. Appl. Phys. (1980), 51, p.3134

30. Дятко H.A. и dp. II Физика плазмы (1998), т.24, №12, c.l 114.

31. Farhat S., Findeling C. et. al. // J. Phys. IV France (1998), v.8, Pr7, p.391

32. Gicquel A., Hassouni K., et.al. И Diam. Rel. Mater. (1994), v.3, p.581

33. Wouters M.J., Khachan J., Falconer I.S., James В. IV. И J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. (1999), v.32, p.2869.

34. Francis A., Czarnetzki U., Dobele H.F., Sadeghi N. // Appl Phys. Lett. (1997), v.71, №26, p.3796

35. Akhmedzhanov R.A. et.al. II Diamond and Related Materials (2002), v.l 1, p.579

36. Tomasini L., Rousseau A., Gousset G., Leprince P. // J. Phys. D: Appl. Phys. (1996), 29, p. 1006

37. Gicquel A., Hassouni K., Y. Breton, Chenevier M., Cubertafon J.C. // Diamond and Related Materials (1996) V.5, p.366.

38. Gritsinin S.I. et.al. II J. Phys. D: Appl. Phys. (1998) V.31, p. 2942.

39. Асташкевич C.A., Калачев M.B., Лавров Б.П., Овчинников B.JI. // Оптика и спектроскопия (1999) Т.87, с.219.

40. DutenX. et.al. /П. Phys. D: Appl. Phys. (2002) V.35, p.193941 4243 44

41. Poucques L., Bougdira J., Hugon R., Henrion G.,Alnot P. // J. Phys. D: Appl. Phys. (2001), 34, pp. 896-904

42. Akhmedzhanov R.A., Vikharev A.L., Gorbachev A.M., Radishev D.B. //Proceeding of 24th Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG-24), Warsaw, Poland (1999) V.l, p.153

43. Qihong Wu et.al. //J. Appl. Phys. (2003) V.93, p.94

44. Лебедев Ю.А., Эпштейн KJI. II Теплофизика высоких температур (1998) T.36, № 4, с.534-540.

45. Kotiuk S. V, Mankelevich Y.A., Rakhimov А. Т., Suetin N. V И Proc. of Institute Physics and Technology (2000) V. 16, p.38

46. Ralchenko V, Syshov I., Vlasov A., Konov V., Khomich A., Voronina S. I I Diamond and Related Materials 8 (1999), pp. 189-193

47. Vikharev A.L., J. Asmussen et.al. II Diamond and Related Materials (2003) V.l2, p.272

48. Tan W„ Grotjohn T.A. И Diamond and Related Materials (1995) V.4, p.l 145.

49. Funer M., Wild C., Koidl P. II Surface and Coating Technology (1995) V.74-75, p.221

50. Hassouni K., DutenX., Rousseau A. and Gicquel A. II Plasma Sources Sci. Technol. (2001) V.10,p.61

51. Gorbachev A.M., Koldanov V.A., Vikharev A.L. II Diamond and Related Materials (2001) V.10, p.342

52. Tajlove A. II "Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method", Boston-London: Artech House (1998)

53. Loureiro J., Ferreira C.M. И J. Phys.D: Appl. Phys. (1989) V.22, p. 1680

54. Самарский А.А., Попов ЮЛ. II Разностные методы решения задач газовой динамики, М: Наука (1980)

55. Ландау Л Д., Лифшиц Е.М. II Теоретическая физика, Т.6: Гидродинамика, М: Наука (1988) с.36

56. Baulch D.L. et al. II Combustion and flame (1994) V.98, p.59

57. Манкелевич Ю.А., Рахимов A.T., Суетин H.B. // Физика плазмы (1995), Т.21, №10, с.921

58. Капителли М. II Неравновесная колебательная кинетика, М: Мир (1989)

59. Вихарев АЛ., Горбачев A.M., Колданов В.А., Радищев Д.Б. // Физика плазмы (2005) 31, №4

60. Moisan М. et.al И Rev. Phys. Appl. (1982) V.17, p.707-727

61. Moisan M„ Zakrzewski Z., Pantel R„ Leprince P. II IEEE Trans.on Plasma Phys. (1984) V.12, p.203

62. Виноградов Д.В., Денисов Г.Г. // Радиофизика (1990) V.33, р.726

63. Llamas М, Colomer V, Rodrigues-Vidal Mil J.Phys. D.: Appl.Phys. 18 (1985) p.2169

64. Zhelyazkov L, Atanassov V. //Phys. Report. (1995) V.255, p.79.

65. Ferreira СМ., Moisan M. //Physica Scripta. (1988) V.38, p.382.

66. Райзер Ю.П. // Физика газового разряда. М.: Наука (1987)

67. Вихарев АЛ., Гилъденбург В.Б. и др. II Физика плазмы (1986) Т.12, с.1503

68. BohleA., Ivanov О., Kolisko A. etal. //J. Phys. D.: Appl. Phys. (1996) V.29, p.369

69. Grozev D., Kirov K., Shivarova A. // J. de Physique IV (1998) V.8, p.307

70. Grosse S. //Advanced Technologies Based on Wave and Beam Generated Plasmas / Ed. by H. Schluter, A. Shivarova. Kluwer Academic Publishers (1999) NATO Science Series. High Technology, V.67, p.517

71. Otorbaev D.K., van de Sanden M.C.M., Schram D.C. II Plasma Sources Sci. Technol. (1995) V.4, p.293

72. Gritsinin S.I., Kossyi I.A., Silakov V.P., Tarasova N.M. // J.Phys.D.: Appl.Phys. (1996) V.29, p. 1032

73. Голанд B.E. // Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы, М.:Наука (1968) с. 104