Способ измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда в водородсодержащем газе
METHOD OF MEASURING ABSORBED POWER PER UNIT VOLUME OF MICROWAVE DISCHARGE PLASMA IN HYDROGEN-CONTAINING GAS

Изобретение относится к технологии осаждения алмазных пленок из газовой фазы CVD (chemical vaper deposition) методом и может быть использовано, например, для проведения сравнения различных CVD реакторов и выбора реактора с наилучшими характеристиками.
Алмазные пленки, полученные CVD методом, находят применение в различных областях науки и техники. В частности, толстые поликристаллические алмазные пленки (пластины) используются в качестве выходных окон мощных СВЧ генераторов, а также в качестве высокоэффективных отводов тепла. Монокристаллические алмазные пленки могут использоваться для изготовления мощных полупроводниковых приборов. Нанокристаллические алмазные пленки применяются в качестве покрытий с предельно низкой шероховатостью, что важно в трибологических и механических приложениях. Еще одна сфера применения таких пленок - эмиттеры для плоских дисплеев и автоэмиссионные катоды в вакуумной электронике. При этом существенным для применения являются не только уникальные свойства алмазных пленок, но и скорость их роста, важная с точки зрения экономической рентабельности. По мере развития науки и техники предъявляются все более жесткие требования к характеристикам создаваемых алмазных пленок, к удешевлению и оптимизации процесса их производства.
Необходимым условием для получения алмазных пленок в углеродсодержащей газовой среде является наличие атомарного водорода вблизи поверхности, на которой осаждается пленка. Скорость роста алмазных пленок в CVD реакторах зависит от концентрации атомарного водорода, которая определяется величиной поглощаемой мощности в единице объема плазмы (K.W. Hemawan, Т.А. Grotjohn, D.K. Reinhard, J. Asmussen, Improved microwave plasma cavity reactor for diamond synthesis at high-pressure and high power density / Diam. Relat. Mater. 2010. V. 19. P. 1446-1452.) Поглощаемая мощность в единице объема плазмы СВЧ разряда определяется как отношение полной поглощаемой в плазме СВЧ мощности к объему плазмы. Полную поглощаемую в плазме СВЧ мощность можно измерить с высокой точностью. Основная ошибка в определении поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда связана с неоднозначным определением объема плазмы.
Известно несколько способов определения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда в CVD реакторах. Наиболее распространенным является способ определения поглощенной мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда с помощью фотографии, которую используют для определения объема плазмы СВЧ разряда. Фотографию масштабируют, используя какой-нибудь пространственный масштаб в области разряда. После этого предлагают правило, по которому выбирают границу плазмы. Затем, учитывая аксиальную симметрию плазмы, вычисляется ее объем.
Так, например, известен способ определения поглощаемой мощности в единице объема плазмы в водородсодержащем газе (диссертация Nadira Derkaoui " des plasmas micro-ondes  haute  de puissance en  H2-CH4 et H2-CH4-B2H6 pour le  de diamant", 2012), заключающийся в том, что проводят измерение интенсивности линии излучения аргона, добавленного для диагностики, с длиной волны 750.4 нм вдоль оси симметрии разряда. Затем делают предположение, что поглощаемая мощность в единице объема плазмы СВЧ разряда распределена в пространстве так же, как интенсивность линии аргона. Далее величину поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда вычисляют усреднением неоднородного пространственного распределения интенсивности линии аргона. В этом способе никак не оценивается ошибка измерений. По нашим оценкам ошибка измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда этим способом превышает 100%.
Измерение поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда можно осуществить способом, предложенным в статье Hemawan K.W., Grotjohn Т.А., Rein-hard D.K., Asmussen J. Improved microwave plasma cavity reactor for diamond synthesis at high-pressure and high power density / Diam. Relat. Mater. 2010. V. 19. P. 1446-1452, который выбран в качестве прототипа. Способ-прототип заключается в том, что поглощаемую мощность в единице объема плазмы СВЧ разряда определяют как отношение полной поглощаемой в плазме СВЧ мощности к объему плазмы СВЧ разряда. Объем плазмы СВЧ разряда определяют по масштабированным фотографиям светимости разряда во всем оптическом диапазоне спектра. Границу области разряда, по которой вычисляют объем плазмы СВЧ разряда, определяют по яркому центральному ядру плазмы.
Недостатком способа прототипа является использование интегральной светимости разряда, в том числе и не водородсодержащих линий излучения, для измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда, так как не очевидна ее связь с областью пространства, где происходит поглощение энергии, а также определение границы разряда по переходу между центральной ярко светящейся областью и остальным оптическим свечением разряда. В этом способе авторы тоже не приводят ошибку измерений. По нашим оценкам ошибка измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда этим способом также превышает 100%.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа, позволяющего повысить точность измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда в водородсодержащем газе.
Технический результат в разработанном способе достигается тем, что измеряют полную поглощаемую в плазме СВЧ мощность, фотографируют плазму СВЧ разряда, определяют границу плазмы СВЧ разряда по интенсивности оптического излучения для нахождения ее объема, вычисляют поглощаемую мощность в единице объема плазмы СВЧ разряда как отношение полной поглощаемой в плазме СВЧ мощности к объему плазмы СВЧ разряда.
Новым в разработанном способе является то, что фотографируют плазму СВЧ разряда цифровой зеркальной камерой через оптический фильтр, выделяющий линию атома водорода серии Бальмера Нα, применяют линейное преобразование интенсивности оптического излучения для каждого пикселя фотографии плазмы СВЧ разряда при обработке информации, используют распределение интенсивности оптического излучения для определения границы объема плазмы СВЧ разряда, выбирая уровень интенсивности не более 15% от максимального значения.
В первом частном случае реализации способа (по п. 2) новым является то, что фотографируют плазму СВЧ разряда с ее изображения, сформированного вспомогательным объективом на матовом экране.
Во втором частном случае реализации способа (по п. 3) новым является то, что фотографию плазмы СВЧ разряда сохраняют в формате RAW.
Способ поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведена схема измерений для общей реализации разработанного способа по п. 1: 1 - резонатор, внутри которого создается плазма; 2 - плазма СВЧ разряда; 3 - оптический фильтр, выделяющий линию атома водорода серии Бальмера Нα; 4 - цифровая зеркальная камера.
На фиг. 2 приведена схема измерений для реализации способа по п. 2: 1 - резонатор, внутри которого создается плазма; 2 - плазма СВЧ разряда; 3 - оптический фильтр, выделяющий линию атома водорода серии Бальмера Нα; 4 - цифровая зеркальная камера, 5 - дополнительный объектив, 6 - матовый экран.
Способ измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда в водородсодержащем газе реализуют следующим образом (см. Фиг. 1):
Измеряют полную поглощаемую в плазме СВЧ мощность в плазме СВЧ разряда 2, которую создают в резонаторе 1, имеющем обычно цилиндрическую форму. Плазму СВЧ разряда 2 фотографируют цифровой зеркальной камерой 4 через оптический фильтр 3, выделяющий линию атома водорода серии Бальмера Нα. При обработке информации, полученной с ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицы цифровой зеркальной камеры 4, используют только линейные преобразования интенсивности для каждого пикселя фотографии плазмы СВЧ разряда 2. Границу плазмы СВЧ разряда 2 определяют по распределению интенсивности оптического излучения, выбирая уровень интенсивности не более 15% от максимального значения. Поглощаемую мощность в единице объема плазмы СВЧ разряда вычисляют как отношение полной поглощаемой в плазме СВЧ мощности к объему плазмы СВЧ разряда 2.
Реализация способа по п. 2 (см. Фиг. 2) отличается тем, что фотографируют плазму СВЧ разряда 2 с ее изображения, сформированного дополнительным объективом 5 на матовом экране 6. На практике это сильно упрощает процесс фотографирования плазмы. Однако, поскольку при такой схеме измерения цифровая зеркальная камера 4 оказывается расположенной под углом, дополнительно сравнивают фотографию плазмы СВЧ разряда 2 с фотографией образца прямоугольной формы, помещенного на место разряда (по нему также определяют линейные размеры на фотографии), и путем последующего пересчета при обработке фотографии плазмы СВЧ разряда 2 корректируют имеющиеся геометрические искажения.
Реализация способа по п. 3 отличается тем, что фотографию плазмы СВЧ разряда 2 сохраняют в формате RAW (необработанные данные) для получения информации непосредственно с ПЗС матрицы цифровой зеркальной камеры 4 без искажений, связанных с обработкой данных, которая происходит при сохранении в другие форматы. Использование других форматов, например JPEG, приводит к нелинейным преобразованиям интенсивности оптического излучения, полученной с ПЗС матрицы цифровой зеркальной камеры 4, в общем случае с неизвестным профилем. Уменьшение искажений при передаче и обработке получаемой информации, соответственно, влечет за собой повышение точности предлагаемого способа измерения поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда.
По расчетам авторов, предлагаемый способ позволяет определять поглощаемую мощность в единице объема плазмы СВЧ разряда в водородсодержащем газе с ошибкой не более 20-30%, что является хорошим результатом по сравнению с аналогами и прототипом. Такой относительно невысокой ошибки удается достичь из-за использования в способе интенсивности излучения линии атома водорода серии Бальмера Нα, потому что, во-первых, эта линия обладает высокой интенсивностью и легко регистрируется и, во-вторых, согласно расчетам авторов, ее пространственное распределение наиболее близко, по сравнению с другими линиями излучения плазмы, совпадает с распределением поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда в водородсодержащем газе. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает измерение поглощаемой мощности в единице объема плазмы СВЧ разряда в водородсодержащем газе с достаточно высокой точностью и позволяет проводить корректное сравнение режимов осаждения алмазных пленок в различных плазмохимических CVD реакторах.