ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ОСАЖДЕНИЯ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
PLASMA REACTOR FOR HIGH-SPEED DEPOSITION OF DIAMOND FILMS FROM GAS PHASE

Изобретение относится к области плазменных СВЧ реакторов химического осаждения из газовой фазы углеродных пленок на подложках из различных материалов, в частности, для получения алмазных пленок и пластин.
Осаждение алмазных пленок из газовой фазы осуществляется так называемым CVD (chemical vapor deposition) методом. Этот метод основывается на активации тем или иным способом, чаще всего плазмой, газовой смеси, содержащей водород и углеводород, для создания необходимых химически активных частиц - атомов водорода и углеродсодержащих радикалов. Осаждение этих радикалов на подложку обеспечивает формирование алмазной пленки в результате целого комплекса поверхностных реакций. Для реализации этого метода широкое применение нашли CVD реакторы, использующие плазму, создаваемую с помощью СВЧ разряда, так называемые MPACVD (microwave plasma-assisted chemical vapor deposition) реакторы. Это связано с тем, что СВЧ разряды, создавая высокую плотность возбужденных и заряженных частиц и обладая безэлектродной природой, позволяют выращивать алмазные пленки высокого качества (white diamond) со скоростью выше чем 1 мкм/час (Т.А.Grotjohn, J.Asmussen Microwave plasma-assisted diamond film deposition, in Diamond film handbook, J.Asmussen, D.K.Reinhard (Eds), New York-Basel: Marsel Dekker, Inc., 2002, p.211-302).
7
Известен плазменный реактор для высокоскоростного осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда (патент РФ №2215061, МПК С23С 16/27, 16/511, опубл. 27.10.2003 г.), в котором активацию газовой смеси осуществляют за счет создания в реакционной камере плазмы с помощью СВЧ излучения с частотой, много большей обычно используемой частоты 2,45 ГГц, в частности с частотой 30 ГГц. Указанный плазменный реактор прототип содержит СВЧ генератор, передающую линию, оканчивающуюся квазиоптической электродинамической системой, реакционную камеру с установленной в ней подложкой, расположенной на держателе подложки, и системы напуска и откачки выбранной газовой смеси. Квазиоптическая электродинамическая система выполнена и установлена с возможностью формирования в выбранной области вблизи подложки стоячей СВЧ волны, а передающая линия выполнена в виде сверхразмерного волновода круглого сечения с гофрированной внутренней поверхностью, дополненного системой зеркал для передачи, по крайней мере, одного гауссова пучка на упомянутую квазиоптическую электродинамическую систему.
В одном частном случае изготовления плазменного реактора прототипа квазиоптическая электродинамическая система выполнена в виде двух зеркал, расположенных по разные стороны относительно области формирования плазмы и установленных с возможностью направления двух пучков СВЧ излучения под небольшими углами к поверхности подложки, при этом передающая линия дополнена делителем одного волнового пучка на два пучка, который установлен на выходе упомянутого сверхразмерного волновода круглого сечения. В этом случае изготовления плазменного реактора делитель волнового пучка на два пучка выполнен в виде сверхразмерного прямоугольного волновода, работа которого основана на эффекте мультипликации изображений при распространении электромагнитной волны. Зеркала квазиоптической электродинамической системы могут быть расположены как внутри реакционной камеры, так и снаружи реакционной камеры. Система напуска в реакционную камеру газовой смеси, содержащей, по крайней мере, водород и углеводород, выполнена в виде металлического вогнутого экрана с подводящей трубкой в центральной его части.
Недостатком устройства-прототипа является то, что в нем имеются не только омические потери СВЧ энергии при передаче СВЧ излучения от генератора к квазиоптической электродинамической системе и не вся СВЧ энергия, введенная в реакционную камеру, поглощается в плазме. Дело в том, что в устройстве-прототипе зеркала квазиоптической электродинамической системы могут быть расположены как внутри реакционной камеры, так и снаружи реакционной камеры. Эта реакционная камера выполняет функцию только вакуумной камеры, в которую подается газовая смесь. Известно, что при создании плазмы над подложкой с помощью волновых пучков в зависимости от давления газовой смеси и размеров плазменного слоя возможно не полное поглощение СВЧ энергии в плазме, возникает частичное рассеяние СВЧ излучения плазмой за счет отражения и рефракции.
Кроме того, в устройстве-прототипе СВЧ излучение от генератора поступает в передающую линию через свободное пространство с помощью гауссова волнового пучка. При таком способе возбуждения передающей линии до 15% СВЧ энергии не поступает в линию и рассеивается в свободном пространстве.
В результате невозможно получение полной передачи и поглощения СВЧ мощности в плазме и, как следствие, достигаются меньшие скорости роста алмазных пленок при заданной мощности СВЧ генератора.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка плазменного реактора, в котором передача в реакционную камеру СВЧ энергии осуществляется с минимальными потерями, определяемыми только омическими потерями в стенках волновода, и достигается полное поглощение СВЧ энергии в плазме, создаваемой двумя волновыми пучками.
Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что разработанный плазменный реактор для высокоскоростного осаждения алмазной пленки из газовой фазы, как и плазменный реактор-прототип, содержит СВЧ генератор, передающую линию и реакционную камеру с установленной в ней подложкой для осаждения алмазной пленки, при этом передающая линия оканчивается квазиоптической электродинамической системой из двух вогнутых зеркал, установленных с возможностью формирования в выбранной области вблизи подложки стоячей СВЧ волны для генерирования плазменного слоя.
Новым в разработанном устройстве является то, что реакционная камера выполнена в виде замкнутого сплошного металлического экрана выпуклой формы с возможностью отражения к подложке рассеянного плазмой СВЧ излучения, при этом оба упомянутых зеркала квазиоптической электродинамической системы крепятся внутри реакционной камеры к ее боковой стенке, а передающая линия выполнена в виде единой волноводной системы, соединяющей выходной волновод СВЧ генератора с делителем одного волнового пучка на два одинаковых гауссовых пучка и дополненной системой зеркал для передачи двух упомянутых гауссовых пучков через окна реакционной камеры на упомянутую квазиоптическую электродинамическую систему.
02
01
01
11
В одном частном случае изготовления плазменного реактора целесообразно в качестве СВЧ генератора использовать гиротрон, а передающую линию целесообразно выполнить в виде единого круглого изогнутого сверхразмерного волновода, состоящего из двух участков, первый из которых трансформирует рабочую моду Н гиротрона в моду H, а второй трансформирует моду H в моду НЕ. При этом упомянутый изогнутый сверхразмерный волновод следует дополнить последовательно соединенными отрезком сверхразмерного волновода с поперечной гофрировкой внутренней поверхности и делителем одного волнового пучка на два одинаковых гауссовых пучка.
В другом частном случае целесообразно реакционную камеру выполнить в виде сплошного замкнутого металлического экрана конусообразной формы с углом между основанием конуса и боковой наклонной стенкой, выбранным для обеспечения отражения к подложке рассеянного плазмой СВЧ излучения, при этом оба вогнутых зеркала квазиоптической электродинамической системы следует прикрепить к боковой наклонной стенке реакционной камеры.
Таким образом, технический результат в разработанном плазменном реакторе, заключающийся в существенном уменьшении потерь СВЧ энергии как при передаче ее от СВЧ генератора до реакционной камеры, так и в самой реакционной камере, обеспечивается за счет того, что передающая линия выполнена в виде единой волноводной системы, объединяющей выходной волновод СВЧ генератора (гиротрона) с излучением на рабочей моде и делитель одного пучка на два одинаковых волновых пучка, а также за счет того, что стенки реакционной камеры указанной формы направляют рассеянное плазмой СВЧ излучение обратно к держателю с подложкой, над которой поддерживается плазменный слой, и, тем самым, достигается повторное прохождение рассеянного излучения через плазму и полное поглощение СВЧ излучения плазмой.
Описание основных чертежей
На фиг.1 схематично в разрезе представлена блок-схема разработанного плазменного реактора с квазиоптической электродинамической системой, обеспечивающей формирование плазменного слоя вблизи подложки в двух пересекающихся волновых пучках, и с передающей линией в виде единого круглого изогнутого сверхразмерного волновода.
На фиг.2 представлено распределение модуля электрического поля Е в поперечном сечении единого круглого изогнутого сверхразмерного волновода на трех различных его участках.
Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг.1, содержит металлическую реакционную камеру 1 для газовой смеси с установленной в ней подложкой 2 для осаждения алмазной пленки 3. Подложка 2 расположена на держателе 4 подложки. Держатель 4 подложки установлен в центре круглой платформы 5, которая служит основанием реакционной камеры 1 и на которую опирается выпуклая часть 6 реакционной камеры 1. Реакционная камера 1 выполнена в виде замкнутого сплошного металлического экрана выпуклой (в частности, конусообразной) формы, ограниченной с одной стороны платформой 5 с держателем 4 подложки, а с другой стороны - металлическим выпуклым экраном 6. Внутри реакционной камеры 1 к боковой наклонной ее стенке крепятся два вогнутых зеркала 7 квазиоптической электродинамической системы 8. Для ввода СВЧ излучения в реакционную камеру 1 платформа 5 имеет два окна 9, оптически связанных с вогнутыми зеркалами 7 квазиоптической электродинамической системы 8. Источником СВЧ излучения служит СВЧ генератор 10, соединенный с передающей линией 11, оканчивающейся квазиоптической электродинамической системой 8. Передающая линия 11 выполнена в виде единой волноводной системы, соединяющей выходной волновод 15 СВЧ генератора 10 с делителем 19 одного волнового пучка на два одинаковых гауссовых пучка и дополненной системой зеркал 20, 21 для передачи двух упомянутых гауссовых пучков через окна 9 реакционной камеры 1 на упомянутую квазиоптическую электродинамическую систему 8.
Два металлических зеркала 7 квазиоптической электродинамической системы 8 направляют СВЧ излучение на подложку 2 с возможностью формирования стоячей СВЧ волны в области 12 создания плазмы вблизи подложки 2. Боковые наклонные металлические стенки реакционной камеры 1 направляют возникающее рассеянное плазмой СВЧ излучение обратно к держателю 4 с подложкой 2, над которой поддерживается плазменный слой 12. Реакционная камера 1 снабжена системой напуска 13 газовой смеси и системой откачки 14 газа для поддержания требуемого давления и скорости газового потока рабочей смеси в камере 1.
02
02
01
11
11
11
В одном частном случае изготовления плазменного реактора в качестве СВЧ генератора 10 электромагнитного излучения может быть использован гиротрон. При этом передающая линия 11, представленная на фиг.1, выполнена в виде единого круглого изогнутого сверхразмерного волновода, состоящего из двух участков 16 и 17, дополненного отрезком сверхразмерного волновода 18 с гофрированной внутренней поверхностью, делителем 19 волнового пучка и комплектом из двух плоских 20 и двух вогнутых 21 зеркал. Волновод круглого сечения 15 СВЧ генератора 10, например, гиротрона с излучением на рабочей моде гиротрона Н, соединен с передающей линией 11. Единый круглый изогнутый сверхразмерный волновод передающей линии на участках 16 и 17 имеет такую изогнутую форму, которая обеспечивает за счет переменного радиуса изгиба волновода последовательную трансформацию рабочей моды Н сначала в моду H (на участке волновода 16), а затем в моду НЕ (на участке волновода 17). Выход круглого сверхразмерного волновода передающей линии 11 на участке 17 с модой излучения НЕ соединен с отрезком сверхразмерного волновода 18 с гофрированной внутренней поверхностью, позволяющей данной моде НЕ в неизменном виде распространяться до делителя 19 волнового пучка. Делитель 19 волнового пучка оптически связан с комплектом из двух плоских зеркал 20, каждое из которых, в свою очередь, оптически связано с одним вогнутым металлическим зеркалом из комплекта двух зеркал 21 и с одним из входных окон 9 реакционной камеры 1. Два окна 9 оптически связаны с двумя металлическими вогнутыми зеркалами 7 квазиоптической электродинамической системы 8.
Делитель 19 волнового пучка выполнен в виде сверхразмерного прямоугольного волновода, работа которого основана на эффекте мультипликации изображений при распространении электромагнитной волны (G.G.Denisov, S.V.Kuzikov, in Strong microwaves in plasmas, Ed. A.G.Litvak, N.Novgorod: IAP, 2000, v.2, p.960-966). Зеркала 20 и 21 передающей линии расположены снаружи реакционной камеры 1 (как показано на фиг.1).
Выходной волновод 15 генератора 10 с СВЧ излучением на рабочей моде генератора соединен непосредственно с входным волноводом 16 передающей линии 11 (как показано на фиг.1). Зеркала 7, образующие квазиоптическую электродинамическую систему 8, установлены с возможностью направления СВЧ излучения 22 в виде двух пересекающихся волновых пучков в область 12 формирования плазмы вблизи подложки 2.
Система напуска 13 в реакционную камеру 1 газовой смеси, содержащей, по крайней мере, водород и углеводород и система откачки 14 газа для поддержания требуемого давления рабочей смеси могут быть выполнены по-разному, например, так, как показано на фиг.1. Система напуска 13 выполнена в виде металлического вогнутого экрана 6 с подводящей трубкой 13 в центральной его части. Система откачки 14 газа выполнена в виде откачной трубки, размещенной в стенке реакционной камеры или выполнена, как в устройстве-прототипе, в виде набора отверстий в держателе 4 подложки 2, при этом держатель 4 снабжен некоторым объемом для откачиваемой смеси газов, в котором расположена система водяного охлаждения 23 той части держателя 4, которая контактирует с подложкой 2.
02
01
11
12
02
12
01
01
11
11
11
11
02
11
В конкретном примере реализации разработанного устройства (плазменного реактора) реакционная камера 1 изготовлена в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода из нержавеющей листовой стали толщиной 3 мм. В качестве СВЧ генератора 10 использован гиротрон с частотой СВЧ излучения 28 ГГц и мощностью до 15 кВт, выпускаемый НПП "Гиком" города Нижнего Новгорода. Единый круглый изогнутый сверхразмерный волновод (16 и 17) передающей линии 11 диаметром 32,61 мм изготовлен из меди в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. Единый круглый изогнутый сверхразмерный волновод переменной кривизны (16 и 17) рассчитан методом синтеза формы поверхности волноводных преобразователей (Г.Г.Денисов, Г.И.Калынова, Д.И.Соболев, Известия ВУЗов. Радиофизика, 2004, Т.47, №8, с.688-693) для преобразования рабочей моды генератора Н сначала в моду H, а затем в моду НЕ на частоте 28 ГГц. Поля упомянутых волноводных мод представлены на фиг.2 (а, б, в). Преобразование в первой части передающей линии (участок волновода 16) осуществляется одновременно с поворотом оси волновода на 90 градусов через промежуточную моду E, вырожденную с исходной модой Н. Для этой пары мод при данных параметрах - частоте излучения и радиусе волновода - угол поворота близок к углу полного взаимного преобразования или углу Жуге (М.Jouguet. Effect of curvature on the propagation of electromagnetic waves in guides of circular cross sections // Cables et Transmission (Paris), 1947, v.1, No.2, pp.133-153), за счет чего достигается быстрая трансформация основной мощности в моду E, впоследствии преобразуемую в моду H при помощи периодической связи. За счет использования специального метода синтеза удалось при этом достичь значительного уменьшения уровня паразитных мод до уровня менее 0.5% от общей мощности. Вторая часть передающей линии (участок волновода 17) осуществляет преобразование моды H в моду НЕ гофрированного сверхразмерного волновода 18. Преобразование осуществляется внутри гладкого волновода, поэтому структура поля, соответствующая требуемой моде, представляется в виде суммы нескольких мод с заданными фазами, основные из которых - Н и Е (около 85% и 15% от общей мощности, соответственно). Использованный метод синтеза позволил за счет одновременного преобразования в несколько промежуточных мод, а затем их преобразования в моду Н получить искомую смесь мод с большой точностью. Суммарная мощность моды Н, недопреобразованных промежуточных мод и паразитных мод не превышает 0.5%. После получения моды НЕ на отрезке волновода 18 вводится поперечная гофрировка внутренней поверхности волновода, позволяющая данной моде в неизменном виде распространяться до делителя 19 волнового пучка.
Плазменный реактор с передающей линией, представленной на фиг.1, работает следующим образом.
02
02
01
11
11
11
СВЧ излучение на рабочей моде Н гиротрона с частотой 28 ГГц посредством волновода круглого сечения 15 направляется в круглый изогнутый сверхразмерный волновод 16, 17 передающей линии 11. Волновод передающей линии трансформирует рабочую моду Н сначала в моду H (на участке волновода 16), а затем в моду HE (на участке волновода 17). Выход круглого волновода передающей линии 11 на участке 17 с модой излучения НЕ соединен с отрезком волновода 18 с гофрированной внутренней поверхностью, позволяющей данной моде в неизменном виде распространяться до делителя 19 волнового пучка. СВЧ излучение на моде НЕ из выхода волновода 18 направляется на вход делителя 19, выполненного в виде сверхразмерного прямоугольного волновода. За счет эффекта мультипликации изображений при распространении электромагнитного излучения в сверхразмерном прямоугольном волноводе 19 гауссов пучок делится на два одинаковых гауссовых пучка меньшей интенсивностью. Каждый их этих пучков излучения 22 посредством комплектов зеркал 20, 21 передающей линии 11 направляется через окна реакционной камеры на два вогнутых зеркала 7 квазиоптической электродинамической системы 8. Зеркала 7 квазиоптической электродинамической системы 8, прикрепленные к наклонной стенке реакционной камеры 1, направляют два сходящихся пучка 22 в область 12, где указанные два пучка пересекаются и в области их пересечения формируется стоячая волна. В пучностях стоячей волны величина электрического поля равна или превышает пороговое поле, необходимое для поддержания стационарной плазмы, поэтому в области 12 формирования стоячей волны происходит поджог СВЧ разряда и формирование и локализация плазменного слоя. Изменяя форму и размеры поперечного сечения пересекающихся волновых пучков 22, регулируются размеры и форма плазменного слоя. СВЧ излучение волновых пучков поглощается в плазме и частично рассеивается плазмой. Рассеянное плазмой СВЧ излучение отражается от наклонной стенки 6 реакционной камеры 1 и направляется обратно к держателю 4 с подложкой 2, над которой поддерживается плазменный слой, и, тем самым, достигается повторное прохождение рассеянного излучения через плазму и полное поглощение СВЧ излучения плазмой, что и обеспечивает достижение заявляемого технического результата.