RU2804043C1 - Microwave plasma reactor - Google Patents
Microwave plasma reactor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804043C1 RU2804043C1 RU2023113502A RU2023113502A RU2804043C1 RU 2804043 C1 RU2804043 C1 RU 2804043C1 RU 2023113502 A RU2023113502 A RU 2023113502A RU 2023113502 A RU2023113502 A RU 2023113502A RU 2804043 C1 RU2804043 C1 RU 2804043C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- plasma
- microwave
- waveguides
- substrate holder
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к сверхвысокочастотному (СВЧ) плазменному реактору, который может быть использован в машиностроении, металлургии, электронной и/или ювелирной промышленности для нанесения покрытий или получения пленок методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. В частности, изобретение относится к СВЧ плазменному реактору, предназначенному для получения поликристаллических и/или монокристаллических пленок и пластин алмаза.The present invention relates to an ultra-high frequency (microwave) plasma reactor, which can be used in mechanical engineering, metallurgy, electronics and/or jewelry industries for coating or producing films by plasma chemical vapor deposition. In particular, the invention relates to a microwave plasma reactor intended for the production of polycrystalline and/or single-crystalline diamond films and wafers.
Уровень техникиState of the art
Метод плазмостимулированного химического осаждения из газовой фазы нашел свое применение в различных отраслях промышленности. В частности он используется в машиностроении для изготовления изделий с покрытиями, которые повышают механические характеристики изделий, в медицине для анализа и очистки ДНК, в электронике для изготовления различного рода солнечно-слепых детекторов, датчиков, приборов СВЧ диапазона, мощных силовых приборов, в химии для защиты электродов, а в последнее время становится рентабельно применение алмаза, полученного методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (т. н. CVD-алмаза), даже для ювелирной промышленности. Из-за своих уникальных физико-химических свойств алмаз является перспективным материалом фактически во всех областях современной технологии, но его более широкое применение до сих пор сдерживается рядом факторов. Одним из основных таких факторов является пока еще достаточно высокая себестоимость его производства, которая определяется большим энергопотреблением, малой скоростью роста и малой площадью области равномерного роста. К сожалению, задачи уменьшения энергопотребления, увеличения скорости роста и увеличения площади области равномерного роста во многом противоречат друг другу, и попытки найти между ними компромисс активно предпринимаются разработчиками установок с 90-х годов XX века. К настоящему времени сложилось несколько основных подходов к конструированию СВЧ реактора для получения пленок алмаза, которые имеют свои преимущества и недостатки. Например, возбуждение резонатора СВЧ излучением с частотой 900 МГц позволяет получить достаточно высокую скорость осаждения на большой площади, но при этом энергопотребление, по сравнению с СВЧ реакторами с рабочей частотой 2,45 ГГц, больше почти на порядок, что не позволяет снизить себестоимость получаемого алмаза. В существующих СВЧ реакторах с рабочей частотой 2,45 ГГц удается добиться большей скорости роста, чем в СВЧ реакторах с рабочей частотой 900 МГц при существенно меньшем энергопотреблении, но при этом область равномерного роста не столь велика. К сожалению, в существующих конструкциях резонаторов, из-за аксиально-симметричного ввода энергии, площадь области равномерного роста существенно уменьшается с ростом давления, увеличение которого необходимо для увеличения плотности мощности, т.е энерговклада в единицу объема плазмы, и, соответственно, увеличения скорости роста. The method of plasma-stimulated chemical vapor deposition has found its application in various industries. In particular, it is used in mechanical engineering for the manufacture of products with coatings that increase the mechanical characteristics of products, in medicine for the analysis and purification of DNA, in electronics for the manufacture of various kinds of solar-blind detectors, sensors, microwave devices, high-power power devices, in chemistry for protection of electrodes, and recently the use of diamond obtained by plasma chemical vapor deposition (the so-called CVD diamond) has become profitable, even for the jewelry industry. Due to its unique physical and chemical properties, diamond is a promising material in virtually all areas of modern technology, but its wider use is still hampered by a number of factors. One of the main such factors is the still fairly high cost of its production, which is determined by high energy consumption, low growth rate and small area of uniform growth area. Unfortunately, the tasks of reducing energy consumption, increasing the growth rate and increasing the area of uniform growth largely contradict each other, and attempts to find a compromise between them have been actively undertaken by plant developers since the 90s of the 20th century. To date, there have been several basic approaches to the design of a microwave reactor for producing diamond films, which have their own advantages and disadvantages. For example, excitation of a resonator by microwave radiation with a frequency of 900 MHz makes it possible to obtain a fairly high deposition rate over a large area, but at the same time, energy consumption, compared to microwave reactors with an operating frequency of 2.45 GHz, is almost an order of magnitude greater, which does not allow reducing the cost of the resulting diamond . In existing microwave reactors with an operating frequency of 2.45 GHz, it is possible to achieve a higher growth rate than in microwave reactors with an operating frequency of 900 MHz with significantly lower energy consumption, but the region of uniform growth is not so large. Unfortunately, in existing resonator designs, due to the axisymmetric energy input, the area of the uniform growth region decreases significantly with increasing pressure, an increase in which is necessary to increase the power density, i.e., the energy input per unit volume of plasma, and, accordingly, increase the speed growth.
Из патентного документа RU 2299929 С2 известен СВЧ плазменный реактор в виде цилиндра, содержащий нижний ввод СВЧ энергии через коаксиальный волновод, переходящий в радиальную линию, соединенную с цилиндрической камерой, на нижней плоскости которой расположен подложкодержатель. Подложка располагается в возбуждаемом разряде плазмы, обеспечивающем рост алмазной пленки. Как известно, напряженность электромагнитного поля в цилиндрической камере обратно пропорциональна радиусу линии, т.е. Er = E0/r. Такая зависимость напряженности электромагнитного поля не позволяет получить однородные условия в плазме и равномерный профиль температуры подложки в радиальном направлении, что ограничивает размеры области равномерного роста. Вообще, при аксиально симметричных способах возбуждения резонатора поток энергии на центр подложкодержателя максимальный, теплоотвод из центра обычно наоборот затруднен, что приводит к его существенному перегреву. При этом поток электромагнитной СВЧ энергии над подложкой является сходящимся, что приводит к еще большей напряженности поля в центре и еще большему перегреву центра плазменного разряда и, соответственно, центра подложки. Как известно, для значения напряженности электрического поля в радиальной линии передачи с разрядом плазмы справедливо следующее решение системы уравнений Максвелла:From patent document RU 2299929 C2, a microwave plasma reactor is known in the form of a cylinder, containing a lower input of microwave energy through a coaxial waveguide, which turns into a radial line connected to a cylindrical chamber, on the lower plane of which a substrate holder is located. The substrate is located in an excited plasma discharge, which ensures the growth of the diamond film. As is known, the electromagnetic field strength in a cylindrical chamber is inversely proportional to the radius of the line, i.e. E r = E 0 /r. This dependence of the electromagnetic field strength does not allow obtaining uniform conditions in the plasma and a uniform substrate temperature profile in the radial direction, which limits the size of the region of uniform growth. In general, with axially symmetric methods of excitation of the resonator, the energy flow to the center of the substrate holder is maximum; heat removal from the center is usually, on the contrary, difficult, which leads to its significant overheating. In this case, the flow of electromagnetic microwave energy over the substrate is converging, which leads to even greater field strength in the center and even greater overheating of the center of the plasma discharge and, accordingly, the center of the substrate. As is known, for the value of the electric field strength in a radial transmission line with a plasma discharge, the following solution to the system of Maxwell’s equations is valid:
, ,
где Е - напряженность электрического поля, P - мощность генератора, R - радиус радиальной линии, z0 - волновое сопротивление свободного пространства, α - постоянная ослабления напряженности электрического поля, k - волновое число, β - фазовая постоянная. Как следует из функции E2, определяющей функцию источников тепла, при малых значениях R близких к центру радиальной линии возникает концентрация мощности и как следствие рост температуры подложки.where E is the electric field strength, P is the generator power, R is the radius of the radial line, z 0 is the characteristic impedance of free space, α is the attenuation constant of the electric field strength, k is the wave number, β is the phase constant. As follows from the function E 2 , which determines the function of heat sources, at small values of R close to the center of the radial line, power concentration occurs and, as a consequence, an increase in the substrate temperature.
Для уменьшения температурного градиента поверхности образца применяют специальные конструкции подложкодержателя и увеличивают теплоотвод в зонах перегрева, что усиливает градиент температуры по толщине образца и вызывает сильные механические напряжения в осаждаемой пленке, которые в свою очередь способствуют возникновению дислокаций и даже растрескиванию образцов. К тому же, скорость роста и свойства получаемой пленки зависят не только от температуры поверхности образца, но и от концентрации и состава потока частиц, приходящих на поверхность, который во многом определяется плотностью мощности, вложенной в ближайшую область плазмы. В результате градиент напряженности электромагнитного поля, даже если бы удалось добиться одинаковой температуры поверхности образца, приводит к существенному отличию условий роста пленки по радиусу подложкодержателя. К тому же, за счет уменьшения температурного градиента подложкодержателя невозможно добиться идеального температурного профиля подложки из-за конечного теплового контактного сопротивления подложка - подложкодержатель и ограниченной теплопроводности самого подложкодержателя. To reduce the temperature gradient of the sample surface, special substrate holder designs are used and heat removal in overheated zones is increased, which increases the temperature gradient across the thickness of the sample and causes strong mechanical stresses in the deposited film, which in turn contribute to the occurrence of dislocations and even cracking of the samples. In addition, the growth rate and properties of the resulting film depend not only on the sample surface temperature, but also on the concentration and composition of the particle flow arriving at the surface, which is largely determined by the power density deposited in the nearest plasma region. As a result, the gradient of the electromagnetic field strength, even if it were possible to achieve the same sample surface temperature, leads to a significant difference in the film growth conditions along the radius of the substrate holder. In addition, by reducing the temperature gradient of the substrate holder, it is impossible to achieve an ideal temperature profile of the substrate due to the finite thermal contact resistance of the substrate - substrate holder and the limited thermal conductivity of the substrate holder itself.
Перечисленные недостатки известного СВЧ плазменного реактора ограничивают размеры зоны, в которой условия осаждения алмазной пленки однородны, особенно при высокой скорости роста, что увеличивает себестоимость их производства.The listed disadvantages of the known microwave plasma reactor limit the size of the zone in which the conditions for deposition of the diamond film are uniform, especially at high growth rates, which increases the cost of their production.
Из патентного документа US 7662441 B2 известно устройство для осуществления способа изготовления алмазной пленки, содержащее плазменный реактор в виде цилиндра, содержащий верхний ввод СВЧ энергии в виде коаксиального волновода, установленный непосредственно в верхней части камеры на верхней крышке цилиндра. В данном устройстве падающая сверху волна обеспечивает более равномерный разряд плазмы, т.к. не имеет сходящуюся к центру цилиндра волну, но коаксиальный ввод СВЧ энергии также имеет обратно пропорциональную зависимость напряженности электрического поля от радиуса цилиндра. В данном устройстве может быть увеличен размер разряда плазмы с меньшей неоднородностью, тем не менее перегрев центра подложки сохраняется. Также неоднородными остаются концентрация и состав потока частиц, направляющихся из плазмы на подложку.From patent document US 7662441 B2, a device for implementing a method for producing diamond film is known, containing a plasma reactor in the form of a cylinder containing an upper input of microwave energy in the form of a coaxial waveguide installed directly in the upper part of the chamber on the top cover of the cylinder. In this device, a wave incident from above ensures a more uniform plasma discharge, because does not have a wave converging towards the center of the cylinder, but the coaxial input of microwave energy also has an inversely proportional dependence of the electric field strength on the radius of the cylinder. In this device, the size of the plasma discharge with less inhomogeneity can be increased, however, the overheating of the center of the substrate remains. The concentration and composition of the flow of particles directed from the plasma to the substrate also remain heterogeneous.
Следует отметить, что коаксиальная геометрия вводов СВЧ энергии вышеуказанных плазменных реакторов обусловливает шаровую форму плазменного разряда, которая имеет ярко выраженный максимум температуры газа в его центре. Увеличение плотности мощности требует одновременного изменения давления и входной мощности для поддержания постоянного объема плазмы, который условно определяется как полученный в отсутствие держателя подложки, т. е. когда форма плазмы близка к сфере. Поэтому разряд может быть охарактеризован средней плотностью мощности, которая представляет собой отношение входной мощности к постоянному объему плазмы. В результате при увеличении плотности мощности радиальный градиент температуры плазмы быстро увеличивается, и зона равномерного роста еще сильнее уменьшается.It should be noted that the coaxial geometry of the microwave energy inputs of the above plasma reactors determines the spherical shape of the plasma discharge, which has a pronounced maximum gas temperature in its center. Increasing the power density requires a simultaneous change in pressure and input power to maintain a constant plasma volume, which is conventionally defined as obtained in the absence of a substrate holder, i.e., when the plasma shape is close to a sphere. Therefore, the discharge can be characterized by an average power density, which is the ratio of the input power to a constant plasma volume. As a result, as the power density increases, the radial gradient of the plasma temperature rapidly increases, and the uniform growth zone decreases even more.
Для того чтобы в какой-то мере скомпенсировать неоднородность условий роста на поверхности подложкодержателя, в реакторах данного типа вводят подложкодержатель в плазменный шар и добиваются того, чтобы плазма приняла форму полусферы, соприкасающейся своим основанием с подложкодержателем, а в идеале стараются еще и расплющить полусферу сверху. Чем тоньше будет область плазмы над подложкодержателем, тем выше будет КПД установки. Такая, полусферическая форма плазмы, позволяет несколько уменьшить градиент температуры, как в плазме, так и на поверхности подложкодержателя, хотя перегрев центра остается еще очень существенным.In order to compensate to some extent for the heterogeneity of growth conditions on the surface of the substrate holder, in reactors of this type, the substrate holder is introduced into a plasma ball and the plasma is ensured to take the shape of a hemisphere, its base in contact with the substrate holder, and ideally they also try to flatten the hemisphere from above . The thinner the plasma area above the substrate holder, the higher the efficiency of the installation. This hemispherical shape of the plasma makes it possible to somewhat reduce the temperature gradient, both in the plasma and on the surface of the substrate holder, although the overheating of the center remains very significant.
К сожалению, в режиме, когда плазменный разряд «сидит» на подложкодержателе, большая часть потока тепла приходится на подложкодержатель и приходится сильно увеличивать его охлаждение. А это, в свою очередь, приводит к сильному увеличению градиента температуры по толщине в выращиваемом образце и ведет к возникновению сильных механических напряжений, которые влияют на его свойства, а на больших толщинах могут привести даже к растрескиванию монокристаллических образцов.Unfortunately, in the mode when the plasma discharge “sits” on the substrate holder, most of the heat flow falls on the substrate holder and its cooling has to be greatly increased. And this, in turn, leads to a strong increase in the temperature gradient across the thickness in the grown sample and leads to the emergence of strong mechanical stresses that affect its properties, and at large thicknesses can even lead to cracking of single-crystal samples.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Ввиду вышеуказанного, задачей настоящего изобретения является предложение СВЧ плазменного реактора, в котором плазменный разряд имеет такую форму, которая обеспечивала бы возможность получения области с однородными условиями осаждения пленки больших размеров при высокой плотности мощности и возможность изменения расстояния между подложкодержателем и плазменной областью без существенного изменения размеров и зоны равномерного роста. Такой СВЧ плазменный реактор позволил бы получать методом плазмохимического осаждения из газовой фазы монокристаллические и поликристаллические пленки с однородной структурой и малым количеством дефектов на большой площади с высокой скоростью.In view of the above, the object of the present invention is to propose a microwave plasma reactor in which the plasma discharge has a shape that would provide the possibility of obtaining a region with uniform conditions for the deposition of a large-sized film at a high power density and the possibility of changing the distance between the substrate holder and the plasma region without significant changes in size and zones of uniform growth. Such a microwave plasma reactor would make it possible to obtain single-crystalline and polycrystalline films with a homogeneous structure and a small number of defects over a large area at a high speed using plasma-chemical vapor deposition.
Указанная задача решена СВЧ плазменным реактором с признаками, указанными в формуле изобретения. This problem is solved by a microwave plasma reactor with the features specified in the claims.
Согласно изобретению предложен сверхвысокочастотный (СВЧ) плазменный реактор для осаждения пленки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы, включающий в себя СВЧ резонатор, имеющий цилиндрический корпус и верхнюю и нижнюю крышки, закрывающие цилиндрический корпус и ограничивающие внутренний объем резонатора сверху и снизу, соответственно, причем во внутреннем объеме резонатора расположено окно ввода энергии, которое вместе с частью цилиндрического корпуса резонатора и нижней крышкой резонатора ограничивает реакционный объем, внутри которого расположен подложкодержатель, предназначенный для размещения одной или нескольких подложек для осаждения пленки, причем на верхней крышке резонатора расположен ввод СВЧ энергии.According to the invention, an ultra-high frequency (microwave) plasma reactor is proposed for film deposition using the plasma chemical vapor deposition method, which includes a microwave resonator having a cylindrical body and upper and lower covers that cover the cylindrical body and limit the internal volume of the resonator at the top and bottom, respectively, and in In the internal volume of the resonator there is an energy input window, which, together with a part of the cylindrical body of the resonator and the bottom cover of the resonator, limits the reaction volume, inside of which there is a substrate holder designed to accommodate one or more substrates for film deposition, and on the top cover of the resonator there is a microwave energy input.
Для решения указанной выше задачи авторами настоящего изобретения было предложено отказаться от аксиально-симметричного ввода СВЧ энергии и использовать распределенный ввод СВЧ энергии, выполненный в виде трех или более прямоугольных волноводов, расположенных с азимутальной равномерностью и обращенных узкими стенками к центральной оси резонатора, причем оси указанных волноводов перпендикулярны плоскости верхней крышки резонатора.To solve the above problem, the authors of the present invention proposed to abandon the axially symmetric input of microwave energy and use a distributed input of microwave energy, made in the form of three or more rectangular waveguides located with azimuthal uniformity and with narrow walls facing the central axis of the resonator, and the axis of these The waveguides are perpendicular to the plane of the top cover of the resonator.
Такой ввод СВЧ энергии в виде трех или более прямоугольных волноводов обеспечивает азимутальную равномерность напряженности электрического поля в резонаторе в результате наложения электромагнитных полей, при этом радиальная напряженность электрического поля выравнивается за счет наличия градиента концентрации плазмы так что устанавливается по существу дискообразная форма плазмы. Такая форма плазмы кардинально уменьшает перегрев центра подложки и позволяет достичь бόльшей площади области равномерного роста, по сравнению с шаровой и полусферической формой плазмы, характерной для аксиально-симметричного ввода СВЧ энергии.Such input of microwave energy in the form of three or more rectangular waveguides ensures azimuthal uniformity of the electric field strength in the resonator as a result of the superposition of electromagnetic fields, while the radial electric field strength is equalized due to the presence of a plasma concentration gradient so that an essentially disk-shaped plasma shape is established. This form of plasma radically reduces the overheating of the center of the substrate and makes it possible to achieve a larger area of the region of uniform growth, compared to the spherical and hemispherical form of plasma, characteristic of the axially symmetric input of microwave energy.
В одном варианте осуществления, пленки, выращиваемые методом плазмохимического осаждения из газовой фазы, представляют собой монокристаллические и/или поликристаллические пленки алмаза.In one embodiment, the films grown by plasma chemical vapor deposition are single-crystalline and/or polycrystalline diamond films.
В одном варианте осуществления каждый из указанных волноводов соединен с отдельным СВЧ генератором. Использование распределенного ввода энергии через несколько волноводов позволяет уменьшить напряженность электрического поля в каждом отдельном волноводе в n-раз (где n-количество волноводов) и тем самым уменьшить вероятность пробоя в волноводе на большой мощности, а также существенно снизить нагрузку на окно ввода энергии, за счет более равномерного распределения передаваемой через него СВЧ энергии. Это дает возможность существенно увеличить суммарную мощность, подаваемую в реакционный объем.In one embodiment, each of these waveguides is connected to a separate microwave generator. The use of distributed energy input through several waveguides makes it possible to reduce the electric field strength in each individual waveguide by n times (where n is the number of waveguides) and thereby reduce the probability of breakdown in the waveguide at high power, as well as significantly reduce the load on the energy input window, for due to a more uniform distribution of microwave energy transmitted through it. This makes it possible to significantly increase the total power supplied to the reaction volume.
В одном варианте осуществления указанные волноводы соприкасаются друг с другом ребрами. Такое близкое расположение волноводов позволяет получить дискообразную форму плазмы. При этом при увеличении расстояния между волноводами и осью резонатора, напряженность в центре будет уменьшаться и плазменная область будет напоминать тороид. Дискообразная форма плазмы позволяет существенно увеличить КПД установки, по сравнению с шаровой формой разряда, так как позволяет минимизировать затраты энергии на возбуждение плазмы в областях, не взаимодействующих с подложкой. Также появилась возможность менять расстояние между плазмой и подложкодержателем, без существенного изменения площади зоны равномерного роста, что дает возможность оптимизировать это расстояние по целому ряду параметров и уменьшить перегрев подложкодержателя при большой плотности мощности в разряде. In one embodiment, said waveguides are in contact with each other by edges. This close arrangement of the waveguides makes it possible to obtain a disk-shaped plasma. In this case, as the distance between the waveguides and the resonator axis increases, the tension in the center will decrease and the plasma region will resemble a toroid. The disk-shaped form of the plasma allows one to significantly increase the efficiency of the installation compared to the spherical form of the discharge, since it allows one to minimize the energy consumption for excitation of the plasma in areas that do not interact with the substrate. It also became possible to change the distance between the plasma and the substrate holder without significantly changing the area of the uniform growth zone, which makes it possible to optimize this distance according to a number of parameters and reduce overheating of the substrate holder at high power densities in the discharge.
В одном варианте осуществления подложкодержатель расположен аксиально симметрично относительно цилиндрического корпуса резонатора. Так как подложкодержатель тоже является элементом резонатора, такое расположение подложкодержателя облегчает формирование аксиально-симметричного дискообразного плазменной разряда и позволяет получить зону равномерного роста на подложкодержателе также аксиально симметричную относительно оси резонатора.In one embodiment, the substrate holder is positioned axially symmetrically relative to the cylindrical body of the resonator. Since the substrate holder is also an element of the resonator, this arrangement of the substrate holder facilitates the formation of an axially symmetrical disk-shaped plasma discharge and makes it possible to obtain a uniform growth zone on the substrate holder that is also axially symmetric relative to the axis of the resonator.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Ниже изобретение будет раскрыто со ссылкой на варианты осуществления, показанные на чертежах в качестве примера и не ограничивающие настоящее изобретение.The invention will be described below with reference to embodiments shown in the drawings by way of example and not limiting the present invention.
На фиг. 1 на виде в разрезе показано схематическое изображение СВЧ плазменного реактора для осаждения пленки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.In fig. 1 in the sectional view shows a schematic representation of a microwave plasma reactor for film deposition using plasma chemical vapor deposition.
На фиг. 2 на виде сверху схематически показано расположение трех прямоугольных волноводов на верхней крышке резонатора в конфигурации, в которой указанные волноводы, обращенные узкими стенками к центральной оси резонатора, соприкасаются друг с другом ребрами.In fig. 2 in the top view schematically shows the arrangement of three rectangular waveguides on the top cover of the resonator in a configuration in which these waveguides, with their narrow walls facing the central axis of the resonator, are in contact with each other with ribs.
На фиг. 3 изображено распределение напряженности электрического поля во фронтальном сечении резонатора при аксиально-симметричном вводе энергии.In fig. Figure 3 shows the distribution of the electric field strength in the front section of the resonator with an axially symmetric input of energy.
На фиг. 4 изображено распределение напряженности электрического поля во фронтальном сечении резонатора при распределенном вводе энергии, соответствующем геометрии на фиг. 2.In fig. Figure 4 shows the distribution of the electric field strength in the front section of the resonator with a distributed energy input corresponding to the geometry in Fig. 2.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Настоящее изобретение описано ниже на примере СВЧ плазменного реактора для осаждения монокристаллических и/или поликристаллических пленок алмаза. Однако изобретение не ограничено настоящим вариантом осуществления и может быть использовано для осаждения других материалов. The present invention is described below using the example of a microwave plasma reactor for the deposition of single-crystalline and/or polycrystalline diamond films. However, the invention is not limited to the present embodiment and can be used to deposit other materials.
На фиг. 1 на виде в разрезе показано схематическое изображение СВЧ реактора для осаждения алмазной пленки методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. Плазмохимический реактор содержит СВЧ резонатор, состоящий из цилиндрического корпуса 1, верхней крышки 2 и нижней крышки 3.In fig. Figure 1 in sectional view shows a schematic representation of a microwave reactor for deposition of a diamond film by plasma chemical vapor deposition. The plasma chemical reactor contains a microwave resonator consisting of a cylindrical body 1, an upper cover 2 and a lower cover 3.
Между верхней крышкой 2 резонатора и подложкодержателем 7 расположено окно 5 ввода энергии, которое вместе с нижней крышкой 3 резонатора и частью цилиндрического корпуса 1 резонатора образуют реакционный объем 6. Окно 5 ввода энергии представляет собой кварцевое стекло. Between the top cover 2 of the resonator and the substrate holder 7 there is an energy input window 5, which, together with the bottom cover 3 of the resonator and part of the cylindrical body 1 of the resonator, forms the reaction volume 6. The energy input window 5 is quartz glass.
Указанный реакционный объем 6 откачивается через выпускной патрубок 10, расположенный в нижней крышке 3 резонатора, а газовая смесь подается через впускной патрубок 9, расположенный в цилиндрическом корпусе 1 реакционного объема 6. На верхней крышке 2 резонатора расположен распределенный ввод СВЧ энергии.The specified reaction volume 6 is pumped out through the outlet pipe 10 located in the lower cover 3 of the resonator, and the gas mixture is supplied through the inlet pipe 9 located in the cylindrical housing 1 of the reaction volume 6. On the top cover 2 of the resonator there is a distributed input of microwave energy.
Внутри реакционного объема расположен подложкодержатель 7, предназначенный для размещения одной или нескольких подложек 8 для осаждения пленки.Inside the reaction volume there is a substrate holder 7, designed to accommodate one or more substrates 8 for film deposition.
Ввод СВЧ энергии выполнен в виде трех прямоугольных волноводов, но на фиг. 1 виден только один волновод 11, на котором расположена антенна 12 СВЧ магнетрона. Рядом с волноводом 11 на верхней крышке 2 резонатора расположен СВЧ магнетрон 13.The microwave energy input is made in the form of three rectangular waveguides, but in Fig. 1, only one waveguide 11 is visible, on which the microwave magnetron antenna 12 is located. Next to the waveguide 11 on the top cover 2 of the resonator there is a microwave magnetron 13.
На фиг. 2 показан вид сверху распределенного ввода СВЧ энергии, выполненного в виде трех прямоугольных волноводов 11, расположенных с азимутальной равномерностью и обращенных узкими стенками к центральной оси резонатора, причем оси указанных волноводов 11 перпендикулярны плоскости верхней крышки 2 резонатора.In fig. 2 shows a top view of a distributed input of microwave energy, made in the form of three rectangular waveguides 11, located with azimuthal uniformity and facing the central axis of the resonator with narrow walls, and the axes of these waveguides 11 are perpendicular to the plane of the top cover 2 of the resonator.
На фиг. 2 показан вариант, в котором волноводы 11 расположены в соприкосновении друг с другом ребрами. In fig. 2 shows an option in which the waveguides 11 are located in contact with each other with ribs.
Такое расположение волноводов 11 позволяет получить по существу дискообразную форму плазмы и дает возможность сформировать зону на поверхности подложкодержателя с однородными условиями роста пленки в виде круга. This arrangement of the waveguides 11 makes it possible to obtain an essentially disk-shaped plasma and makes it possible to form a zone on the surface of the substrate holder with uniform film growth conditions in the form of a circle.
На фиг. 3 показан результат математического моделирования распределения напряженности электрического поля для частоты возбуждения 2,45 ГГц при фронтальном сечении резонатора плоскостью, проходящей через его ось, в случае аксиально симметричного ввода энергии, т.е. согласно решениям уровня техники. Из фигуры видно, что при аксиально-симметричном вводе энергии максимум напряженности электрического поля (самая светлая область на фигуре) находится в центре резонатора, что приводит к большому радиальному градиенту температуры плазмы и потока энергии на подложку (внизу фигуры). In fig. Figure 3 shows the result of mathematical modeling of the electric field strength distribution for an excitation frequency of 2.45 GHz with a front section of the resonator with a plane passing through its axis, in the case of an axially symmetric energy input, i.e. according to the solutions of the prior art. It can be seen from the figure that with an axisymmetric energy input, the maximum electric field strength (the brightest region in the figure) is located in the center of the resonator, which leads to a large radial gradient of the plasma temperature and energy flux onto the substrate (at the bottom of the figure).
На фиг. 4 показан результат математического моделирования распределения напряженности электрического поля для частоты возбуждения 2,45 ГГц при фронтальном сечении резонатора плоскостью, проходящей через его ось, для варианта расположения волноводов согласно фиг. 2. При таком распределенном вводе энергии максимум напряженности электрического поля (самая светлая область на фигуре) смещен от центра камеры, и проблема перегрева центра уже становиться вполне решаемой. При такой конфигурации ввода энергии, за счет выбора расстояния между волноводами и геометрии резонатора, становится возможным создание плазменной области дискообразной формы и существенное увеличение диаметра области с однородными условиями осаждения алмазной пленки, даже на давлении в несколько сот миллибар. Кроме того, при такой конфигурации поля, появляется возможность менять расстояние между подложкодержателем (внизу фигуры) и плазменной областью без существенного изменения формы области равномерного роста, что дает возможность оптимизировать это расстояние по целому ряду параметров и уменьшить перегрев подложкодержателя при большой плотности мощности в разряде. In fig. Figure 4 shows the result of mathematical modeling of the electric field strength distribution for an excitation frequency of 2.45 GHz with a front section of the resonator with a plane passing through its axis, for the variant of the waveguide arrangement according to Fig. 2. With such a distributed input of energy, the maximum electric field strength (the brightest area in the figure) is shifted from the center of the chamber, and the problem of overheating of the center becomes completely solvable. With this configuration of energy input, by choosing the distance between the waveguides and the geometry of the resonator, it becomes possible to create a disk-shaped plasma region and significantly increase the diameter of the region with uniform conditions for the deposition of a diamond film, even at a pressure of several hundred millibars. In addition, with this field configuration, it becomes possible to change the distance between the substrate holder (at the bottom of the figure) and the plasma region without significantly changing the shape of the uniform growth region, which makes it possible to optimize this distance according to a number of parameters and reduce overheating of the substrate holder at a high power density in the discharge.
Для вышеописанного СВЧ плазменного реактора могут быть использованы различные способы роста алмаза методом плазмохимического осаждения из газовой фазы с СВЧ активацией. For the microwave plasma reactor described above, various methods of diamond growth can be used by plasma chemical vapor deposition with microwave activation.
Процесс роста алмазной пленки, по сути, представляет из себя траекторию в n-мерном пространстве параметров. То есть свойства получаемой пленки будут зависеть не только от таких параметров как состав газовой смеси, скорость потока газовой смеси, плотность вкладываемой в плазму мощности, расстояние между подложкой и плазменной областью, профиль температуры подложки, материал подложки, тепловой баланс и т.д., но и как эти величины будут меняться в течении процесса. Такая траектория обычно называется технологическим рецептом. Каждый рецепт имеет смысл только для установки определенного типа и определенной конфигурации и в результате его выполнения получается пленка с определенными характеристиками. Разработка рецептов осаждения углеродных пленок определенной структуры и заданными характеристиками является достаточно сложной, наукоемкой задачей, которая будет рассматриваться авторами настоящего изобретения в последующих заявках. The process of growth of a diamond film, in fact, is a trajectory in the n-dimensional space of parameters. That is, the properties of the resulting film will depend not only on such parameters as the composition of the gas mixture, the flow rate of the gas mixture, the power density put into the plasma, the distance between the substrate and the plasma region, the substrate temperature profile, the substrate material, thermal balance, etc., but also how these quantities will change during the process. This trajectory is usually called a technological recipe. Each recipe makes sense only for an installation of a certain type and a certain configuration, and as a result of its implementation, a film with certain characteristics is obtained. The development of recipes for the deposition of carbon films of a certain structure and given characteristics is a rather complex, science-intensive task that will be considered by the authors of the present invention in subsequent applications.
Хотя настоящее изобретение раскрыто на примере СВЧ плазменного реактора для осаждения пленки алмаза, специалисту из области техники после прочтения настоящей заявки станет понятно, что указанный реактор также может быть успешно использован для осаждения широкого спектра углеродных структур, путем разработки соответствующих технологических рецептов. Эти варианты осуществления также входят в объем правовой охраны настоящего изобретения.Although the present invention has been described in terms of a microwave plasma reactor for depositing a film of diamond, one skilled in the art will recognize from reading this application that the reactor can also be successfully used to deposit a wide range of carbon structures by developing appropriate process recipes. These embodiments are also within the scope of the present invention.
Claims (6)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2804043C1 true RU2804043C1 (en) | 2023-09-26 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0702393A2 (en) * | 1994-09-16 | 1996-03-20 | Daihen Corporation | Plasma processing apparatus for radiating microwave from rectangular waveguide through long slot to plasma chamber |
| RU2120681C1 (en) * | 1996-04-16 | 1998-10-20 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Electron-cyclone resonance tuned device for microwave vacuum-plasma treatment of condensed media |
| US7662441B2 (en) * | 2003-01-10 | 2010-02-16 | Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs | High-speed diamond growth using a microwave plasma in pulsed mode |
| WO2012084659A3 (en) * | 2010-12-23 | 2012-08-23 | Element Six Limited | A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0702393A2 (en) * | 1994-09-16 | 1996-03-20 | Daihen Corporation | Plasma processing apparatus for radiating microwave from rectangular waveguide through long slot to plasma chamber |
| RU2120681C1 (en) * | 1996-04-16 | 1998-10-20 | Равиль Кяшшафович Яфаров | Electron-cyclone resonance tuned device for microwave vacuum-plasma treatment of condensed media |
| US7662441B2 (en) * | 2003-01-10 | 2010-02-16 | Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs | High-speed diamond growth using a microwave plasma in pulsed mode |
| WO2012084659A3 (en) * | 2010-12-23 | 2012-08-23 | Element Six Limited | A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5501740A (en) | Microwave plasma reactor | |
| RU2666135C2 (en) | Microwave plasma reactor for synthetic diamond material | |
| EP2656372B1 (en) | A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material | |
| US5230740A (en) | Apparatus for controlling plasma size and position in plasma-activated chemical vapor deposition processes comprising rotating dielectric | |
| JP5360069B2 (en) | Plasma processing apparatus and plasma processing method | |
| KR101176061B1 (en) | Top plate and plasma processing apparatus | |
| US7845310B2 (en) | Wide area radio frequency plasma apparatus for processing multiple substrates | |
| EP2791385B1 (en) | Large area optical quality synthetic polycrystalline diamond window | |
| US5556475A (en) | Microwave plasma reactor | |
| JP2020517060A (en) | Symmetrical and irregular plasmas using a modular microwave source | |
| KR102015698B1 (en) | Plasma film-forming apparatus and substrate pedestal | |
| Li et al. | A 915 MHz/75 kW cylindrical cavity type microwave plasma chemical vapor deposition reactor with a ladder-shaped circumferential antenna developed for growing large area diamond films | |
| CN216514120U (en) | Substrate table for preparing diamond film based on MPCVD method | |
| CN108878248B (en) | Plasma processing apparatus | |
| RU2804043C1 (en) | Microwave plasma reactor | |
| KR20230125281A (en) | Systems and methods for a preheat ring in a semiconductor wafer reactor | |
| JP3041844B2 (en) | Film forming or etching equipment | |
| Zhang et al. | Design and simulation of a novel MPCVD reactor with three-cylinder cavity | |
| RU2644216C2 (en) | Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film | |
| US5961776A (en) | Surface processing apparatus | |
| KR20180125896A (en) | Plasma processing apparatus | |
| JP2000306848A (en) | Method and device for surface-treating sample using plasma | |
| RU2637187C1 (en) | Plasma microwave reactor | |
| JP2001261364A (en) | Glass, plasma-resistant member, electromagnetic wave transmission window member, and plasma processing equipment | |
| JP4132313B2 (en) | Microwave plasma processing equipment |