Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СВЧ установки, применяемые для осаждения тонких плёнок на больших площадях 8
1.1 Введение 8
1.2 Классическая установка с рабочей камерой резонаторного типа 9
1.3 Установки со щелевыми антеннами 13
1.4 Использование электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) для ввода СВЧ энергии в плазму в установках для роста тонких плёнок 14
1.5 Дисковые реакторы 16
1.6 Создание плазмы в реакторе при помощи замедляющих систем 18
1.7 Использование поверхностных волн для создания плоского слоя плазмы 19
1.8 Другие принципы ввода СВЧ энергии в камеру для увеличения площади обрабатываемой поверхности 21
Глава II. Осаждение тонких углеродных плёнок 22
2.1 Экспериментальная установка 22
2.2 Система регистрации спектров плазмы 23
2.3 Связь эмиссионных характеристик плазмы со структурой плёнки 28
2.3.1 Условия эксперимента 29
2.3.2 Эксперименты по росту легированных алмазных плёнок 31
2.3.3 Эксперименты по росту углеродных нанотруб 35
2.4 О низкотемпературном осаждении нанографитовых структур 38
2.4.1 Низкотемпературный рост углеродных плёнок 40
2.4.2 Исследование влияния состава газовой смеси на структуру осаждаемых плёнок 44
2.5 Выводы 46
Глава III. Исследование импульсного режима возбуждения плазмы 47
3.1 Введение 47
3.2 Плазмохимия углерод - водородного газового СВЧ разряда 50
3.3 Исследование влияния параметров импульсов на состав плазмы 56
3.4 Влияние параметров импульсов на морфологию плёнок 61
3.5 Влияние импульсного режима на стабильность разряда 63
3.6 Оценка газовой температуры 64
Глава IV. Экспериментальная многомагнетронная установка 70
4.1 Экспериментальная многомагнетронная установка для получения СВЧ плазмы 71
4.2 Метод оценки равномерности распределения плазмы с помощью ОЭС . 81
Глава V. Исследование однородности разряда в многомагнетронном реакторе 84
5.1 Модельные эксперименты в нерезонансном реакторе 84
5.2 Исследование работы многомагнетронной системы 86
5.2. J Первоначальное исследование поведения разряда 86
5.2.2 Диапазон рабочих давлений 89
5.2.3 Исследование спектрального состава плазмы 92
5.2.4 Эффект суперпозиции рабочих циклов магнетронов 95
5.2.5 Влияние подложкодержателя на положение разряда 96
5.2.6 Зависимость однородности разряда от основных макропараметров процесса 97
5.2.7 Исследование однородности разряда 102
5.2.8 Однородность пленок, осаждённых на многомагнетронной установке 106
5.3 Выводы 107
Глава VI. Применение алмазных плёнок в качестве алмазных мембран для усиления электронного потока 110
6.1 Введение
6.2 Подготовка образцов 112
6.3 Эксперименты по вторичной эмиссии и обсуждение результатов 113
6.4 Выводы 120
Выводы 123
Благодарности 126
Литература 127
- Классическая установка с рабочей камерой резонаторного типа
- Связь эмиссионных характеристик плазмы со структурой плёнки
- Плазмохимия углерод - водородного газового СВЧ разряда
- Метод оценки равномерности распределения плазмы с помощью ОЭС
Введение к работе
Получение однородной плазмы на больших площадях (порядка 0.1-1 м ) вблизи поверхности раздела вакуум - диэлектрик или вакуум - металл при давлениях 1 Тор и выше является важной задачей для множества приложений. Эта проблема в настоящее время удовлетворительным образом не решена, несмотря на ее актуальность для целого ряда задач, в частности, для современной микроэлектроники. Такая плазма используется в процессах, связанных с плазменной обработкой поверхностей, таких как плазмохимическое травление различных типов материалов, модификация поверхности, и в ряде других задач. В числе важнейших приложений такого разряда можно назвать осаждение тонких, в частности углеродных, плёнок из газовой фазы в плазмохимическом синтезе (thin films chemical vapor deposition, CVD). Из существующих в настоящее время методов получения плазмы наиболее обещающими с точки зрения обработки больших площадей являются методы горячей нити, мультикатодного тлеющего разряда и СВЧ разряда. Однако первые два из них не отвечают требованиям микроэлектроники из-за загрязнения плазмы материалами испарения электродов и оказываются чрезвычайно негибкими при попытке использовать их для обработки сложных (неплоских) поверхностей.
На сегодняшний день поведение плазмы в СВЧ CVD реакторах хорошо изучено. Известной особенностью этого типа разряда является появление интерференционных неоднородностей на расстояниях порядка половины длины волны СВЧ генератора. В случае наиболее широко используемой частоты v=2.45 ГГц это является препятствием для получения плёнок на
поверхностях, линейные размеры которых сравнимы с длиной волны или больше её. Обычно останавливают выбор на частоте 2.45 ГГц потому, что из числа разрешённых частотных диапазонов этот диапазон наиболее оптимален для целей СВЧ CVD. Излучение этой длины волны (А,=12,2 см в вакууме) позволяет создавать плазму при давлении до сотен Тор на площади, достаточной для большинства лабораторных и промышленных применений, оставляя на невысоком уровне затраты на создание установки.
Важным обстоятельством, которое усложняет осмысленное масштабирование такого типа реакторов, является практически полное отсутствие опубликованных исследований, посвященных характеристике разряда с точки зрения масштабирования установок для получения однородных тонких плёнок.
Целью работы являлось: классификация существующих подходов к масштабированию СВЧ CVD реакторов, исследование свойств разряда в них при увеличении его площади и, основываясь на результатах этих исследований, разработка метода создания масштабируемого плазменного реактора для обработки поверхностей и получения тонких пленок большого размера из газовой фазы в плазме СВЧ разряда. В рамках работы предложено возбуждать разряд с помощью системы синхронизованных магнетронов (излучающих согласованно во времени), работающих в импульсном режиме. Такой подход привлекателен дешевизной технической реализации и гибкостью конструктивных решений, позволяющих создавать плазменные реакторы различной конфигурации в соответствии с дополнительными технологическими требованиями.
В Главе I проведён обзор существующих методов создания СВЧ плазмы для целей газофазного осаждения тонких плёнок. Особое внимание уделено рассмотрению каждой методики с точки зрения её гибкости при масштабировании. В Главе II в установке с реактором резонаторного типа проведены эксперименты по росту тонких углеродных плёнок с целью выяснения режимов роста различных углеродных наноструктур для их
последующего переноса на разрабатываемую многомагнетронную установку. С помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии проведена работа по выяснению зависимости состава радикалов импульсного СВЧ разряда («радикальный» состав плазмы), обычно применяемого при росте тонких плёнок и травлении различных типов материалов, от таких задаваемых макропараметров, как давление газа, длительность СВЧ - импульсов, СВЧ мощность и состав исходной газовой смеси и концентрации отдельных её компонентов. Реактор резонаторного типа был выбран вследствие того, что установки этого класса хорошо изучены и позволяют проводить эксперименты в широком диапазоне макропараметров процесса роста. Был также исследован импульсный режим активации разряда как интересный метод понижения температуры для роста плёнок на легкоплавких подложках. Влияние параметров импульсов на эмиссионные характеристики плазмы, состав осаждаемых плёнок и стабильность разряда изучено в Главе III. Особое внимание уделено плазмохимии разряда как в импульсном, так и в постоянном режиме активации, а также определению одного из важнейших параметров разряда - газовой температуры. Глава IV посвящена описанию экспериментальной многомагнетронной установки, использующей в качестве системы "точечных" СВЧ излучателей, расположенных вблизи рабочей поверхности реактора (вне вакуумированного объема), стандартные 1 кВт магнетроны, обычно использующиеся в бытовых СВЧ печах. Предложенная система имеет ряд важных отличий от обычных установок для плазменной обработки поверхностей с использованием СВЧ плазмы, таких как импульсный режим возбуждения разряда, отсутствие резонанса электромагнитного поля, перекрытие пространственных зон генерации независимых магнетронов, поэтому в Главе V проведён их анализ для определения границ применимости методики. Особенное внимание было уделено однородности разряда по поверхности подложки, которая была охарактеризована при помощи оптической эмиссионной спектроскопии, в том числе с пространственным разрешением, и роста углеродных плёнок с последующим исследованием
равномерности их морфологического и фазового состава. Продемонстрирована возможность создания достаточно однородной плазмы на площади диаметром 250 мм. В Главе VI исследуется одно из возможных применений многомагнетронного реактора для роста алмазных плёнок на большой площади - предложено и реализовано использование алмазной мембраны для умножения электронного потока с сохранением его распределения в плоскости, перпендикулярной направлению движения электронов, в качестве усилителя электронного потока для электрооптических преобразователей.
Классическая установка с рабочей камерой резонаторного типа
Наиболее ярким примером, показывающим невозможность, в некоторых случаях, добиться увеличения площади роста простым масштабированием экспериментальной установки является попытка увеличения площади роста в классической установке с камерой резонаторного типа путём перехода на большую, чем обычные 12 см (v=2.45 ГГц), длину волны.
Стандартная установка данного типа (v=2.45 ГГц), давно описанная в литературе [JJ и уже два десятилетия успешно использующаяся для осаждения новых материалов [2, 3, 4], состоит из волноводного, газового трактов и рабочей камеры. Реактор представляет собой резонатор, сопряжённый с волноводом, через который в него поступает СВЧ энергия, которая фокусируется в области, далёкой от стенок камеры. При правильно подобранных параметрах резонатора и газовой смеси, при горении разряда в цилиндрическом резонаторе форма плазмы почти сферическая, разряд стабилен и расположен вдали от стенок на оси цилиндра. Кроме несомненных достоинств, среди которых выделяется стабильность и контролируемость, такая конструкция имеет ряд недостатков. Основным из них является шарообразность плазмы. Это ведёт к большому градиенту толщины плёнки и изменению её свойств по мере перехода от центра к краям, так как непосредственный контакт плазмы с подложкой происходит лишь на небольшом участке. К тому же, средняя и верхняя области разрядного пространства оказываются практически выключенными из процесса осаждения вследствие того, что диффузионная длина для участвующих в формировании плёнки радикалов оказывается значительно меньше вертикального размера плазмы. Вторым недостатком является то, что при изменении расположения или конфигурации подложки (например, при осаждении на объекты сложной формы) свойства резонатора резко меняются, что делает расчёт и управление такой системой проблематичными.
Отличия этой системы от исторически первых установок с СВЧ резонатором волноводного типа, реактор которых представлял собой встроенную в волновод кварцевую трубку, по оси которой с помощью закорачивающего поршня настраивался максимум электрического поля (см. рисунок Г), позволили расширить площадь горения разряда без усиления негативных эффектов, присущих последним: близость разряда к стенкам камеры приводит к загрязнению плазмы продуктами разрушения стенок и, следовательно, к лимиту вкладываемой мощности и размера плазмы. В конструкциях с камерой резонаторного типа площадь контактирующего с плазмой участка подложки зависит от давления, состава газа, добротности, формы резонатора, вкладываемой в объём мощности и длины волны генератора СВЧ волн. Длина волны магнетрона, генерирующего на стандартной частоте 2.45 ГГц равна в вакууме 122 мм. Приблизительно вдвое меньшим оказывается размер области горения плазмы; такого же порядка оказывается и максимально возможный диаметр получаемой плёнки. Дополнительные технические приёмы позволяют несколько увеличить площадь плазмы, контактирующей с подложкой, но всё равно максимальный диаметр плёнок не превышает длины волны генератора. Увеличение площади горения плазмы и размеров плёнки может быть достигнуто путём перехода на большую длину волны. В работе [5] в установке с частотой генерации у=915МГц были получены плёнки около 20 см в диаметре. К сожалению, достигающееся таким образом увеличение диаметра плёнки сопровождается колоссальным увеличением стоимости и размеров установки. Дело в том, что уменьшение частоты генерации магнетрона со стандартных 2.45 ГГц приводит, в связи с возрастанием длины волны СВЧ колебаний, к соответствующему масштабированию волноведущих компонент установки, резонатора и магнетрона, мощность которого также приходится сильно увеличивать (в приведённом случае до 70 кВт). Таким образом, элементарный подход для увеличения площади роста плёнок с масштабированием «в лоб» установки данного типа не может себя оправдать ни экономически, ни функционально (велик градиент толщины по поверхности плёнки по направлению от центра к краям).
Главной причиной зависимости размеров области горения плазмы от X излучателя является резонанс электрического поля внутри реактора, создаваемый для позиционирования разряда в области над образцом. Хотя эффективность ввода энергии в камеру зависит от согласования элементов волноводного тракта и резонатора, размеры и контролируемость разряда тесно связаны с добротностью системы. Но при возрастании добротности сужается область пространства с высокой напряжённостью электрического поля, что, в свою очередь, приводит к уменьшению области, занимаемой плазмой. То же можно сказать и об установках некоторых других типов. С целью преодоления влияния этого обстоятельства была использована концепция многоточечного ввода энергии в плазму с помощью щелевых антенн.
Связь эмиссионных характеристик плазмы со структурой плёнки
Отношения интенсивностей характерных линий Сг (( Jlg—)-a3U.Uf 516.5 нм), СН(Л2Д- П 431.4 нм) и Н (Н&, Н(п=4)-»Н(п=2), 486.1 нм; Н«, Н(п=3)-»Н(п=2), 656.3 нм) представляют интерес, так как радикалы СуНу участвуют в образовании различных фаз углерода, а атомарный водород - в их травлении (это будет обсуждено подробно в Главе Ш). Таким образом, соотношение между концентрациями радикалов влияет на морфологию полученной пленки. Методика ОЭС плазмы для определения абсолютной или относительной концентрации того или иного ингредиента весьма сложна, так как свойства разряда при экспериментах по осаждению УП таковы, что условия, налагаемые различными методами измерения (оптическая прозрачность плазмы, её равновесность и др.), на практике не выполняются. Однако измерения относительных интенсивностеи линий, важнейших для роста УП радикалов, могут послужить для определения механизма роста плёнок, например, изменение отношения [СгИСН] может отражать изменение соотношения sp /sp в получающихся плёнках [28]. В связи с этим необходимым оказывается проведение экспериментов по выявлению зависимости изменения относительных интенсивностеи вышеперечисленных линий при варьировании важнейших технологических макропараметров с параллельным анализом выращиваемых плёнок при помощи рамановской спектроскопии и СЭМ.
При изучении поведения плазмы и росте плёнок использовались газовые смеси Н2, Н2:СН4, Н2:С2Н5ОН (доля спирта составляла 6,4%- 13,6%) и СН4-С02, в диапазоне давлений 20-80 Тор. В случае с ростом алмазных плёнок с целью облегчения диагностики они легировались. Для легирования алмазных плёнок в процессе роста в газовую смесь добавлялся триметилборат (ТМБ -(СН30)зВ добавлялся для создания дырочной проводимости в алмазных плёнках). Концентрация ТМБ в жидкой смеси С2Н5ОН+ТМБ равнялась 3%. Концентрация метана в метан - водородной смеси достигала 30%.
Чистый водород использовался для травления аморфного графита и органических загрязнений на поверхности образца. Выбор смеси Нз СИ} диктовался в первую очередь тем, что в ней присутствуют только два химических элемента — С и Н; это значительно облегчает диагностику плазмы. Спирт в газовой смеси Н2:С2Н5ОН:(СН30)зВ использовался в качестве растворителя триметилбората для облегчения контроля расхода ТМБ.
Температура подложки в течение каждого процесса была в пределах 600-800 С. Вкладываемая в разряд СВЧ мощность W варьировалась от 500 до 1500 Вт. При этих условиях типичное значение газовой температуры плазмы Тв не превышает 2500 К [29]. Электронная температура Те колеблется в диапазоне 1.3-1.7 эВ, при степени ионизации, равной 10"6 [29, 30] (для р=2 40 Тор при СВЧ мощности не более 1 кВт, пе в работе [3JJ оценивалась в 5-10п-І-1012 см"3). При этом степень диссоциации водорода может достигать 15% [30].
Подготовка образцов зависела от требуемого типа плёнки. В частности, для осаждения АП на поверхность Si(100) центрифугированием наносилась суспензия наноалмаза в фоторезисте; метод позволил получить плотность центров нуклеации 1010-10п см 2. Для роста УНТ на поверхность кремния наносился барьерный диффузионный слой Ті толщиной 100 нм, а поверх него слой катализаторам или Со (10-20 нм).
В экспериментах по низкотемпературному осаждению использовались газовые смеси Нг и СН ССЬ. Смесь углекислый газ - метан применяется для увеличения скорости и снижения температуры роста наноуглеродных плёнок. Например, в работе [32] такая смесь использовалась для понижения температуры роста алмаза, а в работе [33] -углеродных нанотруб. В этих целях возможно использование и других С:0:Н смесей [341» но этот вопрос в литературе проработан слабо. Давление газа составляло около 25 Тор, концентрация метана в смеси СН СОг варьировалась о 45 до 55% (режим роста углеродных нанотруб). Средняя СВЧ мощность, адсорбировавшаяся плазмой, находилась в пределах 50-150 Вт. При этом контролировались величины прямой и отражённой волн. Частота модуляции СЪ варьировалась от 400 до 3000 Гц при скважности
Каждый процесс начинался с отжига образца в атмосфере водорода в течение пяти минут для создания каталитических частиц (кластеров никеля нужного размера) и устранения следов органических веществ с поверхности подложки для улучшения однородности и качества плёнки. После этой процедуры водород замещался рабочей смесью метан - углекислый газ и начинался процесс осаждения плёнки. По завершении осаждения образец отжигался в водороде в течение минуты, с целью уменьшения загрязнения поверхности образца аморфным углеродом, формирующегося на поверхности нанографита.
Морфология полученных плёнок исследовалась при помощи электронного сканирующего микроскопа, имеющего разрешение 10 нм. Для изучения фазового состава плёнок применялась рамановская спектроскопия; при этом исследовалась область 500-2000 см"1.
Для определения влияния величины СВЧ мощности и концентрации спирта на состав плёнки при сохранении остальных условий осаждения (р=80Тор, поток Н2=10л/ч, температура подложки Тподл=800 С) были сняты серии спектров в зависимости от вкладываемой мощности в диапазоне 700 -1200 Вт и от концентрации спирта в газовой смеси варьировавшейся от 7 до 13,6% (режим роста алмазных плёнок). При изменении мощности концентрация спирта поддерживалась на уровне 13%; аналогично, при вариации концентрации мощность устанавливалась равной 900 Вт. Полученные зависимости изображены на рисунке 6 и рисунке 7.
Плазмохимия углерод - водородного газового СВЧ разряда
Осмысленное управление осаждением тонких плёнок невозможно без ясного понимания процессов, происходящих в плазме и на границе плазма -твёрдое тело. Этим вопросам в приложении к CVD углеродных плёнок посвящено большое количество публикаций, вышедших за последние двадцать лет. Работы, посвященные сравнению состава газовой фазы при осаждении из различных углерод - водородных сред в различных разрядах, а также на установках с горячей нитью, показали схожесть композиции газа в условиях роста плёнок одного и того же типа. Например, прямые измерения концентраций радикалов СХНУ, а также атомарного водорода с помощью масс спектрометрии молекулярного пучка при осаждении алмаза продемонстрировали отсутствие зависимости состава плазмы от исходной газовой смеси, особенно при малой молярной доле углерода (Хс 0.01, ХС=С/Н) [87]. В этой ситуации при значительном энерговкладе скорость плазмохимических процессов достаточна для установления термодинамического равновесия и исчезновения зависимости радикального состава плазмы от исходной углеводородной газовой смеси, при условии X const. При температуре газа 3000 К (соответствует для наших условий удельной СВЧ мощности более 15 Вт/см [49]) и выше начинается активная термодиссоциация водорода (которая может стать доминирующим механизмом создания атомарного водорода), что дополнительно увеличивает скорость протекания плазмохимических процессов. Например, в методе горячей нити, каталитическая диссоциация на нагретой до температуры 2200-2600 С нити настолько активна, что для малых Хс, когда невелика карбидизация нити, приводящая к падению производства атомарного водорода, радикальный состав газа может быть схожим с составом плазмы в СВЧ разряде [87].
Основными составляющими углерод - водородной СВЧ плазмы при /»=20 Тор в диапазоне Хс 0.1 помимо Н2 являются радикалы СН3, СИ», С2Н2 и С2Н4. Особенно важными при росте алмазных плёнок являются атомарный водород и СНз [82]; в условиях роста графитных плёнок увеличивается значение радикалов С2НХ. В работе [87] показано, что если при малых значениях Хс (Хс 0.01) главным С-содержащим компонентом разряда является метан, то при увеличении Хс в составе газа начинает доминировать ацетилен, производимый, например, по каналу:
Концентрация атомарного водорода при этом практически постоянна, но при Хс 0.02 она начинает спадать. В то же время концентрация углеводородных компонент, напротив, стабильно возрастает, причём для С2НХ особенно резко. Эти факторы, по-видимому, являются основной причиной резкого прекращения роста sp3 фазы в смесях с Хс 0.02.
Молекула метана при взаимодействии с электроном может диссоциировать с образованием СН3 (+Н), СН2 (+Н2), СН (+Н+Н2) и С (+2Н2) и основной канал зависит от энергии электрона. Например, для энергии электрона 100 эВ реакции будут идти с относительными вероятностями 0.8, 0.133, 0.067 и 0.00006 соответственно. В наших (Те 2.0эВ [86]) условиях СН3 можно считать единственным продуктом взаимодействия СНд с электроном: СН4+е СН3+Н+е (R9) Она же является важным поставщиком атомарного водорода на ранних стадиях развития разряда, особенно при высоких значениях Хс. При увеличении концентрации Н основным каналом образования СН3 становится реакция (R4), обладающая высоким коэффициентом скорости [86].
В условиях осаждения алмазных плёнок, когда концентрация С2НХ радикалов невелика, основными компонентами роста плёнки являются радикал СН3 и ион СНз+. Согласно [85] имеют место следующие главнейшие плазмохимические реакции, реакции обратимы (необратимые реакции, идущие с участием поверхности обозначены "s", surface): СН4+е СН»++е (R10) СН4+СН4+-»СН5++СНз (R11) CH5++s-»CH4+H (R12) СН4+е-»СН3++Н+2е (R13) СН4+СН4+-»СН3-»-Н2 (R14) СН4+СН3 ""7С2Н5 гН2 (R15) СН5++С2Н6 С2Н5++Н2+СН4 (R16) СН3+С2Н5 "7 С3НХ (R17) С2Н5+Н СНз+СНз (R18) СН3+СН3- С2Нб (R19) С3Нх+е С2Н5+СНу+е (R20) C2H5++s C2H5 (R21) СгНб+е- СгНз+Н+е (R22) СгНб+е- СгИіЧНз+е (R23) C2H4++S-»C2H4 (R24) , а также реакции (R4) и [(R9). Большинство основных реакций с коэффициентами скорости приведены, например, в работе [86]; также отмечается, что радикалы СзНх в разряде практически не образуются. Стоит отметить, что при росте давления увеличивается доля реакций с участием третьего тела. При давлениях выше 10 Тор такие реакции доминируют.
Рост концентрации Н приводит к возрастанию скоростей плазмохимических превращений, т.к. атомарный водород участвует в большинстве ион - нейтральных и нейтрал - нейтральных реакций [86]. Дополнительное увеличение его концентрации возможно: а) При увеличении СВЧ мощности, которое хотя приводит в основном к возрастанию объёма разряда, но также увеличивает и плотность электронов; б) Путём добавления в газовую смесь инертного газа (например, Аг). Добавление Аг в метансодержащую плазму приводит к увеличению электронной температуры [88] из-за падения неупругих потерь и возрастания набора энергии электронами, что дополнительно усиливает диссоциацию водорода. Ион - нейтральные реакции, согласно данным [86], обладают высокими константами скорости, поэтому, несмотря на низкую степень ионизации плазмы (105-10б), могут играть важную роль в плазмохимии разряда.
Как уже говорилось, важнейшим параметром процесса осаждения является объёмная плотность энергии и , определяемая как отношение вкладываемой мощности к объёму плазмы. Например, при больших w при фиксированном теплоотводе термодиссоциация водорода становится важнейшим каналом производства атомарного водорода. Этот химический процесс является одним из главных в рассматриваемой плазме, чья скорость напрямую зависит от объёмной плотности энергии. Однако большое усреднённое по времени значение этого параметра, приводящее к значительным средним газовым температурам (2000-3500 К) провоцирует быстрый нагрев стенок реактора и подложки, а это почти всегда недопустимо. Рост Тподл усиливает интенсивность рекомбинации радикалов роста на его поверхности и ограничивает тем самым их содержание в плазме. Действительно, влияние подложкодержателя на состав газа в самом важном для роста - приповерхностном - слое плазмы нельзя недооценить. С увеличением температуры подложки вследствие уменьшения порога активации интенсифицируются поверхностные процессы. При увеличении температуры до 700-800 С и выше, в приповерхностном слое плазмы происходит резкое уменьшение концентрации углеродсодержащих радикалов с сохранением концентрации Н [87]. Такое поведение концентрации Н связано, по-видимому, с высокой мобильностью лёгких атомов водорода, диффундирующих в приповерхностную область из объёма плазмы и постоянно возобновляющих там запасы атомарного водорода. Одним из преимуществ импульсного режима возбуждения разряда является возможность использования существенно больших напряжённостей электрического поля, то есть больших мощностей, что приводит к достижению высоких Те и увеличению диссоциации электронным ударом.
Метод оценки равномерности распределения плазмы с помощью ОЭС
Так как среднее время съёмки участка спектра составляет порядка двадцати секунд, а время перестраивания длины волны монохроматора с 350 до 700 нм - порядка минуты и более, то становится очевидным, что с помощью описанной выше спектроскопической системы сложно контролировать распределение компонентов плазмы по поверхности с разрешением порядка нескольких миллиметров (а это - характерный линейный размер типичной особенности разряда, обусловленной интерференцией СВЧ волн). Кроме того, для решения этой задачи было бы необходимо создание высокоточной механической системы для позиционирования волновода по отношению к изображению разряда в фокальной плоскости.
В рамках работ по преодолению трудностей аттестации равномерности разряда на большой площади был разработан простой, но, как будет показано, достаточно эффективный метод регистрации излучения плазмы в параллельном режиме. Разработанный подход позволяет получить двумерное изображение интенсивности излучения на какой-либо длине волны, по которому можно судить об однородности распределения радикала, излучающего на соответствующей частоте. Так как по отношению интенсивностей линий, например, радикалов Сг и СН можно говорить о соотношении концентраций этих радикалов, то, имея изображения разряда на одной и другой длине волны, с помощью поточечного их деления можно оценить однородность относительного распределения этих радикалов по поверхности подложки. Более того, даже при невозможности получить двумерные изображения на необходимых длинах волн, можно оценить общую однородность разряда с точки зрения отношения концентраций радикалов, анализируя результат поточечного деления изображений, полученных на различных длинах волн.
Для этого использовался цифровой фотоаппарат Canon D60, оснащённый широкоугольным объективом, который закрывался поочерёдно одним из трёх интерференционных фильтров. Во время измерений фотокамера была надёжно закреплена во избежание сдвига изображения на одной длине волны по отношению к изображению на другой длине волны. В наших экспериментах мы использовали фильтры 658, 515 и 431 нм, производимые фирмой Andover Corporation, для наблюдения участков спектра, в которых находятся представляющие особенный интерес при росте углеродных плёнок линии водорода На (и=3—»и=2, 656.3 нм), Сг ( П — д3П„, 516.5 нм) and СН (А2А-+Х Пп 431.4 нм). Полоса пропускания для всех фильтров была одинаковой и составляла 10 нм. После полученные фотографии обрабатывались с помощью специально написанной компьютерной программы, которая проводила нормализацию каждого изображения, их поточечное деление (каждая (х,у) точка одной картины делится на (х,у) точку другого) с последующей нормализацией полученного кадра относительных интенсивностей.
При оценке однородности разряда по абсолютным значениям интенсивностей линий, что соотносится с абсолютной концентрацией радикалов, использовались обыкновенная фотография плазмы, так как эксперименты показали отсутствие значимого различия между распределениями интенсивностей на фотографиях, сделанных с использованием интерференционных фильтров и без них (картина интегральной интенсивности).
Вопрос о степени оптической прозрачности плазмы в области исследуемых линий, и распределении этого параметра по поверхности в работе не исследовался. Принималось предположение о том, что оптическая плотность любого исследуемого участка плазмы не зависит от длины волны. В нашем случае, когда во внимание принимается отношение интенсивностей, это -достаточное условие применимости метода.
Изучение однородности разряда и определение пригодности разряда для получения однородных по составу и морфологии плёнок проводились поэтапно от реактора с одним работающим магнетроном до четырёхмагнетронной системы с импульсным возбуждением плазмы. Содержание Главы отражено в работах [93, 94, 95].
Для выяснения возможности одновременной работы двух магнетронов на одну нагрузку исследовался малый нерезонаторныи объём, находящийся в непосредственной близости от некоторого источника СВЧ (от волновода или от магнетрона) под давлением менее 50 Тор. В наших экспериментах использовалась металлическая ёмкость с линейными размерами 10x10x10 см . Куб устанавливался вплотную к торцу волновода, соединённого с 2.45 ГГц магнетроном и откачивался до давления порядка 10 Тор (в экспериментах использовался водород), При генерации магнетроном 600 Вт, наблюдалось стабильное свечение разряда, достаточно равномерно заполнявшего всю площадь прилежащей к волноводу стенки камеры и 60-70% объёма ячейки. Оценка равномерности разряда проводилась визуально, так как целью экспериментов было выяснение принципиальной возможности полного заполнения плазмой площади торца камеры.
Для выяснения возможности одновременной работы двух магнетронов с заполнением плазмой всего объёма ячейки, с противоположного первому волноводу торца камеры был установлен второй волновод, соединённый со вторым 2.45 ГГц магнетроном. В такой схеме при одновременной работе магнетронов при суммарной мощности 1.2 кВт был получен разряд в водороде, находящемся при давлении 10 Тор во всём объёме куба.
По результатам наблюдений разряда в элементарной ячейке были сделаны два прогнозируемых заранее, но, тем не менее, важных для дальнейшего вывода. Во-первых, в разрядной камере, не имеющей в силу своей формы ярко выраженного максимума электрического поля, как это и было сделано в нашем случае, разряд стремится занять положение, с одной стороны наиболее близкое к источнику СВЧ, с другой же - по возможности равномерно распределяется по всей поверхности, взаимодействующей с фронтом волны. Это связано с сильным поглощением СВЧ энергии в плазме, имеющей высокие газовую температуру и концентрацию электронов. Из-за этого первоначально активировавшийся на периферии вследствие благоприятных локальных условий разряд начинает распространяться навстречу волне, заполняя близлежащие к источнику волн области; в то же время противоположные зоны разряда перестают получать достаточное для поддержания плазмы количество энергии. Во-вторых, выясняется, что при наличии сильного поглотителя СВЧ, каковым является плазма, связь между использованными в экспериментах магнетронами оказывается очень слабой; фактически, излучение каждого из магнетронов создаёт разряд в отдельной области, которые сливаются между собой без образования дополнительных структур в разряде. Важным следствием последнего является вывод о том, что известное в теории колебаний явление затягивания частоты (фазовая и частотная синхронизация генераторов) в описанной системе не проявляется, и магнетроны остаются независимыми в смысле синхронизации генераторами. Однако было установлено, что при наличии прямой связи между ними может происходить снижение КПД, вплоть до сбоев в генерации.
