[go: up one dir, main page]

RU2644216C2 - Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film - Google Patents

Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film Download PDF

Info

Publication number
RU2644216C2
RU2644216C2 RU2016129065A RU2016129065A RU2644216C2 RU 2644216 C2 RU2644216 C2 RU 2644216C2 RU 2016129065 A RU2016129065 A RU 2016129065A RU 2016129065 A RU2016129065 A RU 2016129065A RU 2644216 C2 RU2644216 C2 RU 2644216C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microwave
substrate
cassette
substrates
plasma
Prior art date
Application number
RU2016129065A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Евсеевич Ашкинази
Виктор Григорьевич Ральченко
Андрей Петрович Большаков
Вадим Станиславович Седов
Виталий Иванович Конов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН)
Priority to RU2016129065A priority Critical patent/RU2644216C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2644216C2 publication Critical patent/RU2644216C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26Deposition of carbon only
    • C23C16/27Diamond only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/458Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber
    • C23C16/4581Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for supporting substrates in the reaction chamber characterised by material of construction or surface finish of the means for supporting the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/54Apparatus specially adapted for continuous coating

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to a microwave plasma reactor with volume-cavity energy transfer to an area above substrate limited by the shape of a plasma formation in the form of half-ellipse, which creates indirect heating when the coating is deposited on a low-aspect substrate or simultaneously on a group of substrates. Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film contains a hermetically sealed axisymmetric chamber, the central part of which is a microwave resonator and is a radial wave guide with microwave field, and a cooled substrate holder installed therein, and is noted for the fact that the plasma-forming cassette with an external diameter proportional to the microwave field length is installed axially in the microwave resonator, this cassette has at least one inner opening, where the base of said cassette facing the substrate holder, and the axes of holes are oriented perpendicular to it, while the height H of the cassette is 1.75h ≤ H > 0.75h, where h is the height of the substrate for placement in the inner hole of the cassette.
EFFECT: it is possible to create a microwave plasma reactor with a high temperature field homogeneity on the surface of the substrates to obtain a homogeneous nanocrystalline diamond film.
1 cl, 3 dwg, 1 ex, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к СВЧ-реакторам для плазмохимического синтеза материалов из газовой фазы, использующим объемно-резонаторный метод передачи СВЧ-энергии в область над подложкой с ограничением формы плазменного образования полусферой. Одной из технологических задач является осаждение углеродсодержащей пленки на низкоаспектной подложке или на группе таких подложек с высокой степенью адгезии и однородности кристаллической структуры. При формировании алмазной пленки в радиальном волноводе неоднородность распределения поля и, соответственно, локальный энерговклад в плазму возрастает с уменьшением аспектного числа подложки, количества подложек, латеральной несимметрии подводимой мощности СВЧ-энергии. Для равномерного роста пленки по всей поверхности низкоаспектной подложки необходимо устранить неоднородность температуры, возникающую из-за краевого эффекта СВЧ электрического поля как на отдельной подложке, так и на группе, в случае одновременного группового роста.The present invention relates to microwave reactors for plasma-chemical synthesis of materials from the gas phase, using the cavity-resonator method of transferring microwave energy to the region above the substrate with the limitation of the shape of the plasma formation in the hemisphere. One of the technological problems is the deposition of a carbon-containing film on a low-aspect substrate or on a group of such substrates with a high degree of adhesion and uniformity of the crystal structure. When a diamond film is formed in a radial waveguide, the nonuniformity of the field distribution and, accordingly, the local energy input into the plasma increases with a decrease in the aspect number of the substrate, the number of substrates, and the lateral asymmetry of the input microwave power. For uniform film growth over the entire surface of a low-aspect substrate, it is necessary to eliminate the temperature inhomogeneity arising due to the edge effect of the microwave electric field both on a separate substrate and on a group in the case of simultaneous group growth.

Известен держатель подложки с контролем и управлением температуры (заявка РСТ WO 9737375), в котором держатель подложки содержит множество термоэлектрических модулей, находящихся в тепловом контакте с поверхностью держателя подложки. Недостатком известного способа является то, что он усложняется технологически и несет дополнительные энергетические и материальные затраты вследствие необходимости внешнего управления для поддержания критической однородной по поверхности температуры низкоаспектной подложки или группы таких подложек, постоянное внешнее управление, не только усложняет систему и снижает ее надежность, но становится неэффективным. Кроме того, термоэлектрические модули могут влиять на СВЧ-поле разряда, создавая помехи.Known substrate holder with temperature control and control (PCT application WO 9737375), in which the substrate holder contains many thermoelectric modules that are in thermal contact with the surface of the substrate holder. A disadvantage of the known method is that it is technologically complicated and incurs additional energy and material costs due to the need for external control to maintain a critical surface temperature of a low aspect ratio substrate or a group of such substrates; constant external control not only complicates the system and reduces its reliability, but becomes ineffective. In addition, thermoelectric modules can affect the microwave field of the discharge, creating interference.

Известен держатель подложки (Заявка ЕР 0867538 (А1)), в котором для равномерного распределения тепла держатель подложки, расположенный между источником нагрева и полупроводниковой подложкой, выполнен из материала с проводимостью выше, чем у графита. Недостатком известного способа является то, что он усложняется технологически и несет дополнительные энергетические и материальные затраты вследствие необходимости эффективного отвода излишка тепла для поддержания оптимальной температуры из зон локального перегрева, связанного с краевым эффектом, вызванным возмущением СВЧ-поля при внесении в него низкоаспектной подложки или группы таких подложек.A substrate holder is known (Application EP 0867538 (A1)), in which, for uniform heat distribution, the substrate holder located between the heating source and the semiconductor substrate is made of a material with a conductivity higher than that of graphite. A disadvantage of the known method is that it is technologically complicated and incurs additional energy and material costs due to the need to efficiently remove excess heat to maintain optimal temperature from local overheating zones due to the edge effect caused by the perturbation of the microwave field when a low-aspect substrate or group is introduced into it such substrates.

Известен СВЧ плазменный реактор, содержащий герметичную осесимметричную камеру с каналами для газа и установленные в ней радиальный волновод, центральная часть которого является СВЧ-резонатором, и держатель подложки (патент RU 2403318 С2), который благодаря системе теплообмена управляет как съемом лишнего тепла с держателя подложки, так и ее дополнительным подогревом, что позволяет дополнительно выравнивать температурное поле при росте на высокоаспектных подложках. Недостатком известного способа является то, что он усложняется технологически и несет дополнительные энергетические и материальные затраты в случае роста алмазного покрытия на подложках меньших размеров, например с низкоаспектной формой геометрии, равномерность температурного поля нарушается, на периферии подложки в результате краевого эффекта образуются зоны перегрева. В этом случае отвод излишек тепла за счет теплопроводности подложки в охлаждаемый держатель становится неэффективным, а локальный перегрев ростовой поверхности приводит к нарушению кристаллической структуры, однородности зернового состава и качества алмазной пленки, а также алмазного покрытия.A microwave plasma reactor is known that contains a sealed axisymmetric chamber with gas channels and a radial waveguide installed in it, the central part of which is a microwave resonator, and a substrate holder (patent RU 2403318 C2), which, thanks to the heat exchange system, controls how to remove excess heat from the substrate holder , and its additional heating, which makes it possible to further equalize the temperature field during growth on high-aspect substrates. A disadvantage of the known method is that it is technologically complicated and incurs additional energy and material costs in the case of the growth of a diamond coating on smaller substrates, for example with a low aspect shape, the uniformity of the temperature field is violated, overheating zones form on the periphery of the substrate as a result of the edge effect. In this case, the removal of excess heat due to the thermal conductivity of the substrate in the cooled holder becomes ineffective, and local overheating of the growth surface leads to a violation of the crystal structure, the uniformity of the grain composition and the quality of the diamond film, as well as the diamond coating.

Новым достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения является создание СВЧ плазменного реактора с высокой однородностью температурного поля на поверхности подложек с низкой аспектной геометрией формы для получения однородной нанокристаллической алмазной пленки.A new achievable technical result of the claimed invention is the creation of a microwave plasma reactor with high temperature field uniformity on the surface of substrates with low aspect geometry of the form to obtain a homogeneous nanocrystalline diamond film.

Новый технический результат достигается тем, что СВЧ плазменный реактор для получения однородной нанокристаллической алмазной пленки, содержащий герметичную осесимметричную камеру, центральная часть которой является СВЧ-резонатором и представляет собой радиальный волновод с СВЧ полем, и установленный в ней охлаждаемый держатель подложки, отличается тем, что в СВЧ-резонаторе аксиально реактору установлена плазмообразующая кассета с наружным диаметром, пропорциональным длине волны СВЧ-поля, имеющая по меньшей мере одно внутреннее отверстие, причем основание упомянутой кассеты обращено к держателю подложки, а оси отверстий ориентированы перпендикулярно к ней, при этом высота Н кассеты составляет 1,75h ≤ Н > 0,75h, где h - высота подложки для размещения во внутреннем отверстии кассеты.A new technical result is achieved in that a microwave plasma reactor for producing a homogeneous nanocrystalline diamond film containing a sealed axisymmetric chamber, the central part of which is a microwave resonator and is a radial waveguide with a microwave field, and a cooled substrate holder installed in it, characterized in that A plasma-forming cartridge with an external diameter proportional to the wavelength of the microwave field having at least one internal ERSTU, wherein said tape base facing the substrate holder, and the axes of the holes are oriented perpendicular thereto, wherein the height H of the cassette is 1,75h ≤ H> 0,75h, where h - height of the substrate for placing in the inner hole of the cassette.

Новым результатом предлагаемого технического решения является создание СВЧ плазменного реактора с системой поддержания равномерной температуры для осаждения однородных нанокристаллических покрытий на группе подложек с низкоаспектной геометрией формы.A new result of the proposed technical solution is the creation of a microwave plasma reactor with a uniform temperature maintenance system for the deposition of homogeneous nanocrystalline coatings on a group of substrates with a low aspect shape geometry.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение поперечного сечения СВЧ плазменного реактора для группового роста покрытий на низкоаспектных подложках. Плазмообразующая кассета 1 размещена аксиально осесимметричной камере реактора с резонатором 2, образующим на участке генерации стоячей волны контур плазмы 3, подложка 4 установлена в отверстии кассеты 1 и нижним основанием лежит на охлаждаемом подложкодержателе 5. Подложкодержатель 5 выполнен из молибдена и охлаждается путем теплопередачи в нижележащий теплообменник, с которым плотно соприкасается. Откачка воздуха в реакторе обеспечивается вакуумной системой 6. Мощность плазмы поддерживается микроволновой энергией 7. Кассета 1 состоит из корпуса с отверстиями и имеет размеры: высоту Н, диаметр D и число отверстий n по числу подложек. Высота кассеты Н и высота подложки h, установленной в отверстие кассеты, связаны зависимостью, определяющей взаиморасположение плазмообразующей поверхности кассеты и поверхности осаждения покрытия на подложках в виде 1,75h ≤ Н > 0,75h. Диаметр плазмообразующей кассеты принимается кратным длине волны λ, D=n⋅λ, где n - коэффициент кратности для данной частоты СВЧ-поля.In FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a microwave plasma reactor for group growth of coatings on low aspect substrates. The plasma-forming cartridge 1 is placed in an axially axisymmetric reactor chamber with a resonator 2, forming a plasma circuit 3 in the standing wave generation section, the substrate 4 is mounted in the hole of the cartridge 1 and the lower base lies on the cooled substrate holder 5. The substrate holder 5 is made of molybdenum and is cooled by heat transfer to the underlying heat exchanger which is in close contact with. The air is pumped out in the reactor by a vacuum system 6. The plasma power is supported by microwave energy 7. Cassette 1 consists of a housing with holes and has dimensions: height H, diameter D and the number of holes n according to the number of substrates. The height of the cassette H and the height of the substrate h installed in the hole of the cassette are related by a relationship determining the relative position of the plasma forming surface of the cassette and the deposition surface of the coating on the substrates in the form 1.75h ≤ H> 0.75h. The diameter of the plasma-forming cassette is taken as a multiple of the wavelength λ, D = n⋅λ, where n is the multiplicity coefficient for a given frequency of the microwave field.

При включении системы в реактор подают газ и микроволновую энергию. В центральной части реактора 2 СВЧ-волна распространяется по подложкодержателю 5 и плазмообразующей поверхности кассеты 1, образуя плазму 3, являющуюся источником нагрева для синтеза материала на ростовой поверхности подложек 4, расположенных в отверстиях кассеты. Сферический контур плазмы образуется СВЧ-полем, обтекающим периметр кассеты на высоте λ. Форму поперечного сечения контура диаметром D=n⋅λ можно описать каноническим уравнением эллипса с большой (а=2) и малой (в=1) полуосями, характеризируемым коэффициентом сжатия и фокальным периметром, равным

Figure 00000001
, т.е.When the system is turned on, gas and microwave energy are supplied to the reactor. In the central part of the reactor 2, the microwave wave propagates along the substrate holder 5 and the plasma forming surface of the cartridge 1, forming a plasma 3, which is a heating source for the synthesis of material on the growth surface of the substrates 4 located in the holes of the cartridge. The spherical plasma contour is formed by a microwave field that flows around the perimeter of the cartridge at a height λ. The cross-sectional shape of a contour with a diameter of D = n⋅λ can be described by the canonical equation of an ellipse with large (a = 2) and small (b = 1) semi-axes, characterized by a compression ratio and focal perimeter equal to
Figure 00000001
, i.e.

х2/222/12=1.x 2/2 2 + y 2/1 2 = 1.

В этом случае поверхности роста всех подложек, лежащих в плоскости большой полуоси эллипса, равноудалены от контура плазмы, которая служит для них источником косвенного нагрева. Косвенный нагрев исключает локальный перегрев от краевого эффекта, что дает возможность одновременно осаждать покрытия как на одинарные подложки, так и на группы подложек, с равными или различными аспектными числами. Массивный подложкодержатель 5, выполненный из молибдена, выравнивает температуру по поверхности кассеты, направленной в сторону подложкодержателя, и по основанию подложек 4, установленных в отверстия кассеты, за счет теплопроводности материала кассеты и подложки. Таким образом, температура на ростовой поверхности подложки стабилизируется до оптимальной величины, необходимой для роста пленки нужного латерального размера. Температура в плоскости роста пленки на подложке 4 становится однородной. Косвенный нагрев позволяет корректировать температуру нагрева ростовой поверхности подложки при сохранении однородности температурного поля внутри критического диапазона высот и получать однородные пленки с заданными структурными характеристиками поликристаллических зерен. Размером поликристаллических зерен без ущерба качеству можно управлять в пределах критического диапазона 1,75h ≤ Н > 0,75h, определяемого соотношением высоты кассеты и подложки, за счет управления величиной температуры ростовой поверхности подложки. Выход за пределы этого диапазона в меньшую сторону приводит к перегреву поверхности роста за счет проникновения в область прямого нагрева СВЧ-плазмы, выход в большую сторону приводит к падению температуры ниже критической, при которой в покрытии возможно образование трещин.In this case, the growth surfaces of all substrates lying in the plane of the semimajor axis of the ellipse are equidistant from the plasma contour, which serves as a source of indirect heating for them. Indirect heating eliminates local overheating from the edge effect, which makes it possible to simultaneously deposit coatings both on single substrates and on groups of substrates with equal or different aspect numbers. A massive substrate holder 5 made of molybdenum equalizes the temperature on the surface of the cartridge directed toward the substrate holder and on the base of the substrates 4 installed in the holes of the cartridge due to the thermal conductivity of the material of the cartridge and the substrate. Thus, the temperature on the growth surface of the substrate is stabilized to the optimum value necessary for the growth of the film of the desired lateral size. The temperature in the film growth plane on the substrate 4 becomes uniform. Indirect heating allows you to adjust the heating temperature of the growth surface of the substrate while maintaining the uniformity of the temperature field within the critical range of heights and to obtain uniform films with specified structural characteristics of polycrystalline grains. The size of polycrystalline grains without sacrificing quality can be controlled within the critical range of 1.75h ≤ H> 0.75h, determined by the ratio of the height of the cassette and the substrate, by controlling the temperature of the growth surface of the substrate. Going out of this range to a smaller side leads to overheating of the growth surface due to penetration into the region of direct heating of microwave plasma; going up leads to a temperature drop below critical, at which cracking is possible in the coating.

Предлагаемое техническое решение позволяет получать в СВЧ плазменном реакторе с косвенным нагревом качественные однородные пленки на низкоаспектных подложках различной формы и реализовать метод группового роста в кассете, соизмеримой по диаметру с длиной СВЧ-волны.The proposed technical solution makes it possible to obtain high-quality homogeneous films on low-aspect substrates of various shapes in a microwave plasma reactor with indirect heating and to realize the group growth method in a cassette comparable in diameter with the microwave wavelength.

Пример реализации технического решения.An example of the implementation of a technical solution.

Был произведен сравнительный эксперимент по росту на низкоаспектных подложках в СВЧ плазменном реакторе с использованием плазмообразующей кассеты и без нее. Использовали плазмохимический реактор ARDIS-100 (ООО "Оптосистемы", 5 кВт, 2,45 ГГц). Вводили плазмообразующую кассету с наружным диаметром 60 мм, кратным длине волны на частоте 2,45 ГГц, высотой 3,5 мм с 4-я внутренними отверстиями диаметром 10,5 мм. В отверстия кассеты устанавливали 4 подложки из твердого сплава ВК 6 диаметром 10 мм высотой 4,5 мм. Синтез алмазных пленок проводили при следующих условиях: СВЧ-мощность 2,5-2,9 кВт, давление в камере 9,3-10,6 кПа, газовая смесь Н2/СН4 = 96/4 (%), расход газа 1,0 дм3/мин, длительность процесса осаждения - 5 часов. Контроль температуры ростовой поверхности подложки осуществляли двулучевым пирометром Mikron М770. Зависимость температуры ростовой поверхности подложки от типа нагрева в СВЧ плазменном реакторе показана на фиг. 2.A comparative experiment was performed on growth on low-aspect substrates in a microwave plasma reactor using and without a plasma-forming cassette. The plasma chemical reactor ARDIS-100 (Optosystems LLC, 5 kW, 2.45 GHz) was used. A plasma-forming cassette was introduced with an outer diameter of 60 mm, a multiple of the wavelength at a frequency of 2.45 GHz, a height of 3.5 mm with 4 inner holes with a diameter of 10.5 mm. Four substrates of VK 6 carbide with a diameter of 10 mm and a height of 4.5 mm were installed in the holes of the cartridge. The synthesis of diamond films was carried out under the following conditions: microwave power 2.5-2.9 kW, pressure in the chamber 9.3-10.6 kPa, gas mixture H 2 / CH 4 = 96/4 (%), gas consumption 1 , 0 dm 3 / min, the duration of the deposition process is 5 hours. The temperature of the growth surface of the substrate was controlled by a Mikron M770 double-beam pyrometer. The dependence of the temperature of the growth surface of the substrate on the type of heating in a microwave plasma reactor is shown in FIG. 2.

Как видно из Таблицы 1, предлагаемое техническое решение обеспечило отклонение температуры в плоскости осаждения алмазной пленки на 7,5°С при средней температуре нагрева Т=725°С. Это способствовало получению однородного алмазного покрытия на образцах с аспектным числом 2,2. Размер зерна образованной нанокристаллической алмазной пленки составил 100±20 нм. Таким образом, установлено, что косвенный нагрев подложек, расположенных внутри полусферического контура плазмы диаметром, кратным длине волны λ/4, при микроволновой частоте 2,45 ГГц (61 мм) устраняет краевой эффект на кромках низкоаспектных подложек и обеспечивает равномерную температуру покрытий в латеральной плоскости роста. На фотографиях (фиг. 3, а, б, в, г) показан типичный нагрев группы низкоаспектных подложек в кассете и без нее. Вид через верхнее (а, в) и боковое (б, г) окно СВЧ плазменного реактора. Цифрами обозначены точки контроля температуры ростовой поверхности. При использовании нового технического решения (фиг. 3, а, б) образуется единый контур плазмы с основанием на плазмообразующей поверхности кассеты, контур плазмы имеет вид полуэллипса с большой (а=2) и малой (в=1) полуосями, коэффициентом сжатия эллипса и фокальным периметром, равным

Figure 00000002
. Сформированная плазма распространяется на всю группу подложек и не зависит от размера подложек и зазора между ними. Латеральная неравномерность нагрева как отдельной низкоаспектной подложки, так и всей группы подложек отсутствует. При использовании технического решения прототипа (фиг. 3, в, г) основание контура плазмы замыкается вблизи ростовой поверхности подложки, при этом плазма формируется индивидуально на каждой из группы подложек, затем сливается в единое облако, имеет не симметричную форму и зависит от размера подложек и зазора между ними. Стрелкой на фиг. 3, в выделена зона неравномерного нагрева отдельной подложки, что характерно и для всей группы подложек. Зона перегрева связана с неоднородностью СВЧ-поля при внесении в него низкоаспектных подложек. Экспериментально установлено, что при горении плазмы на подложках с малым аспектным числом эффект выравнивания температуры с помощью подложкодержателя, описанного в данном прототипе, неэффективен из-за высокого градиента температуры в зоне прямого нагрева плазменным разрядом, локально горящим на кромках подложек. Как следует из Таблицы 1, рост в СВЧ плазменном реакторе без использования нового технического решения вызывает локальный рост температуры в плоскости осаждения подложки до 200°С, с дальнейшим частичным отслоением покрытия по завершении процесса и чрезмерного роста зерна в зонах перегрева от 05, до 3 мкм.As can be seen from Table 1, the proposed technical solution ensured a temperature deviation in the deposition plane of the diamond film by 7.5 ° C at an average heating temperature of T = 725 ° C. This facilitated the production of a uniform diamond coating on samples with an aspect number of 2.2. The grain size of the formed nanocrystalline diamond film was 100 ± 20 nm. Thus, it was found that indirect heating of substrates located inside a hemispherical plasma contour with a diameter multiple of λ / 4 at a microwave frequency of 2.45 GHz (61 mm) eliminates the edge effect at the edges of low-aspect substrates and ensures uniform coating temperature in the lateral plane growth. The photographs (Fig. 3, a, b, c, d) show a typical heating of a group of low-aspect substrates in and without a cassette. View through the upper (a, c) and side (b, d) window of the microwave plasma reactor. The numbers indicate the temperature control points of the growth surface. When using the new technical solution (Fig. 3, a, b), a single plasma contour is formed with the base on the plasma forming surface of the cartridge, the plasma contour has the form of a semi-ellipse with large (a = 2) and small (c = 1) half-axes, compression ratio of the ellipse and focal perimeter equal to
Figure 00000002
. Formed plasma spreads over the entire group of substrates and does not depend on the size of the substrates and the gap between them. There is no lateral unevenness in heating of both a single low-aspect substrate and the entire group of substrates. When using the technical solution of the prototype (Fig. 3, c, d), the base of the plasma circuit is closed near the growth surface of the substrate, while the plasma is formed individually on each of the groups of substrates, then merges into a single cloud, has an asymmetric shape and depends on the size of the substrates and the gap between them. The arrow in FIG. 3, a zone of uneven heating of a single substrate is highlighted, which is also characteristic of the entire group of substrates. The overheating zone is associated with the inhomogeneity of the microwave field when low-aspect substrates are introduced into it. It was experimentally established that when plasma is burned on substrates with a small aspect number, the effect of temperature equalization using the substrate holder described in this prototype is ineffective due to the high temperature gradient in the direct heating zone by a plasma discharge that locally burns on the edges of the substrates. As follows from Table 1, growth in a microwave plasma reactor without using a new technical solution causes a local increase in temperature in the plane of substrate deposition to 200 ° C, with further partial delamination of the coating at the end of the process and excessive grain growth in overheating zones from 05 to 3 μm .

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат заявляемого изобретения обеспечивает следующие технические преимущества (по сравнению с прототипом).Based on the foregoing, a new achieved technical result of the claimed invention provides the following technical advantages (compared with the prototype).

1. Устраняется краевой эффект при внесении в СВЧ-поле подложек с низкоаспектной геометрией формы, вызывающий локальный рост температуры в зоне перегрева (до 200°С), приводящий к браку или чрезмерному росту зерна в зонах перегрева от 500 до 3000 нм.1. The edge effect is eliminated when substrates with a low aspect shape geometry are introduced into the microwave field, causing a local temperature increase in the overheating zone (up to 200 ° C), leading to rejection or excessive grain growth in the overheating zones from 500 to 3000 nm.

2. Обеспечивается равномерность температуры в плоскости осаждения алмазной пленки порядка 7,5°С при средней температуре нагрева Т=725°С, получение однородной нанокристаллической алмазной пленки размером 100±20 нм, высокая адгезия на образцах из твердого сплава с аспектным числом 2,2.2. The temperature uniformity in the plane of deposition of the diamond film is of the order of 7.5 ° C at an average heating temperature of T = 725 ° C, obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film of 100 ± 20 nm in size, high adhesion on samples of carbide with an aspect number of 2.2 .

СВЧ плазменный реактор для получения однородной нанокристаллической алмазной пленкиMicrowave plasma reactor to obtain a homogeneous nanocrystalline diamond film

Результаты измерения температуры нагрева подложки в СВЧ плазменном реакторе по прототипу (без кассеты) и по предлагаемому решению - в кассетеThe results of measuring the heating temperature of the substrate in a microwave plasma reactor according to the prototype (without cassette) and the proposed solution in the cassette

Figure 00000003
Figure 00000003

Claims (1)

СВЧ плазменный реактор для получения однородной нанокристаллической алмазной пленки, содержащий герметичную осесимметричную камеру, центральная часть которой является СВЧ-резонатором и представляет собой радиальный волновод с СВЧ-полем, и установленный в ней охлаждаемый держатель подложки, отличающийся тем, что в СВЧ-резонаторе аксиально реактору установлена плазмообразующая кассета с наружным диаметром, пропорциональным длине волны СВЧ-поля, имеющая по меньшей мере одно внутреннее отверстие, причем основание упомянутой кассеты обращено к держателю подложки, а оси отверстий ориентированы перпендикулярно к ней, при этом высота Н кассеты составляет 1,75h ≤ Н > 0,75h, где h - высота подложки для размещения во внутреннем отверстии кассеты.Microwave plasma reactor for producing a homogeneous nanocrystalline diamond film containing a sealed axisymmetric chamber, the central part of which is a microwave resonator and is a radial waveguide with a microwave field, and a cooled substrate holder installed in it, characterized in that the microwave axial reactor a plasma-forming cassette is installed with an outer diameter proportional to the wavelength of the microwave field having at least one inner hole, the base of the cassette being about facing the holder of the substrate, and the axis of the holes are oriented perpendicular to it, while the height H of the cartridge is 1.75h ≤ H> 0.75h, where h is the height of the substrate for placement in the inner hole of the cartridge.
RU2016129065A 2016-07-15 2016-07-15 Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film RU2644216C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016129065A RU2644216C2 (en) 2016-07-15 2016-07-15 Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016129065A RU2644216C2 (en) 2016-07-15 2016-07-15 Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644216C2 true RU2644216C2 (en) 2018-02-08

Family

ID=60999441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016129065A RU2644216C2 (en) 2016-07-15 2016-07-15 Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2644216C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2727958C1 (en) * 2019-07-10 2020-07-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" Method of obtaining cloud of charged particles
RU2762222C1 (en) * 2019-11-05 2021-12-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Uhf plasma reactor with regulation of temperature of indirect substrate heating
RU2763713C1 (en) * 2020-08-27 2021-12-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" (ИОФ РАН) Apparatus for plasma chemical deposition of diamond coatings

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2215061C1 (en) * 2002-09-30 2003-10-27 Институт прикладной физики РАН High-speed method for depositing diamond films from gas phase in plasma of shf-discharge and plasma reactor for performing the same
RU2403318C2 (en) * 2008-12-03 2010-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" Shf plasma reactor
WO2012084659A2 (en) * 2010-12-23 2012-06-28 Element Six Limited A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
RU158690U1 (en) * 2015-09-21 2016-01-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосистемы" Microwave Plasma Reactor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2215061C1 (en) * 2002-09-30 2003-10-27 Институт прикладной физики РАН High-speed method for depositing diamond films from gas phase in plasma of shf-discharge and plasma reactor for performing the same
EP1643001B1 (en) * 2002-09-30 2015-09-02 Institute of Applied Physics RAS High velocity method for deposing diamond films from a gaseous phase in shf discharge plasma and device for carrying out said method
RU2403318C2 (en) * 2008-12-03 2010-11-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт точного машиностроения" Shf plasma reactor
WO2012084659A2 (en) * 2010-12-23 2012-06-28 Element Six Limited A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
RU158690U1 (en) * 2015-09-21 2016-01-20 Общество С Ограниченной Ответственностью "Оптосистемы" Microwave Plasma Reactor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2727958C1 (en) * 2019-07-10 2020-07-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" Method of obtaining cloud of charged particles
RU2762222C1 (en) * 2019-11-05 2021-12-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) Uhf plasma reactor with regulation of temperature of indirect substrate heating
RU2763713C1 (en) * 2020-08-27 2021-12-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" (ИОФ РАН) Apparatus for plasma chemical deposition of diamond coatings

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9382642B2 (en) Reaction chamber of an epitaxial reactor and reactor that uses said chamber
JP2004244298A (en) Substrate holder for vapor-phase diamond synthesis and method of vapor-phase diamond synthesis
KR100803445B1 (en) Method for controlling thin film uniformity and product manufactured by the method
TWI606135B (en) Apparatus and method of manufacturing free standing cvd polycrystalline diamond films
US20090101633A1 (en) Reactor with small linear lamps for localized heat control and improved temperature uniformity
US11859279B2 (en) Modular reactor for microwave plasma-assisted deposition
CN105518187B (en) Method for producing bulk silicon carbide
CN111952149A (en) Coated liner assemblies for semiconductor processing chambers
TWI647349B (en) Method and apparatus for producing bulk tantalum carbide from tantalum carbide precursors
US20150083046A1 (en) Carbon fiber ring susceptor
US20160071749A1 (en) Upper dome for epi chamber
RU2644216C2 (en) Microwave plasma reactor for obtaining a homogeneous nanocrystalline diamond film
TWI853825B (en) Multizone lamp control and individual lamp control in a lamphead
DE102018122109A1 (en) DEVICE AND METHOD FOR A CHEMICAL GAS PHASE SEPARATION PROCESS FOR SEMICONDUCTOR SUBSTRATES
CN114959658A (en) Heating device and chemical vapor deposition equipment
US6243534B1 (en) Method and apparatus to compensate for non-uniform film growth during chemical vapor deposition
US20170316964A1 (en) Dome cooling using compliant material
US20210166921A1 (en) Radiation shield modification for improving substrate temperature uniformity
WO2013162717A1 (en) Gas distribution module for insertion in lateral flow chambers
JP2003086516A (en) Susceptor, CVD device, film forming method, and semiconductor device
CN111286780A (en) Crystal growth device and crucible
JP4855029B2 (en) Semiconductor crystal growth equipment
CN117488269A (en) Diamond growth method, diamond material, workbench
RU2763103C1 (en) Method for monitoring and controlling the temperature regime of the growth surface of the substrate
RU2762222C1 (en) Uhf plasma reactor with regulation of temperature of indirect substrate heating