ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ РЕАКТОР ДЛЯ ГАЗОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК В ПОТОКЕ ГАЗА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК C23C16/27 C23C16/513 

Изобретение относится к плазменным СВЧ реакторам для химического осаждения из газовой фазы материалов, в частности для получения углеродных (алмазных) пленок.

Осаждение алмазных пленок из газовой фазы осуществляется путем активации плазмой газовой смеси, содержащей водород и углеводород, для создания необходимых химически активных частиц - атомов водорода и углеродсодержащих радикалов. Осаждение этих радикалов на подложку обеспечивает формирование алмазной пленки в результате целого комплекса поверхностных реакций. Для реализации этого метода широкое применение нашли реакторы, использующие плазму, генерируемую с помощью СВЧ разряда. Это связано с тем, что СВЧ разряды, создавая высокую плотность возбужденных и заряженных частиц и обладая безэлектродной природой, позволяют получать алмазные пленки высокого качества.

В последние три года появилась потребность в изготовлении многослойных поли- или монокристаллических алмазных пленок, которые можно получить в плазменном СВЧ реакторе для газофазного осаждения алмазных пленок за счет быстрой смены газа, которую можно осуществить лишь с помощью ламинарного безвихревого газового потока.

Для осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда в потоке газа известны устройства - плазменные СВЧ реакторы на основе цилиндрического резонатора, возбуждаемого на частоте 2,45 ГГц или 915 МГц. Представителем этого класса устройств является плазменный СВЧ резонатор (J. Asmussen, R. Mallavarpu, J.R. Haman, H.C. Park, The design of a microwave plasma cavity, Proc. IEEE, v. 62, No. 1, p. 109-117, 1974), в котором создается аксиально симметричная плазма СВЧ разряда на частоте 2,45 ГГц в кварцевой трубе (реакционной камере). Плазменный СВЧ резонатор состоит из цилиндрического резонатора переменной длины, вдоль оси которого (соосно резонатору) располагается реакционная камера в виде кварцевой трубы. В резонаторе возбуждается стоячая волна на моде TM_01n (n=2).

Недостатком данного плазменного СВЧ резонатора является то, что в нем плазма имеет вид нескольких плазмоидов и создается в кварцевой трубе в каждой пучности электрического поля стоячей волны в результате одинаковой величины электрического поля в пучностях вдоль оси цилиндрического резонатора, что не позволяет создать плазму в одной единственной области резонатора около подложки и тем самым создать ламинарный безвихревой поток газовой смеси в реакционной камере.

Известен плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа (M. Kamo, Y. Sato, S. Matsumoto, N. Setaka, Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma, J. Cryst. Growth, 1983, v. 62, p. 642-644), в котором может отсутствовать вихревое движение газа в реакционной камере реактора. Данный СВЧ реактор состоит из секции прямоугольного волновода с круглыми отверстиями в широких стенках, через которые перпендикулярно волноводу проходит кварцевая труба (реакционная камера), отрезка волновода с короткозамкнутым поршнем, соединенного с упомянутой секцией прямоугольного волновода, и подложки, помещенной в кварцевую трубу на уровне внутренней широкой стенки волновода и удерживаемой с помощью диэлектрического держателя подложки. С обеих сторон вне секции волновода кварцевая труба окружена аппликаторами волновода (соединенными с волноводом короткими отрезками металлических труб с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру кварцевой трубы) для предотвращения выхода СВЧ излучения из реактора. При работе устройства на частоте 2,45 ГГц и использовании одномодового прямоугольного волновода с размерами 86×43 мм² диаметр кварцевой трубы составляет 40-50 мм, что ограничивает возможность получения алмазных пленок большого диаметра.

Недостатком данного устройства является также то, что плазма над подложкой имеет сильную пространственную неоднородность с максимумом плотности вблизи стенки трубы. Этот недостаток СВЧ реактора обусловлен тем, что в нем кварцевая труба располагается в пучности стоячей СВЧ волны, формируемой в волноводе при отражении падающей на трубу волны от короткозамкнутого поршня, расположенного за трубой в волноводе на расстоянии, кратном четверти длины волны, поэтому в реакторе имеется одно выделенное направление - направление распространения СВЧ волны, в результате чего образующаяся в данном СВЧ реакторе плазма не обладает аксиальной симметрией. По этой причине при зажигании СВЧ разряда в кварцевой трубе над подложкой плазма имеет сильную пространственную неоднородность с максимумом плотности вблизи стенки трубы в направлении навстречу падающей СВЧ волне. Такое распределение плотности плазмы приводит к неоднородному пространственному распределению образующихся в плазме углеродсодержащих радикалов и неоднородному осаждению алмазной пленки по поверхности подложки, что существенно снижает качество осаждаемых алмазных пленок.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству, обеспечивающим аксиально-симметричную плазму СВЧ разряда, является плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа, известный из патента США US 5311103 "Apparatus for the coating of material on a substrate using a microwave or UHF plasma" МПК H01J 7/24, опубл. 1994 г., который выбран в качестве прототипа. Плазменный СВЧ реактор-прототип состоит из цилиндрического резонатора, в объеме которого у торцевой стенки располагается реакционная камера в виде кварцевой колбы, передающей коаксиально-волноводной линии с элементами связи для введения в цилиндрический резонатор СВЧ излучения, юстирующего устройства для перемещения верхней стенки цилиндрического резонатора и настройки резонатора в резонанс. Под кварцевой колбой поддерживается давление газовой смеси от 50 до 200 Торр, тем самым отделяется область создания плазмы от остальной части резонатора, в результате плазма СВЧ разряда создается над подложкой в виде аксиально-симметричной полусферы с размером вдоль подложки, не превышающим половины длины СВЧ волны.

Недостатком устройства прототипа является то, что в реакционной камере (кварцевой колбе), имеющей замкнутый объем, над подложкой, нагретой до температуры от 700 до 1000 градусов Цельсия, существует вихревое движение рабочей газовой смеси. Газ поднимается вверх в центре подложки и возвращается к подложке на ее периферии, как показано в прототипе на фигурах 2С, 2D. Такое движение газа приводит к неоднородному пространственному распределению упомянутых выше углеродсодержащих радикалов и неоднородному осаждению поликристаллической алмазной пленки по поверхности подложки. Также вихревое движение рабочего газа не позволяет быстро менять состав газовой смеси в реакционной камере для получения упомянутых многослойных алмазных структур с различающимися характеристиками слоев.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание плазменного СВЧ реактора для газофазного осаждения алмазных пленок, в котором плазма поддерживается СВЧ излучением в реакционной камере в одной пучности поля стоячей волны (только над подложкой) и обладает аксиальной симметрией, и в котором за счет выбора диаметра реакционной камеры, давления газа и скорости газового потока обеспечивается ламинарное безвихревое движение газовой смеси в реакционной камере, что позволяет осуществить осаждение многослойных поли- или монокристаллических алмазных пленок, имеющих различающиеся электрофизические характеристики слоев и малые по сравнению с толщиной слоев границы раздела (переходные слои) за счет быстрой смены состава газовой смеси.

Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что для осаждения алмазной пленки из газовой фазы плазменный СВЧ реактор, как и реактор-прототип, содержит волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора к реактору, цилиндрический резонатор, возбуждаемый на моде TM_01n с помощью отверстий связи или штыревой антенны, юстирующее устройство для настройки цилиндрического резонатора путем перемещения верхней стенки данного резонатора, а также реакционную камеру с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси, с установленной в реакционной камере подложкой на подложкодержателе.

Новым в разработанном плазменном СВЧ реакторе является то, что цилиндрический резонатор реактора дополнен соосно с ним соединенным по торцевой стенке коаксиальным резонатором, образованным металлическим круглым подложкодержателем и охватывающим реакционную камеру металлическим стаканом, при этом коаксиальный резонатор выполнен с длиной, достаточной для возбуждения в нем стоячей коаксиальной волны, а диаметр d реакционной камеры, изготовленной в виде диэлектрической трубы, установленной вдоль общей оси обоих резонаторов, выбран удовлетворяющим условию:

d²<V/p·C

для обеспечения ламинарного безвихревого потока газовой смеси в реакционной камере над подложкой, где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, р - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3.

Как установлено авторами, выполнение СВЧ реактора в предлагаемом изобретении на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора и прикрепленного к его торцевой (нижней) стенке коаксиального резонатора, а также настройка в резонанс обоих этих резонаторов - обеспечивают неравномерное распределение величины электрического поля в пучностях стоячей волны на моде TM_01n вдоль оси цилиндрического резонатора. Этот эффект позволяет генерировать и поддерживать аксиально-симметричную плазму в реакционной камере только в одной единственной области резонатора около подложки, и тем самым способствует созданию ламинарного безвихревого потока газовой смеси в реакционной камере.

Выбор диаметра d реакционной камеры в реакторе разработанной конструкции, удовлетворяющего условию: d²<V/p·C, где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, р - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3, обеспечивает при поглощаемой в плазме мощности, большей 500 Вт, ламинарный безвихревой поток газовой смеси над подложкой, что в свою очередь дает возможность быстрой замены осаждаемой газовой смеси, и, таким образом, позволяет наносить на подложку многослойные поли- или монокристаллические алмазные пленки, имеющие различающиеся электрофизические характеристики слоев.

Получение в данной конструкции ламинарного безвихревого потока газовой смеси над подложкой авторы могут объяснить следующим образом.

Режим движения газа по круглой прямой трубе характеризуется числом Рейнольдса. Критическое число Рейнольдса определяет переход от ламинарного течения к турбулентному. В предлагаемом СВЧ реакторе для поддержания ламинарного безвихревого газового потока диаметр трубы, давление газа и скорость газового потока выбираются такими, чтобы число Рейнольдса было много меньше 1000.

Сформулируем условие для достижения такого ламинарного безвихревого газового потока в диэлектрической трубе в плазменном СВЧ реакторе. В результате нагрева газа в плазме СВЧ разряда внутри трубы возникает конвективный поток газа. Приравнивая силу Архимеда, которая возникает из-за нагрева газа, силе со стороны внешнего подаваемого газового потока, получаем критерий отсутствия вихревого движения газа в трубе:

где V - скорость внешнего потока газа в см/с, р - давление газа в кварцевой трубе в Торрах, k - константа для заданного диаметра кварцевой трубы и поглощенной в разряде мощности СВЧ излучения. Зависимость параметра k от диаметра диэлектрической трубы и поглощенной в плазме мощности определена с помощью численного газодинамического расчета. Согласно расчету параметр k зависит только от диаметра кварцевой трубы для поглощенной в плазме мощности, большей 500 Вт:

где d диаметр кварцевой трубы в см, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3. Таким образом, условие (1) определяет область параметров, внутри которой реализуется ламинарное безвихревое течение газа внутри всей диэлектрической трубы (реакционной камеры).

В первом частном случае выполнения предлагаемого плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 2 формулы, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью щелевых отверстий связи, целесообразно, чтобы волноводная линия оканчивалась короткозамкнутым поршнем в отрезке волновода для регулировки связи цилиндрического резонатора с волноводной линией.

Во втором частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 3 формулы, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью штыревой антенны, целесообразно чтобы волноводная линия в месте соединения с резонатором была снабжена коаксиально-волноводным переходом и имела отрезок волновода с коротко-замкнутым поршнем для регулировки связи цилиндрического резонатора с волноводной линией.

В третьем частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 4 формулы, целесообразно, чтобы коаксиальный резонатор содержал подвижное устройство для перемещения металлического подложкодержателя вдоль оси резонаторов для настройки коаксиального резонатора в резонанс и для изменения радиального распределения электрического поля в пучности стоячей волны над подложкой в цилиндрическом резонаторе.

В четвертом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 5 формулы, целесообразно, чтобы реакционная камера в виде диэлектрической трубы с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси была выполнена в виде прозрачной кварцевой трубы с постоянным диаметром или прозрачной кварцевой трубы, имеющей расширение на уровне подложки.

В пятом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 6 формулы, целесообразно, чтобы подложкодержатель содержал встроенный герметичный электрический нагреватель подложки для регулирования температуры подложки.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 схематично в разрезе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях представлен разработанный плазменный СВЧ реактор на основе двух связанных СВЧ резонаторов, обеспечивающих формирование плазмы вблизи подложки в реакционной камере с ламинарным безвихревым газовым потоком в соответствии с п. 1 формулы, и с волноводной линией в первом варианте ее выполнения, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью щелевых отверстий связи (в соответствии с п. 2).

На фиг. 2. представлено распределение амплитуды электрического поля вдоль оси цилиндрического резонатора без плазмы, где z=0 соответствует поверхности подложки.

На фиг. 3 схематично в разрезе представлен разработанный плазменный СВЧ реактор на основе двух связанных СВЧ резонаторов, обеспечивающих формирование плазмы вблизи подложки в реакционной камере с ламинарным безвихревым газовым потоком в соответствии с п. 1, и с волноводной линией во втором варианте ее выполнения, когда возбуждение цилиндрического резонатора осуществляется с помощью штыревой антенны (в соответствии с п. 3). Здесь же показан вариант выполнения коаксиального резонатора, настраиваемого по длине в соответствии с п. 4.

Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг.1, содержит реакционную камеру 1 в виде диэлектрической трубы для газовой смеси с установленным в ней металлическим подложкодержателем 2. На подложкодержателе 2 расположена подложка 3 для осаждения на ней алмазной пленки. Конструкция предлагаемого плазменного реактора содержит также волноводную линию 5 для подвода излучения 4 от СВЧ генератора (на чертеже не показан) к реактору в виде двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора 10 и коаксиального резонатора, образованного металлическим стаканом 14 и расположенным внутри него металлическим круглым подложкодержателем 2. Коаксиальный резонатор 2, 14 соединен с цилиндрическим резонатором 10 соосно по его торцевой (нижней) стенке 13. Подложкодержатель 2 и металлический стакан 14 имеют длину, соответствующую резонансным условиям для возбуждения в пространстве между ними стоячей коаксиальной волны. Торцевая (верхняя) стенка 11 цилиндрического резонатора 10 выполнена подвижной для достижения резонансных условий и формирования стоячей СВЧ волны в цилиндрическом резонаторе 10 на моде TM_01n. К торцевой стенке 11 крепится аппликатор 12 цилиндрического резонатора - короткий отрезок металлической трубы с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру диэлектрической трубы 1 для предотвращения выхода СВЧ излучения из резонатора 10. Для выполнения этой функции диаметр аппликатора 12 выбран меньше критического диаметра круглого волновода для распространения моды TM₀₁. При работе предлагаемого устройства на частоте 2,45 ГГц максимальный диаметр диэлектрической трубы, проходящей через аппликатор, равен 80 мм, что намного превышает диаметр кварцевой трубы 40-50 мм в реакторе-аналоге. Кроме того, в другом варианте выполнения реакционной камеры 1 в соответствии с п. 5, внутри цилиндрического резонатора 10 диэлектрическая труба 1 имеет расширение на уровне подложки 3 до внутреннего диаметра резонатора 10, что дает возможность размещать в реакторе подложки с еще большим диаметром чем 80 мм.

Длины цилиндрического 10 и коаксиального 2, 14 резонаторов подбираются с возможностью формирования усиленного поля стоячей СВЧ волны в области создания плазмы 15 вблизи подложки 3.

К выходящему из резонатора 10 концу диэлектрической трубы 1 крепится фланец 16 с вакуумным уплотнением 17 и оптическим окном 18. Реакционная камера 1 снабжена системой 19 напуска и переключения газовых смесей и системой откачки 20 газа для поддержания требуемого давления и скорости газового потока рабочей смеси в реакционной камере 1. Оптическое окно 18 служит для контроля через него за температурой подложки 3 с помощью оптического пирометра. Система 19 напуска и переключения газовых смесей представляет собой электрически управляемый газовый переключатель, который предназначен для подачи в реакционную камеру 1 последовательно или по определенной программе газовых смесей, содержащих водород, углеводород и различные небольшие добавки газов, например азота, бора, фтора и других. Система откачки 20 газа выполнена в виде набора отверстий в основании подложкодержателя 2 и в торце металлического стакана 14 (как показано на фиг. 1).

В качестве реакционной камеры 1 может быть использована, как и в устройстве-прототипе, прозрачная кварцевая труба. В качестве источника СВЧ излучения может быть использован магнетрон на частоте 2,45 ГГц или 915 МГц.

Волноводная линия 5 для подвода излучения 4 от СВЧ генератора к цилиндрическому резонатору 10 может быть выполнена по-разному. В первом частном случае изготовления плазменного СВЧ реактора волноводная линия 5, представленная на фиг. 1, выполнена в виде соединенных последовательно входного прямоугольного волновода, изогнутого прямоугольного волновода 6, огибающего по кругу цилиндрический резонатор 10, и отрезка прямоугольного волновода 7 с короткозамкнутым поршнем 8 для регулировки связи резонатора 10 с волноводной линией. Цилиндрический резонатор 10 в месте расположения изогнутого волновода 6 содержит в боковой стенке по периметру четыре щелевых отверстия 9 для возбуждения в резонаторе моды TM_01n. Одной узкой стенкой изогнутого прямоугольного волновода 6 в месте расположения щелевых отверстий 9 является боковая стенка резонатора 10. Изогнутый прямоугольный волновод 6 с одной стороны соединен с входным волноводом, с другой стороны соединен с отрезком волновода 7 с короткозамкнутым поршнем 8 для регулировки связи резонатора 10 с волноводной линией 5.

В другом частном случае изготовления плазменного реактора волноводная линия 5, представленная на фиг. 3, соединена с коаксиально-волноводным переходом 21, а центральный стержень 22 коаксиального волновода (штыревая антенна) введен в цилиндрический резонатор 10 через боковую стенку для возбуждения моды TM_01n. При этом волноводная линия 5 снабжена отрезком волновода с короткозамкнутым поршнем 8 для регулировки связи цилиндрического резонатора 10 с волноводной линией.

Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг. 3, содержит также подвижное устройство 23 на основе вакуумного сильфона для перемещения металлического подложкодержателя 2 внутри диэлектрической трубы 1 вдоль оси коаксиального резонатора, образованного элементами 2 и 14. Подвижное устройство 23 служит для настройки коаксиального резонатора 2, 14 в резонанс и для изменения радиального распределения электрического поля в пучности стоячей волны над подложкой 3 в цилиндрическом резонаторе 10.

В этом варианте конструкции плазменного реактора, представленной на фиг. 3, система 19 напуска в реакционную камеру 1 газовых смесей, содержащих, по крайней мере, водород, углеводород и небольшие добавки других газов, может быть выполнена, например, так же, как показано на фиг.1. Система откачки 20 газа выполнена в виде набора отверстий в торце металлического стакана 14 (как показано на фиг. 3).

Для регулирования температуры подложки 3 подложкодержатель 2 во всех вариантах выполнения СВЧ реактора содержит встроенный герметичный электрический нагреватель подложки.

В конкретном примере реализации разработанного устройства (плазменного СВЧ реактора) оба связанных резонатора (цилиндрический 10 и коаксиальный 2, 14) и волноводная линия 5 изготовлены в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. Цилиндрический резонатор 10, имеющий толщину стенки 3 мм, и внешняя стенка 14 коаксиального резонатора выполнены из дюралюминия. Подложкодержатель 2, системы напуска 16 и откачки 20 газов выполнены из нержавеющей стали. Волноводная линия 5 с элементами 6, 7 изготовлена из меди при использовании прямоугольного волновода с размерами 86×43 мм². Реакционная камера 1 выполнена на основе трубы из кварца марки «ТКГДА», толщиной 3 мм, изготовитель ООО «Концепт Трейд Плюс» города Гусь-Хрустальный. В качестве СВЧ генератора использован магнетрон Ml68 с частотой СВЧ излучения 2,45 ГГц и мощностью до 5 кВт, выпускаемый ЗАО «НПП «Магратеп» города Фрязино Московской области.

Геометрические размеры связанных резонаторов, элементов связи волноводной линии с 5 цилиндрическим резонатором 10, а также величины и распределения электрических полей в них рассчитаны FDTD методом {Yee K.S., Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell′s equations in isotropic media // IEEE Trans, on Antennas and Propagation, (1966), т. AP-14, c. 302). Распределение амплитуды электрического поля вдоль оси изготовленного цилиндрического резонатора без плазмы (где z=0 соответствует поверхности подложки 3) представлено на фиг. 2. СВЧ пробой газовой смеси происходит и плазма генерируется и поддерживается в пучности стоячей волны около подложки 3, где амплитуда поля максимальна.

Плазменный реактор, представленный на фиг. 1, работает следующим образом.

СВЧ излучение с частотой 2,45 ГГц посредством волноводной линии 5 от СВЧ генератора (на чертеже не показан) направляется в круглый изогнутый волновод 6 волноводной линии и отрезок прямоугольного волновода 7 с короткозамкнутым поршнем 8. За счет отражения от поршня 8 в волноводной линии (в круглом изогнутом волноводе 6) образуется стоячая волна на рабочей моде TE₁₀. Пучности стоячей волны за счет выбора положения в волноводе 7 короткозамкнутого поршня 8 располагаются напротив четырех щелевых отверстий 9 на боковой стенке цилиндрического резонатора 10 (одновременно являющейся узкой стенкой волновода 6). СВЧ излучение волноводной линии через щелевые отверстия 9 возбуждает цилиндрический резонатор 10 на моде TM_01n. С помощью юстирующего устройства верхняя стенка 11 цилиндрического резонатора 10 перемещается для достижения определенной длины резонатора и настройки резонатора 10 в резонанс. При этом в цилиндрическом резонаторе 10 формируется стоячая волна на моде TM_01n. с несколькими (n) пучностями электрического поля вдоль оси резонатора («n» больше или равно 2).

Распределение поля в пучностях стоячей волны в цилиндрическом резонаторе 10 зависит от возбуждения электрически связанного с ним коаксиального резонатора, образованного металлическими цилиндрами 2 и 14. Если длина коаксиального резонатора (длина цилиндров 2 и 14) выбрана соответствующей резонансным условиям для частоты 2,45 ГГц, то в коаксиальном резонаторе 2, 14 возбуждается стоячая волна на коаксиальной моде.

Таким образом, поскольку предлагаемая конструкция СВЧ реактора выполнена на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора 10 и прикрепленного к его торцевой стенке 13 круглого коаксиального резонатора 2, 14, вдоль общей оси которых (соосно резонаторам) располагается реакционная камера 1 в виде диэлектрической трубы, и поскольку в обоих этих резонаторах достигнуты резонансные условия, то, как установлено авторами, в цилиндрическом резонаторе 10 реализуется неравномерное распределение величины электрического поля в пучностях стоячей волны на моде TM_01n вдоль оси цилиндрического резонатора 10 (см. фиг. 2). Как следует из фиг. 2, в пучности стоячей волны около подложки 3 величина электрического поля равна или превышает пороговое поле, необходимое для поддержания стационарной плазмы, поэтому в области 15 над подложкой 3 происходит возникновение СВЧ разряда и формирование и локализация плазмы.

При этом в реакционной камере 1 в виде диэлектрической трубы, например прозрачной кварцевой, за счет того, что диаметр d этой трубы выбран, как предложено авторами, удовлетворяющим условию:

d²<V/p·C,

где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, р - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3, поддерживается при поглощаемой в плазме мощности, большей 500 Вт, ламинарный безвихревой газовый поток, удобный для быстрой смены газовой смеси в реакционной камере 1 над подложкой 3, который обеспечивает осаждение на подложку 3 в области 15 многослойных поли- или монокристаллических алмазных пленок, имеющих различающиеся электрофизические характеристики слоев и малые по сравнению с толщиной слоев границы раздела, что позволяет решить поставленную задачу.

Изобретение относится к плазменным СВЧ реакторам для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа (варианты). Выполнение реактора на основе двух связанных резонаторов - цилиндрического резонатора и прикрепленного к его торцевой стенке круглого коаксиального резонатора, вдоль оси которых (соосно резонаторам) располагается реакционная камера в виде диэлектрической трубы, позволяет генерировать и поддерживать аксиально-симметричную плазму в реакционной камере только в одной единственной области резонатора около подложки. Выбор диаметра d этой реакционной камеры, удовлетворяющего условию: d²<V/p·C, где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, p - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3, позволяет при поглощаемой в плазме мощности, большей 500 Вт, обеспечить ламинарный безвихревой поток газовой смеси над подложкой, что в свою очередь дает возможность быстрой замены осаждаемой газовой смеси, и, таким образом, позволяет наносить на подложку многослойные поли- или монокристаллические алмазные пленки, имеющие различающиеся электрофизические характеристики слоев. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа, содержащий реакционную камеру с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси, установленный в реакционной камере подложкодержатель, волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора, цилиндрический резонатор, возбуждаемый на моде TM_01n, юстирующее устройство для настройки цилиндрического резонатора путем перемещения его верхней стенки, отличающийся тем, что он снабжен охватывающим реакционную камеру металлическим стаканом, внутри которого расположен подложкодержатель, выполненный круглым и металлическим, причем металлический стакан и подложкодержатель образуют коаксиальный резонатор, который соосно соединен с цилиндрическим резонатором по его торцевой стенке, волноводная линия выполнена в виде соединенных последовательно входного прямоугольного волновода, изогнутого прямоугольного волновода, огибающего цилиндрический резонатор, и отрезка прямоугольного волновода, при этом в боковой стенке цилиндрического резонатора на участке расположения изогнутого волновода выполнены щелевые отверстия связи для возбуждения в нем моды TM_01n, при этом коаксиальный резонатор выполнен с длиной, достаточной для возбуждения в нем стоячей коаксиальной волны, а реакционная камера изготовлена в виде диэлектрической трубы, установленной вдоль общей оси обоих резонаторов, с диаметром d, обеспечивающим ламинарный безвихревой поток газовой смеси в реакционной камере над подложкой и удовлетворяющим следующему условию:
d²<V/p·C,
где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, p - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3.

2. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что волноводная линия оканчивается короткозамкнутым поршнем в упомянутом отрезке прямоугольного волновода для регулировки связи цилиндрического резонатора с волноводной линией.

3. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что коаксиальный резонатор содержит подвижное устройство для перемещения металлического подложкодержателя вдоль оси резонаторов для настройки коаксиального резонатора в резонанс и для изменения радиального распределения электрического поля в пучности стоячей волны над подложкой в цилиндрическом резонаторе.

4. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая труба выполнена в виде прозрачной кварцевой трубы с постоянным диаметром d или прозрачной кварцевой трубы, имеющей расширение на уровне подложки.

5. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что подложкодержатель содержит встроенный герметичный электрический нагреватель подложки для регулирования температуры подложки.

6. Плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок в потоке газа, содержащий реакционную камеру с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси, установленный в реакционной камере подложкодержатель, волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора, цилиндрический резонатор, возбуждаемый на моде TM_01n, юстирующее устройство для настройки цилиндрического резонатора путем перемещения верхней стенки данного резонатора, отличающийся тем, что он снабжен охватывающим реакционную камеру металлическим стаканом, внутри которого расположен подложкодержатель, выполненный круглым и металлическим, причем металлический стакан и подложкодержатель образуют коаксиальный резонатор, который соосно соединен с цилиндрическим резонатором по его торцевой стенке, волноводная линия содержит коаксиальный волновод со штыревой антенной в виде центрального стержня, введенного в цилиндрический резонатор через его боковую стенку для возбуждения в нем моды TM_01n, при этом коаксиальный резонатор выполнен с длиной, достаточной для возбуждения в нем стоячей коаксиальной волны, а реакционная камера изготовлена в виде диэлектрической трубы, установленной вдоль общей оси обоих резонаторов, с диаметром d, обеспечивающим ламинарный безвихревой поток газовой смеси в реакционной камере над подложкой и удовлетворяющим следующему условию:
d²<V/p·C,
где V - скорость внешнего потока газовой смеси в см/с, p - давление газовой смеси в реакционной камере в Торрах, С - константа, имеющая размерность [1/см·с·Торр] и равная 10^-3.

7. Плазменный СВЧ реактор по п. 6, отличающийся тем, что волноводная линия в месте соединения с цилиндрическим резонатором снабжена коаксиально-волноводным переходом и имеет отрезок волновода с короткозамкнутым поршнем для регулировки связи цилиндрического резонатора с волноводной линией.

8. Плазменный СВЧ реактор по п. 6, отличающийся тем, что коаксиальный резонатор содержит подвижное устройство для перемещения металлического подложкодержателя вдоль оси резонаторов для настройки коаксиального резонатора в резонанс и для изменения радиального распределения электрического поля в пучности стоячей волны над подложкой в цилиндрическом резонаторе.

9. Плазменный СВЧ реактор по п. 6, отличающийся тем, что реакционная камера в виде диэлектрической трубы с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси выполнена в виде прозрачной кварцевой трубы с постоянным диаметром d или прозрачной кварцевой трубы, имеющей расширение на уровне подложки.

10. Плазменный СВЧ реактор по п. 6, отличающийся тем, что подложкодержатель содержит встроенный герметичный электрический нагреватель подложки для регулирования температуры подложки.