ПЛАЗМЕННЫЙ СВЧ РЕАКТОР Российский патент 2017 года по МПК C23C16/27 C23C16/511 C23C16/54 

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 при температуре подложки в диапазоне 700-1100°С. 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.

Для осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда известны устройства - плазменные реакторы резонансного типа на основе цилиндрического резонатора, возбуждаемого на частоте 2,45 ГГц (длина волны 12,24 см) или 915 МГц (длина волны 32,78 см). Создание таких реакторов предполагает выбор типа резонансной моды, выбор связи резонатора с волноводным трактом и выбор способа локализации плазмы около подложки (например, с помощью кварцевой колбы, выполняющей роль реакционной камеры). Известно на основе численного моделирования существующих устройств (F.Silva et al., Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition, J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 364202), что наиболее подходящими для создания плазмы в цилиндрическом резонаторе около подложки являются аксиально симметричные моды TM_01n (n=1-3) и TM_02n (n=1-3), где 1 или 2 показывает число узлов электрического поля в радиальном направлении, а n=1-3 - вдоль оси резонатора.

Широкое распространение получили СВЧ реакторы с резонатором, возбуждаемым на первой аксиально симметричной моде ТМ₀₁₃. Представителем этого класса является устройство, описанное в патенте США №5311103 «Apparatus for the coating of material on a substrate using a microwave or UHF plasma», МПК H01J 7/24, публ. 1994 г. Устройство 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 резонатор СВЧ мощности на моде TM_01n, юстирующего устройства для перемещения верхней стенки цилиндрического резонатора и настройки резонатора в резонанс. В резонаторе под кварцевой колбой поддерживается давление газовой смеси от 50 до 200 Торр, тем самым отделяется область создания плазмы от остальной части резонатора. В колбе плазма СВЧ разряда создается над подложкой в виде полусферы с размером вдоль подложки, не превышающим половины длины СВЧ волны.

Также известно устройство с резонатором на моде TM_01n (Заявка РСТ WO 2012/084657 A1 и патент США US9410242 «А microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond materiab) МПК C23C 16/27, опубл. 09.08.2016 г., в котором для локализации и стабильного удержания плазмы около подложки не применяется кварцевая колба, а используется локальное усиление ближнего электрического поля около подложки с помощью кольцевых или паза, или выступа вокруг подложкодержателя на торцевой стенке резонатора, или выступа на боковой стенке резонатора вблизи подложкодержателя.

Недостатком отмеченных выше устройств с резонатором на моде TM_01n является то, что небольшой поперечный размер плазмы в реакционной камере, определяемый распределением электрического поля вдоль подложки, накладывает ограничения на величину поперечного размера осаждаемых алмазных пленок. При частоте СВЧ генератора 2,45 ГГц диаметр цилиндрического резонатора, возбуждаемого на моде TM_01n, выбирается менее 200 мм, а поперечный размер осаждаемых алмазных пленок составляет 55-60 мм.

Известен плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения алмазных пленок (патенты США №8316797, №8668962, №9139909 «Microwave plasma reactors», МПК С23С 16/00, 16/27, 16/511, а также Y. Gu et al., «Microwave plasma reactor for high pressure and high power density diamond synthesis», Diamond and Related Materials, v. 24, 210, 2010), в котором плазма создается над подложкой электрическим полем гибридной электромагнитной моды ТМ₀₁₃+ТЕМ₀₀₁. Устройство состоит из цилиндрического резонатора, в объеме которого располагается реакционная камера в виде кварцевой колбы. В реакционной камере поддерживается давление газовой смеси от 10 до 760 Торр. Цилиндрический резонатор состоит из двух соединенных последовательно цилиндрических секций, имеющих различные диаметры. Диаметр верхней секции не превышает 320 мм. Эта секция соединена с передающей коаксиально-волноводной линией, с помощью которой в резонатор вводится СВЧ мощность на моде TM_02n. Устройство имеет юстирующий узел для перемещения верхней стенки этой секции цилиндрического резонатора и настройки резонатора в резонанс. Во второй секции диаметром менее 205 мм распространяющейся модой является уже мода TM_01n, которая возбуждается за счет трансформации моды TM_02n в моду TM_01n на уступе между секциями. В этой секции соосно резонатору почти на всю длину секции установлен металлический круглый подложкодержатель небольшого диаметра, позволяющий возбуждать в этой секции резонатора коаксиальную моду TEM_00n. В реакционной камере на торце подложкодержателя установлена подложка, в области которой результирующее электрическое поле формируется в результате сложения полей двух мод ТМ₀₁₃ и TEM_00n. В результате применения двух мод достигается высокий удельный энерговклад в плазму до 1000 Вт/см³ над подложкой диаметром 25 мм на частоте 2,45 ГГц.

Недостатком отмеченного выше устройства с резонатором на гибридной электромагнитной моде TM₀₁₃+TEM₀₀₁ является то, что плазма СВЧ разряда создается над подложкой в виде полусферы с размером, не превышающим половину длины СВЧ волны (61 мм для частоты 2,45 ГГц).

Известно устройство (F. Silva et al., «Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition)), J. Phys.: Condens. Matter, v. 21, 364202, 2009), в котором для увеличения площади осаждения пленок в плазме СВЧ разряда применяется цилиндрический резонатор, возбуждаемый на второй аксиально симметричной моде ТМ₀₂₃. Устройство состоит из реакционной камеры с подложкой и держателем подложки, 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 резонатор СВЧ мощности на моде ТМ₀₂₃. В реакционной камере поддерживается давление газовой смеси от 50 до 225 Торр. Для фиксации реакционной камеры цилиндрический резонатор около нижней торцевой стенки имеет цилиндрический выступ с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру резонатора. На нижней торцевой стенке соосно резонатору установлен высокий металлический круглый подложкодержатель небольшого диаметра, позволяющий возбуждать вдоль подложкодержателя коаксиальную моду TEM_00n. В реакционной камере на торце подложкодержателя установлена подложка, в области которой результирующее электрическое поле формируется в результате сложения полей двух мод ТМ₀₂₃ и TEM_00n. В результате применения двух мод достигается поддержание плазмы в виде полусферы над подложкой диаметром до 75 мм на частоте 2,45 ГГц. Данный плазменный СВЧ реактор выбран в качестве прототипа.

Недостатком отмеченного выше устройства прототипа с резонатором на моде ТМ₀₂₃, для которого на частоте 2,45 ГГц диаметр цилиндрического резонатора не превышает 320 мм, является то, что получаемый поперечный размер плазмы в реакционной камере над подложкой диаметром 75 мм позволяет осаждать однородные (имеющие 5%-ный разброс по толщине) алмазные пленки только на диаметре 50 мм (Plassys Company: http://www.plassys.com).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание плазменного СВЧ реактора для газофазного осаждения алмазных пленок, в цилиндрическом резонаторе которого обеспечивается регулирование распределения ближнего электрического поля над подложкой, позволяющее осаждать на подложки алмазные пленки, имеющие диаметр более половины длины СВЧ волны и высокую однородность (имеющие 5%-ный разброс по толщине) на большом диаметре. Например, для частоты 2,45 ГГц задачей является получение алмазных пленок на подложках диаметром 80-90 мм, имеющих разброс по толщине не более 5% на диаметре 75 мм.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается тем, что для осаждения алмазной пленки из газовой фазы предлагаемый плазменный СВЧ реактор, как и реактор-прототип, содержит волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора к реактору, цилиндрический резонатор, возбуждаемый с помощью коаксиальной линии с элементом связи, юстирующее устройство для настройки цилиндрического резонатора путем перемещения торцевой стенки данного резонатора, а также реакционную камеру с системой напуска и откачки выбранной газовой смеси и с установленной подложкой на подложкодержателе.

Новым в предлагаемом плазменном СВЧ реакторе является то, что цилиндрический резонатор реактора имеет диаметр, позволяющий возбуждать в нем с помощью коаксиальной линии с элементом связи сразу три аксиально симметричные моды TM_01n, TM_02n и TM_03n. Многомодовый цилиндрический резонатор возбуждается с помощью элемента связи, проходящего через верхнюю торцевую стенку и установленного соосно резонатору. Верхняя торцевая стенка цилиндрического резонатора осуществляет роль преобразователя мод. Для этого она выполнена в виде электрически закороченного отрезка круглого волновода, переходящего в конус с круглым основанием с диаметром, равным диаметру резонатора. На нижней торцевой стенке цилиндрического резонатора соосно резонатору располагается реакционная камера в виде кварцевой колбы с установленным на торцевой стенке подложкодержателем. Нижняя торцевая стенка также выполняет роль преобразователя мод. Для этого у нижней торцевой стенки вне кварцевой колбы и вблизи боковой стенки резонатора располагается уступ выбираемого профиля с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру резонатора. Внутренний диаметр уступа и его профиль выбираются такими, чтобы мода TM_03n, затухала вдоль оси на отрезке длины резонатора с уступом, при этом уступ выбираемого профиля установлен с возможностью перемещения вдоль боковой стенки цилиндрического резонатора относительно нижней торцевой стенки этого резонатора. В цилиндрическом резонаторе над подложкой, установленной на подложкодержателе, формируется ближнее электрическое поле в результате сложения трех мод TM_01n, TM_02n и затухающей TM_03n.

В ближнем электрическом поле над подложкой после зажигания СВЧ разряда поддерживается плазма. В плазменном объеме распределения концентраций электронов и активных радикалов зависят от распределения ближнего электрического поля над подложкой. Эти активные радикалы (атомарный водород и метил) в результате поверхностных реакций на подложке участвуют в росте алмазной пленки. Анализ поверхностных реакций, проведенный в работе D.G. Goodwin, J. Appl. Phys. V. 74, P.6888 (1993), дал следующее соотношение для скорости роста алмаза из водородметановой газовой фазы:

где [СН₃]sur - концентрация метила у поверхности подложки, [H]₀=3*10¹⁵ см^-3 - константа, k - константа, зависящая от температуры подложки T_s. Из соотношения (1) следует, что скорость роста алмазной пленки линейно зависит от концентрации атомарного водорода, когда [H]_sur меньше, чем [Н]₀. В плазменных СВЧ реакторах, работающих при высоком давлении и высокой СВЧ мощности, [H]_sur может быть много больше, чем [Н]₀. В этом случае скорость роста алмазной пленки пропорциональна концентрации метила у поверхности подложки. Из проведенных рассуждений следует, что в обоих случаях скорость роста алмазной пленки зависит от концентрации атомарного водорода у подложки, потому что газофазная реакция, СН₄+Н↔СН₃+Н₂, протекает достаточно быстро и концентрация радикала СН₃ находится в равновесии с концентрацией атомов водорода. На скорость роста алмазной пленки могут влиять другие параметры, такие как температура газа и температура подложки. Однако влияние температуры подложки на однородность осаждения алмазных пленок по поверхности подложки можно исключить, добившись однородного распределения температуры подложкодержателя с помощью системы охлаждения. От температуры газа зависят скорости газофазных реакций, но в плазменных СВЧ реакторах температура газа, как правило, однородно распределена вдоль поверхности подложки, поэтому она не влияет на однородность осаждения алмазных пленок на поверхности подложки.

Таким образом, для достижения однородного осаждения алмазных пленок на большой площади необходимо получение одинаковой скорости роста алмазной пленки по поверхности подложки и, следовательно, как отмечено выше, однородного распределения атомарного водорода вдоль подложки. В свою очередь распределение атомарного водорода определяется распределением ближнего электрического поля над подложкой. Изменяя распределение ближнего электрического поля над подложкой, можно менять распределение атомарного водорода вдоль подложки.

Технический результат - регулирование распределения ближнего электрического поля над подложкой достигается за счет того, что, как установлено авторами, выбором профиля верхнего и нижнего преобразователей мод подбирается такое соотношение интенсивностей полей между модами TM_01n, TM_02n и затухающей TM_03n, что эти три моды обеспечивают искомое распределение ближнего электрического поля над подложкой, которое создает однородное распределение атомарного водорода, позволяющее осаждать алмазные пленки на подложки диаметром более половины длины СВЧ волны и имеющие высокую однородность (имеющие 5%-ный разброс по толщине) на большом диаметре. При этом изменение распределения ближнего электрического поля над подложкой позволяет менять распределение атомарного водорода вдоль подложки и изменять толщину осаждаемой алмазной пленки на поверхности подложки.

В первом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 2 формулы целесообразно, чтобы уступ выбираемого профиля нижней торцевой стенки резонатора (нижнего преобразователя мод) имел прямоугольный профиль для изменения распределения ближнего электрического поля над подложкой.

Во втором частном случае выполнения предлагаемого плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 3 формулы целесообразно, чтобы уступ выбираемого профиля нижней торцевой стенки резонатора (нижнего преобразователя мод) имел Г-образный профиль для изменения распределения ближнего электрического поля над подложкой. Это позволяет, как показывают расчеты, проведенные авторами, расширить диапазон настройки распределения ближнего электрического поля за счет перемещения уступа по сравнению с п. 2 формулы.

В третьем частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 4 формулы целесообразно, чтобы уступ выбираемого профиля нижней торцевой стенки резонатора (нижнего преобразователя мод) имел Т-образный профиль для изменения распределения ближнего электрического поля над подложкой. Это позволяет расширить диапазон настройки распределения ближнего электрического поля за счет перемещения уступа по сравнению с п. 3 формулы.

В четвертом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 5 формулы целесообразно, чтобы уступ выбираемого профиля нижней торцевой стенки резонатора (нижнего преобразователя мод) имел профиль в виде прямоугольного треугольника для изменения распределения ближнего электрического поля над подложкой, что позволяет расширить диапазон настройки распределения ближнего электрического поля за счет перемещения уступа по сравнению с п. 4 формулы.

В пятом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 6 формулы целесообразно, чтобы уступ выбираемого профиля нижней торцевой стенки резонатора (нижнего преобразователя мод) имел профиль в виде наклонной лестницы с несколькими ступеньками для изменения распределения ближнего электрического поля над подложкой, что позволяет расширить диапазон настройки распределения ближнего электрического поля за счет перемещения уступа по сравнению с п. 5 формулы.

В шестом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 7 формулы целесообразно, чтобы при частоте СВЧ излучения 2,45 ГГц верхняя торцевая стенка резонатора имела электрически закороченный отрезок круглого волновода диаметром 175-180 мм и длиной равной 25-40 мм, круглый конус с внешним диаметром, равным диаметру резонатора, и с углом раскрыва 155-165 градусов, нижняя торцевая стенка имела уступ прямоугольного профиля высотой 55-65 мм, а диаметр резонатора был выбран в интервале от 370 до 440 мм.

В седьмом частном случае выполнения плазменного СВЧ реактора в соответствии с п. 8 формулы целесообразно, чтобы элемент связи - штыревая антенна имела на конце кольцевой выступ в плоскости, в которой отрезок круглого волновода верхнего преобразователя мод переходит в круглый конус с внешним диаметром, равным диаметру резонатора.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 схематично в разрезе представлен разработанный плазменный СВЧ реактор на основе многомодового цилиндрического СВЧ резонатора с нижним и верхним преобразователями мод, с уступом выбираемого профиля, установленным с возможностью перемещения вдоль боковой стенки упомянутого цилиндрического резонатора относительно нижней торцевой стенки этого резонатора.

На фиг. 2 схематично в разрезе показаны варианты выполнения уступа выбираемого профиля нижнего преобразователя мод - прямоугольный (фиг. 2, а) в соответствии с п. 2 формулы; Г-образный (фиг. 2, б) в соответствии с п. 3 формулы; Т-образный (фиг. 2, в) в соответствии с п. 4 формулы; в виде прямоугольного треугольника (фиг. 2, г), в соответствии с п. 5 формулы; в виде наклонной лестницы с несколькими ступеньками (фиг. 2, д) в соответствии с п. 6 формулы.

На фиг. 3 представлены рассчитанные для частоты 2,45 ГГц амплитуды электрического поля на оси резонатора в центральном сечении резонатора для трех мод TM_01n, TM_02n и ТМ₀₃, возбуждаемых верхним преобразователем мод в зависимости от длины L₁ закороченного отрезка круглого волновода диаметром 180 мм.

На фиг. 4 приведены рассчитанные коэффициенты разложения электрического поля в цилиндрическом резонаторе в сечении по центру резонатора по модам ТМ₀₁ ТМ₀₂, ТМ₀₃ в зависимости от высоты уступа 12 нижней торцевой стенки.

На фиг. 5 представлено распределение амплитуды электрического поля в цилиндрическом резонаторе без плазмы.

На фиг. 6 приведены рассчитанные распределения концентрации атомарного водорода вдоль подложки для разработанного устройства для нескольких значений высоты уступа 12 нижней торцевой стенки при вводимой в резонатор СВЧ мощности 5 кВт на частоте 2,45 ГГц. Штрихпунктирной линией на фиг. 6 отмечен размер подложки, где изменение концентрации атомарного водорода вдоль подложки от максимальной величины не превышает 5%.

Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг. 1, содержит реакционную камеру в виде кварцевой колбы 1 для газовой смеси с установленным в ней металлическим подложкодержателем 2. На подложкодержателе 2 расположена подложка 3 для осаждения на ней алмазной пленки с использованием плазмы 4 СВЧ разряда. Конструкция реактора содержит также коаксиальную линию 5 со штырем связи 6 для подвода излучения от СВЧ генератора (на чертеже не показан) к реактору в виде цилиндрического резонатора 7. Коаксиальная линия 5 в верхней торцевой стенке резонатора соединена с закороченным отрезком круглого волновода 8, имеющего радиус R₁, длину L₁ и переходящего в круглый конус 9 с внешним диаметром, равным диаметру R₂ цилиндрического резонатора 7. На нижней торцевой стенке 10 кварцевая колба 1 расположена соосно резонатору 7. Эта часть торцевой стенки 10, на которой расположена кварцевая колба 1 и подложкодержатель 2, имеет радиус R₃ и возможность с помощью юстирующего устройства 11 перемещаться вдоль оси резонатора для изменения длины L₂ цилиндрического резонатора 7, для достижения резонансных условий и формирования стоячей структуры электрического поля в цилиндрическом резонаторе 7. На нижней торцевой стенке вне кварцевой колбы 1 и вблизи стенки резонатора 7 расположен уступ 12 выбираемого профиля с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру резонатора 7. Внутренний диаметр R₃ уступа 12 выбран меньше критического диаметра круглого волновода для распространения моды TM_03n с тем, чтобы она затухала вдоль оси на отрезке длины резонатора 7 с уступом 12. К основанию реактора крепится второе юстирующее устройство 13 для перемещения уступа 12 вдоль боковой стенки резонатора 7 и для регулировки высоты L₃ уступа 12 относительно нижней торцевой стенки 10.

Реакционная камера 1 снабжена системой напуска 14 и системой откачки 15 газа для поддержания требуемого давления и скорости газового потока рабочей смеси в реакционной камере 1. Подложкодержатель 2 соединен с системой водяного охлаждения 16 для поддержания температуры подложки 3 в требуемом диапазоне. В качестве реакционной камеры 1 может быть использована, как и в устройстве-прототипе, прозрачная кварцевая колба. В качестве источника СВЧ излучения может быть использован магнетрон на частоте 2,45 ГГц или 915 МГц.

В конкретном примере реализации разработанного устройства (плазменного СВЧ реактора) коаксиальная линия 5 с элементом связи 6, цилиндрический резонатор 7 с верхней 8, 9 и нижней 10 торцевой стенками, а также уступом 12 нижней торцевой стенки изготовлены в ИПФ РАН города Нижнего Новгорода. Цилиндрический резонатор 7, имеющий толщину стенки 3 мм, и внешняя стенка 5 коаксиальной линии выполнены из дюралюминия. Нижняя торцевая стенка 10, уступ 12 нижней торцевой стенки, подложкодержатель 2, системы напуска 14 и откачки 15 газов выполнены из нержавеющей стали. Реакционная камера 1 выполнена в виде колбы 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 цилиндрического резонатора 7, конфигурация верхней и нижней торцевых стенок резонатора 7, профиль уступа 12 нижней торцевой стенки резонатора, показанный на фиг. 2, а также величины и распределения электрических полей в резонаторе 7 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), Vol. 14, №3, pp. 302). Так амплитуды электрического поля на оси изготовленного цилиндрического резонатора без плазмы в центральном сечении резонатора 7 для трех мод TM_01n, TM_02n и TM_03n, возбуждаемых верхним преобразователем мод в зависимости от длины Li закороченного отрезка круглого волновода 8 диаметром 180 мм, представлены на фиг. 3. Для изготовленного цилиндрического резонатора 7 на фиг. 4 представлен расчет коэффициентов разложения электрического поля в резонаторе в сечении по центру резонатора 7 по модам ТМ₀₁, ТМ₀₂, ТМ₀₃ в зависимости от высоты уступа 12 нижней торцевой стенки. Рассчитанное распределение амплитуды электрического поля в цилиндрическом резонаторе 7 без плазмы представлено на фиг. 5. В резонаторе под кварцевой колбой 1 в ближнем электрическом поле над подложкой 3 происходит зажигание СВЧ разряда и поддержание плазмы 4 в газовой смеси, содержащей водород и углеводород. Рассчитанное распределение концентрации атомарного водорода вдоль подложки 3 для разработанного устройства для нескольких значений высоты уступа 12 нижней торцевой стенки при вводимой в резонатор 7 СВЧ мощности 5 кВт на частоте 2,45 ГГц приведены на фиг. 6. Как представлено на фиг. 6, в разработанном реакторе с помощью регулировки высоты уступа 12 нижней торцевой стенки цилиндрического резонатора 7 изменяется распределение концентрации атомарного водорода вдоль подложки 3 и, следовательно, толщина осаждаемой алмазной пленки на поверхности подложки 3.

Плазменный реактор, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. СВЧ излучение с частотой 2,45 ГГц от СВЧ генератора (на чертеже не показан) посредством коаксиальной линии 5 и штыревой антенны 6 вводится в цилиндрический резонатор, образованный узлами 7-10, 12. С помощью юстирующих устройств 11 и 13 нижняя торцевая стенка 10 и уступ 12 перемещаются для достижения определенной длины цилиндрического резонатора и настройки резонатора в резонанс. При этом в цилиндрическом резонаторе 7-10, 12 формируется стоячая волна на гибридной моде, в которой доля мод TM_01n, TM_02n и TM_03n преобладает. С помощью юстирующего устройства 13 уступ 12 выбираемого профиля перемещается вдоль стенки 7 резонатора относительно нижней торцевой стенки 10 для достижения однородного распределения ближнего электрического поля над подложкой 3 диаметром более половины длины СВЧ волны. В кварцевой вакуумной колбе 1, установленной на нижней торцевой стенке 10 резонатора, с помощью системы напуска 14 и откачки 15 газов поддерживается давление рабочей газовой смеси в диапазоне 10-400 Торр. Величина электрического поля над подложкой 3 равна или превышает пороговое поле, необходимое для поддержания стационарной плазмы, поэтому в области 4 под кварцевой колбой 1 происходит возникновение СВЧ разряда, формирование и локализация плазмы 4, которая позволяет при частоте СВЧ излучения 2,45 ГГц осаждать поликристаллические алмазные пленки на подложках диаметром 80-90 мм. С помощью повторной регулировки юстирующего устройства 13 уступ 12 перемещается вдоль стенки резонатора 7 относительно нижней торцевой стенки 10 для достижения такого распределения ближнего электрического поля над подложкой 3, чтобы выращиваемая поликристаллическая алмазная пленка имела 5%-ный разброс по толщине на диаметре 75 мм, что позволяет решить поставленную задачу.

Изобретение относится к плазменным СВЧ реакторам для химического осаждения из газовой фазы материалов, в частности для получения углеродных (алмазных) пленок. Плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения на подложку алмазной пленки содержит волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора к реактору, цилиндрический резонатор, реакционную камеру с системой напуска и откачки газовой смеси, содержащей водород и углеводород, и подложку, установленную на подложкодержателе в реакционной камере. Цилиндрический резонатор выполнен с возможностью возбуждения одновременно трех аксиально-симметричных мод TM_01n, TM_02n и TM_03n посредством штыревой антенны, расположенной коаксиально его оси. Верхняя торцевая стенка цилиндрического резонатора представляет собой верхний преобразователь мод, выполненный в виде электрически закороченного отрезка круглого волновода, переходящего в конусный волновод с круглым основанием с внешним диаметром, равным диаметру резонатора. Нижняя торцевая стенка цилиндрического резонатора имеет уступ, выполненный с профилем, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру цилиндрического резонатора, а внутренний диаметр обеспечивает затухание моды TM_03n вдоль оси цилиндрического резонатора с уступом. Упомянутый уступ установлен с возможностью перемещения вдоль боковой стенки цилиндрического резонатора относительно нижней торцевой стенки цилиндрического резонатора. Упомянутый реактор снабжен юстирующим устройством для настройки цилиндрического резонатора посредством перемещения торцевой стенки цилиндрического резонатора. Обеспечивается создание плазменного СВЧ реактора для газофазного осаждения алмазных пленок, имеющих диаметр более половины длины СВЧ волны и высокую однородность на большом диаметре. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Плазменный СВЧ реактор для газофазного осаждения на подложку алмазной пленки, содержащий волноводную линию для подвода излучения от СВЧ генератора к реактору, цилиндрический резонатор, реакционную камеру с системой напуска и откачки газовой смеси, содержащей водород и углеводород, и подложку, установленную на подложкодержателе в реакционной камере, отличающийся тем, что цилиндрический резонатор выполнен с возможностью возбуждения одновременно трех аксиально-симметричных мод TM_01n, TM_02n и TM_03n посредством штыревой антенны, расположенной коаксиально его оси, при этом верхняя торцевая стенка цилиндрического резонатора представляет собой верхний преобразователь мод, выполненный в виде электрически закороченного отрезка круглого волновода, переходящего в конусный волновод с круглым основанием с внешним диаметром, равным диаметру резонатора, при этом нижняя торцевая стенка цилиндрического резонатора имеет уступ, выполненный с профилем, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру цилиндрического резонатора, а внутренний диаметр обеспечивает затухание моды TM_03n вдоль оси цилиндрического резонатора с уступом, при этом упомянутый уступ установлен с возможностью перемещения вдоль боковой стенки цилиндрического резонатора относительно нижней торцевой стенки цилиндрического резонатора, а упомянутый реактор снабжен юстирующим устройством для настройки цилиндрического резонатора посредством перемещения торцевой стенки цилиндрического резонатора.

2. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что уступ нижней торцевой стенки резонатора выполнен с прямоугольным профилем, обеспечивающим изменение распределения ближнего электрического поля над подложкой.

3. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что уступ нижней торцевой стенки резонатора выполнен с Г-образным профилем, обеспечивающим изменение распределения ближнего электрического поля над подложкой.

4. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что уступ нижней торцевой стенки резонатора выполнен с Т-образным профилем, обеспечивающим изменение распределения ближнего электрического поля над подложкой.

5. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что уступ нижней торцевой стенки резонатора выбран с профилем прямоугольного треугольника, обеспечивающим изменение распределения ближнего электрического поля над подложкой.

6. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что уступ нижней торцевой стенки резонатора выбран с профилем наклонной лестницы с несколькими ступеньками с возможностью изменения распределения ближнего электрического поля над подложкой.

7. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что при подведенном СВЧ излучении с колебаниями частотой 2,45 ГГц диаметр резонатора выбран в интервале от 370 до 440 мм, верхний преобразователь мод выполнен в виде электрически закороченного круглого волновода диаметром 175-180 мм, длиной равной 25-40 мм и конусного волновода с круглым основанием и с внешним диаметром, равным диаметру резонатора, и с углом раскрытия равным 155-165 градусам, при этом уступ прямоугольного профиля выполнен относительно нижней торцевой стенки резонатора с возможностью регулирования положения для достижения распределения ближнего электрического поля над подложкой, обеспечивающего выращиваемую поликристаллическую алмазную пленку с 5%-ным разбросом по толщине на диаметре 75 мм.

8. Плазменный СВЧ реактор по п. 1, отличающийся тем, что штыревая антенна имеет на конце кольцевой выступ в плоскости, в которой круглый волновод переходит в конусный волновод с круглым основанием и с внешним диаметром, равным диаметру резонатора.