Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение

Выполнен краткий обзор развития работ по синтезу алмазных покрытий из плазмы газового разряда в СВЧ устройствах (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Рассмотрены существующие СВЧ устройства для алмазного синтеза, а также методы компьютерного моделирования новых устройств и п...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Физическая инженерия поверхности
Дата:	2013
Автори:	Волков, Ю.Я., Стрельницкий, В.Е., Ушаков, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2013
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99268
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение / Ю.Я. Волков, В.Е. Стрельницкий, В.А. Ушаков // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 1. — С. 26–45. — Бібліогр.: 35 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99268
record_format	dspace
spelling	Волков, Ю.Я. Стрельницкий, В.Е. Ушаков, В.А. 2016-04-25T17:40:32Z 2016-04-25T17:40:32Z 2013 Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение / Ю.Я. Волков, В.Е. Стрельницкий, В.А. Ушаков // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 1. — С. 26–45. — Бібліогр.: 35 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99268 537.534.2:679.826 Выполнен краткий обзор развития работ по синтезу алмазных покрытий из плазмы газового разряда в СВЧ устройствах (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Рассмотрены существующие СВЧ устройства для алмазного синтеза, а также методы компьютерного моделирования новых устройств и процессов, протекающих в них. Описаны некоторые методы гомоэпитаксиального наращивания монокристаллического алмаза на алмазных подложках. Приведеныпримерыполучения поликристаллических и наноструктурных алмазных пленок на неалмазных подложках методом гетероэпитаксиального роста и рассмотрена зависимость особенностей структуры пленок от состава исходной газовой смеси и условий осаждения в СВЧ реакторах. Рассмотрены примеры получения высокоориентированных поликристаллических алмазных плёнок (HOD – highly oriented diamond), которые по многим свойствам близки к монокристаллу алмаза и показаны области практического применения синтезированных алмазных пленок. Виконано короткий огляд розвитку робіт з синтезу алмазних покрить із плазми газового розряду в НВЧ пристроях (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Розглянуті існуючі НВЧ пристрої для алмазного синтезу, а також методи комп’ютерного моделювання нових пристроїв і процесів, які відбуваються в них. Описані деякі методи гомоепітаксіального нарощування монокристалічного алмазу на алмазних підкладках. Також наведені приклади отримання полікристалічних і наноструктурних алмазних плівок на неалмазних підкладках методом гетероепітаксіального зростання і розглянуто залежність особливостей структури плівок від складу вихідної газової суміші та умов осадження в НВЧ реакторах. Розглянуто приклади отримання високоорієнтованих полікристалічних алмазних плівок (HOD – highly oriented diamond), які за багатьма властивостями близькі до монокристалів алмазу і показані деякі приклади практичного застосування синтезованих алмазних плівок. In this paper we present a brief review of advancement in the diamond synthesis by microwave plasma chemical vapor deposition (MW CVD) methods. The most prevalent MW CVD devices for diamond synthesis are described, as well as some of the computational modeling methods of a new devices and interaction between MW fields and plasmas during deposition processes are discussed. One can find here a description of some methods of a single-crystal homoepitaxial diamond growth on the diamond substrates and several examples of a heteroepitaxial MW CVD deposition of a polycrystalline diamond films on a non-diamond substrates. We also examined a number of works dealing with a deposition of highly oriented polycrystalline diamond films (HOD) which shows characteristics close to single-crystal diamond. And in the end we gave a number of examples of the grown diamond films applications in industry and electronics. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение Синтез алмазу у нвч плазмі: обладнання, плівки, застосування Synthesis of diamond in microwave plasma: equipment, films, application Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение
spellingShingle	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение Волков, Ю.Я. Стрельницкий, В.Е. Ушаков, В.А.
title_short	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение
title_full	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение
title_fullStr	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение
title_full_unstemmed	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение
title_sort	синтез алмаза в свч плазме: оборудование, пленки, применение
author	Волков, Ю.Я. Стрельницкий, В.Е. Ушаков, В.А.
author_facet	Волков, Ю.Я. Стрельницкий, В.Е. Ушаков, В.А.
publishDate	2013
language	Russian
container_title	Физическая инженерия поверхности
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format	Article
title_alt	Синтез алмазу у нвч плазмі: обладнання, плівки, застосування Synthesis of diamond in microwave plasma: equipment, films, application
description	Выполнен краткий обзор развития работ по синтезу алмазных покрытий из плазмы газового разряда в СВЧ устройствах (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Рассмотрены существующие СВЧ устройства для алмазного синтеза, а также методы компьютерного моделирования новых устройств и процессов, протекающих в них. Описаны некоторые методы гомоэпитаксиального наращивания монокристаллического алмаза на алмазных подложках. Приведеныпримерыполучения поликристаллических и наноструктурных алмазных пленок на неалмазных подложках методом гетероэпитаксиального роста и рассмотрена зависимость особенностей структуры пленок от состава исходной газовой смеси и условий осаждения в СВЧ реакторах. Рассмотрены примеры получения высокоориентированных поликристаллических алмазных плёнок (HOD – highly oriented diamond), которые по многим свойствам близки к монокристаллу алмаза и показаны области практического применения синтезированных алмазных пленок. Виконано короткий огляд розвитку робіт з синтезу алмазних покрить із плазми газового розряду в НВЧ пристроях (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Розглянуті існуючі НВЧ пристрої для алмазного синтезу, а також методи комп’ютерного моделювання нових пристроїв і процесів, які відбуваються в них. Описані деякі методи гомоепітаксіального нарощування монокристалічного алмазу на алмазних підкладках. Також наведені приклади отримання полікристалічних і наноструктурних алмазних плівок на неалмазних підкладках методом гетероепітаксіального зростання і розглянуто залежність особливостей структури плівок від складу вихідної газової суміші та умов осадження в НВЧ реакторах. Розглянуто приклади отримання високоорієнтованих полікристалічних алмазних плівок (HOD – highly oriented diamond), які за багатьма властивостями близькі до монокристалів алмазу і показані деякі приклади практичного застосування синтезованих алмазних плівок. In this paper we present a brief review of advancement in the diamond synthesis by microwave plasma chemical vapor deposition (MW CVD) methods. The most prevalent MW CVD devices for diamond synthesis are described, as well as some of the computational modeling methods of a new devices and interaction between MW fields and plasmas during deposition processes are discussed. One can find here a description of some methods of a single-crystal homoepitaxial diamond growth on the diamond substrates and several examples of a heteroepitaxial MW CVD deposition of a polycrystalline diamond films on a non-diamond substrates. We also examined a number of works dealing with a deposition of highly oriented polycrystalline diamond films (HOD) which shows characteristics close to single-crystal diamond. And in the end we gave a number of examples of the grown diamond films applications in industry and electronics.
issn	1999-8074
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99268
citation_txt	Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение / Ю.Я. Волков, В.Е. Стрельницкий, В.А. Ушаков // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 1. — С. 26–45. — Бібліогр.: 35 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT volkovûâ sintezalmazavsvčplazmeoborudovanieplenkiprimenenie AT strelʹnickiive sintezalmazavsvčplazmeoborudovanieplenkiprimenenie AT ušakovva sintezalmazavsvčplazmeoborudovanieplenkiprimenenie AT volkovûâ sintezalmazuunvčplazmíobladnannâplívkizastosuvannâ AT strelʹnickiive sintezalmazuunvčplazmíobladnannâplívkizastosuvannâ AT ušakovva sintezalmazuunvčplazmíobladnannâplívkizastosuvannâ AT volkovûâ synthesisofdiamondinmicrowaveplasmaequipmentfilmsapplication AT strelʹnickiive synthesisofdiamondinmicrowaveplasmaequipmentfilmsapplication AT ušakovva synthesisofdiamondinmicrowaveplasmaequipmentfilmsapplication
first_indexed	2025-11-26T09:43:53Z
last_indexed	2025-11-26T09:43:53Z
_version_	1850619709657972736
fulltext	26 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время является актуальной зада- ча получения алмазных пленок, удовлетворя- ющих по геометрическим и физическим па- раметрам требованиям твердотельной микро- электроники. Ввиду наличия у алмаза уни- кальных электрофизических свойств (см. табл. 1), получение монокристаллических УДК 537.534.2:679.826 СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ Ю.Я. Волков, В.Е. Стрельницкий, В.А. Ушаков Национальный Научный Центр “Харьковский Физико-технический институт” Поступила в редакцию 23.01.2013 Выполнен краткий обзор развития работ по синтезу алмазных покрытий из плазмы газового разряда в СВЧ устройствах (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Рассмотрены существующие СВЧ устройства для алмазного синтеза, а также методы ком- пьютерного моделирования новых устройств и процессов, протекающих в них. Описаны неко- торые методы гомоэпитаксиального наращивания монокристаллического алмаза на алмазных подложках. Приведены примеры получения поликристаллических и наноструктурных алмазных пленок на неалмазных подложках методом гетероэпитаксиального роста и рассмотрена за- висимость особенностей структуры пленок от состава исходной газовой смеси и условий осаж- дения в СВЧ реакторах. Рассмотрены примеры получения высокоориентированных поликрис- таллических алмазных плёнок (HOD – highly oriented diamond), которые по многим свойст- вам близки к монокристаллу алмаза и показаны области практического применения синте- зированных алмазных пленок. Ключевые слова: алмаз, пленки, CVD синтез, монокристаллический, поликристаллический. СИНТЕЗ АЛМАЗУ У НВЧ ПЛАЗМІ: ОБЛАДНАННЯ, ПЛІВКИ, ЗАСТОСУВАННЯ Ю.Я. Волков, В.Є. Стрельницький, В.А. Ушаков Виконано короткий огляд розвитку робіт з синтезу алмазних покрить із плазми газового розряду в НВЧ пристроях (метод MW CVD – microwave plasma chemical vapor deposition). Розглянуті існуючі НВЧ пристрої для алмазного синтезу, а також методи комп’ютерного моделювання нових пристроїв і процесів, які відбуваються в них. Описані деякі методи гомоепітаксіального нарощування монокристалічного алмазу на алмазних підкладках. Також наведені приклади отримання полікристалічних і наноструктурних алмазних плівок на неалмазних підкладках ме- тодом гетероепітаксіального зростання і розглянуто залежність особливостей структури плівок від складу вихідної газової суміші та умов осадження в НВЧ реакторах. Розглянуто приклади отримання високоорієнтованих полікристалічних алмазних плівок (HOD – highly oriented diamond), які за багатьма властивостями близькі до монокристалів алмазу і показані деякі приклади практичного застосування синтезованих алмазних плівок. Ключові слова: алмаз, плівки, CVD синтез, монокристалічний, полікристалічний. SYNTHESIS OF DIAMOND IN MICROWAVE PLASMA: EQUIPMENT, FILMS, APPLICATION Yu.Ya. Volkov, V.E. Strel’nitskij, V.A. Ushakov In this paper we present a brief review of advancement in the diamond synthesis by microwave plas- ma chemical vapor deposition (MW CVD) methods. The most prevalent MW CVD devices for dia- mond synthesis are described, as well as some of the computational modeling methods of a new de- vices and interaction between MW fields and plasmas during deposition processes are discussed. One can find here a description of some methods of a single-crystal homoepitaxial diamond growth on the diamond substrates and several examples of a heteroepitaxial MW CVD deposition of a poly- crystalline diamond films on a non-diamond substrates. We also examined a number of works dealing with a deposition of highly oriented polycrystalline diamond films (HOD) which shows characteristics close to single-crystal diamond. And in the end we gave a number of examples of the grown diamond films applications in industry and electronics. Keywords: diamond, films, CVD synthesis, monocrystalline, polycrystalline.  Ю.Я. Волков, В.Е. Стрельницкий, В.А. Ушаков, 2013 27ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 или подобных им по свойствам поликристал- лических алмазных пленок и пластин в про- мышленных масштабах приведет к новому ка- чественному уровню микроэлектроники и вычислительной техники. Однако, накоплен- ный опыт получения поликристаллических алмазных пластин и высокая стоимость син- теза алмазных пленок в ведущих научных ла- бораториях пока не позволяет быстро решить эту задачу. Сегодня существуют хорошо отработанные методики гомоэпитаксиального роста алмаза на алмазных подложках, но они обладают ря- дом существенных недостатков. Применяе- мые для синтеза монокристаллические под- ложки из природного или синтетического ал- маза и отсутствие методов по многократному их использованию приводят к тому, что полу- ченные монокристаллические алмазные плё- нки имеют слишком высокую стоимость и не- достаточные размеры, а это неприемлемо для массового производства. Сейчас наиболее прогрессивным считает- ся способ синтеза алмаза из газовой фазы на алмазных и неалмазных подложках с приме- нением СВЧ плазменного разряда низкого давления (MW CVD), где в качестве прекурсо- сора используют углеродосодержащие газы или летучие органические соединения, раз- бавленные водородом и/или другими газами. В данном обзоре будут рассмотрены некото- рые СВЧ устройства, используемые для полу- чения алмаза, а также приведены некоторые примеры применения алмазных пленок, опи- санные в литературе. СВЧ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АЛМАЗА CVD МЕТОДОМ Несмотря на относительную сложность СВЧ устройств, преимущества данного способа получения алмазных пленок очевидны – это отсутствие в разряде электродов, которые мо- гут загрязнять исходные газы и осаждаемый материал, высокая стабильность разряда, от- сутствие необходимости дополнительного подогрева подложки, простота регулирования температуры подложки путём простого пере- мещения её в разряде либо изменением СВЧ мощности, относительно высокие скорости осаждения, достигающие десятков микрон в час, высокое качество получаемого материала и возможность получения плёнок различной структуры – от нано- и микро- до монокрис- таллической. Поэтому, уже в начале 1980-х в литературе начали появляться сообщения об использовании СВЧ энергии для возбужде- ния разряда в газовых смесях и получении ал- мазных покрытий. Например, группа иссле- дователей из НИИ Неорганических материа- лов, Япония [1, 2] создали установку (рис. 1), на которой показали, что рост алмазов возмо- жен на неалмазных подложках в системе с непрерывным протоком исходной газовой смеси возбуждаемой СВЧ разрядом в районе подложки. В качестве материала для подло- жек использовались кремний, молибден, кварцевое стекло. Используемая ими исход- ная газовая смесь, считающаяся на сегодняш- ний день классической, состояла из водорода с добавками 1 ÷ 3% метана. Давление 8 ÷ 60 Торр, СВЧ мощность 300 ÷ 700 Вт при час- тоте магнетрона 2.45 ГГц и температуре под- ложки 800 – 1000 °С. Авторам данной работы не удалось получить сплошное покрытие; бы- ли получены отдельные, усеченные подлож- кой кристаллы со скоростью роста около 3 мкм/час. При этом впервые была обнару- жена зависимость огранки кристаллов от про- центного содержания метана и температуры подложки. Таблица 1 Сравнительные характеристики алмаза и кремния существенные для применения в электронике [24] Свойства Алмаз Кремний Теплопроводность (W/m/K) Ширина запрещенной зоны (eV) Электросопротивление (Ω cm) Поле пробоя (V/cm) Подвижность электронов (cm2/V/s) Подвижность дырок (cm2/V/s) Скорость насыщения носителей (µm/ns) 2000 5,5 >1011 107 1800 1500 220 139 1,1 105 3⋅105 1500 500 100 Рис. 1. Схема установки [1, 2]. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ 28 СВЧ устройства для осаждения алмазных пленок из смеси газов получили дальнейшее развитие и большинство из них имеют стан- дартную на сегодняшний день компоновку, состоящую обычно из СВЧ генератора (как правило, магнетрон), прямоугольного волно- вода, резонаторной камеры с устройством связи в виде штыря-антенны либо окна [3, 4], через которые в резонатор поступает СВЧ энергия, системы настройки резонатора на определённую СВЧ моду в виде поршня или плунжера, “реакционной” камеры с подлож- кодержателем, расположенной внутри резо- натора, системы подачи газовой смеси в ка- меру осаждения, системы откачки, охлаж- дения и т.д. На рис. 2 показана установка, использо- ванная учеными из Мичиганского универси- тета, США [5], для проверки программы чис- ленного компьютерного моделирования СВЧ резонатора плазменного реактора. Эта уста- новка имеет все элементы, упомянутые выше. Резонатор имеет цилиндрическую форму с внутренним диаметром 7 дюймов (17.78 см), в который с помощью коаксиальной ан- тенны вводится СВЧ мощность. Резонансная мода определяется геометрией цилиндричес- кого резонатора, который настраивается ско- льзящим плунжером. Резонатор был настроен на ТМ013 моду с частотой 2.45 ГГц. Коаксиа- льная вводная антенна и подвижный плун- жер настраивались на максимум поглощения мощности плазменной нагрузкой, что опреде- лялось минимумом отражённой мощности. СВЧ разряд возбуждался и поддерживался внутри кварцевого колпака. Объём и темпе- ратура разряда зависели от вводимой мощ- ности и давления. Подложка и подложкодер- жатель располагались на вершине кварцевой трубки, которая использовалась для регули- ровки высоты подложки. На дне резонатора располагался металлический экран для пред- отвращения распространения СВЧ энергии за пределы резонатора. H. Yamada с сотрудниками из Центра Ис- следования Алмаза института AIST [6], для своих исследований использовали серийную установку AX-5250 5 kW-MPCVD, изготов- ленную фирмой Seki Technotron Corp., схема которой приведена на рис. 3. Прямоугольный волновод соединён с цилиндрической каме- рой. В сечении волновода возбуждается ТЕ01 мода с частотой 2.45 ГГц. Антенна, располо- женная в месте соединения волновода и ци- линдрической камеры, трансформирует ТЕ01 моду в ТМ моду в резонаторе. Внутренний диаметр цилиндра – 14 см. В середину ци- линдра вставлено кварцевое окно, которое отделяет вакуумную зону (нижняя часть) от зоны атмосферы (верхняя часть). Расстояние между кварцевой пластиной и верхней по- верхностью реактивного проводника сос- тавляет 12 см. Как мы видим, здесь уже испо- льзован не кварцевый колпак, как в [5], а гер- метичное кварцевое окно, что позволяет ис- пользовать всю нижнюю часть резонатора как реакторную камеру. Эта компоновка имеет как свои преимущества, так и недостатки. Преимуществом является то, что размеры подложкодержателя здесь ограничены только стенками резонатора, который сам по себе имеет довольно значительные размеры. Плаз- менный шар, находящийся обычно непосред- ственно над подложкой, находится достаточ- но далеко от стенок резонатора и кварцевого окна, что предотвращает их загрязнение про- дуктами распада углеродосодержащих газов. Основной недостаток данной схемы – это “перепрыгивание” плазменного разряда на кварцевое окно при увеличении СВЧ мощ- ности выше некоторой пороговой или умень- шении давления, что приводит к разогреву и разрушению окна. Одной из общих характеристик обычного MWPCVD реактора является то, что в них ис- Рис. 2. Схема установки [5]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 29ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 пользуется объёмно-резонаторный метод пе- редачи СВЧ энергии в область над подложкой. Это ограничивает форму плазменного обра- зования сферой или полусферой. В этом слу- чае наблюдаются большие потери энергии разряда в области далёкой от подложки. Для поддержания высокой плотности энергии на большой площади предпочтительна плоская форма плазменного облака. Поэтому H. Yama- da с сотрудниками [7] предложили концепту- альное решение, которое может реализовать плоскую форму плазмы. На рис. 4 представ- лено такое концептуальное решение, которое характеризуется двумя отличительными чер- тами: первая – это использование метода ко- аксиальной передачи и вторая – ограничение вертикального распространения плазмы. Ци- линдрический внутренний проводник разъе- динён в определённом месте, образуя неболь- шую щель между верхней и нижней секцией внутреннего проводника. ВЧ энергия подаёт- ся по верхнему или нижнему проводнику и, попадая в зазор, возбуждает там плазменный разряд. В этот зазор и помещается подложка. Преимущества данной конфигурации тако- вы: в область над подложкой можно переда- вать волну любой частоты, в то время как в обычном объёмном резонаторе его размеры должны соответствовать длине волны. Вследствие того, что толщина плазмы огра- ничена стенками, её форма остаётся плоской даже в случае увеличения подаваемой мощ- ности и плазменный разряд загорается даже в случае низкой частоты. Реализация этой концепции в виде дейст- вующей установки показана на рис. 5. Конст- рукция разработана для 1І (25,4 мм) диаметра подложки. Проводники А и В соответствуют внутренним проводникам на рис. 4. СВЧ вол- на с частотой 2.45 ГГц подается через ниж- ний зазор по боковой стенке проводника В. Расстояние между нижней поверхностью проводника А и верхней поверхностью под- ложки составляет около 10 мм. Граница плаз- мы была эллипсоидальная с соотношением диаметр-высота около 4. Исходная газовая смесь подавалась через центр верхушки ан- тенны и откачивалась сбоку основания (не показано). Температура подложки измерялась через это же отверстие двулучевым пиромет- ром, который располагался над проводником А. Медные проводники А и В внутри охлаж- дались проточной водой. Температура про- водника А измерялась термопарой впрессо- ванной в проводник и составляла 60 °С. По- даваемая СВЧ мощность составляла 4.5 кВт, частота 2.45 ГГц, давление 150 Торр. Газовая смесь имела состав: 89% – водород, 10.7% – метан, 0.3% – азот, температура подложки 1100 °С. Была достигнута средняя скорость осаждения более 55 мкм/час на диаметре под- ложки один дюйм. Скорость на краю подлож- ки составила около 70 мкм/час и была выше, Рис. 3. Сечение MWP CVD устройства, использован- ного в работе [6], соответствующего установке AX-5250, производимой Seki Technotron Corp. Рис. 4. Концепция, предложенная в работе [7]. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ плазма MW MW СВЧ ввод Антенна Кварцевое окно Вакуумная зона Реактивный проводник 30 чем в центре. Вероятность загрязнения син- тезируемого материала очень мала из-за низ- ких (менее 60 °С) температур проводников. После процесса осаждения заметных следов эрозии меди не обнаружено, так же как и оса- ждения углеродных материалов на нижней поверхности проводника А, обращённой к подложке. Ещё один способ получения плазмы высо- кой плотности в форме тонкого однородного диска для синтеза алмазов предложен груп- пой исследователей из Университета Kochi, Япония [8]. Они использовали гибридный разряд (MWP CVD и DC), являющийся соче- танием СВЧ разряда и разряда постоянного тока (рис. 6). Как утверждают авторы, при применении MWP CVD и DC разряда на по- верхности подложки вместо обыкновенного плазменного шара (рис. 6а) образовывался тонкий плазменный диск, толщиной 1 мм и диаметром 16 мм (рис. 6b). Как уже упоминалось выше, цилиндричес- кий резонатор имеет существенный недоста- ток – это нестабильность положения плазмен- ного шара при увеличении СВЧ мощности или уменьшении давления. При этом разряд может “привязываться” к кварцевому окну или колпаку и выводить их из строя. Для того чтобы исключить это явление, группа иссле- дователей из Института Фраунгофера совмес- тно с сотрудниками из компании AIXTRON AG, Германия [9, 10] разработали установку по получению алмазных плёнок с резонато- ром новой не цилиндрической формы (рис. 7). Для разработки геометрии реактора с улуч- шенной производительностью и стабильнос- тью были просчитаны несколько конфигура- ций с использованием инструментов модели- рования. Одна геометрия оказалась много- обещающей – это эллипсоидальный СВЧ пла- зменный реактор. Концепция взята из эллип- соидальных зеркальных печей, используемых для выращивания кристаллов. Преимущество этого устройства состоит в том, что эллипсоид имеет две точки фокуса. Если установить источник света в одном фо- кусе, то излучение соберётся в противополож- ном. Численное компьютерное моделирова- ние показало, что СВЧ поля также имеют два явных максимума в точках фокусов в эллип- соидальном резонаторе. СВЧ подаётся в эл- липсоидальный резонатор из прямоугольного волновода посредством антенны. Вакуумная камера, состоящая из колпака и подложко- держателя, включает в себя нижнюю фокаль- ную точку. Размеры и положение подложко- держателя и антенны выбирались очень тща- Рис. 5. Устройство, изготовленное на базе концепции работы [7]. а) б) Рис. 6. а) – плазменный шар, б) – плазменный диск [8]. Рис.7. Эллипсоидальный MWP CVD реактор [9, 10]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 31ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 тельно, поскольку эти детали реактора возму- щают распределение поля идеального эллип- соида. Первая версия такого реактора работала на частоте 2.45 ГГц с максимальной СВЧ мощ- ностью 6 кВт при давлении 14 кПа (105 Торр). Позиция плазменного облака не зависела от давления и СВЧ мощности. В 2.45 ГГц эллип- соидальном реакторе возможно осаждение алмаза на подложках диаметром 5 и 7.5 см. С целью увеличения площади осаждения была реализована вторая версия реактора, работа- ющего на частоте 915 МГц, путём пропорци- онального увеличения всех размеров в 2.7 ра- за, т.е. отношению двух частот. Для сохране- ния плотности мощности на подложках уве- личенной площади, система была оборудо- вана 60 кВт СВЧ генератором. В 915 МГц ре- акторе возможно одновременное осаждение на несколько подложек, например, на семь подложек диаметром 5 см или одну диамет- ром до 15 см. Скорость осаждения зависит от условий и составляет 1 ÷ 15 мкм/час. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ ПЛАЗМЕННЫХ УСТРОЙСТВ И ИМИТАЦИЯ ПРОЦЕССОВ В НИХ Быстрое развитие вычислительной техники и программного обеспечения за последние два десятилетия подняло работы по проекти- рованию СВЧ устройств на новый качествен- ный уровень. Сейчас большинство исследо- вателей в своей работе по проектированию новых устройств отказались от дорогостоя- щего экспериментального метода “проб и ошибок” и используют современную вычис- лительную технику с готовым программным обеспечением или разрабатывают специаль- ные программы под свои конкретные задачи, привлекая к работе математиков и програм- мистов. Мощные компьютеры с помощью современных программ способны быстро об- рабатывать гигантские массивы данных, что позволяет вводить в модель проектируемого или исследуемого СВЧ реактора не только его основные размеры и форму, но и учиты- вать влияние мелких деталей, помещённых в резонатор, например, подложек, зондов, квар- цевых окон и колпаков, магнитов и т.д. Совре- менные программы позволяют имитировать основные процессы, происходящие в реак- торной камере во время её работы, например, положение, размер и форму плазменного об- лака в зависимости от подаваемой мощности, давления в камере, частоты генератора, фор- мы подложкодержателя. Всё это сильно уде- шевляет и ускоряет процесс создания новой техники для синтеза алмазных пленок MW CVD методом. Рассмотрим несколько работ, посвящён- ных этой теме. В середине 1990-х группа исследователей из Мичиганского Университета [5] разрабо- тала математический аппарат и программу для разработки численной модели резонатор- ного СВЧ плазменного реактора, показанного на рис. 2, который использовался для получе- ния тонких алмазных пленок. Для вычисле- ния электромагнитных полей и их взаимодей- ствия с плазмой внутри реактора использо- вался метод конечной разности временного интервала (FDTD) и модель плазмы как жид- кости при решении уравнений Максвелла. Численная модель, представленная в этой ра- боте, позволила вычислить профиль поглоще- ния мощности в СВЧ разрядах и взаимодейст- вие между СВЧ полями и плазменным обла- ком, что дало возможность проанализировать конструкцию реактора с целью её улучшения. Очень показательна, в этом отношении, деятельность группы из Института Фраунго- фера, Германия. Двигаясь последовательно от разработки простейшей модели MW CVD ре- актора с цилиндрическим резонатором [11], они за несколько лет разработали математи- ческий аппарат и программу, позволяющую рассчитать резонаторы любой формы и слож- ности, что привело их к успешной идее эл- липсоидального реактора (рис. 7), описанного в предыдущем разделе [9, 10]. Некоторые ито- ги их моделирования показаны на рис. 8 и 9. Дальнейшее развитие моделирования мо- жно увидеть в работе, выполненной группой учёных из университета г. Ульма, Германия [12], которые использовали программы, ото- бражающие уже 3D графику процессов в резо- наторах. В этой работе аналитический метод моде- лирования электромагнитных полей (ЕМ) для СВЧ плазменных реакторов, основанный на Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ 32 реверсивной инженерии, был применен к СВЧ плазменному реактору фирмы Roth&Rau, который представлял собой цилиндричес- кую камеру 250 мм диаметром, расположен- ную в большей камере (рис. 10). Этот реактор имел СВЧ генератор частотой 2.45 ГГц и мощ- ностью 6 кВт. Связь осуществлялась через кварцевое окно с помощью конуса, располо- женного над камерой. Нижняя часть камеры заканчивалась подвижной пластиной – под- ложкодержателем. ЕМ моделирование ус- тройства, в целом, позволило определить внутреннее распределение электрического поля и, в большей степени, воспроизвести поведение устройства как функцию геомет- рии резонаторной камеры (место поджига раз- ряда и появление плазменных нестабильнос- тей). Также удалось выделить присутствие па- разитных резонансных мод на частотах, близ- ких к частоте генератора (рис. 11). Изменение конструкции СВЧ устройства связи – связы- вающий конус был заменен круглым волно- Рис. 8. Модель распределения плотности плазмы в ци- линдрическом ТМ01 резонаторе при 2,5 кВт СВЧ (слева) и 5 кВт (справа). На правом рис. виден разряд на квар- цевом окне [9, 10]. Рис. 9. Распределение электромагнитного поля в эллип- соидальном резонаторе в отсутствие плазменной на- грузки [9, 10]. Рис. 10. Эквивалентная модель реактора Roth&Rau [12]. Рис. 11. Изображение структуры электрического поля (3D изо-объёмы) различных резонансных мод для ци- линдрического резонатора вблизи 2.45 ГГц [12]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 350 300 250 350 300 250 200 200 150 150 100 100 50 50 ра сс то ян ие о т дн а (м м ) ра сс то ян ие о т дн а (м м ) -40 -20 0 20 40 расстояние от оси (мм) -40 -20 0 20 40 расстояние от оси (мм) 350 300 250 200 150 100 50 ра сс то ян ие о т дн а (м м ) 400 450 500 550 -200 -150 -100 100 150 расстояние от оси (мм) -50 0 50 200 ТМ212 (2,408 ГГц) ТМ310 (2,435 ГГц) ТЕ412 (2,435 ГГц) ТЕ422 (2,469 ГГц) ТЕ022 (2,528 ГГц) ТЕ311 (2,534 ГГц) 33ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 водом, возбуждаемым через коаксиальный ввод – это привело объемную топологию СВЧ поля в соответствие с геометрией резо- натора (т.е. максимум электрического поля удалось разместить вблизи подложкодержа- теля (зона осаждения), а минимум вблизи кварцевого окна во избежание появления там плазменного разряда), что способствовало правильному возбуждению резонансной мо- ды (рис. 12). Проведенная оптимизация кон- струкции устройства связи, основанная на моделировании, позволила увеличить ско- рость осаждения на порядок по сравнению с предыдущим значением в старом реакторе. Группа японских исследователей из Цен- тра Исследования Алмаза института AIST, упоминавшаяся в предыдущем разделе [6, 7], выполнила численную имитацию СВЧ плаз- мы для алмазного синтеза, в которой учтена форма и размеры алмазной затравки (подло- жки). Было показано, что локальное распреде- ление плазмы зависит от формы подложки, в то время как вдали от подложки распреде- ление остаётся неизменным [13]. В дальней- шем на этой модели ими были изучены не только общие распределения физических ве- личин, но также и локальные распределения в непосредственной близости от подложки [14]. На основе данных исследований сдела- ны выводы, что локальные распределения плотности мощности, температуры поверх- ности подложки и газового потока вблизи подложки (рис. 13) сильно влияют на форму поверхности осаждаемой алмазной пленки, которую можно контролировать путём испо- льзования специальных подложкодержателей [15]. Для моделирования формирования поли- кристаллической алмазной пленки с преиму- щественной ориентацией поверхности (100) Манкелевич с сотрудниками [16] разработали программу, использующую упрощённый ме- тод Монте-Карло. Модель учитывает адсорб- цию, травление/осаждение, построение ре- шётки и поверхностную миграцию атомов уг- лерода и С-Н групп вдоль и поперёк димер- ных рядов [17]. Величины вероятности реак- ций взяты из экспериментальных и теорети- ческих литературных данных для стандарт- ных CVD условий алмазного осаждения. Бы- ло проведено моделирование эволюции рос- та различных граней кристаллов алмаза на основе предположения, что мигрирующие Рис. 12. Структура электрического поля в резонаторе при 2.46 ГГц для ТМ022 моды [12]. а) б) в) г) д) е) Рис.13. (а) и (б) – контуры плотности СВЧ мощности над подложкой; (в) и (г) – схема газовых потоков на подложке; (д) и (е) – контуры температуры [14, 15]. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ затравка на подложке симметрично асимметрично больше меньше симметрично симметрично асимметрично асимметрично симметрично асимметрично 34 атомы углерода и С-Н группы, которые стал- киваются с поверхностными дефектами, встраиваются в растущую поверхность, пов- торяя структуру нижележащего слоя, либо по- верхностного дефекта. При увеличении веро- ятности образования поверхностных дефек- тов, количество зёрен увеличивается, в то время как их средний размер уменьшается. Это моделирует морфологию плёнки, которая меняется от алмазной монокристаллической до микро-, нано-, и наконец, ультрананокрис- таллической (рис. 14). Если отключить такие дефекты, которые могут действовать как точки вторичного за- рождения, и использовать только случайно засеянные кристаллы, то пленка растет в виде столбчатой структуры, подобно той, что на- блюдается в гетероэпитаксиальном микро- кристаллическом алмазе (рис. 15). ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕС- КИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЁНОК Первый удачный эксперимент по синтезу ал- маза из газовой фазы был проведен Эвер- солом в 1958 г. В этом методе углеродосодер- жащий газ пропускался через затравочные кристаллы (алмазный порошок) при темпера- туре около 1000 °С и давлении в несколько Торр. На затравочных кристаллах образовы- вался алмаз до тех пор, пока рост не останав- ливался осаждением слоя чёрного углерода (графита и а-С) который затем стравливался путём нагрева затравочных кристаллов в во- дороде при температуре около 1000 °С и дав- лении 50 атм. Для продолжения осаждения алмаза этот процесс повторялся. Первые сообщения по непрерывному (не- циклическому) осаждению поликристалли- ческих покрытий MW CVD методом появи- лись ещё в начале 1980-х от группы Setaka с сотрудниками. Они получили рост отдельных алмазных кристаллов на не алмазных под- ложках из метан-водородных газовых смесей [1, 2]. Различные методы анализа показали, что свойства CVD алмаза очень близки к бес- примесному, типа II-a монокристаллическому алмазу. Это открытие стимулировало широ- кие исследования в области CVD синтеза ал- мазов по всему миру, целью которых было a) b) c) d) e) f) g) Рис. 14. Модель формиро- вания CVD алмазной плен- ки с различной вероятнос- тью вторичного зароды- шеобразования: а) 0, b) 1⋅10–6, (c) 1⋅10–5, d) 1⋅10–4, e) 1⋅10–-3, f) 1⋅10–2, g) 0,1 [16]. Рис. 15. Модель столбчатого поликристаллического роста на 10 случайных кристаллах засева на неалмазной (100) подложке (слева); SEM фотография сечения мик- рокристаллической CVD алмазной плёнки выращен- ной на (100) Si, показывающая столбчатую структуру (справа) [16]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 35ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 получение алмаза для абразивных покрытий, теплоотводов и высокопроизводительных электронных устройств. Многочисленные последующие исследования в этой области обнаружили ведущую роль метилового ради- кала СН3- и атомарного водорода для алмаз- ного синтеза MW CVD методом, а также вли- яние температуры подложки и концентрации углеродосодержащего газа на морфологию растущего покрытия. Например, по мере уве- личения температуры подложки, характер кристаллизации менялся от правильного ок- таэдра до куба через переходные кубо-окта- эдры, как показано на рис. 16 [18]. Также вы- яснилось, что плотность зародышеобразова- ния алмаза на карбидообразующих материа- лах, таких как Si, Mo, W была на ~2 порядка выше, чем на не карбидообразующих под- ложках, таких как Cu или Au. Механизм формирования алмазов не вы- яснен до конца, но Setaka предложил концеп- туальную диаграмму образования алмазов (рис. 17) [18, 19] для СВЧ метода. Здесь метан и водород диссоциируют в плазме образуя химически активные фрагменты, ионы и ра- дикалы, так же как и атомарный водород. Уг- леводородные частицы случайным образом диффундируют и оседают на подложке. В на- чальной стадии синтеза, когда подложка не покрыта алмазами, на её поверхности, вслед- ствие многочисленных химических реакций, вызванных водородом, образуются углерод- ные кластеры. Большинство кластеров имеют термодинамически стабильную графитную и аморфную структуру, но одновременно, бла- годаря термодинамическим флуктуациям, также образуются метастабильные алмазные структуры. Поскольку скорость травления гра- фита атомарным водородом в десятки раз бо- льше, чем алмаза, то графитные кластеры бы- стро стравливаются с поверхности подложки и, в результате, остаются только алмазные кластеры, которые продолжают рост. Более того, атомарный водород взаимодействует с ненасыщенными sp1 и sp2 связями между угле- родными атомами в кластерах, преобразует их в тетраэдрические sp3 связи. Поэтому ато- марный водород способствует формирова- нию алмазных кластеров только с sp3 связями, подавляя все другие формы кластеров, име- ющих ненасыщенные связи [18, 19]. На сегодняшний день благодаря теорети- ческим исследованиям [16, 17, 20] и большому количеству экспериментальных работ в обла- сти CVD алмазного синтеза ученые научи- лись управлять кристаллической структурой получаемых плёнок от поликристаллической (PCD), микрокристаллической (MCD) и нано- кристаллической (NCD) вплоть до ультрана- нокристаллической (UNCD), путём изме- нения условий осаждения и состава газов. Типичные условия осаждения включают в се- бя использование газовой смеси, содержащей небольшое количество углеводородов (т.е. не- сколько процентов углеводородов в водо- роде), вводимые мощности Р ~ 1 ÷ 2 кВт, дав- ления порядка р ~ 100 ÷ 200 Торр. Добавка в исходную газовую смесь небольшого количе- ства азота, как уже говорилось, в несколько раз увеличивает скорость осаждения без ущерба кристаллической структуре. В смесях, бо-гатых аргоном, например – CH4/H2/Ar – 1%/2%/97%, размер зерна уменьшается и до- Рис. 16. Изменения алмазного крис- талла при изменении условий осаж- дения [18]. Рис. 17. Механизм формирования MWP CVD алмаза, предложенный N. Setaka [19]. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ 36 стигает размеров порядка нанометров [21, 22]. Такие нанокристаллические (NCD) и уль- трананокристаллические (UNCD) алмазные плёнки гораздо более гладкие, чем микрокрис- таллические. Типичное поликристаллическое покрытие показано на рис. 15, нанокристал- лическое – на рис. 18 [16]. Для увеличения площади получаемых алмазных плёнок используют частоту не 2.45 ГГц, а 915 МГц, что позволяет увеличить диаметр подложки до 15 см [10, 22] и полу- чать свободные толстые поликристалличес- кие алмазные пластины (рис. 19). Как уже упоминалось выше, для наилуч- шей работы электронных устройств требуется монокристалл алмаза, однако стоимость кру- пных кристаллов алмаза непомерно высока. Экономической альтернативой монокрис- таллам может быть поликристаллическая CVD алмазная плёнка. К сожалению, грани- цы случайно ориентированных зёрен в поли- кристаллических алмазных плёнках дейст- вуют как транспортные барьеры и пути уте- чек, что значительно снижает теплопровод- ность. Всё это делает электронные приборы на поликристаллических плёнках хуже ка- чеством, чем изготовленные на монокристал- лическом материале. Однако разработаны ме- тоды получения высокоориентированных ал- мазных плёнок (high oriented diamond – HOD), которые демонстрируют свойства, близкие к монокристаллическим в боковом направле- нии роста. Такие плёнки можно вырастить на монокристаллической Si подложке, при- менив BEN (bias enhanced nucleation – зарож- дение с подачей постоянного электрического смещения) процесс в фазе зародышеобразо- вания. При этом на подложке получают до 50% одинаково ориентированных зародышей с ориентацией плоскости (100) параллельно подложке и плотностью до 1010 см–2, которые в процессе синтеза, срастаясь подавляют кри- сталлы, растущие под иными углами. В ре- зультате, получается плёнка большой пло- щади с гладкой ростовой поверхностью из сросшихся одинаково ориентированных кри- сталлов со свойствами, близкими к свойст- вам монокристалла (рис. 20) [3, 23, 24]. Еще одной альтернативой монокристаллическому алмазу могут служить так называемые спон- танно сросшиеся алмазные пленки (spontaneo- usly coalesced diamond films), которые можно вырастить методом CVD на доменах Pt фоль- ги, монокристаллах Pt (111) и монокристал- лических Pt (111) плёнках, выращенных на ти- а) b) Рис. 18. SEM изображение нанокристаллической ал- мазной пленки на Si(100) подложке. а) – сечение, b) – поверхность [16]. Рис. 19. Необработанные алмазные диски 5; 7.5; 10 и 15 см. Рис. 20. Поверхностная морфология HOD пленки полу- ченной с применением BEN технологии [24]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 37ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 танате стронция (111) [23]. Эти пленки благо- даря их структуре легко легируются бором, а их поверхность содержит только 108/см2 вин- товых дислокаций, что, по мнению авторов, уже пригодно для применения в электронике. ПОЛУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕС- КОГО АЛМАЗА Как уже упоминалось выше, электронные устройства, изготовленные на алмазных под- ложках, обладают уникальными свойствами. Поэтому производство свободных монокрис- таллических алмазных пленок и пластин приемлемых размеров наиболее прогрессив- ным MWP CVD методом является сейчас на- иболее актуальной задачей для исследовате- лей. На сегодняшний день монокристалличе- ские пленки, пластины и монокристаллы ал- маза этим методом удалось получить исклю- чительно на монокристаллических алмазных подложках из природного или синтетическо- го алмаза, на которых возможен гомоэпитак- сиальный рост. Сообщения о синтезе моно- кристаллической пленки или пластины на не алмазной подложке авторам данного обзора неизвестны. Поскольку алмазы как природ- ные, так и синтетические имеют высокую сто- имость и, как правило, небольшие размеры, то размер подложек для алмазного синтеза ог- раничивается характерными размерами 3×3, 5×5, максимум 10×10 мм. Из множества работ разных авторов, по- свящённых этой теме, можно выделить об- щие цели и общие проблемы. Одной из ос- новных целей большинства таких работ яв- ляется получение монокристаллической ал- мазной плёнки или пластины максимально возможных размеров с наименьшим коли- чеством дефектов и с наибольшей возможной скоростью осаждения без снижения качества. Как отмечено, многими исследователями, гомоэпитаксиальный рост алмаза на алмазных подложках идёт, в основном, ступенчато и в направлении перпендикулярном поверхнос- ти подложки. При этом по периметру на кромке синтезируемой плёнки наблюдается хаотический поликристаллический рост кри- сталлов во всех направлениях. Для получения из такой плёнки или пластины изделия, при- годного для дальнейшего применения в ка- честве подложки для электроники, образец отделяют от подложки различными способа- ми. Поликристаллическую периферийную часть полученного образца обрезают и, таким образом, получают пластину площадью, не превышающей площади исходной алмазной затравки. В работе [23] для увеличения пло- щади синтезируемой монокристальной плас- тины предлагается сложить несколько подо- гнанных к друг другу монокристаллических подложек, например 4×4 шт, и осаждать на них алмазное покрытие до зарастания зазо- ров. Авторами [25] для увеличения площади образца предлагается после обрезки его по периметру и шлифовки повернуть образец на 90° и доращивать в реакторе каждую из сто- рон. Такая идея заслуживает внимания, но насколько такой способ приемлем для мас- сового производства – неизвестно. Одна из проблем, которая до сих пор не решена радикально – это отделение алмазного покрытия от алмазной подложки с наимень- шими потерями для обоих. Обычно это дела- ют с помощью механической прецизионной резки алмазным диском или более прогрес- сивным методом – лазерной резкой [26]. Ин- тересный способ был предложен в работе [27]. Алмазная подложка перед установкой в MW CVD реактор подвергалась ионной имп- лантации ионным пучком О+ с энергией 3.7 МэВ, который проходил без взаимо- действия с верхними слоями подложки и разрушал более нижние слои на расстоянии более 1 мкм от поверхности алмаза, оставляя исходную поверхность образца практически нетронутой. После этого проводилось гомо- эпитаксиальное алмазное осаждение с после- дующим отжигом при 600 °С в кислороде при 1 атм в течение 5 ÷ 6 часов для отделения плёнки от подложки. После полировки эту подложку можно использовать многократно. При гомоэпитаксиальном алмазном осаж- дении многие исследователи [26, 28, 29, 30, 31] столкнулись с проблемой роста “бугорков” на поверхности осаждаемой плёнки (рис. 21). Бугорки представляют собой пирамидаль- ные выступы, имеющие угол наклона граней в несколько градусов, которые образуются на шлифованных параллельно кристаллическим плоскостям подложках. На их вершинах на- Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ 38 ходятся не эпитаксиальные кристаллиты. Ав- торы [28] предположили, что не эпитаксиаль- ные частицы могут образовываться в местах подложки с пониженным энергетическим ба- рьером, например, дефекты поверхности и выходы дислокаций. Скорости роста этих не эпитаксиальных частиц выше, чем скорость вертикального роста основного гомоэпитак- сиального материала. Поэтому они работают как непрерывный источник новых плоскос- тей, которые, расширяясь, образуют наблюда- емый угол наклона пирамидок. Для борьбы с этим явлением используют различные ме- тоды. С целью подавления роста бугорков в ра- боте [28] предварительно шлифовали верх- нюю поверхность алмазной подложки с углом 3 ÷ 8° относительно [100]. В результате после осаждения получалась атомарно-гладкая рос- товая поверхность. Такую же гладкую поверх- ность роста получали в работе [32] в экспери- ментах по осаждению покрытий на кристал- лы алмаза, шлифованные под различными (2° ÷ 5°) углами к <110> и <100> кристаллогра- фическим направлениям. Другой способ подавления бугоркового роста был предложен T. Teraji с сотрудниками [29, 30]. Харрис и Гудвин [33], а позднее Та- мура и др. [34] предложили теорию желобко- вого механизма, который объясняет формиро- вание атомарно гладкой алмазной поверхнос- ти через предпочтительный рост на ступенча- тых участках. Механизм роста по этой теории объясняется ими, во-первых, большим чис- лом свободных связей на кромках ступеней по сравнению с плоскостью террас из-за быс- трой водородной десорбции и, во-вторых, лёгким объединением абсорбированных уг- леродных частиц в алмазный кристалл на кромках ступеней, а не на террасах из-за большой силы отталкивания между частица- ми и ближайшим водородом. Учитывая этот механизм роста, увеличение температуры подложки увеличивает скорость реакции на ступенях, что увеличивает скорость осажде- ния. Одновременно концентрация углерод- ных частиц уменьшается над поверхностью образца потому, что углеродные радикалы быстро расходуются для реакций на кромках ступеней, что, в результате, подавляет рост островков. Поэтому для подавления островко- вого роста и улучшения качества кристалли- зации при высоких скоростях осаждения и, соответственно, концентрациях метана авто- рами [29, 30] применялась температура под- ложки больше 1000 °С. Дополнительно к это- му, перед осаждением подложка полирова- лась и подвергалась травлению в кислород- ной плазме, что ещё более способствовало по- лучению гладкой ростовой поверхности. Эффективность предварительной подго- товки подложки (очистка в кипящей сульфа- хромной кислоте с последующим травлением в смеси HCl/HNO3 для удаления всех вклю- чений с последующим травлением подложки в О2/Н2 плазме в MW CVD реакторе) и доста- точно высокой температуры подложки при осаждении с высокой скоростью ~5 – 6 мкм/час показана в работе [31]. Совместно с предварительной подготовкой, применение большой СВЧ мощности (3.2 кВт) при осаж- дении позволило увеличить концентрацию метана и вырастить монокристаллическое по- крытие толщиной 520 мкм при скорости ~6 мкм/час с гладкой поверхностью и очень низкой концентрацией дефектов. Добавление малого количества азота в общую газовую смесь позволило увеличить скорость осаж- дения до 33 мкм/час, но это, как опасаются авторы, могло привести к деградации элект- ронных свойств получаемых образцов. Типичный способ получения высокока- чественных свободных алмазных плёнок по- шагово описан в работе [26], который здесь приводится более подробно. Для плазмен- ного осаждения использовалась установка ASTeX с 5 кВт MWP CVD (PDS 17). Подлож- ками служили синтетические алмазные плас- тинки размером 2.5×2.5×0.5 мм3, полученные с использованием статических высоких дав- лений и температур в области фазовой ста- а) б) Рис. 21. а) – Поверхность 100 мкм покрытия на (001) ориентированной Ib подложке. б) – профиль поверх- ности [28]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 39ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 бильности алмаза (НРНТ) типа Ib с углами от- клонения поверхности от (100) плоскости ме- нее 1°. Для того чтобы подавить вторичное зарождение и сделать поверхность подложки с малой плотностью дефектов, применялась разработанная авторами процедура предва- рительной подготовки. Вначале подложки подвергались химическому травлению в кислотном растворе H2SO4+ KNO3 (250 °С, 30 мин) для устранения поверхностных за- грязнений, после чего промывались ультра чистой водой. Перед осаждением выполня- лось плазменное травление подложек в MWP CVD реакторе течение 90 мин в 4% смеси О2/Н2. После травления подложка не извле- калась из камеры. Перед осаждением камера откачивалась турбомолекулярным насосом до 2⋅10–7 Торр. Типичные условия осаждения были: давление 180 Торр, мощность 600 Вт, температура 700 – 800 °С. Газовая смесь СН4/Н2 – 6 ÷ 15% поступала со скоростью 500 стандартных кубических сантиметра в минуту (sccm). За 160 час получали 400 мкм плёнку, которую затем отделяли от подложки лазер- ным резанием. Специально разработанный молибденовый подложкодержатель позволял избегать краевых эффектов (т.е. алмаз высту- пал над краем подложкодержателя). Авторы считают, что присутствие нежелательных кристаллитов можно избежать, если скорость их роста ниже, чем всего слоя в целом. По- этому они выбрали низкую температуру под- ложки – менее 800 °С, и высокую концент- рацию метана – 7% для получения наиболее высокой скорости роста в направлении (100). При температуре подложки 800 °С и 7% ме- тана не наблюдалось никакой катодо-люми- нисценции, свидетельствующей о наличии дефектов структуры или признаков не эпи- таксиального роста и пирамидальных бугор- ков; наблюдались только хорошо выражен- ные круглые бугорки, размеры и количество которых уменьшалось с понижением тем- пературы подложки. Снижение температуры подложки до 700 °С подавляло рост круглых бугорков. Это несколько расходится с при- ёмами, предложенными другими исследо- вателями [29, 30, 31], где для подавления бугоркового роста, наоборот, использовалось повышение температуры подложки. Тем не менее, авторы этой работы [26] получили 450 мкм плёнки с величиной средней шеро- ховатости Rms, измеренной с помощью атом- но-силового микроскопа (AFM) для поверх- ности 5×5 мкм2, от 0,5 до 1 нм по всей поверх- ности образцов. Из своих экспериментов они сделали вывод, что комбинация высокой кон- центрации метана, высокого давления и от- носительно низкой температуры подложки совместно с её предварительной подготовкой приводят к получению плёнок практически свободных от бугорков или не эпитаксиаль- ных частиц на поверхности. Интересный результат был получен груп- пой исследователей из Японии [25]. Ими вы- ращен монокристаллический алмаз высотой 10 мм на синтетической HPHT 5×5×0.7 мм за- травке путем 24 кратного повторения процес- са со средней скоростью 68 мкм/час. Высокая скорость осаждения достигнута за счёт малой добавки азота в традиционную водородно- метановую газовую смесь. Для выращивания “суперкристалла” был разработан специаль- ный подложкодержатель (рис. 22). Покрытия, выращенные на этом держателе, показали ровную поверхность и отсутствие роста на кромках. По мере уменьшения d в ходе про- цесса, кривизна растущей поверхности ста- новится меньше и в конечном итоге при d = 0 можно получить практически плоскую поверхность. Вследствие того, что темпера- тура пальца из молибдена ниже температуры подложки, края подложки охлаждаются за счёт теплопроводности и, в результате, синтез Рис. 22. Схематическое изображение подложкодержа- теля [25]. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ плазма подложка Мо палец d 40 в этом месте подавляется. Процесс повторе- ния при выращивании крупного алмаза не- избежен, поскольку увеличение толщины по- ликристаллов на самом подложкодержателе приводит к перегреву и отслаиванию алмаза. Для устранения этого явления необходимо прерывать процесс осаждения через опреде- лённый промежуток времени и чистить под- ложкодержатель. По мере роста алмаза глуби- ну отверстия в держателе увеличивали. С це- лью поддержания ровной поверхности про- цесс осаждения прерывался до того, как d достигало 0. Температура была 1130 °С, дав- ление 24 кПа, напуск азота 0.6 sccm в допол- нение к 500 sccm для Н2 и 60 sccm для СН4. В результате, как показано на рис. 23, после 24 циклов был успешно выращен большой CVD алмаз, толщиной 1 см и весом 4.65 карат на затравке 5×5×0.7 мм3. В этой же работе предложен метод 3-х мерного увеличения уже выращенного крис- талла. Для этого применен тот же цикличес- кий метод доращивания на боковой {100} по- верхности. Сначала готовился кристалл, вы- ращенный на 3×3×0,5 мм затравке (рис. 24а). Он обрезался и шлифовался до кубической формы с 6 {100} поверхностями (рис. 24б). После подготовки, алмаз был успешно доро- щен на одной боковой {100} поверхности с помощью 3-х циклов в тех же условиях (рис. 24в). Если применить этот способ многократ- но для нескольких {100} боковых поверхнос- тей то, как утверждают авторы, дальнейшее 3-х мерное увеличение кристаллов вполне возможно. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ СИНТЕТИ- ЧЕСКОГО АЛМАЗА, ПОЛУЧЕННОГО CVD МЕТОДОМ В этом разделе приводятся несколько приме- ров электронных устройств, изготовленных на базе моно- и поликристаллических синте- тических алмазных пленок. Полевые эмиттеры. На рис. 25 приведе- на фотография, выполненная на сканирую- щем электронном микроскопе, игольчатого алмазного эмиттера, полученного методом шаблонного травления плазмой. Как извест- но, алмаз имеет отрицательное электронное сродство (NEA). В NEA материалах возбуж- дённый электрон, перешедший в зону про- водимости, спонтанно эмитируется в вакуум, поскольку его состояние в вакууме более ста- бильно. Поэтому алмазные полевые иголь- чатые эмиттеры можно использовать, напри- мер, в качестве панелей для плоских дисп- Рис. 23. Синтезированный 4.65 каратный моно- кристалл алмаза высотой 10мм [25]. a) б) в) Рис. 24. Увеличение бокового размера синтетического алмаза на {100} боковой грани. а) – кристалл, полу- ченный на 3×3×0,5 мм затравке. б) – обрезанный и отполированный алмаз с шестью {100} плоскостями. в) – алмаз, выращенный на боковой {100} грани. Рис. 25. Фрагмент алмазного полевого эмиттера [23]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 НРНТ затравка 5×××××5×××××0.7 мм вид сбоку вид сверху Ib (100) подложка 1.0 mm 41ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 леев. Наиболее важным на данном этапе – это найти способ “впрыскивания” электро- нов в зону проводимости. Также важно раз- работать получение игл эмиттеров с наимень- шим радиусом закругления острия, посколь- ку, чем острее пик, тем лучше эмиссия элект- ронов. Газовые сенсоры. Для регистрации леги- рующих газов для полупроводников, таких как РН3 и AsH3 в промышленности используют системы электролитического типа. Ожидает- ся, что размеры и стоимость монтажа сенсо- ров будут сильно уменьшены, если они будут заменены твёрдотельными устройствами. Сейчас удалось создать поликристалличес- кую алмазную плёнку для газовых сенсоров, которая имеет очень высокую чувствитель- ность [23]. Избирательность по алкоголям и водороду была достаточно высокой благодаря предварительной специальной (не уточняет- ся) обработке (активации) поверхности плён- ки. По утверждению авторов механизм чувст- вительности до сих пор неизвестен и для уве- личения чувствительности и избирательнос- ти им необходимы дальнейшие исследова- ния. Химический электрод. Как недавно об- наружено, легированная бором полупровод- никовая алмазная пленка, а также сильно ле- гированная бором вырожденная “металличе- ская” алмазная плёнка имеют ряд уникальных характеристик, позволяющих использовать их в качестве электродов в электрохимии. Так электроды из проводящей алмазной плёнки отличаются широким окном потенциала в водных и неводных растворах, малым фоно- вым током и стойкостью в кислотных и спир- товых растворах. В этой области проведены многочисленные исследования с которыми читатель может ознакомиться в [35]. Алмазные детекторы и сенсоры. Алмаз является идеальным кандидатом для детек- торов частиц и ультрафиолетовых, рентге- новских гамма-сенсоров, поскольку объеди- няет ряд уникальных свойств. Он обладает теплопроводностью в 4 раза выше, чем медь, пробивное напряжение 1011 В/см, высокую радиационную стойкость и стабилен при температурах свыше 1000 °С. По существу, ал- мазный детектор может быть подвержен вы- сокоинтенсивному пучку без большого пере- грева и радиационного разрушения. Благо- даря его высокому электрическому сопротив- лению, поперек детектора можно приложить большие электрические поля без сильного увеличения тока утечки. К тому же, простая металл-алмаз-металл (m-d-m) структура мо- жет использоваться как детекторный элемент вместо обратного p-n плоскостного диода, ис- пользуемого в обычных детекторах на базе Si. Для наилучшей работы такого m-d-m устройс- тва требуется монокристалл алмаза, но из-за высокой стоимости для изготовления детек- торов его с успехом заменяют на HOD плёнку, имеющую свойства близкие к монокристаллу. Пошаговое изготовление стрипового алмаз- ного детектора частиц подробно описано в работе [24] (рис. 26). Рис. 26. Стрип-детектор частиц. а) – ленточные контакты сверху HOD мембраны. б) – вид снизу перед осаж- дением проводящего слоя [24]. а) б) Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ 42 Диоды и транзисторы. Диод, состоящий из металлического электрода, нелегирован- ного (внутреннего) алмаза, полупроводнико- вого алмаза и кремниевого или заднего кон- такта называется MiS диодом. Подобная структура недавно использована для изготов- ления ультрафиолетового светоиспускающего диода (UV LED). На рис. 27 представлен новый полевой транзистор (FET – field effect transistor), назы- ваемый p+-i-p+ [23]. Он изготовлен с примене- нием электронно-лучевой литографии комби- нированной с В-ион имплантацией для по- лучения затвора и стока, как показано на рис. 27а, б. Длина затвора всего 0.4 мкм. Уни- кальность представленного FET состоит в том, что дырки проходят через нелегиро- ванный (i) алмазный слой под затвором с по- мощью механизма ограниченного тока объём- ного заряда (SCLS – space charge limited cur- rent). С помощью рассмотренных выше струк- туры и использования SCLS механизма ре- шена основная проблема, связанная со стан- дартными MES-типом (metallized semiconduс- tor) FET. Поэтому авторы надеются, что пред- ставленные FETs с SCLS механизмом станут одной из стандартных структур алмазных FETs. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В связи с быстрым развитием различных CVD методов получения синтетического ал- маза возникла необходимость выделить один из наиболее эффективных на сегодняшний день методов – СВЧ плазменное осаждение из смеси газов (MW CVD). Из огромного ко- личества работ, посвященных данной теме, авторы выделили такие, которые, по их мне- нию, наиболее полно отражают состояние дел в данной области науки на сегодняшний день. Для систематизации информации обзор раз- делен на тематические разделы, относящиеся к основным направлениям развития в данной области: это общее описание конструкций различных СВЧ устройств и особенности их функционирования; современные методы проектирования установок и моделирование процессов в них; методы получения, как мо- нокристаллов алмаза, так и поликристалли- ческих плёнок – этому вопросу отведены два раздела, поскольку эти методы уже выдели- лись в два самостоятельных направления. Отдельной главой даны сведения о некото- рых наиболее характерных промышленных применениях синтетического CVD алмаза, поскольку это направление приобретает все большую самостоятельность. Разноплановые исследования во множестве лабораторий по всему миру по проектированию СВЧ ус- тройств, получению моно- и поликристалли- ческих алмазов, применению синтетического CVD алмаза для различных целей лишь в ма- лой степени удалось отразить в данном обзо- ре. Авторы надеются, что данный обзор даст, по крайней мере, информационную базу и приблизительную картину состояния дел на сегодняшний день для исследователей, рабо- тающих в данной области, и будет полезным для дальнейшего развития работ. ЛИТЕРАТУРА 1. Kamo M., Sato Y., Matsumoto S., Setaka N. Di- amond Synthesis from Gas Phase in Micro-wave Plasma// Journal of Crystal Growth. – 1983. – Vol. 62.– P. 642-644. 2. Matsumoto S., Sato Y., Kamo M., Setaka N. Vapor Deposition of Diamond Particles from Methane//J. Appl. Phys. – 1982. – Vol. 21. – P. L183. 3. Wolter S.D., Okuzumi F., Prater J.T., Sitar Z. б) а) Рис. 27. а) – структура устройства; б) – SEM изображе- ние FET транзистора [23]. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 43ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 AC vs. DC Bias-Enhanced Nucleation of Highly Oriented Diamond on Silicon (100)//J. of the Electrochemical Society. – 2002. – Vol. 149 (2). – P. G114-G117. 4. Волков Ю.Я., Ушаков В.А., Залесский Д.Ю., Кушнир В.А., Стрельницкий В.Е. Моделиро- вание резонаторной камеры и топологии элек- трического поля СВЧ реактора для получения алмазных покрытий//Мат. 5 Міжнар. наук. конф. “Фізико-хімічні основи формування і модифікації мікро- та наноструктур” (Харків, Україна). – 2011. – Т. 1. – С. 98-103. 5. Tan W., Grotjohn T.A. Modeling the Electro- magnetic Field and Plasma Discharge in a Micro- wave Plasma Diamond Deposition Reactor//Dia- mond & Related Materials. – 1995. – Vol. 4. – P. 1145-1154. 6. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Soda Y., Horino Y., Fujimori N. Numerical Analysis of Po- wer Absorption and Gas Pressure Dependence of Microwave Plasma Using a Tractable Plasma Description//Diamond&Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 1395-1399. 7. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Soda Y. Sikata Si. Simulation with an Improved Plasma Model Utilized to Design a New Structure of Mic- rowave Plasma Discharge for Chemical Vapor Deposition of Diamond Crystals//Diamond& Related Materials.–2008.– Vol. 17. – P. 494-497. 8. Fuji K., Sumimoto T., Hatta A. Diamond Synthesis by Microwave and DC Hybrid Plasma CVD// NASA/CP – 2001-210948, Proceedings of the Sixth Applied Diamond Conf./Second Frontier Carbon Technology Joint Conf. (ADC/FCT 2001). – 2001. – P. 348. 9. Fhner M., Wild C., Koidl P. Novel Microwave Plasma Reactor for Diamond Synthesis//Appl. Phys. Letters. – 1998. – Vol. 72, No. 10. – P. 1149-1151. 10. Fhner M., Wild C., Koidl P. Simulation and De- velopment of Optimized Microwave Plasma Re- actors for Diamond Deposition//Surface and Coatings Technology. – 1999. – Vol. 116-119. – P. 853-862. 11. Fhner M., Wild C., Koidl P. Numerical Simulati- ons of Microwave Plasma Reactors for Diamond CVD// Surface and Coatings Technology. – 1995. – Vol. 74-75. – P. 221-226. 12. Silva F., Bonnin X., Scharpf J. A. Pasquarelli, Microwave Analysis of PACVD Diamond Depo- sition Reactor Based on Electromagnetic Mode- ling//Diamond & Related Materials. – 2010. – Vol. 19. – P. 397-403. 13. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Soda Y., Horino Y., Shikata S. Simulation of Microwave Plasmas Concentrated on the Top Surface of a Diamond Substrate with Finite Thickness//Dia- mond&Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 1383-1388. 14. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Hori- no Y., Shikata S. Numerical Analyses of a Micro- wave Plasma Chemical Vapor Deposition Reac- tor for Thick Diamond Syntheses//Diamond& Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 1389-1394. 15. Yamada H., Mokuno Y., Chayahara A., Hori- no Y., Shikata S. Predominant Physical Quantity Dominating Macroscopic Surface Shape of Dia- mond Synthesized by Microwave Plasma CVD //Diamond&Related Materials. – 2007. –Vol. 16. – P. 576-580. 16. Mankelevich Yu.A., May P.W., Allan N.L., Ash- fold M.N.R., Richley J.C. Simulations of Poly- crystalline CVD Diamond Film Growth Using a Simplified Monte Carlo Model//Diamond & Re- lated Materials. – 2010. – Vol. 19. – P. 389-396. 17. Mankelevich Yu.A., May P.W. New Insights into the Mechanism of CVD Diamond Growth: Single Crystal Diamond in MW PECVD Reactors// Diamond & Related Materials.– 2008. – Vol. 17. – P. 1021-1028. 18. Kobashi K., Nishimura K., Kawate Y., Horiu- chi T. Synthesis of Diamonds by use of Micro- wave Plasma Chemical-vapor Deposition: Mor- phology and Growth of Diamond Films//Physi- cal Review B. – 1988. – Vol. 38, No. 6. – P. 11. 19. Setaka N. Hyomen//Surface (in Japanese). – 1984. – Vol. 22. – P. 110. 20. Mankelevich Yu.A., Ashfold M.N.R., Ma Jie. Plasma-chemical Processes in Microwave Plas- ma-enhanced Chemical Vapor Deposition Rea- ctors Operating with C/H/Ar Gas Mixtures//J. Appl. Phys. – 2008. – Vol. 104. – P. 113304. 21. Zhou D., Gruen D.M., Qin L.C., McCauley T.G., and Krauss A.R. Control of diamond film micro- structure by Ar additions to CH4/H2 microwave plasmas//J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 84. – P. 1981. 22. King D., Yaran M.K., Schuelke T., Grotjohn T.A., Reinhard D.K., Asmussen J. Scaling the Micro- wave Plasma-assisted Chemical Vapor Diamond Deposition Process to 150 – 200 mm Substrates //Diamond&Related Materials. – 2008. –Vol. 17. – P. 520-524. 23. Kobashi K., Yokota Y. R&D of Diamond Films in Kobe Steel//Proceedings of the Sixth Applied Diamond Conf./Second Frontier Carbon Techno- logy Joint Conference (ADC/FCT 2001). – 2001. – P. 24-30. 24. Han S.K., McClure M.T., Wolden C.A., Vlaho- vic B., Soldi A., Sitar S. Fabrication and Testing of a Microstrip Particle Detector Based on Highly Oriented Diamond Films//Diamond&Related Ma- terials. – 2000. – Vol. 9. – P. 1008-1012. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ 44 25. Mokuno Y., Chayahara A., Soda Y., Horino Y., Fujimori N. Synthesizing Single-crystal Diamond by Repetition of High Rate Homoepitaxial Growth by Microwave Plasma CVD//Diamond & Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 1743-1746. 26. Bogdan G., Neslaўdek M., D’Haen J., Hae- nen K., D’Olieslaeger M. Freestanding (100) Ho- moepitaxial CVD Diamond//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 508-512. 27. Tzeng Y., Wei J., Woo J.T., Lanford W. Free- standing Single-crystalline Chemically vapor Deposited Diamond Films//2216 Appl. Phys. Lett. – 1993. – Vol. 63. – P. 6. 28. Bauer T., Schreck M., Sternschulte H., Stritz- ker B. High Growth Rate Homoepitaxial Diamond Deposition on Off-axis Substrates//Diamond& Related Materials. –2005.–Vol. 14. –P. 266-271. 29. Teraji T., Hamada M., Wada H., Yamamoto M., Ito T. High-quality Homoepitaxial Diamond (100) Films Grown under High-rate Growth Condition //Diamond&Related Materials. – 2005. –Vol. 14. – P. 1747- 1752. 30. Teraji T., Hamada M., Wada H., Yamamoto M., Arima K., Ito T. High Rate Growth and Electrical/ optical Properties of High-quality Homoepitaxial Diamond (100) Films//Diamond&Related Mate- rials. – 2005. – Vol. 14. – P. 255-260. 31. Tallaire A., Achard J., Silva F., Sussmann R.S., Gicquel A. Homoepitaxial Deposition of High- quality Thick Diamond Films: Effect of Growth Parametrs//Diamond&Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 249-254. 32. Maida O., Miyatake H., Teraji T., Ito T. Charac- terization of Substrate Off-angle Effects for High- quality Homoepitaxial CVD Diamond Films// Diamond&Related Materials. – 2008. – Vol. 17. – P. 435-439. 33. Harris S.J., Goodwin D.G. Growth on the re- constructed diamond (100) surface//J. Phys. Chem. – 1993. – Vol. 97. – P. 23. 34. Tamura H., Zhou H., Hirano Y., Takami S., Ku- bo M., Beloskov R., Miyamoto A., Imamura A., Gamo M., Ando T. First-Principle Study on Re- actions of Diamond (100) Surfaces with Hydro- gen and Methyl Radicals//Phys. Rev. B. – 2000. – Vol. 62. – P. 16995. 35. New Diamond&Frontier Carbon Technology. – 1999. – Vol. 9, No. 3, 4. LITERATURA 1. Kamo M., Sato Y., Matsumoto S., Setaka N. Di- amond Synthesis from Gas Phase in Micro-wave Plasma// Journal of Crystal Growth. – 1983. – Vol. 62. – P. 642-644. 2. Matsumoto S., Sato Y., Kamo M., Setaka N. Vapor Deposition of Diamond Particles from Methane//J. Appl. Phys. – 1982. – Vol. 21. – P. L183. 3. Wolter S.D., Okuzumi F., Prater J.T., Sitar Z. AC vs. DC Bias-Enhanced Nucleation of Highly Oriented Diamond on Silicon (100)//J. of the Electrochemical Society. – 2002. – Vol. 149 (2). – P. G114-G117. 4. Volkov Yu.Ya., Ushakov V.A., Zalesskij D.Yu., Kushnir V.A., Strel’nickij V.E. Modelirovanie re- zonatornoj kamery i topologii ‘elektricheskogo polya SVCh reaktora dlya polucheniya almaznyh pokrytij//Mat. 5 Mіzhnar. nauk. konf. “Fіziko- hіmіchnі osnovi formuvannya і modifіkacії mіkro- ta nanostruktur” (Harkіv, Ukraina). – 2011. – T. 1. – S. 98-103. 5. Tan W., Grotjohn T.A. Modeling the Electro- magnetic Field and Plasma Discharge in a Micro- wave Plasma Diamond Deposition Reactor//Dia- mond & Related Materials. – 1995. – Vol. 4. – P. 1145-1154. 6. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Soda Y., Horino Y., Fujimori N. Numerical Analysis of Power Absorption and Gas Pressure Dependence of Microwave Plasma Using a Tractable Plas- ma Description//Diamond&Related Materials. – 2006. - Vol. 15. - P. 1395-1399. 7. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Soda Y. Sikata Si. Simulation with an Improved Plasma Model Utilized to Design a New Structure of Mic- rowave Plasma Discharge for Chemical Vapor Deposition of Diamond Crystals//Diamond& Related Materials.–2008.–Vol. 17. – P. 494-497. 8. Fuji K., Sumimoto T., Hatta A. Diamond Synthesis by Microwave and DC Hybrid Plasma CVD// NASA/CP – 2001-210948, Proceedings of the Sixth Applied Diamond Conf./Second Frontier Carbon Technology Joint Conf. (ADC/FCT 2001). – 2001. – P. 348. 9. Fhner M., Wild C., Koidl P. Novel Microwave Plasma Reactor for Diamond Synthesis//Appl. Phys. Letters. – 1998. – Vol. 72, No. 10. – P. 1149-1151. 10. Fhner M., Wild C., Koidl P. Simulation and De- velopment of Optimized Microwave Plasma Re- actors for Diamond Deposition//Surface and Coatings Technology. – 1999. – Vol. 116-119. – P. 853-862. 11. Fhner M., Wild C., Koidl P. Numerical Simulati- ons of Microwave Plasma Reactors for Diamond CVD// Surface and Coatings Technology. – 1995. – Vol. 74-75. – P. 221-226. 12. Silva F., Bonnin X., Scharpf J. A. Pasquarelli, Microwave Analysis of PACVD Diamond Depo- sition Reactor Based on Electromagnetic Mode- ling//Diamond & Related Materials. – 2010. – Vol. 19. – P. 397-403. СИНТЕЗ АЛМАЗА В СВЧ ПЛАЗМЕ: ОБОРУДОВАНИЕ, ПЛЕНКИ, ПРИМЕНЕНИЕ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 45ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 1, vol. 11, No. 1 13. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Soda Y., Horino Y., Shikata S. Simulation of Microwave Plasmas Concentrated on the Top Surface of a Diamond Substrate with Finite Thickness//Dia- mond&Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 1383-1388. 14. Yamada H., Chayahara A., Mokuno Y., Hori- no Y., Shikata S. Numerical Analyses of a Micro- wave Plasma Chemical Vapor Deposition Reactor for Thick Diamond Syntheses//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 1389-1394. 15. Yamada H., Mokuno Y., Chayahara A., Hori- no Y., Shikata S. Predominant Physical Quantity Dominating Macroscopic Surface Shape of Diamond Synthesized by Microwave Plasma CVD //Diamond&Related Materials. – 2007. – Vol. 16. – P. 576-580. 16. Mankelevich Yu.A., May P.W., Allan N.L., Ash- fold M.N.R., Richley J.C. Simulations of Poly- crystalline CVD Diamond Film Growth Using a Simplified Monte Carlo Model//Diamond & Re- lated Materials. – 2010. – Vol. 19. – P. 389-396. 17. Mankelevich Yu.A., May P.W. New Insights into the Mechanism of CVD Diamond Growth: Single Crystal Diamond in MW PECVD Reactors// Diamond & Related Materials. – 2008. – Vol. 17. – P. 1021-1028. 18. Kobashi K., Nishimura K., Kawate Y., Horiu- chi T. Synthesis of Diamonds by use of Micro- wave Plasma Chemical-vapor Deposition: Mor- phology and Growth of Diamond Films//Physical Review B. – 1988. – Vol. 38, No. 6. – P. 11. 19. Setaka N. Hyomen//Surface (in Japanese). – 1984. – Vol. 22. – P. 110. 20. Mankelevich Yu.A., Ashfold M.N.R., Ma Jie. Plasma-chemical Processes in Microwave Plas- ma-enhanced Chemical Vapor Deposition Rea- ctors Operating with C/H/Ar Gas Mixtures//J. Appl. Phys. – 2008. – Vol. 104. – P. 113304. 21. Zhou D., Gruen D.M., Qin L.C., McCauley T.G., and Krauss A.R. Control of diamond film micro- structure by Ar additions to CH4/H2 microwave plasmas//J. Appl. Phys. – 1998. – Vol. 84. – P. 1981. 22. King D., Yaran M.K., Schuelke T., Grotjohn T.A., Reinhard D.K., Asmussen J. Scaling the Micro- wave Plasma-assisted Chemical Vapor Diamond Deposition Process to 150 – 200 mm Substrates //Diamond&Related Materials.–2008.– Vol. 17. – P. 520-524. 23. Kobashi K., Yokota Y. R&D of Diamond Films in Kobe Steel//Proceedings of the Sixth Applied Diamond Conf./Second Frontier Carbon Techno- logy Joint Conference (ADC/FCT 2001). – 2001. – P. 24-30. 24. Han S.K., McClure M.T., Wolden C.A., Vlaho- vic B., Soldi A., Sitar S. Fabrication and Testing of a Microstrip Particle Detector Based on Highly Oriented Diamond Films//Diamond&Related Ma- terials. – 2000. – Vol. 9. – P. 1008-1012. 25. Mokuno Y., Chayahara A., Soda Y., Horino Y., Fujimori N. Synthesizing Single-crystal Diamond by Repetition of High Rate Homoepitaxial Growth by Microwave Plasma CVD//Diamond & Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 1743-1746. 26. Bogdan G., Neslaўdek M., D’Haen J., Hae- nen K., D’Olieslaeger M. Freestanding (100) Ho- moepitaxial CVD Diamond//Diamond & Related Materials. – 2006. – Vol. 15. – P. 508-512. 27. Tzeng Y., Wei J., Woo J.T., Lanford W. Free- standing Single-crystalline Chemically vapor Deposited Diamond Films//2216 Appl. Phys. Lett. – 1993. – Vol. 63. – P. 6. 28. Bauer T., Schreck M., Sternschulte H., Stritz- ker B. High Growth Rate Homoepitaxial Diamond Deposition on Off-axis Substrates//Diamond & Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 266-271. 29. Teraji T., Hamada M., Wada H., Yamamoto M., Ito T. High-quality Homoepitaxial Diamond (100) Films Grown under High-rate Growth Condition //Diamond&Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 1747- 1752. 30. Teraji T., Hamada M., Wada H., Yamamoto M., Arima K., Ito T. High Rate Growth and Electrical/ optical Properties of High-quality Homoepitaxial Diamond (100) Films//Diamond&Related Mate- rials. – 2005. – Vol. 14. – P. 255-260. 31. Tallaire A., Achard J., Silva F., Sussmann R.S., Gicquel A. Homoepitaxial Deposition of High- quality Thick Diamond Films: Effect of Growth Parametrs//Diamond&Related Materials. – 2005. – Vol. 14. – P. 249-254. 32. Maida O., Miyatake H., Teraji T., Ito T. Charac- terization of Substrate Off-angle Effects for High- quality Homoepitaxial CVD Diamond Films// Diamond&Related Materials. – 2008. – Vol. 17. – P. 435-439. 33. Harris S.J., Goodwin D.G. Growth on the re- constructed diamond (100) surface//J. Phys. Chem. – 1993. – Vol. 97. – P. 23. 34. Tamura H., Zhou H., Hirano Y., Takami S., Ku- bo M., Beloskov R., Miyamoto A., Imamura A., Gamo M., Ando T. First-Principle Study on Re- actions of Diamond (100) Surfaces with Hydro- gen and Methyl Radicals//Phys. Rev. B. – 2000. – Vol. 62. – P. 16995. 35. New Diamond&Frontier Carbon Technology. – 1999. – Vol. 9, No. 3, 4. Ю.Я. ВОЛКОВ, В.Е. СТРЕЛЬНИЦКИЙ, В.А. УШАКОВ

Синтез алмаза в СВЧ плазме: оборудование, пленки, применение

Репозитарії

Схожі ресурси