RU2788258C1 - Gas jet method for deposition of diamond films with activation in microwave discharge plasma - Google Patents

Abstract

FIELD: protective coatings.

SUBSTANCE: invention can be used to produce diamond coatings. Hydrogen 1 and carbon-containing gas 2 are fed into the discharge chamber 14. The resulting mixture is activated using a microwave discharge to form a plasma cloud 3. The discharge chamber 14 and the deposition chamber 5 are separated from each other, but communicate with each other through a conical nozzle 4. The activated gas mixture is passed through the conical nozzle 4 into the deposition chamber 5, where with the help of a supersonic jet 8 of an activated mixture of gases, the process of deposition and formation of diamond crystals on the surface of a water-cooled substrate 6 is carried out. Molten Rose alloy metal is first applied to the surface of the substrate holder, and then the substrate 6 is installed. Before deposition, the surface of the substrate 6 is cleaned and treated with atomic hydrogen without removing the substrate into the atmosphere. Hydrogen 1 is fed directly into the discharge chamber 14, and carbon-containing gas is fed into a separate channel 2 at the entrance to the conical nozzle 4.

EFFECT: high deposition rate is ensured and the quality of diamond films is improved.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии химического осаждения из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD) алмазных пленок и может быть использовано, например, для получения алмазных покрытий подложек из различных материалов для практических приложений в разных областях техники. Этот метод основывается на активации тем или иным способом газовой смеси, чаще всего содержащей водород и углеводород, для создания необходимых химически активных частиц - атомов водорода и углеродсодержащих радикалов. Осаждение этих радикалов на подложку обеспечивает формирование поликристаллической алмазной пленки в результате целого комплекса поверхностных реакций. Причем для эффективного роста алмазных пленок необходима высокая концентрация атомарного водорода около поверхности подложки (Spitsyn B.V., Bouilov L.L., Derjaguin B.V., J of Cryst. Growth, 1981, v. 52, p. 219-226). Предлагаемое изобретение может быть использовано, например, для получения алмазных покрытий подложек из различных материалов для практических приложений в разных областях техники [Хмельницкий Р.А., Талипов Н.Х., Чучева Г.В. Синтетический алмаз для электроники и оптики / Хмельницкий Р.А. - М.: Издательство ИКАР, 2017; В. Ральченко, В. Конов CVD-алмазы. Применение в электронике. Электроника НТБ. Выпуск №4/2007; Wild Ch., Herres N., Koidl P. Texture formation in polycrystalline diamond f. // J. Appl. Phys. - 1990. - № 68. - P. 973-978. Abreu C.S., Oliveira F.J., Belmonte M. et al. CVD diamond coated silicon nitride self-mated systems: tribological behaviour under high loads. // Tribology Letters. - 2006. - V. 21. - № 2. - P. 141-151; Teraji T., Taniguchi T., Koizumi S. et al. Chemical vapor deposition of 12C isotopically enriched Polycrystalline diamond // Jpn. J. Appl. Phys. - 2012. - № 51, 090104. - P. 1-7]. Достоинством алмаза является химическая инертность, применение алмазных окон позволяет во много раз увеличить мощность э-м. излучения, так как алмаз слабо поглощает электромагнитное излучение и хорошо отводит тепло. Полупроводниковый алмаз рассматривается как перспективный материал для силовой и микроэлектроники.The present invention relates to the technology of chemical vapor deposition (CVD ) of diamond films and can be used, for example, to obtain diamond coatings on substrates from various materials for practical applications in various fields of technology. This method is based on the activation in one way or another of a gas mixture, most often containing hydrogen and hydrocarbon, to create the necessary chemically active particles - hydrogen atoms and carbon-containing radicals. The deposition of these radicals on the substrate ensures the formation of a polycrystalline diamond film as a result of a whole complex of surface reactions. Moreover, for the effective growth of diamond films, a high concentration of atomic hydrogen is required near the substrate surface (Spitsyn BV, Bouilov LL, Derjaguin BV, J of Cryst. Growth, 1981, v. 52, p. 219-226). The present invention can be used, for example, to obtain diamond coatings of substrates from various materials for practical applications in various fields of technology [Khmelnitsky R.A., Talipov N.Kh., Chucheva G.V. Synthetic diamond for electronics and optics / Khmelnitsky R.A. - M.: Publishing house IKAR, 2017; V. Ralchenko, V. Konov CVD diamonds. Application in electronics. Electronics NTB. Issue No. 4/2007; Wild Ch., Herres N., Koidl P. Texture formation in polycrystalline diamond f. // J.Appl. Phys. - 1990. - No. 68. - P. 973-978. Abreu CS, Oliveira FJ, Belmonte M. et al. CVD diamond coated silicon nitride self-mated systems: tribological behavior under high loads. // Tribology Letters. - 2006. - V. 21. - No. 2. - P. 141-151; Teraji T., Taniguchi T., Koizumi S. et al. Chemical vapor deposition of 12C isotopically enriched Polycrystalline diamond // Jpn. J. Appl. Phys. - 2012. - No. 51, 090104. - P. 1-7]. The advantage of diamond is its chemical inertness; the use of diamond windows makes it possible to increase the em power many times over. radiation, since diamond weakly absorbs electromagnetic radiation and removes heat well. Semiconductor diamond is considered as a promising material for power and microelectronics.

У алмаза рекордная среди всех известных материалов теплопроводность - 20-24 Вт/см K при комнатной температуре. Это связано с его рекордно высокой температурой Дебая T_d=1860K, благодаря чему комнатная температура является «низкой» в отношении динамики решетки алмаза. В результате алмаз может служить «идеальной» теплоотводящей подложкой. Алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру с сильными ковалентными связями атомов углерода и с рекордно высокой атомной плотностью - 1.76⋅10²³ см^-3. Это и предопределяет многие особенности алмаза. Действительно, при ширине запрещенной зоны 5.45 эВ удельное сопротивление нелегированного алмаза составляет 10¹³ - 10¹⁴ Ом см. В частности, эти свойства предопределили развитие технологии получения структур "кремний на алмазе" - КНА (silicon on diamond - SOD), которые представляют поликристаллическую алмазную пленку, осажденную на ориентированную кремниевую подложку.Diamond has the highest thermal conductivity among all known materials - 20-24 W/cm K at room temperature. This is due to its record high Debye temperature T _d =1860K, making the room temperature "low" with respect to diamond lattice dynamics. As a result, diamond can serve as an "ideal" heat-removing substrate. Diamond has a cubic crystal structure with strong covalent bonds of carbon atoms and a record high atomic density - 1.76⋅10 ²³ cm ^-3 . This predetermines many features of the diamond. Indeed, with a band gap of 5.45 eV, the resistivity of ^undoped diamond is ^1013–1014 Ω cm. film deposited on an oriented silicon substrate.

Непрерывный оптически детектируемый магнитный резонанс (ODMR) алмазных структур с NV центрами демонстрирует возможности применения поликристаллической пленки алмаза в квантовой магнитометрии [John F. Barry, Jennifer M. Schloss, Erik Bauch, Matthew J. Turner, Connor A. Hart, Linh M. Pham, and Ronald L. Walsworth. Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry. Rev. Mod. Phys. 92, 015004 - Published 31 March 2020. DOI:https://doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004].Optically detectable continuous magnetic resonance (ODMR) of diamond structures with NV centers demonstrates the possibility of using a polycrystalline diamond film in quantum magnetometry [John F. Barry, Jennifer M. Schloss, Erik Bauch, Matthew J. Turner, Connor A. Hart, Linh M. Pham , and Ronald L. Walsworth. Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry. Rev. mod. Phys. 92, 015004 - Published 31 March 2020. DOI: https://doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004].

В литературе известны способы и устройства для нанесения алмазных покрытий CVD методом. Авторы используют различные способы активации газов - предшественников, состав этих газов и паров, различные методы очистки и подготовки поверхности мишени, параметры газов (давление, температура, концентрации компонент и расходы газов), материалы и температура мишени.Methods and devices for applying diamond coatings by the CVD method are known in the literature. The authors use various methods for activating precursor gases, the composition of these gases and vapors, various methods for cleaning and preparing the target surface, gas parameters (pressure, temperature, component concentrations and gas flow rates), target materials and temperature.

Известно несколько способов активации газовой среды: с использованием нитей накаливания или газоразрядной плазмы, создаваемой разрядами постоянного тока, высокочастотными, дуговыми или СВЧ-разрядами. Широкое применение нашли CVD реакторы, использующие плазму, создаваемую с помощью СВЧ-разряда, так называемые MPACVD (microwave plasma-assisted chemical vapour deposition) реакторы. Это связано с тем, что СВЧ-разряды, создавая высокую плотность возбужденных и заряженных частиц, и обладая безэлектродной природой, позволяют выращивать алмазные пленки высокого качества с высокой скоростью. There are several ways to activate the gaseous medium: using filaments or gas-discharge plasma generated by direct current discharges, high-frequency, arc or microwave discharges. CVD reactors that use plasma generated by a microwave discharge, the so-called MPACVD (microwave plasma-assisted chemical vapor deposition) reactors, have found wide application. This is due to the fact that microwave discharges, by creating a high density of excited and charged particles and having an electrodeless nature, make it possible to grow high quality diamond films at a high rate.

Известен способ нанесения алмазного покрытия из паровой фазы и устройство для его осуществления (патент РФ № 2032765, С23С 14/00, 01.04.1988), при котором активируют набор различных газов и их смесей в дуговом разряде. Это является их главным недостатком, поскольку наносимое покрытие неизбежно загрязняется при эрозии электродов. Использование нескольких плазменных потоков газа с разными температурами усложняет устройство в эксплуатации и существенно повышает стоимость изготовления.A known method of applying a diamond coating from the vapor phase and a device for its implementation (RF patent No. 2032765, S23S 14/00, 04/01/1988), in which a set of various gases and their mixtures is activated in an arc discharge. This is their main disadvantage, since the applied coating is inevitably contaminated by erosion of the electrodes. The use of several plasma gas flows with different temperatures complicates the operation of the device and significantly increases the manufacturing cost.

Известен СВЧ-плазменный реактор для изготовления синтетического алмазного материала (патент № 2666135, H01J 37/32, 10.06.2015), при котором активация осуществляется в СВЧ разряде. При этом используется множество источников СВЧ излучения, что позволяет менять суммарную мощность и достигать относительно большой мощности. При этом активация осуществляется в области подложки, активированные компоненты подаются к подложке за счет диффузии, что существенно ограничивает скорость осаждения алмаза. Кроме того, условия активации и осаждения на подложку совмещены в пространстве, что не позволяет менять их раздельно.Known microwave plasma reactor for the manufacture of synthetic diamond material (patent No. 2666135, H01J 37/32, 06/10/2015), in which activation is carried out in a microwave discharge. In this case, many sources of microwave radiation are used, which makes it possible to change the total power and achieve a relatively high power. In this case, activation is carried out in the area of the substrate, the activated components are supplied to the substrate due to diffusion, which significantly limits the rate of diamond deposition. In addition, the conditions of activation and deposition on the substrate are combined in space, which makes it impossible to change them separately.

Известен способ получения алмазных пленок методом газофазного синтеза (заявка № 96103349, С23С 16/00, 29.02.1996), при котором для активации используется тлеющий разряд, а значит имеются электроды, продукты эрозии которых будут попадать на получаемое покрытие. Кроме того, относительно низкая температура в разряде не позволит получать атомарный водород в достаточном количестве. При этом аналогично предыдущим заявкам, активация осуществляется в области подложки, активированные компоненты подаются к подложке за счет диффузии, что существенно ограничивает скорость осаждения алмаза. Кроме того, условия активации и осаждения на подложку совмещены в пространстве, что не позволяет менять их раздельно.There is a known method for producing diamond films by the method of gas-phase synthesis (application No. 96103349, C23C 16/00, February 29, 1996), in which a glow discharge is used for activation, which means that there are electrodes whose erosion products will fall on the resulting coating. In addition, the relatively low temperature in the discharge will not make it possible to obtain atomic hydrogen in sufficient quantities. At the same time, similarly to previous applications, activation is carried out in the area of the substrate, the activated components are supplied to the substrate due to diffusion, which significantly limits the rate of diamond deposition. In addition, the conditions of activation and deposition on the substrate are combined in space, which makes it impossible to change them separately.

Известен способ получения сплошной пленки с алмазоподобной структурой и устройство для его осуществления (заявка № 94034306, H01L 21/05, H05H 1/30, 29.09.1994), включающий нанесение пленки на подложку из плазмы СВЧ-разряда в режиме ЭЦР (электронно-циклотронный резонанс) в атмосфере рабочего газа или смеси газов. На подложку подается отрицательное электрическое смещение. Подложка располагается вне зоны ЭЦР. Активация осуществляется при частотах в десятки Ггц, что предъявляет к устройству повышенные требования по технике безопасности. Процесс осуществляется при давлении 0,05-10 Па (~10^-4 - 0,1 торр) что не способствует высоким скоростям осаждения алмаза.A known method for producing a continuous film with a diamond-like structure and a device for its implementation (application No. 94034306, H01L 21/05, H05H 1/30, 29.09.1994), including the deposition of a film on a substrate from a microwave discharge plasma in the ECR mode (electron cyclotron resonance) in an atmosphere of a working gas or mixture of gases. A negative electrical bias is applied to the substrate. The substrate is located outside the ECR zone. Activation is carried out at frequencies of tens of GHz, which imposes increased safety requirements on the device. The process is carried out at a pressure of 0.05-10 Pa (~10 ^-4 - 0.1 Torr), which does not contribute to high rates of diamond deposition.

Известен плазменный реактор для высокоскоростного осаждения алмазных пленок из газовой фазы (патент РФ № 2416677, C23C 14/58, G03F 7/26). Изобретение относится к плазменному реактору и может найти применение для высокоскоростного осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда. Плазменный реактор содержит СВЧ генератор, передающую линию, оканчивающуюся квазиоптической электродинамической системой, и реакционную камеру с установленной в ней подложкой для осаждения алмазной пленки. В качестве СВЧ-генератора использован гиротрон (частоты десятки и сотни Ггц). Авторы достигли существенного уменьшения потерь СВЧ энергии при передаче ее от СВЧ генератора до реакционной камеры. Плазменное облако находится над подложкой, соответственно, активированные компоненты поступают на поверхность за счет диффузии, что ограничивает скорость роста покрытия и параметры области активации и осаждения совмещены и не могут меняться независимо друг от друга.Known plasma reactor for high-speed deposition of diamond films from the gas phase (RF patent No. 2416677, C23C 14/58, G03F 7/26). The invention relates to a plasma reactor and can be used for high-speed deposition of diamond films from a gas phase in a microwave discharge plasma. The plasma reactor contains a microwave generator, a transmission line terminating in a quasi-optical electrodynamic system, and a reaction chamber with a substrate installed in it for the deposition of a diamond film. A gyrotron was used as a microwave generator (frequencies of tens and hundreds of GHz). The authors achieved a significant reduction in microwave energy losses during its transfer from the microwave generator to the reaction chamber. The plasma cloud is located above the substrate; accordingly, the activated components enter the surface due to diffusion, which limits the coating growth rate and the parameters of the activation and deposition regions are combined and cannot be changed independently of each other.

Известен способ получения пластины комбинированного поликристаллического и монокристаллического алмаза (патент РФ № 2489532, С30В 25/02, С30В 29/04, С23С 16/27, H01L 23/373, 23.03.2012). Задачей, на решение которой направлено это изобретение, является разработка способа получения плоскопараллельной алмазной пластины большой площади, содержащей сращенный монокристаллический и поликристаллический алмаз, имеющую общую гладкую внешнюю поверхность для создания на ней электронных приборов или копирования пластины путем выращивания на ней CVD методом дополнительного эпитаксиального слоя толщиной 200-300 микрон. Авторы создают для этого специально подготовленную подложку на которую методом CVD (описанном ранее) наносят слой алмаза толщиной 200-300 мкм, который, по их мнению, обладает необходимыми для микроэлектронных приложений свойствами. A known method for producing a plate of combined polycrystalline and single-crystal diamond (RF patent No. 2489532, C30B 25/02, C30B 29/04, C23C 16/27, H01L 23/373, 23.03.2012). The problem to which this invention is directed is to develop a method for obtaining a large-area plane-parallel diamond wafer containing spliced single-crystal and polycrystalline diamond, having a common smooth outer surface for creating electronic devices on it or copying the wafer by growing CVD on it by the method of an additional epitaxial layer with a thickness 200-300 microns. For this purpose, the authors create a specially prepared substrate on which, using the CVD method (described earlier), a layer of diamond 200–300 µm thick is deposited, which, in their opinion, has the properties necessary for microelectronic applications.

Известен высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда и плазменный реактор для его реализации (патент РФ № 2215061, С23С 16/27, С23С 16/503, H05H 1/30, 30.09.2002), в котором авторы активизируют газовую смесь водорода и углеводорода в реакционной камере путем повышения концентрации электронов в плазме СВЧ-разряда. Образовавшиеся атомы углеродсодержащих радикалов осаждают на подложку, обеспечивая формирование поликристаллической алмазной пленки в результате поверхностных реакций. Активацию указанной газовой смеси осуществляют за счет создания в реакционной камере устойчивой неравновесной плазмы с помощью СВЧ-излучения с мощностью не менее 1 кВт и частотой, много большей обычно используемой частоты 2,45 ГГц (используется ~30Ггц).A high-speed method for the deposition of diamond films from the gas phase in the plasma of a microwave discharge and a plasma reactor for its implementation is known (RF patent No. a gas mixture of hydrogen and hydrocarbon in the reaction chamber by increasing the concentration of electrons in the plasma of the microwave discharge. The resulting atoms of carbon-containing radicals are deposited on the substrate, providing the formation of a polycrystalline diamond film as a result of surface reactions. Activation of said gas mixture is carried out by creating a stable non-equilibrium plasma in the reaction chamber using microwave radiation with a power of at least 1 kW and a frequency much higher than the commonly used frequency of 2.45 GHz (~30 GHz is used).

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является устройство для плазмохимического осаждения алмазных покрытий (патент РФ №2763713, С23С 16/54, С23С 16/513, С23С 16/27, С23С 16/458, 27.08.2020), в котором активация осуществляется в СВЧ плазменном реакторе для плазмохимического осаждения алмазного покрытия на подложку из твердого сплава, выполненному с возможностью регулирования температуры косвенного нагрева подложки. Активированный газ подается к подложке за счет диффузии, что существенно ограничивает скорость осаждения алмаза. Кроме того, условия активации и осаждения на подложку совмещены в пространстве, что не позволяет менять их раздельно.The closest in technical essence to the claimed invention is a device for plasma-chemical deposition of diamond coatings (RF patent No. Microwave plasma reactor for plasma-chemical deposition of a diamond coating on a hard alloy substrate, made with the ability to control the temperature of indirect heating of the substrate. The activated gas is supplied to the substrate by diffusion, which significantly limits the rate of diamond deposition. In addition, the conditions of activation and deposition on the substrate are combined in space, which makes it impossible to change them separately.

Задачей настоящего изобретения является создание газоструйного способа осаждения алмазных пленок, обеспечивающего высокую скорость осаждения и высокое качество алмазных плёнок.The objective of the present invention is to create a gas-jet method for the deposition of diamond films, providing a high deposition rate and high quality of diamond films.

Поставленная задача решается тем, что в газоструйном способе осаждения алмазных пленок с активацией в плазме СВЧ разряда, при котором в разрядную камеру подают водород и углеродосодержащий газ и активируют с помощью СВЧ разряда, согласно изобретению, разрядную камеру отделяют от камеры осаждения, при этом они сообщаются между собой через коническое сопло, через которое активированную смесь газов пропускают в камеру осаждения, где с помощью сверхзвуковой струи активированной смеси газов осуществляют процесс осаждения и образования кристаллов алмаза на поверхности подложки, при этом на поверхность подложкодержателя сначала наносят расплавленный металл (сплав Розе), а затем устанавливают подложку, поверхность подложки перед осаждением очищают и обрабатывают атомарным водородом без выноса подложки в атмосферу, водород подают непосредственно в разрядную камеру, а углеродсодержащий газ подают в отдельный канал на входе в коническое сопло. The problem is solved by the fact that in the gas-jet method of deposition of diamond films with activation in the plasma of a microwave discharge, in which hydrogen and carbon-containing gas are supplied to the discharge chamber and activated using a microwave discharge, according to the invention, the discharge chamber is separated from the deposition chamber, while they communicate between each other through a conical nozzle, through which the activated gas mixture is passed into the deposition chamber, where, using a supersonic jet of the activated gas mixture, the process of deposition and formation of diamond crystals on the surface of the substrate is carried out, while molten metal (Rozet alloy) is first applied to the surface of the substrate holder, and then the substrate is installed, the substrate surface is cleaned before deposition and treated with atomic hydrogen without the substrate being released into the atmosphere, hydrogen is fed directly into the discharge chamber, and carbon-containing gas is fed into a separate channel at the inlet to the conical nozzle.

Для нанесения качественного алмазного покрытия на подложку, в частности, однородного по площади, необходимо обеспечить малые градиенты параметров активированного газа у подложки и параметров поверхности подложки. Равномерное распределение параметров газа в струе достигается управлением газодинамическими параметрами, в том числе давлением. Равномерность поля температур по площади подложки достигается особенностями подложкодержателя, который обеспечивает отвод тепла, поступающего от активированного газа таким образом, чтобы обеспечить требуемый уровень температуры подложки и равномерное поле температуры. В частности, контактное тепловое сопротивление между подложкой и твердой поверхностью подложкодержателя может быть большим и неравномерным по площади. Для устранения этого использовался расплавленный металл (сплав Розе). Подложка «ложилась» на расплав металла, благодаря этому снижалось контактное тепловое сопротивление и выравнивалось поле температуры поверхности подложки.To apply a high-quality diamond coating on a substrate, in particular, uniform in area, it is necessary to provide small gradients of the parameters of the activated gas near the substrate and the parameters of the substrate surface. Uniform distribution of gas parameters in the jet is achieved by controlling gas-dynamic parameters, including pressure. The uniformity of the temperature field over the area of the substrate is achieved by the features of the substrate holder, which ensures the removal of heat coming from the activated gas in such a way as to ensure the required level of the substrate temperature and a uniform temperature field. In particular, the contact thermal resistance between the substrate and the solid surface of the substrate holder may be large and uneven in area. To eliminate this, molten metal (Rose's alloy) was used. The substrate "lay" on the metal melt, due to this, the contact thermal resistance decreased and the temperature field of the substrate surface was leveled.

Данная схема позволяет проводить начальную обработку поверхности атомарным водородом (создавать центры нуклеации) и сразу же проводить осаждение без выноса подложки в атмосферу и взаимодействия обработанной поверхности с нежелательными компонентами.This scheme makes it possible to carry out initial surface treatment with atomic hydrogen (create nucleation centers) and immediately carry out deposition without removal of the substrate into the atmosphere and interaction of the treated surface with undesirable components.

Активация водорода осуществляется в плазменном облаке. Причем для эффективного роста алмазных пленок необходима высокая концентрация атомарного водорода около поверхности подложки. Для разложения водорода до атомарного требуется температура 3500 К и более. Разложение углеродосодержащего газа происходит оптимально (с образованием нужных компонент) при более низких температурах. Поэтому предусмотрена раздельная подача газов так, чтобы углеродосодержащий газ подавать в область струи с пониженной температурой непосредственно к подложке. Водород подается непосредственно в разрядную камеру, где диссоциирует и поступает в сопло, а углеродсодержащий газ подается в отдельный канал на входе в сопло. При этом активация углеродсодержащего газа осуществляется при взаимодействии с атомарным водородом и относительно горячими стенками сопла, которые нагрелись от потока активированного водорода. Тем самым активация углеродсодержащего газа происходит при оптимальных условиях по сравнению с вариантом подачи непосредственно в разрядную камеру совместно с водородом. Для максимальной степени диссоциации водорода требуются высокие (более 3000К) температуры, но оптимальное разложение углеродсодержащих газов происходит при меньших (~2000К) температурах. Предлагаемая схема подачи газов обеспечивает такие условия. Hydrogen activation is carried out in a plasma cloud. Moreover, for the effective growth of diamond films, a high concentration of atomic hydrogen is required near the substrate surface. To decompose hydrogen to atomic hydrogen, a temperature of 3500 K or more is required. The decomposition of carbon-containing gas occurs optimally (with the formation of the desired components) at lower temperatures. Therefore, a separate supply of gases is provided so that the carbon-containing gas is supplied to the region of the jet with a reduced temperature directly to the substrate. Hydrogen is fed directly into the discharge chamber, where it dissociates and enters the nozzle, while the carbon-containing gas is fed into a separate channel at the nozzle inlet. In this case, the activation of the carbon-containing gas is carried out by interaction with atomic hydrogen and relatively hot nozzle walls, which are heated by the flow of activated hydrogen. Thus, the activation of the carbon-containing gas occurs under optimal conditions compared to the option of supplying directly to the discharge chamber together with hydrogen. High (more than 3000K) temperatures are required for the maximum degree of hydrogen dissociation, but the optimal decomposition of carbon-containing gases occurs at lower (~2000K) temperatures. The proposed gas supply scheme provides such conditions.

Температура в плазменном облаке при постоянной мощности магнетрона определяется расходом, давлением в разрядной камере и параметрами сопла. Диаметр струи у подложки определяется давлением в камере осаждения. Данная схема позволяет управлять тем и другим давлением независимо друг от друга, что дает возможность реализовывать необходимые параметры осаждения.The temperature in the plasma cloud at a constant magnetron power is determined by the flow rate, pressure in the discharge chamber, and nozzle parameters. The jet diameter near the substrate is determined by the pressure in the deposition chamber. This scheme allows you to control one and the other pressure independently of each other, which makes it possible to implement the necessary deposition parameters.

Наличие конического сопла «привязывает» образующееся в разрядной камере плазменное облако к входу в сопло. Использование сверхзвуковой струи позволяет устранить влияние параметров в камере осаждения на условия в разрядной камере. Тем самым можно устанавливать параметры в каждой из камер независимо друг от друга. The presence of a conical nozzle “binds” the plasma cloud formed in the discharge chamber to the nozzle inlet. The use of a supersonic jet makes it possible to eliminate the influence of the parameters in the deposition chamber on the conditions in the discharge chamber. Thus, it is possible to set the parameters in each of the chambers independently of each other.

На фиг. 1 показан общий вид устройства для осуществления заявляемого способа, где:In FIG. 1 shows a general view of the device for implementing the proposed method, where:

1 - подача водорода;1 - hydrogen supply;

2 - подача углеродсодержащего газа;2 - supply of carbon-containing gas;

3 - плазменное облако СВЧ разряда;3 - plasma cloud of microwave discharge;

4 - коническое сопло;4 - conical nozzle;

5 - камера осаждения; 5 - deposition chamber;

6 - водоохлаждаемая подложка;6 - water-cooled substrate;

7 - расходомер газов;7 - gas flow meter;

8 - сверхзвуковая струя активированного газа;8 - supersonic jet of activated gas;

9 - окно для наблюдения;9 - window for observation;

10 - диэлектрическая герметичная вставка;10 - dielectric sealed insert;

11 - оптоволокно;11 - optical fiber;

12 - антенна магнетрона;12 - magnetron antenna;

13 - спектральный прибор;13 - spectral device;

14 - разрядная камера.14-bit camera.

В вакуумной камере расположены разрядная камера 14 и камера осаждения 5. Геометрия и размеры разрядной камеры 14 выбраны из соображений достижения резонансных условий СВЧ разряда. В камере осаждения 5 расположена водоохлаждаемая подложка 6. Разрядная камера 14 отделена от атмосферной части диэлектрической проставкой (кварц) 10. В атмосферной части находится магнетрон 12 для генерации СВЧ излучения (2,45 ГГц). Разрядная камера 14 отделена от камеры осаждения 5, они сообщаются между собой через коническое сопло 4. Вершина конуса сопла 4 направлена в разрядную камеру 14. Подача водорода и углеродсодержащего газа осуществляется по каналам 1 и 2 через расходомер 7. СВЧ разряд образует плазменное облако 3, где происходит активация водорода. Сверхзвуковая струя активированного газа 8 доставляет активированный газ к подложке 6. Для проведения спектральных измерений параметров активированного газа установлен спектрометр 13 с оптоволокном 11. Магнетрон 12 находится при атмосферном давлении и отделен от вакуумной части герметичной диэлектрической вставкой 10.The discharge chamber 14 and the deposition chamber 5 are located in the vacuum chamber. The geometry and dimensions of the discharge chamber 14 are chosen for reasons of achieving resonant conditions of the microwave discharge. A water-cooled substrate 6 is located in the deposition chamber 5. The discharge chamber 14 is separated from the atmospheric part by a dielectric spacer (quartz) 10. In the atmospheric part there is a magnetron 12 for generating microwave radiation (2.45 GHz). The discharge chamber 14 is separated from the deposition chamber 5, they communicate with each other through a conical nozzle 4. The top of the cone of the nozzle 4 is directed into the discharge chamber 14. The supply of hydrogen and carbon-containing gas is carried out through channels 1 and 2 through the flow meter 7. The microwave discharge forms a plasma cloud 3, where hydrogen is activated. The supersonic jet of activated gas 8 delivers the activated gas to the substrate 6. Spectrometer 13 with optical fiber 11 is installed to perform spectral measurements of the parameters of the activated gas. Magnetron 12 is at atmospheric pressure and is separated from the vacuum part by a sealed dielectric insert 10.

Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.

Поверхность подложки 6 перед осаждением очищают и обрабатывают атомарным водородом без выноса подложки в атмосферу. Поверхность подложкодержателя сначала покрывают расплавленным металлом (сплавом Розе), а затем устанавливают подложку. В разрядную камеру 14 подаю водород 1 и углеродосодержащий газ 2, например, метан. Предусмотрена раздельная подача газов. Водород подают непосредственно в разрядную камеру, а углеродсодержащий газ подают в отдельный канал на входе в коническое сопло. Разрядная камера 14 отделена от камеры осаждения 5, они сообщаются между собой через коническое сопло 4. СВЧ излучение от антенны магнетрона 12 возбуждает газ и вызывает разряд. В области разряда образуется плазменное облако 3, в котором происходит активация молекул газа водорода - разложение молекул на компоненты. При этом активация углеродсодержащего газа осуществляется при взаимодействии с атомарным водородом и относительно горячими стенками сопла, которые нагрелись от потока активированного водорода. Наличие конуса сопла «привязывает» плазменное облако к входу в сопло 4. Т.о., большая часть газа активируется и далее через сопло 4 проходит в камеру осаждения 5. Струя 8 активированного высокотемпературного газа достигает подложки 6, нагревает ее и активированные компоненты вступают в реакцию, образуются кристаллы алмаза, которые осаждаются на поверхности подложки 6. Температуру подложки 6 необходимо поддерживать около 1000°С, что достигается подачей охлаждающей воды и конструкцией подложкодержателя, позволяющей поддерживать тепловой баланс на требуемом уровне.The surface of the substrate 6 before deposition is cleaned and treated with atomic hydrogen without the removal of the substrate into the atmosphere. The surface of the substrate holder is first coated with molten metal (Rose alloy), and then the substrate is installed. I supply hydrogen 1 and carbon-containing gas 2, for example, methane, to the discharge chamber 14. Separate gas supply is provided. Hydrogen is fed directly into the discharge chamber, and carbon-containing gas is fed into a separate channel at the entrance to the conical nozzle. The discharge chamber 14 is separated from the deposition chamber 5, they communicate with each other through a conical nozzle 4. Microwave radiation from the magnetron antenna 12 excites the gas and causes a discharge. In the discharge region, a plasma cloud 3 is formed, in which hydrogen gas molecules are activated - the molecules are decomposed into components. In this case, the activation of the carbon-containing gas is carried out by interaction with atomic hydrogen and relatively hot nozzle walls, which are heated by the flow of activated hydrogen. The presence of the nozzle cone “binds” the plasma cloud to the entrance to the nozzle 4. Thus, most of the gas is activated and then passes through the nozzle 4 into the deposition chamber 5. The jet 8 of the activated high-temperature gas reaches the substrate 6, heats it and the activated components enter into reaction, diamond crystals are formed, which are deposited on the surface of the substrate 6. The temperature of the substrate 6 must be maintained at about 1000°C, which is achieved by supplying cooling water and the design of the substrate holder, which allows maintaining the heat balance at the required level.

Использование данного способа позволяет ускорить процесс осаждения и получать высококачественные алмазные плёнки.The use of this method makes it possible to accelerate the deposition process and obtain high-quality diamond films.

Claims (2)

1. Газоструйный способ осаждения алмазных пленок с активацией в плазме СВЧ разряда, при котором в разрядную камеру подают водород и углеродосодержащий газ и активируют с помощью СВЧ разряда, отличающийся тем, что разрядную камеру отделяют от камеры осаждения, при этом они сообщаются между собой через коническое сопло, через которое активированную смесь газов пропускают в камеру осаждения, где с помощью сверхзвуковой струи активированной смеси газов осуществляют процесс осаждения и образования кристаллов алмаза на поверхности подложки, при этом на поверхность подложкодержателя сначала наносят расплавленный металл, а затем устанавливают подложку, поверхность подложки перед осаждением очищают и обрабатывают атомарным водородом без выноса подложки в атмосферу, водород подают непосредственно в разрядную камеру, а углеродсодержащий газ подают в отдельный канал на входе в коническое сопло.1. A gas-jet method for the deposition of diamond films with activation in a microwave discharge plasma, in which hydrogen and carbon-containing gas are supplied to the discharge chamber and activated using a microwave discharge, characterized in that the discharge chamber is separated from the deposition chamber, while they communicate with each other through a conical a nozzle through which the activated gas mixture is passed into the deposition chamber, where, using a supersonic jet of the activated gas mixture, the process of deposition and formation of diamond crystals on the surface of the substrate is carried out, while molten metal is first applied to the surface of the substrate holder, and then the substrate is installed, the substrate surface before deposition is purified and treated with atomic hydrogen without the substrate being taken out into the atmosphere, hydrogen is fed directly into the discharge chamber, and carbon-containing gas is fed into a separate channel at the inlet to the conical nozzle. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве расплавленного металла используют сплав Розе.2. The method according to p. 1, characterized in that Rosé alloy is used as the molten metal.

Images