Введение
Глава 1. Обзор литературы 15
1.1. Газофазное химическое осаждение (ГХО) алмазных пленок (АП) 15
1.2. Реакторы ГХО с активацией смеси горячей нитью (ГН). Теория и эксперимент 19
1.3. Реакторы ГХО с дуговым плазмотроном (ДП) 25
1.4. Реакторы ГХО с разрядом постоянного тока (РПТ) 30
1.5. Реакторы ГХО с активацией смеси сверхвысокочастотным разрядом (СВЧР) 31
1.6. Механизмы роста АП 36
Глава 2. Активация h/c, h/c/n и h/b/c/o смесей горячей нитью (гн) для газофазного химического осаждения алмазных пленок. пространственно двумерное и трехмерное моделирование процессов в реакторах гхогн 39
2.1. Устройство реакторов ГХОГН и их размерные 2-D(r,z), 2-D(x,z) и 3-D(x,y,z)
модели. Механизмы роста АП 39
2.1.1. Устройство и схема работы реакторов ГХОГН 39
2.1.2. Размерные модели реакторов ГХОГН. 3-D(x,y,z) модель 41
2.1.3. Газофазно-поверхностные реакции и механизмы роста АП 46
2.2. Моделирование реакторов ГХОГН в H/C смесях. Осаждение микрокристаллических алмазных пленок (МКАП) 51
2.2.1. Основные механизмы химической конверсии углеводородов. Нелокальный баланс процессов рождения и гибели CxHy компонент в ГХОГН реакторах 51
2.2.2. Распределение СН3 концентраций: теория и эксперимент. 3-D эффекты... 57
2.3. Эффекты вариации параметров и геометрии реакторов ГХОГН в H/C смесях 62
2.3.1. Эффекты вариации температуры нити Tf 62
2.3.2. Эффекты вариации температуры подложки Ts и расстояния между ГН и подложкой 64
2.3.3. Эффекты вариации давления газа. Расчетные и экспериментальные скорости роста АП 65
2.3.4. Многонитевые реакторы. Условия однородности скорости роста АП 67
2.4. Моделирование реакторов ГХОГН в СH4/NH3/Н2 и СH4/N2/Н2 смесях H/C/N химический механизм. Процессы на поверхности нити 69
2.4.1. Газофазно-поверхностные процессы с участием азотных компонент 70
2.4.2. 3-D моделирование. Эффекты вариации доли NH3, N2 и температуры ГН 73
2.4.3. Сравнение экспериментальных и расчетных распределений концентраций NH 79
2.5. Моделирование реакторов ГХОГН в H/B/C/O смесях. Химический механизм в B2H6/H2 и B2H6/СН4/H2 смесях с примесью O2 81
2.5.1. Каталитические свойства горячей нити в борсодержащих смесях. Диссоциация B2H6. H/B/C/O химический механизм 81
2.5.2. Моделирование процессов в H/B/C и H/B/C/O смесях реактора ГХОГН. Экспериментальное поведение концентрации атомов бора 87
2.6. Выводы к Главе 2 94
Глава 3. Каталитическая диссоциация молекул н2 и n2 на поверхности горячей нити. поведение и распределения н и n атомов в зависимости от температуры гн и давления газа н2 или n2. колебательное возбуждение азота на нити и пространственная неравновесность концентраций N2(v=1) 95
3.1. Двухступенчатый механизм каталитической диссоциации Н2 на поверхности ГН. Экспериментально-аналитический подход для самосогласованного нахождения каталитического источника Q(p,Tf) и профилей концентрации атомарного водорода и температуры газа как функций давления p и температуры нити Tf 95
3.2. Поведение распределений концентрации атомов Н как функций давления p и температуры нити Tf. Эффекты карбидизации ГН и колебательно-возбужденных молекул Н2(v) 104
3.3. Двухступенчатый механизм каталитической диссоциации N2 на поверхности ГН.
Экспериментально-модельный подход для нахождения каталитического источника Q(p,Tf), распределений концентраций атомов N и температуры газа как функций давления газа p и температуры нити Tf 111
3.4. Колебательное возбуждение азота на нити и особенности пространственной еравновесности в распределении концентраций колебательно-возбужденных молекул азота N2(v=1) 122
3.5. Выводы к Главе 3 127
Глава 4. Активация h/c/ar смесей дуговым плазмотроном (дп) для осаждения алмазных пленок. двумерное моделирование плазмохимических и транспортных процессов в реакторах гходп 129
4.1. Схема и основные принципы работы реакторов ГХО с активацией смеси дуговым плазмотроном 129
4.2. Методика определения параметров плазмы в дуговом аргоновом разряде, промежуточной камере смешения и на входе в реакционную камеру плазмотрона .132
4.3. 2-D(r,z) модель реактора ГХОДП 136
4.4. Моделирование реакторов ГХОДП в H/C/Ar смесях 146
4.4.1. Газодинамические и плазмохимические процессы в реакционной камере плазмотрона 146
4.4.2. Эффекты вариации разрядных параметров. Сравнение 2-D модельных расчетов с CRDS измерениями {CH} и {C2(a)} 158
4.5. Моделирование реактора ГХОДП меньшей мощности (<2 кВт) с аргон-водородным дуговым разрядом 165
4.6. Выводы к Главе 4 170
Глава 5. Активация h/c и h/c/o смесей разрядом постоянного тока (рпт) для осаждения алмазных пленок. двумерное моделирование плазмохимических и транспортных процессов в реакторах гхорпт 172
5.1. Схема и основные принципы работы реакторов ГХО с активацией смеси плазмой РПТ 172
5.2. 2-D(r,z) модель реактора ГХОРПТ 173
5.3. Моделирование реактора ГХОРПТ в H/C смесях 178
5.3.1. Плазмохимические процессы в водородной плазме 179
5.3.2. Плазмохимические процессы в H/C смесях 181
5.3.3. Результаты численного моделирования. Эффекты вариации разрядных параметров реактора ГХОРПТ 184
5.4. Моделирование реактора ГХОРПТ в H/C/O смесях 190
5.5. Выводы к Главе 5 192
Глава 6. Активация h/c, h/c/ar(нe) и h/b/c/o смесей сверхвысокочастотным разрядом для осаждения алмазных пленок. двумерное моделирование плазмохимических и транспортных процессов в реакторах гхосвчр 194
6.1. Схема и основные принципы работы реакторов ГХО с активацией смеси СВЧ разрядом 194
6.2. 2-D(r,z) модель процессов в реакторе ГХОСВЧР 199
6.3. Параметры плазмы и плазмохимические процессы, пространственный механизм конверсии углеводородов и распределения компонент в базовых условиях осаждения микрокристаллических АП (МКАП) 207
6.4. Эффекты вариации доли метана и результаты моделирования для смесей 7%Ar/Н2, 0.88%СH4/7%Ar/Н2, 4.4%СH4/7%Ar/Н2. и 10%СH4/Н2. Эффекты вариации давления и вложенной мощности 225
6.4.1 Эффекты вариации доли метана 225
6.4.2. Эффекты вариации давления и вложенной мощности 231
6.4.3. Моделирования условий осаждения монокристаллического алмаза (МНКА) (single crystal diamond, SCD) в смеси 10%СH4/Н2 232
6.5. Моделирование реакторов ГХОСВЧР в смеси СH4/Н2/(Ar или He) с
доминирующей долей инертного газа. Условия для осаждения
(ультра)нано-кристаллических АП ((У)НКАП) 235
6.5.1. Плазменные параметры в H/C/Ar смесях при вариации доли аргона в широком диапазоне 235
6.5.2. Энергетический баланс H/C/Ar плазмы и каналы диссипации мощности в эксперименте и модели. Предельные вкладываемые мощности Рmax и газовые температуры Tmax 238
6.5.3. Ионизационно-рекомбинационный баланс H/Ar и H/C/Ar плазмы 245
6.5.4. Эффекты вариации параметров ГХОСВЧР реактора: результаты 2-D моделирования в сравнении с экспериментальными данными и трендами для УНКАП (UNCD) смеси 0.5%СH4/1%Н2/Ar и НКАП (NCD) смесей 0.5%СH4/14.7%Н2/Ar и 0.5%СH4/25%Н2/Ar. Прекурсоры УНКАП 247
6.5.5. Влияние разных инертных газов X (X=He, Ne, Ar, Kr) на процессы и
условия осаждения (У)НКАП в смесях СH4/Н2/X 254
6.6. Моделирование реакторов ГХОСВЧР в H/B/C/O/Ar смесях 257
6.6.1. H/B/O химический механизм. Данные экспериментов о В2Н6 диссоциации и поведении В и ВН. Осаждения бора на стенках реактора 257
6.6.2. 2-D моделирование процессов активации B2H6/H2/Ar смесей с примесью O2 265
6.6.3. H/B/С/O химический механизм. Экспериментальное поведение В и ВН при варьировании разрядных параметров 273
6.6.4. 2-D моделирование процессов активации B2H6/СH4/H2/Ar смесей с
примесью О2. ВН хемилюминесценция. Легирование бором АП 281
6.7. Выводы к Главе 6 288
Основные результаты работы 292
Список литературы 297
Список работ по теме диссертации
