Высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме свч-разряда и плазменный реактор для его реализации

Высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме свч-разряда и плазменный реактор для его реализации

Реферат

 

Изобретение может быть использовано при получении поликристаллических алмазных пленок (пластин) для изготовления выходных окон мощных источников СВЧ-излучения. В реакционной камере активизируют газовую смесь водорода и углеводорода 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. Для локализации плазмы вблизи подложки формируют стоячую волну, в пучностях которой генерируют и поддерживают плазменные слои с возможностью регулирования их размера. Изобретение обеспечивает высокую скорость осаждения алмазных пленок высокого качества на подложки, диаметром более 100 мм. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 ил.

Изобретение относится к области осаждения углерода путем разложения газообразных соединений с помощью плазмы СВЧ-разряда и может быть использовано, например, для получения поликристаллических алмазных пленок (пластин), из которых изготавливают выходные окна мощных источников СВЧ-излучения, например гиротронов, необходимых для дополнительного нагрева плазмы в установках термоядерного синтеза.

Осаждение алмазных пленок из газовой фазы осуществляется так называемым CVD (chemical vaper deposition) методом. 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 неравновесная 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).

Известно несколько способов активации газовой среды: с использованием нитей накаливания или газоразрядной плазмы, создаваемой разрядами постоянного тока, высокочастотными, дуговыми или СВЧ-разрядами. Коммерческое применение нашли CVD реакторы, использующие плазму, создаваемую с помощью СВЧ-разряда, так называемые MPACVD (microwave plasma-assisted chemical vaper 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 (white diamond) со скоростью выше чем 1 мкм/час.

Так, известен способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда, заключающийся в том, что в газовой смеси, содержащей по крайней мере водород и углеводород и поддерживаемой при давлении от 50 до 200 Торр, с помощью СВЧ-излучения с частотой 2,45 ГГц зажигают СВЧ-разряд. Производят активацию указанной газовой смеси плазмой СВЧ-разряда, образуя химически активные частицы (радикалы), например, метила СН₃, ацетилена С₂Н₂, атомы водорода Н, обеспечивают их диффузионный перенос из объема плазмы на подложку, специально обработанную для создания центров кристаллизации (нуклеации). Поддерживают температуру подложки в диапазоне T_s=700-1100^oС, на поверхности которой с участием углеродсодержащих радикалов протекают поверхностные реакции, обеспечивающие рост алмазной пленки (P.K. Bachmann. In Handbook of industrial diamonds and diamond films, Eds. M. Prelas, G. Popovici, L.K. Bigelow, New York: Marcel Dekker Inc. USA, 1998, p.821-850). Недостатком данного способа осаждения алмазных пленок является малая скорость роста (1-2 мкм/час) качественных алмазных пленок с коэффициентом теплопроводности не менее 10 Вт/смК.

Более высокую скорость роста алмазных пленок (3-9 мкм/час) при отмеченном выше качестве обеспечивает высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда, описанный в патенте США 5518759, М. кл. С 23 С 16/50, B 05 D 3/06, опубл. 21.05.96. Способ-прототип заключается в том, что СВЧ-разряд зажигают в находящейся в реакционной камере газовой смеси, содержащей по крайней мере водород и углеводород и поддерживаемой при давлении от 50 до 200 Торр. Указанную газовую смесь активируют плазмой СВЧ-разряда на частоте f=2,45 ГГц, образуя атомы водорода и углеродсодержащие радикалы, которые осаждаются на подложку, обеспечивая формирование поликристаллической алмазной пленки в результате поверхностных реакций. Активацию газовой смеси осуществляют в условиях, когда преобладающими являются термически равновесные механизмы рождения углеродсодержащих радикалов над неравновесными электронными механизмами. Эти условия характеризуются повышенной относительной концентрацией радикала С₂ (молекулярного углерода) в плазме и достигаются за счет повышения (до 5 кВт/см²) вводимой в плазменный реактор СВЧ мощности, приходящейся на единицу площади осаждаемой поверхности пленки.

Недостатком способа-прототипа осаждения алмазных пленок является необходимость использования СВЧ-генератора с очень высокой мощностью (до 3 МВт) для напыления пленок большой площади.

Для осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда известны устройства - плазменные реакторы резонансного типа на основе цилиндрического резонатора, возбуждаемого на частоте 2,45 ГГц или 915 МГц. Представителем этого класса является устройство, описанное в патенте США 5311103, М. кл. Н 01 J 7/24, опубл. 1994. Устройство состоит из реакционной камеры с подложкой и держателем подложки, цилиндрического резонатора, в объеме которого располагается реакционная камера в виде кварцевой колбы, передающей коаксиально-волноводной линии с элементами связи для введения в резонатор СВЧ мощности на моде TM_01n, юстирующего устройства для перемещения верхней стенки цилиндрического резонатора и настройки резонатора в резонанс. В реакционной камере поддерживается давление газовой смеси от 50 до 200 Торр и плазма создается над подложкой в виде полусферы с размером вдоль подложки, не превышающим половины длины СВЧ-волны.

Недостатком данного устройства является то, что небольшой поперечный размер плазмы в реакционной камере накладывает ограничения на величину поперечного размера однородно напыляемых алмазных пленок (60-70 мм) при использовании СВЧ-излучения с частотой 2,45 ГГц (с длиной волны 12,2 см).

Однородные алмазные пленки немного большей площади осаждаются в плазме СВЧ-разряда на частоте 2,45 ГГц в устройстве, описанном в патенте США 5954882, М. кл. С 23 С 16/00, опубл. 1999. Устройство состоит из реакционной камеры с подложкой и держателем подложки, эллипсоидного резонатора, в области одного из фокусов которого и располагается реакционная камера в виде кварцевой колбы. Резонатор снабжен передающей коаксиально-волноводной линией с элементами связи для ввода в резонатор СВЧ мощности через область второго фокуса эллипсоида. В реакционной камере поддерживается давление газовой смеси от 50 до 200 Торр. Из-за значительных размеров эллипсоидального резонатора по сравнению с длиной СВЧ-волны и приблизительно квазиоптических условий распространения СВЧ-волны в резонаторе возникает уширенное распределение электрического поля в фокальной области резонатора. В результате в реакционной камере над подложкой создается плазма, позволяющая напылять однородные алмазные пленки с поперечными размерами, равными 70-80 мм.

Примерно с такой же площадью осаждаются алмазные пленки в устройстве, выбранном в качестве прототипа, описанном в патенте ЕР 0520832, В1, М. кл. С 23 С 16/26, С 23 С 16/50, Н 01 Q 19/00, опубл. 1992, в котором используются квазиоптические условия распространения СВЧ-излучения с частотой 2,45 ГГц для его введения в реакционную камеру.

Устройство состоит из реакционной камеры в виде колбы с окном для ввода СВЧ-излучения, СВЧ-генератора на частоте 2,45 ГГц, передающей линии, состоящей из излучающего рупора и рефлектора, металлического зеркала или диэлектрической линзы для формирования сходящегося волнового пучка, который направляется в реакционную камеру через окно. В реакционной камере располагается подложка на держателе подложки и с помощью системы напуска и откачки газа поддерживается необходимое давление газовой смеси. СВЧ-разряд зажигается в фокальной области пучка, располагающейся над подложкой. В плазменном реакторе-прототипе над подложкой поддерживалась устойчивая плазма при фиксированном давлении газовой смеси, равном 40 Торр.

Недостатком устройства-прототипа является то, что в нем для создания плазмы над подложкой используется сходящийся волновой пучок. Известно, что в сходящемся пучке граница СВЧ-разряда, первоначально зажигаемого в области максимальной интенсивности поля, распространяется навстречу СВЧ-излучению в виде фронта ионизации (Ю.П. Райзер. Лазерная искра и распространение разрядов. - М. : Наука, 1974). Такая динамика разряда приводит к удалению области энерговыделения от подложки. В реакторе-прототипе стационарное поддержание плазмы над подложкой возможно только в узких интервалах давлений газа и величин падающей СВ-мощности в пучке. В результате невозможно достичь высоких удельных энерговкладов в плазму около подложки, т.е. невозможно получение высоких концентраций активных радикалов, и как следствие невозможно достичь высоких скоростей роста алмазных пленок (в прототипе скорость роста равна 1 мкм/час).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка высокоскоростного способа осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда, обеспечивающего получение алмазных пленок высокого качества (с тангенсом угла потерь не более 310^-5 и с коэффициентом теплопроводности в диапазоне 10-20 Вт/смК) на подложках с диаметром более 100 мм, и разработка устройства (плазменного реактора) для реализации данного способа.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда, так же как и способ прототип, включает в себя поджиг СВЧ-разряда в газовой смеси, находящейся в реакционной камере и содержащей по крайней мере водород и углеводород, активацию указанной газовой смеси плазмой СВЧ-разряда, для образования атомов водорода и углеродсодержащих радикалов, которые осаждаются на подложку, обеспечивая формирование алмазной пленки в результате поверхностных реакций.

Новым в разработанном способе является то, что активацию указанной газовой смеси путем повышения концентрации N_e электронов в плазме осуществляют за счет создания в реакционной камере устойчивой неравновесной плазмы с помощью СВЧ-излучения с мощностью не менее 1 кВт и частотой f, много большей обычно используемой частоты 2,45 ГГц, при этом для локализации плазмы вблизи подложки формируют стоячую волну, в пучностях которой генерируют и поддерживают плазменные слои с возможностью регулирования их размера.

Целесообразно активацию указанной газовой смеси путем повышения концентрации электронов проводить с помощью электромагнитного излучения с частотой f, равной 30 ГГц, а размеры плазменных слоев в пучностях стоячей СВЧ-волны регулировать за счет изменения формы и размера поперечного сечения сходящихся волновых пучков, формирующих стоячую волну.

В одном частном случае для формирования стоячей волны целесообразно использовать четыре и более сходящихся волновых пучка, пересекающихся попарно.

В другом частном случае для формирования стоячей волны целесообразно использовать два сходящихся пересекающихся волновых пучка.

В третьем частном случае для формирования стоячей волны целесообразно использовать два сходящихся волновых пучка, направленных навстречу друг другу.

В четвертом частном случае для формирования стоячей волны целесообразно использовать падающий на подложку сходящийся волновой пучок и отраженный от подложки волновой пучок.

Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что разработанный плазменный реактор для высокоскоростного осаждения алмазной пленки из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда, как и плазменный реактор прототип, содержит СВЧ-генератор, передающую линию, оканчивающуюся квазиоптической электродинамической системой, реакционную камеру с установленной в ней подложкой на держателе подложки и системой напуска и откачки выбранной газовой смеси.

Новым в разработанном устройстве является то, что квазиоптическая электродинамическая система выполнена и установлена с возможностью формирования в выбранной области вблизи подложки стоячей СВЧ-волны, а передающая линия выполнена в виде сверхразмерного волновода круглого сечения с гофрированной внутренней поверхностью, дополненного системой зеркал для передачи по крайней мере одного гауссова пучка на упомянутую квазиоптическую электродинамическую систему.

В одном частном случае изготовления плазменного реактора квазиоптическую электродинамическую систему целесообразно выполнить в виде четырех зеркал, расположенных по разные стороны относительно области формирования плазмы и установленных с возможностью направления СВЧ-излучения в виде четырех попарно пересекающихся волновых пучков, при этом квазиоптическую электродинамическую систему целесообразно установить внутри реакционной камеры, причем передающую линию целесообразно дополнить делителем одного волнового пучка на четыре пучка, который необходимо установить на выходе упомянутого сверхразмерного волновода круглого сечения.

В другом частном случае квазиоптическую электродинамическую систему целесообразно выполнить в виде двух зеркал, расположенных по разные стороны относительно области формирования плазмы и установить с возможностью направления двух пучков СВЧ-излучения под небольшими углами к поверхности подложки, при этом передающую линию целесообразно дополнить делителем одного волнового пучка на два пучка, который необходимо установить на выходе упомянутого сверхразмерного волновода круглого сечения.

В третьем частном случае квазиоптическую электродинамическую систему целесообразно выполнить в виде двух зеркал, расположенных по разные стороны относительно области формирования плазмы и установленных с возможностью направления волновых пучков навстречу друг другу, при этом одно из зеркал целесообразно установить с возможностью перемещения вперед-назад параллельно самому себе на расстоянии /4, где - длина волны СВЧ-излучения, а передающую линию необходимо дополнить делителем одного волнового пучка на два пучка, который установлен на выходе упомянутого сверхразмерного волновода круглого сечения.

В четвертом частном случае изготовления плазменного реактора возможно в нижней части реакционной камеры расположить диэлектрическое окно для ввода СВЧ-излучения, а напротив окна в верхней части камеры целесообразно установить подложку, при этом квазиоптическую электродинамическую систему необходимо выполнить в виде одного зеркала, расположенного снаружи ниже упомянутой реакционной камеры и установленного с возможностью направления пучка СВЧ-излучения вверх перпендикулярно поверхности подложки.

В пятом частном случае выполнения плазменного реактора квазиоптическая электродинамическая система может быть выполнена в виде одного зеркала, установленного с возможностью направления пучка СВЧ-излучения по нормали к поверхности подложки или под небольшим углом к нормали, а внутрь реакционной камеры возможно введение радиопрозрачной охлаждаемой стенки, выполненной в виде решетки из тонких металлических охлаждаемых трубок или стержней и установленной параллельно подложке на расстоянии от нее больше /2. В шестом частном случае изготовления плазменного реактора квазиоптическую электродинамическую систему целесообразно выполнить в виде зеркала и оптически связанного с ней квазиоптического резонатора с плоскопараллельными зеркалами, установленными на расстоянии, кратном /2, при этом одно из зеркал резонатора представляет собой подложку на ее держателе, а другое зеркало может быть выполнено в виде периодической решетки из тонких металлических трубок или стержней, причем период решетки меньше . В седьмом частном случае изготовления плазменного реактора система напуска газовой смеси в реакционную камеру в область формирования плазмы может быть выполнена в виде металлического вогнутого экрана с подводящей трубкой в центральной части, расположенного над держателем подложки на регулируемом расстоянии, а система откачки газа может быть выполнена в виде набора отверстий в держателе подложки, снабженном некоторым объемом для откачки смеси газов, в котором расположена система водяного охлаждения верхней части держателя подложки.

В восьмом частном случае изготовления плазменного реактора систему напуска выбранной газовой смеси целесообразно совместить с решеткой из тонких металлических охлаждаемых трубок, а система откачки газа может быть выполнена в виде набора отверстий в держателе подложки, снабженном некоторым объемом для откачиваемой смеси газов, в котором расположена система водяного охлаждения верхней части держателя подложки.

Технический результат - увеличение скорости осаждения алмазной пленки из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда при хорошем качестве пленки - в разработанных способе и устройстве достигается за счет того, что, как установлено авторами, при повышении частоты СВЧ поля повышается концентрация электронов N_e в плазме, что позволяет увеличить скорость активации газовой смеси, т.е. скорость образования атомарного водорода и других химически активных радикалов, а это в свою очередь приводит к увеличению скорости осаждения алмазной пленки. При этом повышение частоты СВЧ поля и использование приемов квазиоптики позволяет управлять размерами однородной плазмы над подложкой, что в свою очередь обеспечивает однородность осаждаемой пленки на большой площади.

Влияние повышения частоты СВЧ поля на скорость осаждения алмазной пленки в MPACVD реакторе можно объяснить следующим образом.

В MPACVD реакторах скорость роста алмазных пленок определяется величиной концентрации углеродсодержащих радикалов и атомов водорода около подложки (Goodwin D. G., J.E. Butler. In Handbook of industrial diamonds and diamond films, Eds. M. Prelas, G. Popovici, E.K. Bigelow, New York: Marcel Dekker Inc. USA, 1998, p. 527-581). В большинстве существующих MPACVD реакторов основным каналом диссоциации молекул водорода даже при высоких температурах газа (T_g~3000-3500 К) является диссоциация электронным ударом (Манкелевич Ю. А. , Рахимов А. Т., Суетин Н.В. Физика плазмы, 1995, т.21, 10, с.921-927). Поэтому степень диссоциации молекул водорода зависит от величины электронной концентрации Ne в плазме. Величина N_e в плазме, поддерживаемой СВЧ полем в реакторах резонансного типа, возрастает до величины, при которой начинает проявляться нелинейный эффект скинирования электромагнитного поля. Поэтому характерный размер плазмы над подложкой в реакторе примерно равен глубине скин-слоя .. При обычно используемых параметрах в MPACVD реакторах (температуре газа T_g~3000-3500 К, зависящей от удельной мощности, поглощаемой в плазме, и начальном давлении газовой смеси 50-200 Topр) плотность газа около подложки соответствует минимуму кривой Пашена для поддержания непрерывного СВЧ-разряда (Вихарев А.Л. и др. Физика плазмы, 1987, т. 13, 9, с. 1124-1130), при которой частота столкновений электронов порядка круговой частоты поля . В этих условиях глубина скин-слоя примерно равна 2(c/)(N_co/N_e)[(²+²)/]. При фиксированной глубине скин-слоя (например, для реакторов резонансного типа эта величина порядка 1 см) = _o, из приведенного выше соотношения для получаем, что величина электронной концентрации N_e в плазме пропорциональна частоте СВЧ-излучения N_e~N_co(c/_o)[²+²)/]~, где N_co = m²/4e² - критическая концентрация, = 2f - круговая частота поля, - частота столкновений электронов с нейтральными частицами, m и е - масса и заряд электрона соответственно. Поэтому величина электронной концентрации N_e и соответственно степень диссоциации молекулярного водорода в неравновесной плазме MPACVD реактора повышается при увеличении частоты СВЧ-излучения.

Дополнительный технический результат - повышение площади осаждаемой алмазной пленки при сохранении ее однородности - обеспечивается разработанной конструкцией плазменного реактора за счет формирования попарно пересекающихся волновых пучков, например четырех попарно пересекающихся когерентных пучков.

На фиг. 1 схематично в разрезе представлена блок-схема разработанного плазменного реактора, реализующего разработанный способ.

На фиг.2 представлена в разрезе блок-схема плазменного реактора с квазиоптической электродинамической системой, обеспечивающей формирование плазменного слоя вблизи подложки в области пересечения четырех волновых пучков.

На фиг.3 представлена в разрезе блок-схема плазменного реактора с квазиоптической электродинамической системой, обеспечивающей формирование плазменного слоя вблизи подложки в двух пересекающихся волновых пучках.

На фиг.4 представлена в разрезе блок-схема плазменного реактора с квазиоптической электродинамической системой, обеспечивающей формирование плазменного слоя вблизи подложки в двух встречных волновых пучках.

На фиг.5 представлена в разрезе блок-схема плазменного реактора с квазиоптической электродинамической системой, обеспечивающей формирование плазменного слоя вблизи подложки в отражающемся волновом пучке.

На фиг.6 представлена в разрезе блок-схема плазменного реактора с квазиоптической электродинамической системой, имеющей прозрачную для СВЧ-излучения периодическую решетку.

На фиг. 7 представлен в разрезе держатель подложки с системами охлаждения, напуска и откачки газа для плазменных реакторов, описанных в п.8,9,10 формулы изобретения.

На фиг.8 представлен держатель подложки с системами охлаждения, напуска и откачки газа для плазменного реактора, описанного в п.12 и 13 формулы изобретения.

Конструкция плазменного реактора, представленная на фиг.1, содержит реакционную камеру 1 для газовой смеси с установленной в ней подложкой 2 для осаждения алмазной пленки 3. Подложка 2 расположена на держателе 4 подложки. Источником СВЧ-излучения служит СВЧ-генератор 5, соединенный с передающей линией 6, оканчивающейся квазиоптической электродинамической системой 7. Квазиоптическая электродинамическая система 7 состоит из нескольких металлических зеркал, которые установлены с возможностью формирования стоячей СВЧ-волны в области 8 создания плазмы вблизи подложки 2. Реакционная камера 1 снабжена системой напуска 9 газовой смеси и системой откачки 10 газа для поддержания требуемого давления и скорости газового потока рабочей смеси в камере 1. В качестве реакционной камеры 1 может быть использована, как и в устройстве-прототипе, прозрачная кварцевая колба. В качестве источника 5 излучения может быть использован гиротрон.

В первом частном случае изготовления плазменного реактора, представленном на фиг.2, передающая линия 6 состоит из сверхразмерного волновода 14 круглого сечения, снабженного делителем 15 волнового пучка, который оптически связан с комплектом четырех плоских зеркал 11, каждое из которых в свою очередь оптически связано с одним вогнутым металлическим зеркалом из комплекта четырех зеркал 12. Квазиоптическая электродинамическая система 7 состоит из четырех металлических вогнутых зеркал 13. Волновод 14 передающей линии 6 выполнен с гофрированной внутренней поверхностью. Волновод 14 одним концом оптически связан с СВЧ-генератором 5, а другим концом соединен с делителем 15 волнового пучка на четыре пучка. Делитель 15 выполнен в виде сверхразмерного квадратного волновода, работа которого основана на эффекте мультипликации изображений при распространении электромагнитной волны (G.G. Denisov, S.V. Kuzikov. In Strong microwaves in plasmas, Ed. A.G. Litvak, N. Novgorod: IAP, 2000, v.2, p.960-966). Зеркала 11,12 и 13 могут быть расположены как внутри реакционной камеры 1 (как показано на фиг.2), так и снаружи реакционной камеры 1 (как показано на фиг.1). Выход СВЧ-генератора 5 может быть оптически связан непосредственно с волноводом 14 круглого сечения (как показано на фиг. 1), а может быть оптически связан с ним посредством дополнительного зеркала 16. Зеркала 13, образующие квазиоптическую электродинамическую систему 7, установлены с возможностью направления СВЧ-излучения 17 в виде четырех попарно пересекающихся волновых пучков в область 8 формирования плазмы вблизи подложки 2 (см. вид А на фиг.2).

Система напуска 9 в реакционную камеру 1 газовой смеси, содержащей по крайней мере водород и углеводород и система откачки 10 газа для поддержания требуемого давления рабочей смеси могут быть выполнены по-разному, например так, как показано на фиг.7. Система напуска 9 выполнена в виде металлического вогнутого экрана 18 с подводящей трубкой 19 в центральной его части. Система откачки 10 газа выполнена в виде набора отверстий 20 в держателе 4 подложки 2, при этом держатель 4 снабжен некоторым объемом для откачиваемой смеси газов, в котором расположена система водяного охлаждения 21 той части держателя 4, которая контактирует с подложкой 2.

Во втором частном случае изготовления плазменного реактора, представленном на фиг. 3, передающая линия 6 представляет собой, как и в предыдущем случае, волновод 14 круглого сечения, снабженный делителем 15 волнового пучка, который оптически связан с двумя плоскими металлическими зеркалами 11, каждое из которых в свою очередь оптически связано с одним вогнутым металлическим зеркалом из комплекта двух зеркал 12. Квазиоптическая электродинамическая система 7 состоит из двух вогнутых металлических зеркал 13. При этом волновод 14 выполнен с гофрированной внутренней поверхностью. В этом частном случае изготовления плазменного реактора делитель 15 волнового пучка на два пучка выполнен в виде сверхразмерного прямоугольного волновода, работа которого основана на эффекте мультипликации изображений при распространении электромагнитной волны. Зеркала 11, 12 и 13 могут быть расположены как внутри реакционной камеры 1 (как показано на фиг.2), так и снаружи реакционной камеры 1 (как показано на фиг.1). Два зеркала 13, образующие квазиоптическую электродинамическую систему 7, установлены с возможностью направления излучения в виде двух пересекающихся волновых пучков в область 8 формирования плазмы вблизи подложки 2 (см. вид А на фиг.3). Система напуска 9 газовой смеси в реакционную камеру 1 и система откачки 10 газа выполнена, как и в предыдущем частном случае, как показано на фиг.7.

В третьем частном случае изготовления плазменного реактора, представленном на фиг. 4, передающая линия 6 состоит, как и в предыдущих случаях, из сверхразмерного волновода 14 круглого сечения, снабженного делителем 15 волнового пучка, который оптически связан с комплектом двух плоских зеркал 11, каждое из которых в свою очередь оптически связано с одним вогнутым металлическим зеркалом из комплекта двух зеркал 12. Квазиоптическая электродинамическая система 7 состоит из двух металлических вогнутых зеркал 13, которые установлены с возможностью направления излучения 17 в виде двух встречных волновых пучков в область 8 формирования плазмы вблизи подложки 2 (см. вид А на фиг.4). Для обеспечения однородности нанесения алмазной пленки 3 на подложку 2 одно из зеркал 13 установлено с возможностью перемещения вперед-назад параллельно самому себе на расстояние /4, где - длина волны СВЧ-излучения. Зеркала 11, 12 и 13, как и в предыдущих частных случаях, могут быть расположены как внутри реакционной камеры 1, так и снаружи.

В четвертом частном случае изготовления плазменного реактора, представленном на фиг.5, реакционная камера 1 расположена вертикально и нижняя ее часть снабжена диэлектрическим окном 22 для ввода СВЧ-излучения 17, при этом внутри камеры 1 в верхней ее части установлена подложка 2 на держателе 4. Квазиоптическая электродинамическая система 7 выполнена в этом случае в виде одного зеркала 13, расположенного снаружи ниже камеры 1 и установленного с возможностью направления пучка СВЧ-излучения 17 вверх, перпендикулярно поверхности подложки 2. Система напуска 9 в реакционную камеру 1 газовой смеси в этом случае выполнена в виде нескольких трубок 23. Для поддержания требуемого давления рабочей смеси в качестве системы откачки 10 газа использована трубка 24. Температурный режим подложки 2 обеспечивается с помощью системы водяного охлаждения 21, как в предыдущих частных случаях выполнения устройства.

В пятом частном случае изготовления плазменного реактора, представленном на фиг.6, передающая линия 6 состоит из сверхразмерного волновода 14 круглого сечения, выход которого оптически связан посредством металлического вогнутого зеркала 12 с квазиоптической электродинамической системой 7, выполненной в этом случае в виде одного металлического вогнутого зеркала 13, установленного с возможностью направления пучка СВЧ-излучения 17 по нормали к поверхности подложки 2 или под небольшим углом к нормали. При этом внутрь реакционной камеры 1 введена радиопрозрачная охлаждаемая стенка, выполненная в виде периодической решетки 25 из тонких металлических охлаждаемых трубок или стержней 26 и установленная параллельно подложке 2 на расстоянии от нее больше /2. Система напуска 9 газовой смеси в данной конструкции и система откачки 10 представлены на фиг. 8. Система напуска 9 состоит из полых охлаждаемых трубок 26 периодической решетки 25. Для поддержания требуемого давления в реакционной камере 1 в диапазоне 50-300 Торр система откачки 10 газа выполнена в виде набора отверстий 20 в держателе 4 подложки 2. Температурный режим подложки 2 обеспечивается с помощью системы водяного охлаждения 21.

В шестом частном случае изготовления плазменного реактора, также представленном на фиг.6, передающая линия 6 и квазиоптическая электродинамическая система 7 выполнены, как и в предыдущем случае. Решетка 25, введенная внутрь реакционной камеры 1 и расположенная в этом частном случае изготовления на расстоянии от подложки 2, кратном /2, вместе с подложкой 2 образуют квазиоптический резонатор с плоскопараллельными зеркалами, имеющий резонанс на частоте излучения СВЧ-генератора 5.

Система напуска 9 газовой смеси и система откачки 10 газа выполнены в данной конструкции аналогично предыдущему частному случаю, как показано на фиг.8.

В конкретном примере реализации разработанных способа и устройства (плазменного реактора) в качестве реакционной камеры 1 использована кварцевая колба, выпускаемая стекольным заводом им. Ф.Э. Дзержинского города Гусь-Хрустальный. В качестве СВЧ-генератора 5 использован гиротрон с частотой СВЧ-излучения 30 ГГц и мощностью до 10 кВт, выпускаемый НПП "Гиком" г. Н. Новгорода. В качестве передающей линии 6 использован сверхразмерный волновод 14 круглого сечения с гофрированной внутренней поверхностью, снабженный делителем 15 волнового пучка, изготовленные в ИПФ РАН г. Н. Новгорода. Для реализации разработанного способа использована конструкция плазменного реактора с квазиоптическим резонатором, представленная на фиг.6.

Разработанный высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ-разряда реализуют следующим образом (см. фиг.1).

Линейно поляризованное СВЧ-излучение 17 с поперечным распределением интенсивности в виде распределения Гаусса от СВЧ-генератора 5 с частотой f, много большей обычно используемой частоты 2,45 ГГц, например 30 ГГц, направляют на вход передающей линии 6. С выхода передающей линии 6 его направляют на квазиоптическую электродинамическую систему 7, посредством которой излучение 17 направляют в реакционную камеру 1, содержащую по крайней мере водород и углеводород. С помощью квазиоптической электродинамической системы 7 в выбранной области 8 реакционной камеры 1 формируют стоячую СВЧ-волну, в пучностях которой генерируют и поддерживают плазменные слои, т. е. получают устойчивую неравновесную плазму. За счет использования СВЧ-излучения с частотой f, много большей обычно используемой частоты 2,45 ГГц, полученная в области 8 плазма имеет более высокую концентрацию электронов, образует более высокую плотность углеродсодержащих радикалов и атомарного водорода и обеспечивает тем самым более высокую скорость роста алмазной пленки, чем в способе-прототипе, использующем излучение с частотой 2,45 ГГц. Повышение частоты f позволяет также использовать приемы квазиоптики и управлять размерами однородной плазмы над подложкой 2, что в свою очередь обеспечивает однородность осаждаемой пленки, т.е. позволяет решить поставленную задачу.

Плазменный реактор, представленный на фиг.2 и позволяющий реализовать способ по п.3, работает следующим образом.

Линейно поляризованное СВЧ-излучение 17 с поперечным распределением интенсивности в виде распределения Гаусса от СВЧ-генератора 5 с частотой 30 ГГц посредством зеркала 16 направляют на вход сверхразмерного волновода 14 круглого сечения с гофрированной внутренней поверхностью. Благодаря такому выполнению волновода 14 поперечное распределение интенсивности излучения 17 на выходе волновода 14 сохраняется близким к гауссовому. Гауссов пучок поступает на вход делителя 15 волнового пучка и за счет эффекта мультипликации изображений при распространении электромагнитной волны в сверхразмерном квадратном волноводе делится на четыре одинаковых гауссовых пучка с меньшей интенсивностью. Каждый их этих пучков излучения 17 посредством комплектов зеркал 11, 12 передающей линии 6 направляют на квазиоптическую электродинамическую систему 7. Четыре вогнутых зеркала 13 электродинамической системы 7 направляют четыре сходящихся пучка 17 в область 8, где указанные четыре пучка попарно пересекаются, как показано на фиг.2 вид А, и в области их пересечения формируется стоячая волна. За счет смещения в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа (см. фиг.2 вид А), противоположно расположенных зеркал 13 в каждой паре относительно оси симметрии каждой пары зеркал 13, область 8 формирования стоячей волны над подложкой 2 в данном частном случае имеет увеличенную площадь (более 100 мм) по сравнению с другими известными способами. В пучностях стоячей волны величина электрического поля равна или превышает пороговое поле, необходимое для поддержания стационарной плазмы, поэтому в области 8 формирования стоячей волны происходит поджиг СВЧ-разряда и формирование и локализация плазменного слоя. Изменяя форму и размеры поперечного сечения пересекающихся волновых пучков 17, можно регулировать размеры и ф