[論文レビュー] Deposition Chamber Pressure on the Morphology of Carbon Films

Mubarak Ali, Mustafa Ürgen|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ホットフィラメント化学蒸着法（CVD）装置におけるチャンバーフィルム圧力が、炭素膜の形態、成長速度、および構造相（ダイヤモンド対グラファイト）に与える影響を調査する。25〜105 torrの圧力範囲で変化させた結果、中間圧力（65 torr）で膜成長とダイヤモンド相形成が最大となり、高圧ではグラファイト構造が優勢となり、成長速度が低下することが明らかになった。

ABSTRACT

Depositing thin and thick films in different coating technology units is the beauty of deposition technology where every process deals chamber pressure. In hot-filament reactor, in addition to force, chamber pressure deals heat and photon energy settling into available mass per unit area or volume. Temperature of substrate material and filaments under fixed input power vary as per residence time under set pressure of entered dissociating CH4 and H2 gases. Dynamics of carbon atoms along with their transformation rate from gas state to other states vary largely under varying chamber pressure which influences their deposition rate in addition to content-specific structural evolution. The increase in the chamber pressure from 25 torr to 105 torr influences morphology of films comprising tiny grains, grains and crystallites. The increase in the chamber pressure to 65 torr increases the growth rate of carbon film along with discernible features. At intermediate range of pressure, gas state carbon atoms transformed into diamond state at high rate. At high chamber pressures, gas state carbon atoms transformed into graphitic state at high rate where low growth rate of films resulted. Deposited carbon films are investigated under the investigation of original line of experimental results opening abundant avenues of materials research.

研究の動機と目的

• ホットフィラメントCVDを用いた炭素膜の成膜において、チャンバーフィルム圧力が形態および構造的進化に与える影響を理解すること。
• 気相状態の炭素原子、ダイヤモンド相、グラファイト相の炭素構造間の圧力依存的転移を特定すること。
• 膜成長速度および膜の微細構造と関連づけて、チャンバーフィルム圧力を最適な炭素膜合成に結びつけること。
• 圧力が膜成長過程におけるエネルギー移動（熱および光子）および残留時間に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 制御されたチャンバーフィルム圧力条件下でホットフィラメント装置を用いて薄膜および厚膜の炭素膜を成膜する。
• CH4およびH2の入力パワーと流量を一定に保ちながら、チャンバーフィルム圧力を25 torrから105 torrまで変化させる。
• 圧力および残留時間の関数として、基板およびフィラメントの温度をモニタリングする。
• 異なる圧力条件下における気相状態の炭素原子から固体状態の炭素構造への変換速度を分析する。
• 実験データを用いて、圧力と膜成長速度、構造相（ダイヤモンド対グラファイト）との相関関係を特定する。
• 観察された形態的特徴を通じて、炭素原子の堆積ダイナミクスおよび構造的進化の動態を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホットフィラメントCVDシステムにおいて、チャンバーフィルム圧力を25から105 torrに増加させると、炭素膜の成長速度にどのように影響するか？
• RQ2 気相状態の炭素原子がダイヤモンド相の炭素構造に変換される速度が最大になる圧力範囲は何か？
• RQ3 チャンバーフィルム圧力は、ダイヤモンド相からグラファイト相への炭素構造への転移にどのように影響するか？
• RQ4 チャンバーフィルム圧力、残留時間、フィラメントおよび基板の温度との関係は何か？
• RQ5 圧力の変動が、結晶粒のサイズや析出結晶子の形成を含む炭素膜の形態にどのように影響するか？

主な発見

• 中間圧力65 torrで膜成長速度が著しく向上し、成膜効率の最適化に適した圧力であることが示された。
• 65 torrの圧力で、気相状態の炭素原子からダイヤモンド相構造への変換速度が最大となり、膜に顕著な構造的特徴が現れた。
• 高圧（65 torr以上）では、炭素原子がグラファイト相構造に変換される割合が優勢となり、膜成長速度が低下した。
• 形態的進化には、小さな結晶粒、大きな結晶粒、および析出結晶子といった顕著な特徴が見られ、これらはチャンバーフィルム圧力に強く依存していた。
• 炭素原子の堆積ダイナミクスおよび構造的進化の動態は、圧力依存的なエネルギー移動（熱および光子）および残留時間によって顕著に影響を受けていた。
• 実験結果から、ダイヤモンドからグラファイトへの圧力依存的相転移が明確に示され、材料設計への応用が示唆された。