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

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

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 25被引用数 11

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（HFCVD）装置におけるチャンバーフィルム圧力が炭素膜の形態、構造および成長速度に与える影響を調査する。3.3 kPa から 14 kPa の圧力範囲で圧力を変化させた結果、中間圧力（8.6 kPa まで）ではダイヤモンド相炭素の生成と膜成長速度が向上するが、高圧力ではグラファイト相の生成が優勢になり、成長速度が低下することが判明した。これは、基板における気相反応およびエネルギー移動の変化に起因する。

ABSTRACT

Depositing thin and thick films by different coating technology units is the beauty of deposition technology where every synthesis deals the chamber pressure. In hot-filaments reactor, chamber also deals heat and photon energy in addition to pressure settling into the available mass. Temperature of the substrate material and hot-filaments under fixed input power vary as per residence time of entered dissociating CH4 and H2 gases under set flow rates. Rates of dissociating entered gases and conversion rate of gas state carbon atoms into graphite and diamond states carbon atoms vary largely under the varying chamber pressure which influence the deposition of their carbon films in terms of quality and growth rate. The increase in the chamber pressure from 3.3 kPa to 14 kPa influences the morphology of carbon films comprising tiny grains, grains and particles. The increase in the chamber pressure upto 8.6 kPa increases the growth rate of a carbon film along with discernible features of grains and particles. In the range of different intermediate chamber pressures, gas state carbon atoms are converted into diamond state carbon atoms at high rate. In the range of high pressures, gaseous carbon atoms converted to graphite state in a large number. Here, a low growth rate of the films is obtained. For different chamber pressures, typical energies arriving at substrate surface involved the different rate as influenced by the gas collisions developing carbon films of different featured grains and particles. 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を用いて堆積された炭素膜の形態および構造的相に及ぼすチャンバーフィルム圧力の影響を特定すること。
• ダイヤモンド相炭素の生成と膜成長速度を最大化する圧力範囲を同定すること。
• 基板表面における気相反心衝突およびエネルギー移動が圧力に応じてどのように変化するかを分析し、膜のマイクロ構造に与える影響を評価すること。
• 圧力依存のガス解離速度と、気体状炭素原子がグラファイト相またはダイヤモンド相に変換される割合との相関関係を特定すること。
• 堆積条件の最適化に役立つ実験的知見を提供すること、目的は特性を調整可能な炭素膜の作製である。

提案手法

• チャンバーフィルム圧力を制御したホットフィラメント化学蒸着（HFCVD）反応器を用いて、薄膜および厚膜の炭素膜を堆積する。
• CH4およびH2の流量と入力電力を一定に保ちつつ、チャンバーフィルム圧力を3.3 kPa から 14 kPa の範囲で変化させる。
• ガス滞留時間と圧力に応じた基板およびフィラメント温度の変化をモニタリングし、熱的およびエネルギー的状態を評価する。
• 異なる圧力領域における気相反応解離速度および炭素原子がグラファイト相またはダイヤモンド相に変換される割合を分析する。
• 実験データを用いて、圧力に起因するガス衝突および基板表面へのエネルギーフラックスの変化と、それによる膜の形態および成長速度の変化を相関づける。
• 実験結果の直接的分析を通じて膜の構造および結晶粒の特徴を調査し、圧力依存のマイクロ構造的傾向を特定する。

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3.3 kPa から 14 kPa に増加させると、炭素膜の成長速度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 チャンバーフィルム圧力と堆積膜の相成分（ダイヤモンド対グラファイト）の関係は何か？
• RQ3 気体状炭素原子がダイヤモンド相炭素に変換される割合が最大になる圧力範囲は何か？
• RQ4 基板表面におけるガス衝突およびエネルギー移動がチャンバーフィルム圧力に応じてどのように変化するか、それが膜の形態に与える影響は何か？
• RQ5 ガス密度が上昇しているにもかかわらず、高圧力（8.6 kPa 以上）で膜成長速度が低下するのはなぜか？

主な発見

• 炭素膜の成長速度は、チャンバーフィルム圧力が8.6 kPaに達するまで著しく上昇し、この中間圧力範囲でピークに達する。
• 3.3 kPa から 8.6 kPa の圧力範囲では、明確な結晶粒および粒子の特徴が顕在し、核化および成長活性が向上していることが示唆される。
• 気体状炭素原子がダイヤモンド相炭素に変換される割合が最大になるのは中間圧力範囲であり、特に8.6 kPa付近で顕著である。
• 8.6 kPa 以上の圧力では、気体状炭素原子の大部分がグラファイト相炭素に変換され、結果として膜成長速度が低下する。
• 高圧力下でダイヤモンド相からグラファイト相への優勢な移行は、気相反心衝突の増加および基板表面におけるエネルギー移動の変化に起因する。
• 炭素膜の形態は、低圧力では微細な結晶粒から、中間圧力ではより大きな結晶粒および粒子へと変化し、高圧力ではグラファイト構造へとシフトする。