[論文レビュー] Morphology and Structure of Carbon Films Deposited at Varying Chamber Pressures

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

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、メタンからの堆積においてホットフィラメント反応器内のチャンバーレイド（3.3–14 kPa）が炭素膜の形態および構造に与える影響を調査する。8.6 kPaまでの圧力上昇により、ガス活性化と原子状水素エッチングが最適化され、ダイヤモンド相の形成と膜成長速度が向上するが、11.3 kPaを超えるとグラファイト形成が優勢となり、成長が減少する。これにより、圧力依存的な炭素相選択と膜品質の制御が可能となる。

ABSTRACT

Depositing thin and thick films through different deposition technology systems has been a topic of great interest. In the hot-filaments reactor, a carbon film is deposited at some value of the chamber pressure, where the photon energy is also found in addition to gases and heat energy. Having dissociated from methane, gaseous carbon atoms convert into graphite and diamond states. Increase in chamber pressure from 3.3 kPa to 14 kPa alters the morphology and structure of carbon films. Increasing the chamber pressure upto 8.6 kPa increases the growth rate of carbon film along with discernible features of its tiny grains, grains and particles. The conversion rate of gaseous carbon atoms into the diamond state also increases. At high set chamber pressures, i.e., 11.3 kPa and 14 kPa, gaseous carbon atoms converted into the graphite state at high rate. However, the films with low growth rates had deposited. The gas activation process and the gas collision vary largely at different chamber pressures. Hence, the morphology and structure of carbon films got deposited with different nucleation and growth rates. The dissociation rate of molecular hydrogen becomes different at each chamber pressure. Consequently, the amount of formation of typical energy varies. On dissociation, atomic hydrogen is used to etch the photon energy into typical energy of different shapes. A suitable typical energy involves in the conversion of gaseous carbon atoms to graphite and diamond states. Graphite atoms get bound by the same involved energy. A different shaped typical energy involves in the process of binding diamond atoms. Clearly, this study sets a new foundation in depositing carbon films and other carbon-based materials.

研究の動機と目的

• ホットフィラメントCVDを用いた炭素膜の堆積において、チャンバーレイドが膜の形態および相構造に与える影響を理解すること。
• ダイヤモンド相の形成と膜成長速度を最大化する圧力範囲を特定すること。
• ガス活性化、原子状水素、エネルギー移動の役割が炭素膜堆積における相選択に与える影響を分析すること。
• 堆積システムにおける圧力調整による炭素膜構造の制御の基盤を確立すること。

提案手法

• メタンを炭素源として用い、チャンバーレイドを変化させたホットフィラメント反応器を用いた炭素膜の堆積。
• 異なる圧力条件下における気体状炭素原子の解離およびグラファイト・ダイヤモンド相への変換をモニタリング。
• 圧力依存のガス活性化および衝突ダイナミクスに基づく炭素膜の核生成および成長速度の分析。
• 原子状水素がエッチングおよびエネルギー移動に果たす役割が、相特異的結合エネルギーに与える影響の評価。
• 光子エネルギーおよび一般的なエネルギー形態を用いて、グラファイトおよびダイヤモンド構造における相特異的結合メカニズムの説明。
• ガス解離および活性化の圧力依存的変化と、それによる膜の形態および相成分の相関関係の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャンバーレイドを3.3 kPaから14 kPaに上昇させることで、炭素膜の成長速度および形態にどのような影響が生じるか？
• RQ2 異なる圧力条件下で、原子状水素およびガス活性化が、堆積膜の相（ダイヤモンド対グラファイト）を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 気体状炭素原子がダイヤモンド相に変換される速度が最大に達する圧力はどの程度か？
• RQ4 チャンバーレイドの変化が、グラファイトおよびダイヤモンドの炭素原子結合に伴うエネルギー移動プロセスにどのように影響するか？
• RQ5 高圧力（11.3 kPaおよび14 kPa）ではグラファイト形成が顕著であるにもかかわらず、なぜ膜成長速度が低下するのか？

主な発見

• 膜の成長速度はチャンバーレイドが8.6 kPaに達するまで上昇し、それ以上の圧力で低下を示す。
• 気体状炭素原子がダイヤモンド相に変換される速度は8.6 kPaまで著しく増加し、ダイヤモンド形成に最適な条件であることが示された。
• 11.3 kPaおよび14 kPaの圧力では、気体状炭素原子がグラファイト相に変換される割合が優勢となり、膜の成長速度が低下する。
• 分子状水素の解離速度はチャンバーレイドに依存し、エッチングおよびエネルギー移動に必要な原子状水素の可用性に影響を与える。
• グラファイトおよびダイヤモンドの原子結合に異なる形状の一般的なエネルギー形態が関与しており、相特異的構造的結果が説明できる。
• 炭素膜の形態および構造は、圧力依存の核生成および成長ダイナミクスに強く影響を受けており、8.6 kPaでは特徴的な構造が観察された。