[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究探讨了在热丝化学气相沉积（CVD）反应器中，腔室压力如何调控碳膜的形貌、生长速率及结构相（金刚石相与石墨相）的形成。通过将压力从25至105 torr变化，研究发现中间压力（65 torr）可最大化薄膜生长速率与金刚石相的形成，而较高压力则更有利于形成石墨结构，且生长速率降低。

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.

研究动机与目标

• 理解腔室压力对热丝CVD法制备碳膜形貌与结构演变的影响。
• 识别气相碳原子、金刚石相与石墨相碳结构之间随压力变化的相变行为。
• 将腔室压力与沉积速率及薄膜微观结构相关联，以实现碳膜合成的优化。
• 探讨压力在调控生长过程中能量传递（热能与光子）及停留时间方面的作用。

提出的方法

• 在控制腔室压力条件下，于热丝反应器中进行薄层与厚层碳膜的沉积。
• 在保持输入功率与CH4和H2气体流量恒定的前提下，将腔室压力从25 torr调节至105 torr。
• 监测基底与丝状物温度随压力与停留时间的变化。
• 分析不同压力下气相碳原子向固相碳结构转化的速率。
• 利用实验数据建立压力与薄膜生长速率及结构相（金刚石相 vs. 石墨相）之间的关联。
• 通过观察到的形貌特征，研究碳原子沉积与结构演变的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热丝CVD系统中，将腔室压力从25 torr提高至105 torr，对碳膜生长速率有何影响？
• RQ2 气相碳原子向金刚石相碳结构转化的速率在何种压力范围内达到最大？
• RQ3 腔室压力如何影响金刚石相向石墨相碳结构的转变？
• RQ4 腔室压力、停留时间以及丝状物与基底温度之间存在何种关系？
• RQ5 压力变化如何影响碳膜的形貌特征，包括晶粒尺寸与晶粒形成？

主要发现

• 在中间腔室压力65 torr时，薄膜生长速率显著提高，表明该压力为沉积效率的最优值。
• 在65 torr时，气相碳原子向金刚石相结构转化的速率最高，导致薄膜中出现可辨识的结构特征。
• 在高腔室压力（高于65 torr）下，碳原子向石墨相结构的转化占主导地位，导致薄膜生长速率降低。
• 形貌演化表现出明显的特征，如微小晶粒、较大晶粒及晶粒簇，这些特征强烈依赖于腔室压力。
• 碳原子沉积与结构演变的动力学行为显著受压力相关的能量传递（热能与光子）及停留时间的影响。
• 实验结果清晰表明，存在从金刚石相向石墨相主导的相变行为，且该行为具有压力依赖性，对材料设计具有重要意义。