[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究探讨了在热丝化学气相沉积系统中，腔室压力如何调控碳膜的形貌、结构及生长速率。通过将压力从3.3 kPa调节至14 kPa，研究发现中等压力（最高至8.6 kPa）可增强金刚石相碳的形成及膜层生长速率，而较高压力则有利于石墨相形成并降低生长速率，原因在于气相反应和基底表面能量传递的改变。

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.

研究动机与目标

• 确定腔室压力对热丝CVD法制备碳膜形貌及结构相的影响。
• 识别可最大化金刚石相碳形成与膜层生长速率的压力范围。
• 分析气体相碰撞及基底表面能量传递随压力变化的情况，及其对膜层微观结构的影响。
• 将压力相关的气体离解速率与气态碳原子转化为石墨相或金刚石相的转化率相关联。
• 提供实验见解，以优化沉积条件，实现对碳膜性能的定制化调控。

提出的方法

• 在控制腔室压力的热丝化学气相沉积（HFCVD）反应器中，进行薄层与厚层碳膜的沉积。
• 在保持输入功率和CH4与H2气体流量恒定的条件下，将腔室压力从3.3 kPa调节至14 kPa。
• 监测基底与丝状物温度随气体停留时间与压力的变化，以评估热力学与能量条件。
• 分析在不同压力条件下，气相离解速率及碳原子转化为石墨相或金刚石相的转化速率。
• 利用实验数据，将压力引起的气体碰撞与基底表面能量通量变化与最终膜层形貌及生长速率相关联。
• 通过直接分析实验结果，研究膜层结构与晶粒特征，以识别压力依赖的微观结构趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 在热丝CVD系统中，将腔室压力从3.3 kPa提高至14 kPa，对碳膜生长速率有何影响？
• RQ2 腔室压力与沉积碳膜的相组成（金刚石与石墨）之间存在何种关系？
• RQ3 气态碳原子转化为金刚石相碳的转化速率在何种压力范围内达到最大？
• RQ4 气体碰撞与基底表面能量传递如何随腔室压力变化，进而影响膜层形貌？
• RQ5 为何在高压力下（>8.6 kPa），尽管气体密度增加，膜层生长速率反而下降？

主要发现

• 碳膜生长速率随腔室压力升高而显著提升，直至8.6 kPa，该中等压力范围内达到峰值。
• 在3.3 kPa至8.6 kPa的压力范围内，可观察到明显的晶粒与颗粒特征，表明成核与生长活性增强。
• 气态碳原子向金刚石相碳转化的速率在中等压力范围内最高，尤其在约8.6 kPa时达到峰值。
• 在8.6 kPa以上压力下，绝大多数气态碳原子转化为石墨相碳，导致膜层生长速率降低。
• 高压力下从金刚石相向石墨相主导的转变，归因于气相碰撞增加及基底表面能量传递方式的改变。
• 碳膜形貌从低压下的细小晶粒，演变为中等压力下的较大晶粒与颗粒，而在高压下则转向石墨结构。