Синтез поликристаллических алмазных пленок с помощью лазерного плазмотрона
Диссертация
В 1970 году была высказана и теоретически обоснована мысль о возможности стационарного поддержания плазмы световым излучением лазера непрерывного действия, а уже в 1971 году был впервые получен на опыте и исследован непрерывный оптический разряд (НОР) в газе. Плазма НОР, в отличие от плазмы импульсного лазерного пробоя, равновесна и не создает ударных воли в газе. В первых экспериментах плазма… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Свойства, применения и методы синтеза алмазов и поликристаллических алмазных пленок. Непрерывный оптический разряд. Обзор литературы
- 1. 1. Свойства и основные области применения алмазов
- 1. 2. Основные виды газофазных методов сиитеза
- 1. 3. Непрерывный оптический разряд
- 1. 3. 1. Оптический пробой
- 1. 3. 2. Непрерывный оптический разряд
- 1. 3. 3. Лазерный плазмотрон
- 1. 4. Выводы
- Глава 2. Экспериментальная установка. Различные схемы реализации лазерно-плазменного реактора
- 2. 1. Лазер
- 2. 2. Плазмохимический реактор
- 2. 2. 1. Плазмохимический реактор атмосферного давления
- 2. 2. 1. 1. Фокусатор
- 2. 2. 1. 2. Сопловой блок
- 2. 2. 1. 3. Реакционная камера и подложкодержатель
- 2. 2. 2. Реактор атмосферного давления с дополнительным электродуговым разрядом
- 2. 2. 3. Камера высокого давления
- 2. 2. 3. 1. Лазерный плазмотрон
- 2. 2. 3. 2. Модификация камеры со сферическим зеркалом
- 2. 2. 1. Плазмохимический реактор атмосферного давления
- 2. 3. Выводы
- 3. 1. Схема экспериментов
- 3. 2. Исследование областей существования лазерной плазмы
- 3. 2. 1. Пороги поддержания лазерной плазмы в чистом Хе и Аг
- 3. 2. 2. Влияние скорости газового потока и ориентации лазерного луча на пороги поддержания плазмы НОР
- 3. 2. 3. Влияние концентрации активных газов на пороги поддержания плазмы НОР
- 3. 2. 4. Влияние дополнительного электрического разряда на стабильность лазерной плазмы
- 3. 2. 5. Зависимость порогов поддержания лазерной плазмы от давления
- 3. 3. Измерения пропускания плазмы НОР
- 3. 4. Вывод
- 4. 1. Описание экспериментальной методики и методов исследования полученных образцов
- 4. 1. 1. Методика синтеза
- 4. 1. 2. Методы исследования полученных образцов
- 4. 2. Синтез пленок при атмосферном давлении в смесях Хе/СН^Нг
- 4. 2. 1. Морфология
- 4. 2. 2. Влияние геометрических факторов
- 4. 2. 3. Химический состав газовой смеси и температура подложки
- 4. 3. Получение пленок при повышенных давлениях (Р>105 Па) в аргоновой плазме
- 4. 3. 1. Синтез пленок в Аг/ Н2/СН4 газовых смесях
- 4. 3. 2. Эмиссионно-спектроскопические исследования лазерной плазмы
- 4. 3. 3. Синтез пленок в Ar/H2/(CH4 + СО2) газовых смесях
- 4. 3. 4. Выводы
- 5. 1. Лазерная установка
- 5. 2. Система транспортировки излучения и расчет фокусирующей линзы
- 5. 3. Лазерный плазмотрон для бескамерного синтеза
- 5. 3. 1. Различные схемы реализации газодинамической защиты зоны осаждения
- 5. 3. 2. Стабилизация температуры образцов в процессе синтеза пленок
- 5. 4. Осаждение алмазных пленок в открытой атмосфере (стационарный режим)
- 5. 5. Синтез алмазных пленок при сканировании подложки относительно плазменной струи
- 5. 6. Выводы
Список литературы
- Н. Liander. Artificial Diamond // ASEA Journal, 1955, vol. 28, p. 97 — 98.
- Б.В. Спицин, Б. В. Дерягип. Способ наращивания граней алмаза // Патент СССР № 339 134 с приоритетом от 10.07.1956 г., опубл. Бюл. № 17,1980, с. 323.
- J.C. Angus, Н.А. Will, W.S. Stanko. Growth of diamond seed crystals by vapor deposition // J. Appl. Phys., 1968, vol. 39, N 6, p. 2915 2922.
- D. Dischler, C. Wild (Eds.). Low-Pressure Synthetic Diamond: Manufacturing and Applications//Heildelberg: Springer, 1998.
- K. Kurihara, K. Sasaki, M. Kawarada, N. Koshino. High rate synthesis of diamond by DC plasma jet chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett., 1988, vol. 52, p. 437 438.
- V.P.Ageev, V.I.Konov, M.V.Ugarov, S.A.Uglov. Laser Driven Plasma CVD of Carbon Films From Methane-Containing Mixtures // Abstracts of VIII Intern, conf. Laser Application Engineering (LAE-8), 3−5 July, 8, St. Petersburg, Pushkin, 1996, p. 8.
- Ю.П. Райзер. Дозвуковое распространение световой искры и пороговые условия для поддержания плазмы излучением // ЖЭТФ, 1970, т. 58, вып. 6, с. 2127 2138.
- Н.А. Генералов, В. П. Зимаков, Г. И. Козлов, В. А. Масюков, Ю. П. Райзер. Экспериментальное исследование непрерывно горящего оптического разряда // ЖЭТФ, 1971, т. 61, с. 1434- 1446.
- Г. И. Козлов. Лазерный плазмотрон с протоком газа // Письма в ЖЭТФ, 1978, т. 4, вып. 10, с. 586 589.
- Ю.П. Райзер. Оптические разряды // УФН, 1980, т. 132, вып. 3, с. 549 581.
- D.L. Franzen. Continuous laser-sustained plasmas // J. Appl. Phys., 1973, vol. 44, No. 4, p. 1727- 1732.
- Г. И. Козлов, В. А. Кузнецов, В. А. Масюков. Непрерывный оптический разряд в молекулярных газах//ЖТФ, 1979, т. 49, вып. И, с. 2304−2310.
- Davis, R. F (ed.). Diamond Films and Coatings: Development, Properties and Applications // NJ: Noyes Publications, Park Ridge, 1993.
- В.Б. Квасков (Отв. ред.). Алмаз в электронной технике: Сб. ст. // М.: Энергоатомиздат, 1990.
- М. A. Prelas, G. Popovici, L. К. Bigelow (Eds.). Handbook of industrial diamonds and diamond films //New York: Marcel Dekker, 1998.
- K. Subramanian, V.R. Shanbhag, in: M. A. Prelas, G. Popovici, L. K. Bigelow (Eds.). Handbook of industrial diamonds and diamond films //New York: Marcel Dekker, 1998, p. 1023.
- JI.M. Блинов, Ю. В. Гуляев, А. В. Долголаптев, И. П. Шилов. Алмазные пленки: перспективные направления использования и их получение в плазме ВЧ- и СВЧ-разрядов пониженного и атмосферного давления // Радиотехника и Электроника, 1996, т. 41, № 4, с. 389−403.
- J. Oakes, Х. Х. Рап, R. Haubner, В. Lux. Chemical vapour deposition diamond coatings on cemented carbide tools // Surf. Coat. Technol., 1991, vol. 47, p. 600 607.
- J.A. Bunting, B.J. Pope. Reduction of Thermal Failure of Sintered Diamond Drill Elements // Proc. ASLE, 1984,40, p. 681.
- M.N. Yoder, in: Davis, R. F (ed.). Diamond Films and Coatings: Development, Properties and Applications//NJ: Noyes Publications, Park Ridge, 1993.
- B. Bhushan, B.K. Gupta. Handbook of Tribology Materials, Coatings and Surface Treatments //New York: McGraw-Hill Inc., 1991.
- P.D. Gigl. New synthesis techniques, properties and applications for industrial diamond // IDA Ultrahard Materials Seminar, Toronto, Ontario, 1989.
- S.A. Grot. Active Diamond Electronic Devices, in: L.S. Pan, D.R. Kania. Diamond: Electronic Properties and Applications // Kluwer Academic Publishers, 1995, p. 443.
- В.И. Ткаченко, В. Б. Квасков. Электронные приборы на основе алмаза., в сб. ст.: В. Б. Квасков (Отв. ред.). Алмаз в электронной технике // М: Энергоатомиздат, 1990.
- G.R. Brandes, in: М. A. Prelas, G. Popovici, L. К. Bigelow (Eds.). Handbook of industrial diamonds and diamond films // New York: Marcel Dekker, 1998, p. 1103.
- V. Parshin, V. Ralchenko, V. Konov. Diamonds for High-Power Gyrotron Window // Proc. of 23td Conf. on Infrared and Millimeter Waves, U.K., 1998, Sept. 7 11, p. 232 — 233.
- W.G. Eversole. Synthesis of diamond // U.S. Patent N 3.030.187 and 3.030. 188, appl. 1958, publ. 1962.
- S. Matsumoto, S.Y. Sato, M. Kamo. Growth of diamond particles from methane hydrogen gas // Jpn. J. Appl. Phys., 1982, vol. 21 Pt. 2, L183 — L185.
- Б.В. Дерягип, Д. В. Федосеев, В. Н. Бакуль и др. Физико-химический синтез алмаза из газа // Киев, Техника, 1971, с. 42.
- Б.В. Дерягип, Б. В. Спицын, В. А. Рябов и др. О синтезе и свойствах автоэпитаксиальпых пленок алмаза // В сб. Физико-химические проблемы кристаллизации, Алма-Ата, 1971, с. 90.
- Б.В. Дерягии, Д. В. Федосеев, В. П. Варнин, А. Е. Городецкий, А. П. Захаров, И. Г. Теремецкая. Рост поликристаллических алмазных пленок из газовой фазы // ЖЭТФ, 1975, т. 69, вып. 4 (10), с. 1250 1252.
- D.G. Goodwin, J.E. Butler. Theory of diamond chemical vapor deposition, in: M. A. Prelas, G. Popovici, in L. K. Bigelow (Eds.). Handbook of industrial diamonds and diamond films // New York: Marcel Dekker, 1998, p. 527.
- Y. Muranaka, H. Yamashita, H. Miyadera. Worldwide status of low temperature growth of diamond // Diamond Relat. Mater., 1994, vol. 3, p. 313 318.
- Y. Muranaka, H. Yamashita, H. Miyadera. Characterization of diamond films synthesized in the microwave plasmas of СО/Н2 and CO/O2/H2 systems at low temperatures (403−1023 K) // J. Appl. Phys., 1991, vol. 69, p. 8145 8153.
- M. Kamo, Y. Sato, S. Matsumoto, N. Setaka. Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma // J. Cryst. Growth, 1983, vol. 62, p. 642 644.
- S. Zhou, Z. Zhihao, X. Ning, Z. Xiaofeng. Study of the growth rate of diamond film by hot-filament CVD // Mat. Sci. Eng. B, 1994, vol. 25, p. 47 52.
- А.Е. Алексенко. Кристаллизация диэлектрических и полупроводниковых слоев из электрически и термически активированной газовой среды // Диссертация на соискание степени кандидата химических наук. Москва, 1988.
- В.И. Конов, С. М. Пименов, A.M. Прохоров, А. А. Смолин, Н. И. Чаплиев. Лазерно-индуцированпое селективное осаждение алмазных пленок // Квантовая электроника, 1991,18(9), с. 1096- 1098.
- J. Karner, М. Pedrazzini, С. Hollenstein. High current d.c. arc (HCDCA) technique for diamond deposition // Diamond Relat. Mater., 1996, vol. 5, p. 217 220.
- В.Г. Переверзев. Электродуговой синтез поликристаллических алмазных покрытий и углеродных одностеппых нанотрубок // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва, 2001.
- S. Matsumoto. Chemical vapor deposition of diamond in RF glow discharge // J. Mater. Sci. Lett., 1985,4, p. 600−602.
- S. Matsumoto, H. Hino, T. Kobiashi. Synthesis of diamond films in rf induction thermal plasma // Appl. Phys. Lett., 1987, vol. 51, p. 737 739.
- S. Matsumoto, J. Sato, M. Tsukumi, V. Setaka. Growth of diamond particles from methane -hydrogen gas Hi. Mater. Sci., 1982, vol. 17, p. 3106 3112.
- P.K. Bachmann, W. Drawl, D. Knight, R. Weimer, R.F. Messier, in: A. Badzian, M. Geis, G. Johnson (Eds.). Diamond and Diamond-like Materials // MRS Symposium Proceedings, 1988, vol. EA-15, p. 99.
- C.B. Willingham, Т.М. Hartnett, R.P. Miller, R.B. Hallock // Proc. SPIE, Window and Dome Technologies and Materials V, 1997, Vol. 3060.
- N. Ohtake, M. Yoshikawa. Diamond film preparation by arc discharge plasma jet CVD // 2nd Int. Conference on the Applications of Diamond Films and Related Materials. Eds. M. Yoshikawa, M. Murakawa, Y. Tzeng, W.A. Yarbrough, MYU, Tokyo, 1993, p. 103 108.
- M.A. Cappelli, T.G. Owano. Plasma-jet deposition of diamond, in: D. Dischler, C. Wild (Eds.). Low-Pressure Synthetic Diamond: Manufacturing and Applications // Heildelberg: Springer, 1998, p. 59.
- G. Verven, Th. Priem, S. Paidassi, F. Blein, L. Bianchi. Production and characterization of d.c. and h.f. plasma jet diamond films // Diamond Relat. Mater., 1993, vol. 2, p. 468 475.
- D. K. Smith, E. Sevillano, M. Besen, V. Berkman, L. Bourget. Large area diamond reactor using a high flow velocity microwave plasma jet // Diamond Relat. Mater., 1992, vol. 1, p. 814−817.
- Y. Mitsuda, T. Yoshida, K. Akashi. Development of a new microwave plasma torch and its application to diamond synthesis // Rev. Sci. Instrum., 1989, vol. 60, p. 249 252.
- Y. Hirose, N. Kondo. // Program and Book of Abstracts: Japan Applied Physics 1988 Spring Meeting, Japanese Physical Society, Tokyo, 1988, p. 434.
- C. A. Wolden, Z. Sitar, R. F. Davis, J. T. Prater. Textured diamond growth by low pressure flat flame chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett., 1996, vol. 69, p. 2258 2260.
- M. Murayama, S. Kojima, K. Uchida. Uniform deposition of diamond films using a flat flame stabilized in the stagnation-point flow // J. Appl. Phys., 1991, vol. 69, p. 7924 7926.
- Peter K. Bachmann, D. Leers, H. Lydtin. Towards a general concept of diamond chemical vapour deposition // Diamond Relat. Mater., 1991, vol. 1, p. 1 -12.
- P. Mistry, M.C. Turchan, G.O. Granse, T. Baurmann. New rapid diamond synthesis technique, using multiplexed pulsed lasers in laboratory ambient // Mat. Res. Innovat., 1997, vol. 1, № 3, p. 149- 156.
- Ю.П. Райзер. Лазерная искра и распространение разрядов // М.: Наука, 1974.
- Ю.П. Райзер. Физика газового разряда // М.: Наука, 1987.
- P.D. Maker, R.W. Terhune, С.М. Savage. Optical third harmonic generation // In. Quantum Electronics, v. III. P. Grivet, N. Bloembergen (Eds.). N.Y., Columbia Univ. Press, 1964.
- Г. И. Козлов, B.A. Кузнецов, B.A. Масюков. Лучистые потери аргоновой плазмы и излучательная модель непрерывного оптического разряда // ЖЭТФ, 1974, т. 66, с. 954 -964.
- Ф.В. Бункин, В. И. Конов, A.M. Прохоров, В. Б. Федоров. Лазерная искра в режиме «медленного горения» // Письма в ЖЭТФ, 1969, т. 9, с. 609 612.
- М.В. Герасименко, Г. И. Козлов, В. А. Кузнецов. Лазерный плазмотрон // Квантовая электроника, 1983, т. 10, № 4, с. 709 717.
- A.M. Прохоров, В. И. Конов, И. Урсу, И. Михайлеску. Взаимодействие лазерного излучения с металлами // Bucuresti, Romania: ЕА и М.: Наука, 1988.
- V.I. Konov, A.M. Prokhorov, S.A. Uglov, A.P. Bolshakov, I.A. Leontiev, F. Dausinger, H. Hugel, B. Angstenberger, G. Sepold, S. Metev. CO2 laser-induced plasma CVD synthesis of diamond // Appl. Phys., 1998, A 66, p. 575 578.
- V.I. Konov, A.P. Bolshakov, F. Dausinger, S.A. Uglov. Laser plasma CVD diamond reactor// 7-th International Conference on New Diamond Science and Technology, Hong Kong, 23−28 July, 2000, Abstr. No 2.2.
- A.P. Bolshakov, F. Dausinger, V.I. Konov, S.A. Uglov. Main features and CVD diamond applications // International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, California, April 10−14, 2000, Abstr. No B6−4, p. 115.
- A. Bolshakov, V. Konov, S. Uglov. Power CW СОг-laser plasmatron as a new technique for coatings CVD // First International Conference on Laser Optics for Young Scientists, St. Petersburg, Russia, June 26−30,2000, p. 27.
- М.В. Герасименко, Г. И. Козлов, В. А. Кузнецов, В. А. Масюков. Непрерывный оптический разряд в режиме лазерного плазмотрона // Письма в ЖТФ, 1979, т. 5, вып. 15, с. 954 -957.
- A.P. Bolshakov, V.I. Konov, A.M. Prokhorov, S.A. Uglov, F. Dausinger. Laser plasma CVD diamond reactor// Diamond Relat. Mater., 2001, vol. 10, p. 1559 1564.
- D.C. Smith, M.C. Fowler. Ignition and maintenance of a cw plasma in atmospheric-pressure air with C02 laser radiation // Appl. Phys. Lett., 1973, vol. 22, p. 500 502.
- Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы (под ред. Л.С. Полака) // М.: Наука, 1971.
- Б.М. Комраков, Б. А. Щапочкин. Измерение параметров оптических покрытий // Машиностроение, 1986.
- D.S. Knight, W.B. White. Characterization of diamond films by Raman spectroscopy // J. Mater. Res., 1989, vol. 4, No. 2, p. 385 393.
- J.W. Ager, M.D. Drory. Quantitative measurement of residual and biaxial stress by Raman spectroscopy in diamond grown on Ti alloy by chemical vapor deposition // Phys. Rev. В., 1993, vol. 48, p. 2601 -2607.
- E.D. Obraztsova, K.G. Korotushenko, S.M. Pimenov, V.G. Ralchenko, A.A. Smolin, V.I. Konov, E.N. Loubnin. Raman and photoluminescence investigation of nanograined diamond films //Nanostructured Materials, 1995, vol. 6, p. 827 830.
- H. Liu, D.S. Dandy. Diamond chemical vapor deposition // Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, 1995.
- D.R. Keefer, B.B. Henriksen, W.F. Braerman. Experimental study of a stationary laser-sustained air plasma // J. Appl. Phys., 1975, vol. 46, p. 1080 1083.
- Gruen D.M., Nucleation, MRS Bulletin, September, 1998,32.
- R.J.H. Klein-Douwel, J.J.L. Spaanjaars, J.J. Meulen. In Proc. 3 International Conference, Appl. of Diamond Films and Relat. Mater., 1995, p. 413.
- А.Н. Зайдель и др. Таблицы спектральных линий // «Наука», 1977.
- В. Glennon, W. L. Wiese. Bibliography on Atomic Transition Probabilities // NBS, Monograpf 50, Washington, 1962.
- J. Wei, H. Kawarada, Y. Suzuki, A. Hiraki. Growth of diamond films at low pressure using magneto-microwave plasma CVD // Journal of Crystal Growth, 1990, vol. 99, p. 12 011 205.
- C.F. Chen, S. Chen, H.W. Ко, S.E. Hsu. Low temperature growth of diamond films by microwave plasma chemical vapor deposition using CH4 + CO2 gas mixtures // Diamond Relat. Mater., 1994, vol. 3, p. 443 447.
- J. Stiegler, T. Lang, M. Nygard-Ferguson, Y. Kaenel, E. Blank. Low temperature limits of dimond film growth by microwave plasma-assisted CVD // Diamond Relat. Mater., 1996, vol. 5, p. 226 230.
- Y. Liou, Y.R. Ma. Diamond formation in the carbon-hydrogen-oxygen system // Diamond Relat. Mater., 1994, vol. 3, p. 573 576.
- V.G. Ralchenko, A.A. Smolin, V.I. Konov, K.F. Sergeichev, I.A. Sychov, I.I. Vlaov, V.V. Migulin, S.V. Voronina, A.V. Khomich. Large area diamond deposition by microwave plasma // Diamond Relat. Mater., 1997, vol. 6, p. 417 421.
- А.П. Большаков, В. Г. Востриков, В. Ю. Дубровский, В. И. Конов, Ф. К. Косырев, В. Г. Наумов, В. Г. Ральченко. Лазерный плазмотрон для бескамерпого осаждения алмазных пленок // Квантовая Электроника, 2005, т. 35, № 4, с. 385 389.
- А.Г. Григорьянц, B.A. Фромм, С. Ф. Морящев, В. П. Саяпин и др. Влияние условий фокусирования лазерного луча на глубину проплавления при сварке // Известия высших учебных заведений, Машиностроение, 1983,1.
- J.J. Schermer, F.K. de Theije. Nitrogen addition during flame deposition of diamond: a study of nitrogen-enhanced growth, texturing and luminescence // Diamond Relat. Mater., 1999, vol. 8, p. 2127−2139.
- S. Metev, H. Brecht, J. Schwarz, G. Sepold. New technology for high rate synthesis of PC-diamond coatings in air with photon plasmotron // Diamond Relat. Mater., 2002, vol. 11, p. 472 477.
- C. Wild, P. Koidl, W. Muller-Sebert, H. Walcher, R. Kohl, R. Herres, R. Locher, R. Smalemski, R.Brenn. Chemical vapour deposition and characterization of smooth {100}-faceted diamond films // Diamond Relat. Mater., 1993, vol. 2, p. 158 168.
- T.P. Ong, R.P.H. Chang. Low-temperature deposition of diamond films for optical coatings // Appl. Phys. Lett., 1989, vol. 55, p. 2063 2065.
- R. Erz, W. Dotter, K. Jung, H. Eharhard. Preparation of smooth and nanocrystalline diamond films // Diamond Relat. Mater., 1993, vol. 2, p. 449 453.
- V.I. Konov, A.A. Smolin, V.G. Ralchenko, S.M. Pimenov, E.D. Obraztsova, E.N. Loubnin, S.M. Metev, G. Sepold. D.c. arc plasma deposition of smooth nanocrystalline diamond films // Diamond Relat. Mater., 1995, vol. 4, p. 1073 1078.
- R.L.C. Wu, A.K. Rai, A. Garscadden, P. Kee, H.D. Desai, K. Miyoshi. Synthesis and characterization of fine grain diamond films // J. Appl. Phys., 1992, vol. 72, p. 110 116.
- P.K. Bachmann, H. Lade, D. Leers, D.U. Wiechert, G.S.A. Theunissen. Wear testing of CVD diamond films // Diamond Relat. Mater., 1994, vol. 3, p. 799 804.
- C. Nistor, J. Van. Landuyt., V.G. Ralchenko, E.D. Obraztsova, A.A. Smolin. Nanocrystalline diamond films: transmission electron microscopy and Raman spectroscopy characterization // Diamond and Related Materials, 1997, vol. 6, No. l, p. 159 168.