A kinetic study has been made for the growth of nanocrystalline diamond (NCD) particles to a continuous thin film on silicon substrate in a microwave plasma chemical vapor deposition reactor. Parameters of deposition have been microwave power of 1.2 kW, the chamber pressure of 110 Torr, and the Ar/$CH_4$ ratio of 200/2 sccm. The deposition has been carried out at temperatures in the range of $400\sim700^{\circ}C$ for the times of 0.5~16 h. It has been revealed that a continuous diamond film evolves from the growth and coalescence of diamond crystallites (or particles), which have been heterogeneously nucleated at the previously scratched sites. The diamond particles grow following an $h^2$ = k't relationship, where h is the height of particles, k' is the particle growth rate constant, and t is the deposition time. The k' values at the different deposition temperatures satisfy an Arrhenius equation with the apparent activation energy of 4.37 kcal/mol or 0.19 eV/ atom. The rate limiting step should be the diffusion of carbon species over the Si substrate surface. The growth of diamond film thickness (H) shows an H = kt relationship with deposition time, t. The film growth rate constant, k, values at the different deposition temperatures show another Arrhenius-type expression with the apparent activation energy of 3.89 kcal/mol or 0.17 eV/atom. In this case, the rate limiting step might be the incorporation reaction of carbon species from the plasma on the film surface.
A surface acoustic wave (SAW) filter structure was fabricated employing $4{\mu}m$ thick nanocrystalline diamond (NCD) and $2.2{\mu}m$ thick ZnO films on Si wafer. The NCD film was deposited in an $Ar/CH_4$ gas mixture by microwave plasma chemical vapor deposition method. The ZnO film was formed over the NCD film in an RF magnetron sputter using ZnO target and $Ar/O_2$ gas. On the top of the two layers, copper film was deposited by the RF sputter and inter digital transducer (IDT) electrode pattern (line/space : $1.5/1.5{\mu}m$) was defined by the photolithography including a lift-off etching process. The fabricated SAW filter exhibited the center frequency of 1.66 GHz and the phase velocity of 9,960 m/s, which demonstrated that a giga Hertz SAW filter can be realized by utilizing the nanocrystalline diamond thin film.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2000.07a
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pp.452-455
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2000
Diamond thin films were synthesized on WC-Co substrate at various experimental parameters using 13.56MHz RF PACVD(radio frequency plasma-assisted chemical vapor deposition). In order to increase the nucleation density, the WC-Co substrate was polished with 3$\mu\textrm{m}$ diamond paste. And the WC-Co substrate was pretreated in HNO$_3$: H$_2$O = 1:1 and O$_2$ plasma. In H$_2$-CH$_4$gas mixture, the crystallinity of thin film increased with decreasing CH$_4$concentration at 800W discharge power and 20torr reaction pressure. In H$_2$-CH$_4$-O$_2$gas mixture, the crystallinity of thin film increased with increasing O$_2$concentration at 800W discharge power, 20torr reaction pressure and 4% CH$_4$concentration.
Polycrystalline diamond films are deposited on a Si substrate by employing a 2.45 GHz $\mu$-wave plasma CVD system. Prior to depositing the diamond film, a DPR(diamond photo-resist) layer is coated to enhance the nucleation density. The growth rate of diamond films increases with the $\mu$-wave power and approaches to be about $1.5{\mu}m/hr$ at 1100 W. Structural properties of diamond films deposited are characterized from their SEM photographs, Raman spectra, and AFM surface images. Lager grain size, higher intensity of diamond peak, and smoother surface are observed for films deposited at a higher power. The possible mechanism on the diamond growth is also discussed to explain the experimental results.
Wang, Chun-Lei;Akimitsu Hatta;Jaihyung Won;Jaihyung Won;Nan Jinang;Toshimichi Ito;Takatomo Sasaki;Akio Hiraki;Zengsun Jin
The Korean Journal of Ceramics
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v.3
no.1
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pp.1-4
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1997
Diamond film (24$\mu\textrm{m}$) were prepared by Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition method from a reactive CO/H$_2$ mixtures. Micro-Raman spectroscopy and micro-cathodoluminescence study were carried out along the crosssection and correlated to SEM observation. CL image of cross-section was also investigated. Peak position, FWHM of Raman spectrum were determined using Lorentzing fit. The stress in this sample is 0.4~0.7 GPa compressive stress, and along the distance the compressive stress reduced. The Raman peak broadening is dominated by phonon life time reduction at grain boundaries and defect sites. Defects and impurities were mainly present inside the film, not at Silicon/Diamond interface.
High quality diamond films of the silicon on diamond (SOD) structure are deposited using CO and $H_2$ gas mixture in microwave plasma chemical vapor deposition (CVD), a SOD structure is fabricated using low pressure CVD polysilicon on diamond/ Si(100) substrate. The crystalline structure of the diamond films which composed of { 111} and {100} planes. were changed from octahedral one to cubo-octahedron one as the CO/$H_2$ ratios are increased. The high quality diamond films without amorphous carbon and non-diamond elements were deposited at the CO/$H_2$ flow rate of 0.18. and the main phase of the diamond films shows (111) plane. The diamond/Si(lOO) structure shows that the interface is flat without voids. The measured dielectric constant. leakage current and breakdown field were $5.31\times10^{-9}A/cm^2$ and $9\times{10^7}{\Omega}cm$ respectively.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.22
no.5
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pp.411-414
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2009
It has been investigated for the film uniformity and deposition rate of a-C:H films on glass substrate and polymeric materials in the presence of the modulated crossed magnetic field. We used Plasma CVD, i.e, using a crossed electromagnetic field, for uniform depositing thin film. The optimum discharge condition has been discussed for the gas pressure, the magnetic flux density and the distance between substrate and electrodes, As a result, it is found that the optimum discharge conditions are $CH_4$ concentration $CH_4$=10 %, modulated magnetic flux density B=48 Gauss, pressure P=100 mTorr, discharge power supply voltage V=l kV under these experimental conditions. By using these experimental condition, it is possible to prepare the most uniform film extends over about 160 mm of the film width. In this study, we deposited a-C:H thin film on glass substrate, and have a plan that using this condition, study depositing a-C:H thin film on polymeric substrate in next studies.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2002.05a
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pp.132-132
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2002
Diamond is well known as the hardest material in nature. It also has other unique bulk physical and mechanical properties, such as very high thermal conductivity and broad optical transparency, which enable a number of new applications now that large areas of diamond can be fabricated by the new diamond plasma chemical vapor deposition (CVD) technologies. A study on the effects of growth kinetics and properties of diamond films obtained by addition of argon (~7 vol. %) into the methane/hydrogen mixture is carried out using HFCVD system. A negative bias was used as a nucleation enhancement method in addition to the argon dilution. The scanning electron microscopy (SEM) image of surface morphology shows well faceted crystallites with a predominance of angular shapes corresponding to <100> and <110> crystalline surfaces. The nucleation density and growth rate with argon dilution is two orders of magnitude higher than without argon deposition. The Raman spectra show a good quality film whereas XPS spectra show existence of only diamond phase.
Proceedings of the Korea Association of Crystal Growth Conference
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1998.09a
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pp.33-33
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1998
Invisible charged clusters are suggested to form in the gas phase and to become the growth unit in the thin film process. Similar suggestion had been made by Glasner el al. in the crystal growth of KBr and KCL in the solution where the lead ions were added. The charged cluster model, which was suggested in the diamond CVD process by our group, will be extended to the other thin film processes. It will be shown based on both the theoretical analysis and the experimental evidences that the charged clusters are formed in the gas phase and become the growth unit of the crystal in the thin film process.
Diamond-like carbon (DLC) films have been prepared by a widely-used plasma CVD with an rf (13.56MHz) plasma of $CH_4$ gas. The hydrogen incorporated in DLC films plays an important role of determining the film properties, but its exact role has not been clear. In this study, the effect of hydrogen on the film properties of DLC has been examined by adding the hydrogen gas to the $CH_4$ gas during deposition and by exposing the prepared film to the hydrogen plasma. As the content of additive hydrogen gas increases, the density and hardness of the film increase, but the growth rate decreases. The FT-IR spectroscopy results show that the number of C-H bonds decreases with increasing the hydrogen gas. Also, the variation in the position of "G" and "D" peaks due to additive hydrogen, which has been measured by the Raman spectroscopy, indicates of $sp^3$ fraction.
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