Low temperature deposition and characterisation of high quality nanocrystalline diamond films for the fabrication of highly sensitive pressure sensing membranes.

Abstract

Voor het maken van werkende toestellen is er vaak een combinatie van meerdere materialen nodig. Het afzetten van een materiaal bovenop eender welk ander materiaal vereist goede adhesie, maar ook een lage stress in de afgezette laag om barsten en delaminatie te voorkomen. Het substraat is altijd verantwoordelijk voor een bepaalde hoeveelheid stress in de afgezette laag. Bij nanokristallijne diamantfilms is de meeste stress thermisch geinduceerd door het depositieproces bij hoge temperaturen gevolgd door het afkoelen van het substraat en de diamantlaag tot kamertemperatuur. Aangezien beide materialen een verschillende thermische expansiecoefficiënt hebben krimpt één materiaal meer dan het andere tijdens het afkoelen. Daarom kan een slimme keuze van het substraatmateriaal en afzetting bij lage temperatuur de stress in de diamantlagen minimaliseren. Bovendien worden er een aantal nieuwe toepassingen mogelijk door het afzetten van diamantfilms bij lage temperaturen (T < 410 ◦C) zoals flat panel displays, plastics, etc. Om deze lage temperatuur te bereiken is een hoge plasmadichtheid nodig bij een lage gasdruk, zodat gevoelige substraten beperkt thermisch belast worden. De meest gebruikt ’resonance cavity’ (lett. resonantieholte) plasma systemen werken niet binnen dit bereik van druk en plasmadichtheid, maar lineaire antenne microgolf depositiesystemen kunnen wel gebruikt worden voor afzettingen bij drukken onder 1 mbar, en op grote oppervlakken tot 30 cm in diameter. Overigens, zou een ’bottom-up’ aanpak die controle toelaat over de verkregen morfologie een pluspunt zijn voor het ontwikkelen van nanodiamant objecten of apparatus, aangezien sommige eigenschappen van nanokristallijn diamant sterk beïnvloed worden door de kristaloriëntatie, vooral indien de stress in de afgezette laag kan gereguleerd worden door de specifieke morfologie. Deze thesis kan in twee delen opgesplitst worden, d.w.z. het maken van hoog-sensitieve druksensors op basis van membranen enerzijds en de groei van diamantlagen van zeer hoge kwaliteit met technologie gebaseerd op lineaire antennes anderzijds. Na een algemene inleiding tot diamant in hoofdstuk 1, worden in hoofdstuk 2 de depositietechieken beschreven met de nadruk op de technologie gebaseerd op lineaire antennes. In hoofdstuk 3 volgt een beschrijving van de karakterisatietechnieken (Insitu laser interferometrie, optische emissie spectroscopie, scanning and transmissie electron microscopie, X-ray diffractie, electron energy loss spectroscopie, Raman spectroscopie en oppervlaktekrommingsmetingen) gebruikt voor deze thesis. In hoofdstuk 4 ligt de focus op een literatuurstudie met betrekking tot de diamantplaatjesstructuren. Het piezoresistieve effect van boor-gedoteerde en oppervlakte-geleidende diamantfilms wordt beschreven in hoofdstuk 5, samen met een studie naar de gevoeligheid van druksensoren op basis van diamantmembranen. Intrinsieke laageigenschappen zoals korrelgrootte, doteerniveau en specifieke morfologie hebben een invloeg op de afgezette laag. Bovendien kan er voor nanokristallijne diamantfilms een groot deel van de stress toegeschreven worden aan de mismatch in thermische expansiecoefficiënt tussen het substraat en de diamantlaag. Het substraat induceert een bepaalde hoeveelheid stress die relaxeert door het onstaan van rimpels wanneer het substraat gedeeltelijk wordt weggeëtst. De oorspronkelijke hoeveelheid stress heeft een duidelijke impact op het aantal en de lengte van de rimpels. Hoofdstuk 6 focust op de optimalisatie van de depositieparameters voor de groei van kwaliteitsdiamant met behulp van lineaire antenne technologie. De invloed van de druk, gassamenstelling, afstand tot de antennes, vermogen en substraatemperatuur wordt besproken. Hoewel het pulsen van de microgolven theoretisch gezien veel potentiëel heeft, is er op experimenteel vlak nog optimalisatie nodig. Tot slot wordt in hoofdstuk 7 de bijzondere morfologie, d.w.z. co-depositie van plaatjes en octahedrische korrels, verkregen voor lagen met hoge kwaliteit in detail geanalyseerd en een groeimodel wordt voorgesteld op basis van aanwezige vreemde materialen.