RU2653036C2 - Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation - Google Patents

Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2653036C2
RU2653036C2 RU2016134653A RU2016134653A RU2653036C2 RU 2653036 C2 RU2653036 C2 RU 2653036C2 RU 2016134653 A RU2016134653 A RU 2016134653A RU 2016134653 A RU2016134653 A RU 2016134653A RU 2653036 C2 RU2653036 C2 RU 2653036C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal
tube
cylindrical channel
activator
gas mixture
Prior art date
Application number
RU2016134653A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016134653A3 (en
RU2016134653A (en
Inventor
Алексей Кузьмич Ребров
Марк Нюргунович Андреев
Тимур Тимурович Бъядовский
Константин Владимирович Кубрак
Алексей Иванович САФОНОВ
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2016134653A priority Critical patent/RU2653036C2/en
Publication of RU2016134653A3 publication Critical patent/RU2016134653A3/ru
Publication of RU2016134653A publication Critical patent/RU2016134653A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2653036C2 publication Critical patent/RU2653036C2/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to the production of artificial diamonds by the method of chemical gas-phase deposition, in particular, is associated with the activation of the flow of a mixture of neutral gases with heated metallic surfaces and can be used in electronics, instrument-making, in factories producing diamond tools. Method for depositing diamond films from a thermally activated gas mixture comprises activating a gas mixture, containing hydrogen and methane, by means of a metal activator, and depositing the film on the heated substrate. Activation of said gas mixture is carried out in a metal activator, consisting of a copper water-cooled shell polished from within and tubes installed to form two coaxial cylindrical channels. Inner cylindrical channel is formed by the walls of a metal tube and a quartz tube, the outer cylindrical channel is formed by the walls of an ohmically heated tube made of a refractory metal, and a molybdenum tube installed with a ceramic insulator in said housing. Space between the tubes forming the outer cylindrical channel and the body of the metal activator are fed with argon, in the space between the tubes forming the inner and outer cylindrical channels, hydrogen is supplied, and a mixture of hydrogen and methane is fed through the tubes forming the inner cylindrical channel. Activation of said mixture is carried out by heating the wall of an outer cylindrical channel formed by said ohmically heated tube. Reactor for depositing diamond films from a thermally activated gas mixture comprises a vacuum chamber and a metal activator and a substrate holder disposed therein. Metal activator consists of a copper water cooled body, the inner surface of which is polished, and tubes installed to form two coaxial cylindrical channels. Inner cylindrical channel is formed by the walls of a metal tube and a quartz tube, the outer cylindrical channel is formed by the walls of an ohmically heated tube made of a refractory metal, and a molybdenum tube installed with a ceramic insulator in the copper casing of the activator.
EFFECT: it is possible to provide a method and apparatus for depositing diamond films from a thermally activated gas mixture that provides a high deposition rate, high quality of the resulting diamond films, and a maximum reduction in heat loss.
2 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области получения искусственных алмазов методом химического газофазного осаждения, в частности, связано с активацией потока смеси нейтральных газов нагретыми металлическими поверхностями и может быть использовано в электронике, приборостроении, на предприятиях, производящих алмазный инструмент.The invention relates to the field of producing artificial diamonds by chemical vapor deposition, in particular, is associated with the activation of a flow of a mixture of neutral gases by heated metal surfaces and can be used in electronics, instrumentation, and enterprises producing diamond tools.

Известные способы получения алмазных покрытий методом газофазного осаждения с активацией нагретой нитью смеси водорода и углеродосодержащего газа можно рассматривать в качестве аналогов предлагаемого способа. Общий принцип их работы состоит в том, что газовая смесь претерпевает активацию в области нагретых до высокой температуры (2000-2300°C) проволок из тугоплавких металлов. Далее продукты активации диффундируют к нагреваемой подложке и осаждаются на ней.Known methods for producing diamond coatings by gas-phase deposition with activation of a heated thread of a mixture of hydrogen and carbon-containing gas can be considered as analogues of the proposed method. The general principle of their work is that the gas mixture undergoes activation in the region of refractory metal wires heated to a high temperature (2000-2300 ° C). Next, the activation products diffuse to the heated substrate and are deposited on it.

Недостатками данных решений являются: относительно малые скорости осаждения и малая площадь воздействия металлического нагревателя при однократном столкновении углеводородных молекул, ввиду чего не обеспечивается высокая степень разложения газа.The disadvantages of these solutions are: relatively low deposition rates and a small area of exposure to a metal heater in a single collision of hydrocarbon molecules, which therefore does not provide a high degree of gas decomposition.

Известен способ выращивания алмазных частиц из метан-водородной смеси (S. Matsumoto, Y. Sato, М. Tatsumi, N. Setaka, Growth of diamond particles from methane-hydrogen gas, J. Mater. Sci. 17 (1982) 3106-3112), включающий нагрев и активацию газовой смеси водорода и метана на поверхностях металлического активатора, состоящего из вольфрамовых проволочек. Характерные условия осаждения: концентрация метана 1% по объему; температура нагрева подложки - в диапазоне 700-1000°C, а проволочек - 2000°C; давление в камере осаждения 10-100 Торр.A known method of growing diamond particles from a methane-hydrogen mixture (S. Matsumoto, Y. Sato, M. Tatsumi, N. Setaka, Growth of diamond particles from methane-hydrogen gas, J. Mater. Sci. 17 (1982) 3106-3112 ), including heating and activation of a gas mixture of hydrogen and methane on the surfaces of a metal activator, consisting of tungsten wires. Typical deposition conditions: methane concentration 1% by volume; substrate heating temperature - in the range of 700-1000 ° C, and wires - 2000 ° C; pressure in the deposition chamber 10-100 Torr.

Недостатками этого способа являются:The disadvantages of this method are:

1) малая скорость объемных потоков смеси газов-предшественников, что ограничивает общее количество подводимых к подложке веществ, используемых при образовании алмазных частиц;1) low velocity of volume flows of a mixture of precursor gases, which limits the total amount of substances supplied to the substrate used in the formation of diamond particles;

2) малая площадь воздействия металлического активатора.2) a small area of exposure to a metal activator.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в работе (Спицын Б.В. Химическая кристаллизация алмаза, дисс. д.х.н. М., 1993), в котором осуществляется подача водорода с объемным расходом 67 ст. см3/мин при давлении 750 Торр через металлический активатор, представляющий собой нагреваемую до 1900-2000°C вольфрамовую трубку, нагрев трубки производится внешним вольфрамовым нагревателем. На выходе из трубки добавляется метан через водоохлаждаемый питатель в таком количестве, чтобы в зоне кристаллизации его концентрация составляла 5% по объему. В способе потери тепла предотвращаются установкой молибденового экрана. Температура нагрева подложки примерно 1050°C.The closest in technical essence is the method described in the work (Spitsyn B.V. Chemical crystallization of diamond, diss. Doctor of chemical sciences M., 1993), in which hydrogen is supplied with a volume flow of 67 tbsp. cm 3 / min at a pressure of 750 Torr through a metal activator, which is a tungsten tube heated to 1900-2000 ° C, the tube is heated by an external tungsten heater. At the outlet of the tube, methane is added through a water-cooled feeder in such an amount that its concentration in the crystallization zone is 5% by volume. In the method, heat loss is prevented by installing a molybdenum screen. The substrate heating temperature is approximately 1050 ° C.

Недостатком этого способа является то, что при боковой подаче углеродосодержащего газа в поток водорода возникает существенная зависимость характера смешения и взаимодействия метана с активированным водородом от параметров осаждения, которая приводит к случайному распределению продуктов синтеза и, как следствие, росту алмазного покрытия.The disadvantage of this method is that with a lateral supply of carbon-containing gas into the hydrogen stream, there is a significant dependence of the nature of mixing and the interaction of methane with activated hydrogen on the deposition parameters, which leads to a random distribution of synthesis products and, as a consequence, the growth of the diamond coating.

Известно устройство для получения алмазных пленок методом газофазного синтеза (патент РФ №2158037, 1996 г., H01J 9/02, Н01J 1/30), которое включает металлический активатор и подложку, расположенные внутри вакуумной камеры, изготовленной из кварцевой трубы. Металлический активатор включает металлическую нить, сетчатый металлический экран. Экран устанавливается между металлической нитью и подложкой. Металлическую нить нагревают до 1800-2800°C, подложку - до 600-1000°C, сетчатый экран - до 800-2000°C. Концентрация метана 2-8% по объему в газовом потоке. Давление газовой смеси 5-300 Торр.A device for producing diamond films by gas-phase synthesis is known (RF patent No. 2158037, 1996, H01J 9/02, H01J 1/30), which includes a metal activator and a substrate located inside a vacuum chamber made of a quartz tube. The metal activator includes a metal thread, a mesh metal screen. The screen is installed between the metal thread and the substrate. The metal thread is heated to 1800-2800 ° C, the substrate to 600-1000 ° C, the mesh screen to 800-2000 ° C. The concentration of methane is 2-8% by volume in the gas stream. The pressure of the gas mixture is 5-300 Torr.

Недостатком этого устройства является отсутствие защиты от теплопотерь.The disadvantage of this device is the lack of protection against heat loss.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в работе (Спицын Б.В. Химическая кристаллизация алмаза, дисс. д.х.н. М., 1993), содержащее металлический активатор, представляющий собой нагреваемую вольфрамовую трубку, внешний вольфрамовый нагреватель, молибденовый экран, боковой водоохлаждаемый питатель для подачи метана. Осаждение производится при концентрации метана 5% по объему. Температура нагрева подложки примерно 1050°C. Температура активирующей вольфрамовой трубки до 2000°C.The closest in technical essence is the device described in the work (Spitsyn B.V. Chemical crystallization of diamond, diss.d.kh.n. M., 1993), containing a metal activator, which is a heated tungsten tube, an external tungsten heater, molybdenum screen, side water-cooled feeder for methane supply. Precipitation is carried out at a methane concentration of 5% by volume. The substrate heating temperature is approximately 1050 ° C. Activating tungsten tube temperature up to 2000 ° C.

Недостатком этого устройства является малая эффективность решений по сокращению теплопотерь.The disadvantage of this device is the low efficiency of solutions to reduce heat loss.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа и устройства для осаждения алмазных пленок из термически активированной смеси газов, обеспечивающих высокую скорость осаждения, высокое качество получаемых алмазных пленок и максимальное сокращение теплопотерь.The objective of the invention is to provide a method and device for the deposition of diamond films from a thermally activated mixture of gases, providing a high deposition rate, high quality of the resulting diamond films and the maximum reduction of heat loss.

Поставленная задача решается тем, что в способе осаждения алмазных пленок из термически активированной газовой смеси, включающем активирование газовой смеси, содержащей водород и метан, посредством металлического активатора и осаждение пленки на нагретой подложке, согласно изобретению активирование упомянутой газовой смеси проводят в металлическом активаторе, состоящем из медного охлаждаемого водой полированного изнутри корпуса и трубок, установленных с образованием двух соосных цилиндрических каналов, при этом внутренний цилиндрический канал образован стенками металлической трубки и кварцевой трубки, внешний цилиндрический канал образован стенками омически нагреваемой трубки, изготовленной из тугоплавкого металла, и молибденовой трубки, установленной с помощью керамического изолятора в упомянутом корпусе, причем в пространство между трубками, образующими внешний цилиндрический канал, и корпусом металлического активатора подают аргон, в пространство между трубками, образующими внутренний и внешний цилиндрические каналы, подают водород, а по трубкам, образующим внутренний цилиндрический канал, подают смесь водорода и метана, причем активирование упомянутой газовой смеси проводят путем нагрева стенки внешнего цилиндрического канала, образованной упомянутой омически нагреваемой трубкой.The problem is solved in that in the method of depositing diamond films from a thermally activated gas mixture, comprising activating a gas mixture containing hydrogen and methane by means of a metal activator and depositing a film on a heated substrate, according to the invention, said gas mixture is activated in a metal activator consisting of copper cooled with water polished from the inside of the body and tubes installed with the formation of two coaxial cylindrical channels, while the inner cylinder The channel is formed by the walls of a metal tube and a quartz tube, the outer cylindrical channel is formed by the walls of an ohmically heated tube made of refractory metal, and a molybdenum tube mounted using a ceramic insulator in the casing, and into the space between the tubes forming an external cylindrical channel and the casing argon is supplied to the metal activator; hydrogen is supplied into the space between the tubes forming the inner and outer cylindrical channels, and a mixture of hydrogen and methane, the activation of said gas mixture is carried out by heating the wall of the external cylindrical channel formed by said ohmically heated tube.

Поставленная задача решается тем, что в реакторе для осаждения алмазных пленок из термически активированной газовой смеси, содержащем вакуумную камеру и расположенные в ней металлический активатор и подложкодержатель, согласно изобретению металлический активатор состоит из медного охлаждаемого водой корпуса, внутренняя поверхность которого отполирована, и трубок, установленных с образованием двух соосных цилиндрических каналов, при этом внутренний цилиндрический канал образован стенками металлической трубки и кварцевой трубки, внешний цилиндрический канал образован стенками омически нагреваемой трубки, изготовленной из тугоплавкого металла, и молибденовой трубки, установленной с помощью керамического изолятора в медном корпусе активатора.The problem is solved in that in a reactor for the deposition of diamond films from a thermally activated gas mixture containing a vacuum chamber and a metal activator and a substrate holder located therein, according to the invention, the metal activator consists of a copper body cooled by water, the inner surface of which is polished, and tubes installed with the formation of two coaxial cylindrical channels, while the inner cylindrical channel is formed by the walls of a metal tube and a quartz tube, The former cylindrical channel is formed by the walls of an ohmically heated tube made of refractory metal and a molybdenum tube mounted with a ceramic insulator in a copper activator casing.

Для увеличения площади взаимодействия активирующей поверхности и смеси газов металлический активатор выполнен в виде двух соосных цилиндрических каналов с длиной, в три и более раз превышающей диаметр. При параметрах, используемых при осаждении алмазных пленок, происходит интенсивное воздействие металлического активатора на смесь газов. Объемные расходы газов таковы, что скорость газового потока на выходе из каналов является околозвуковой. Высокая скорость потока газов и большая площадь воздействия металлического активатора обеспечивают высокую скорость осаждения и глубокое разложение газов, что, в свою очередь, повышает качество получаемых алмазных пленок. На качество пленок также влияет дополнительная подача водорода. Сокращение теплопотерь осуществляется за счет полировки внутренней поверхности медного корпуса активатора и использования аргона, который подается в пространство между трубками, образующими внешний цилиндрический канал, и корпусом активатора для предотвращения избыточного проникновения водорода и метана в эту область.To increase the area of interaction between the activating surface and the gas mixture, the metal activator is made in the form of two coaxial cylindrical channels with a length three or more times the diameter. With the parameters used in the deposition of diamond films, there is an intense effect of the metal activator on the gas mixture. The volumetric flow rates of gases are such that the velocity of the gas stream at the outlet of the channels is transonic. The high gas flow rate and the large area of influence of the metal activator provide a high deposition rate and deep decomposition of gases, which, in turn, improves the quality of the resulting diamond films. The quality of the films is also affected by the additional supply of hydrogen. Heat loss is reduced by polishing the inner surface of the copper casing of the activator and using argon, which is fed into the space between the tubes forming the outer cylindrical channel and the casing of the activator to prevent excessive penetration of hydrogen and methane into this area.

На фиг. 1 представлен общий вид реактора для осаждения алмазных пленок из термически активированной газовой смеси.In FIG. 1 shows a general view of a reactor for depositing diamond films from a thermally activated gas mixture.

Реактор содержит вакуумную камеру 15 и расположенные в ней металлический активатор и подложкодержатель 13. Металлический активатор состоит из медного корпуса 7 и трубок, установленных с образованием двух соосных цилиндрических каналов. Внутренний цилиндрический канал образован стенками металлической трубки 1 с рабочим диаметром 2-3 мм и кварцевой трубки 2. Внешний цилиндрический канал образован стенками омически нагреваемой трубки 12 с рабочим диаметром 6 мм, изготовленной из тугоплавкого металла, и молибденовой трубки 3. Кварцевая трубка 2 установлена внутри молибденовой трубки 3 с помощью гибкого силиконового изолятора 4. По внутреннему цилиндрическому каналу через вход 16 предусмотрена подача смеси водорода и метана, по внешнему через вход 10 - водорода. Питание осуществляется посредством молибденовых контактных проводов 5, присоединенных к источнику питания. Молибденовая трубка 3 с помощью керамического изолятора 6 установлена в медном полированном изнутри корпусе 7, который охлаждается водой, поступающей по входам 8. В медном корпусе 7 установлен вход 9 для подачи теплоизолирующего аргона. В корпусе 7 в керамической соломке установлена вольфрам-рениевая термопара 11. В варианте раздельной подачи смесь водорода и метана подается по внутреннему цилиндрическому каналу, а водород - по внешнему. В варианте совместной подачи внутренний цилиндрический канал может быть удален (тем самым можно получать пленки с различными характеристиками). Осаждение производится на подложку 14, закрепленную на подложкодержателе 13.The reactor contains a vacuum chamber 15 and a metal activator and substrate holder 13 located therein. The metal activator consists of a copper casing 7 and tubes installed to form two coaxial cylindrical channels. The inner cylindrical channel is formed by the walls of a metal tube 1 with a working diameter of 2-3 mm and a quartz tube 2. The outer cylindrical channel is formed by the walls of an ohmically heated tube 12 with a working diameter of 6 mm, made of refractory metal, and a molybdenum tube 3. Quartz tube 2 is installed inside molybdenum tube 3 using a flexible silicone insulator 4. Through the inner cylindrical channel through the inlet 16, a mixture of hydrogen and methane is provided, through the inlet through the inlet 10 - hydrogen. Power is supplied through molybdenum contact wires 5 connected to a power source. The molybdenum tube 3 with the help of a ceramic insulator 6 is installed in the copper polished inside of the casing 7, which is cooled by the water flowing through the inlets 8. In the copper casing 7 there is an input 9 for supplying heat-insulating argon. A tungsten-rhenium thermocouple 11 is installed in the housing 7 in a ceramic straw. In a separate supply variant, a mixture of hydrogen and methane is supplied through an internal cylindrical channel, and hydrogen - through an external one. In a variant of co-feeding, the inner cylindrical channel can be removed (thereby films with different characteristics can be obtained). The deposition is carried out on a substrate 14, mounted on a substrate holder 13.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Вакуумная камера 15, в которой располагается металлический активатор и подложкодержатель 13, откачивается до давления 0,01 Торр. Затем подается питание на металлический активатор и подложкодержатель 13. Выставляются необходимые температуры подложки 14 (от 450 до 1100°С) и трубок 1 и 12 (от 1900 до 2300°С). Далее в пространство между трубками, образующими внешний цилиндрический канал, и корпусом 7 через вход 9 подают теплоизолирующий аргон (300 ст. см3/мин). Далее при требуемых значениях и соотношениях объемных расходов (общий расход до 3000 ст. см3/мин) в металлический активатор подают через входы 16 и 10, соответственно, по внутреннему и внешнему цилиндрическим каналам водород. Затем устанавливается необходимое давление в камере (до 50 Торр).The vacuum chamber 15, in which the metal activator and substrate holder 13 is located, is pumped out to a pressure of 0.01 Torr. Then, power is supplied to the metal activator and substrate holder 13. The required temperatures of the substrate 14 (from 450 to 1100 ° C) and tubes 1 and 12 (from 1900 to 2300 ° C) are set. Next, in the space between the tubes forming an external cylindrical channel, and the housing 7 through the inlet 9 serves insulating argon (300 Art. Cm 3 / min). Further, at the required values and ratios of volumetric flow rates (total flow rate up to 3000 st. Cm 3 / min), hydrogen is fed into the metal activator through the inlets 16 and 10, respectively, through the internal and external cylindrical channels. Then the necessary pressure in the chamber is set (up to 50 Torr).

По достижении стационарных значений температур и давления во внутренний цилиндрический канал дополнительно подают метан при значениях концентрации до 5% по объему к расходу смеси газов в канале. Это служит началом процесса осаждения алмазной пленки. По завершении осаждения подача метана прекращается. Производится отжиг пленки в водороде при тех же параметрах, что использовались в эксперименте. Далее производится последовательное отключение питания металлического активатора и подложкодержателя 13. Камера откачивается до минимального значения давления 0,01 Торр. После установления комнатной температуры на подложке 14 и в металлическом активаторе подложка 14 извлекается.Upon reaching stationary values of temperature and pressure, methane is additionally supplied to the inner cylindrical channel at concentrations up to 5% by volume to the flow rate of the gas mixture in the channel. This is the beginning of the process of deposition of the diamond film. Upon completion of the deposition, methane supply is interrupted. The film is annealed in hydrogen at the same parameters as those used in the experiment. Next, the power is switched off sequentially for the metal activator and substrate holder 13. The chamber is pumped out to a minimum pressure value of 0.01 Torr. After establishing room temperature on the substrate 14 and in the metal activator, the substrate 14 is removed.

Пример реализации способа при осаждении алмазной пленки.An example implementation of the method during the deposition of a diamond film.

Омически нагреваемая трубка выполнялась из вольфрамовой фольги толщиной 0,03 мм и длиной 30 мм. Ее нагрев производился до температуры 2300°С током порядка 110 А при напряжении порядка 5 В. Медный корпус охлаждался водой с расходом 5000 ст. см3/мин. В пространство между трубками, образующими внешний цилиндрический канал и корпусом подавался аргон с расходом 300 ст. см3/мин. Температура омически нагреваемой трубки оценивалась предварительной тарировкой при установке вольфрам-рениевой термопары с диаметром проводов 0,1 мм. В качестве подложки использовалась молибденовая шайба диаметром 25 мм и толщиной 2 мм. Температура подложки при осаждении - 1000°С. Расстояние от выхода канала до поверхности подложки 10 мм. Расход водорода по внешнему цилиндрическому каналу составлял 1500 ст. см3/мин, по внутреннему - 1500 ст. см3/мин. Концентрация метана в смеси - 1% по объему. Давление в камере 20 Торр.The ohmically heated tube was made of tungsten foil 0.03 mm thick and 30 mm long. Its heating was carried out to a temperature of 2300 ° C with a current of about 110 A at a voltage of about 5 V. The copper case was cooled with water at a rate of 5000 st. cm 3 / min. Argon was supplied into the space between the tubes forming the external cylindrical channel and the casing with a flow rate of 300 tbsp. cm 3 / min. The temperature of the ohmically heated tube was estimated by preliminary calibration when installing a tungsten-rhenium thermocouple with a wire diameter of 0.1 mm. A molybdenum washer with a diameter of 25 mm and a thickness of 2 mm was used as a substrate. The temperature of the substrate during deposition is 1000 ° C. The distance from the channel exit to the substrate surface is 10 mm. The consumption of hydrogen in the external cylindrical channel was 1500 tbsp. cm 3 / min, internal - 1500 tbsp. cm 3 / min. The concentration of methane in the mixture is 1% by volume. The pressure in the chamber is 20 Torr.

В результате образовалась микро- и нанокристаллическая алмазная пленка. Данные по структуре пленки были получены методами электронной микроскопии, комбинационного рассеяния света и рентгеновской спектрометрии.As a result, a micro- and nanocrystalline diamond film was formed. Data on the film structure were obtained by electron microscopy, Raman scattering and X-ray spectrometry.

Использование данного изобретения позволяет обеспечить высокую скорость осаждения, высокое качество получаемых алмазных пленок и максимальное сокращение теплопотерь.The use of this invention allows for a high deposition rate, high quality of the obtained diamond films and the maximum reduction in heat loss.

Claims (2)

1. Способ осаждения алмазных пленок из термически активированной газовой смеси, включающий активирование газовой смеси, содержащей водород и метан, посредством металлического активатора и осаждение пленки на нагретой подложке, отличающийся тем, что активирование упомянутой газовой смеси проводят в металлическом активаторе, состоящем из медного охлаждаемого водой полированного изнутри корпуса и трубок, установленных с образованием двух соосных цилиндрических каналов, при этом внутренний цилиндрический канал образован стенками металлической трубки и кварцевой трубки, внешний цилиндрический канал образован стенками омически нагреваемой трубки, изготовленной из тугоплавкого металла, и молибденовой трубки, установленной с помощью керамического изолятора в упомянутом корпусе, причем в пространство между трубками, образующими внешний цилиндрический канал, и корпусом металлического активатора подают аргон, в пространство между трубками, образующими внутренний и внешний цилиндрические каналы, подают водород, а по трубкам, образующим внутренний цилиндрический канал, подают смесь водорода и метана, причем активирование упомянутой смеси проводят путем нагрева стенки, образованной упомянутой омически нагреваемой трубкой.1. The method of deposition of diamond films from a thermally activated gas mixture, comprising activating a gas mixture containing hydrogen and methane by means of a metal activator and depositing a film on a heated substrate, characterized in that the activation of said gas mixture is carried out in a metal activator, consisting of copper, water-cooled polished from the inside of the body and tubes installed with the formation of two coaxial cylindrical channels, while the inner cylindrical channel is formed by metal walls argon tube and a quartz tube, the outer cylindrical channel is formed by the walls of an ohmically heated tube made of refractory metal, and a molybdenum tube mounted using a ceramic insulator in the casing, and argon is fed into the space between the tubes forming the outer cylindrical channel and the metal activator casing , hydrogen is supplied into the space between the tubes forming the inner and outer cylindrical channels, and through the tubes forming the inner cylindrical channel, odayut mixture of hydrogen and methane, wherein activation of said mixture is carried out by heating the walls of said formed ohmically heated tube. 2. Реактор для осаждения алмазных пленок из термически активированной газовой смеси, содержащий вакуумную камеру и расположенные в ней металлический активатор и подложкодержатель, отличающийся тем, что металлический активатор состоит из медного охлаждаемого водой корпуса, внутренняя поверхность которого отполирована, и трубок, установленных с образованием двух соосных цилиндрических каналов, при этом внутренний цилиндрический канал образован стенками металлической трубки и кварцевой трубки, внешний цилиндрический канал образован стенками омически нагреваемой трубки, изготовленной из тугоплавкого металла, и молибденовой трубки, установленной с помощью керамического изолятора в медном корпусе активатора.2. A reactor for depositing diamond films from a thermally activated gas mixture, containing a vacuum chamber and a metal activator and substrate holder located in it, characterized in that the metal activator consists of a copper body cooled by water, the inner surface of which is polished, and tubes installed with the formation of two coaxial cylindrical channels, while the inner cylindrical channel is formed by the walls of the metal tube and quartz tube, the outer cylindrical channel is formed with tenks of an ohmically heated tube made of refractory metal and a molybdenum tube installed with a ceramic insulator in a copper activator casing.
RU2016134653A 2016-08-24 2016-08-24 Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation RU2653036C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016134653A RU2653036C2 (en) 2016-08-24 2016-08-24 Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016134653A RU2653036C2 (en) 2016-08-24 2016-08-24 Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016134653A3 RU2016134653A3 (en) 2018-03-01
RU2016134653A RU2016134653A (en) 2018-03-01
RU2653036C2 true RU2653036C2 (en) 2018-05-04

Family

ID=61597144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016134653A RU2653036C2 (en) 2016-08-24 2016-08-24 Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2653036C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722914C1 (en) * 2019-12-03 2020-06-04 Общество с ограниченной ответственностью "Оксифилм" (ООО "Оксифилм") Feeder for volatile compounds supply to chemical gas-phase deposition reactors

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4992082A (en) * 1989-01-12 1991-02-12 Ford Motor Company Method of toughening diamond coated tools
RU2041164C1 (en) * 1991-05-16 1995-08-09 УТП Швайсматериал ГмбХ унд Ко., КГ Method for manufacture of polycrystalline diamond layers
RU2158037C2 (en) * 1996-07-16 2000-10-20 ООО "Высокие технологии" Process of manufacture of diamond films by method of gas- phase synthesis
RU2572652C2 (en) * 2010-07-30 2016-01-20 Диаротек Method for synthesis of material, in particular diamond, by chemical vapour deposition and device for thereof realisation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4992082A (en) * 1989-01-12 1991-02-12 Ford Motor Company Method of toughening diamond coated tools
RU2041164C1 (en) * 1991-05-16 1995-08-09 УТП Швайсматериал ГмбХ унд Ко., КГ Method for manufacture of polycrystalline diamond layers
RU2158037C2 (en) * 1996-07-16 2000-10-20 ООО "Высокие технологии" Process of manufacture of diamond films by method of gas- phase synthesis
RU2572652C2 (en) * 2010-07-30 2016-01-20 Диаротек Method for synthesis of material, in particular diamond, by chemical vapour deposition and device for thereof realisation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722914C1 (en) * 2019-12-03 2020-06-04 Общество с ограниченной ответственностью "Оксифилм" (ООО "Оксифилм") Feeder for volatile compounds supply to chemical gas-phase deposition reactors

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016134653A3 (en) 2018-03-01
RU2016134653A (en) 2018-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. Microplasma: a new generation of technology for functional nanomaterial synthesis
JPH02296796A (en) Method for preparing diamond coating film
JPS61222534A (en) Method and apparatus for surface treatment
BR112014021622B1 (en) process for the production of acetylene
US20200270765A1 (en) Device And Method For Applying A Carbon Layer
CN105755448A (en) Nano diamond thin film and preparation method thereof
Emel’yanov et al. Deposition of diamond structures from interacting gas jets
Linnik et al. Processes and parameters of diamond films deposition in AC glow discharge
Linnik et al. Application of optical emission spectroscopy for the determination of optimal CVD diamond growth parameters in abnormal glow discharge plasma
RU2653036C2 (en) Method for deposition of diamond films from the thermally activated mixture of gases and the reactor for its implementation
Rebrov et al. Growth of diamond structures using high speed gas jet deposition activated in heated tungsten channels
García-Céspedes et al. Carbon nanotubes grown by asymmetric bipolar pulsed-DC PECVD
Hartmann et al. Deposition of thick diamond films by pulsed dc glow discharge CVD
US6558742B1 (en) Method of hot-filament chemical vapor deposition of diamond
JPS61163195A (en) Synthesizing method for diamond in gas phase and its apparatus
CN213624376U (en) Chemical vapor deposition device
US5589231A (en) Halogen-activated chemical vapor deposition of diamond
US20140044874A1 (en) Graphene manufacturing system and the method thereof
JP2023506372A (en) Using a CVD reactor for two-dimensional layers
RU2465372C1 (en) Device for obtaining thin films of nitride compounds
US10745280B2 (en) Compact thermal reactor for rapid growth of high quality carbon nanotubes (CNTs) produced by chemical process with low power consumption
CN108505015B (en) The method of inductively coupled plasma body depositing diamond
RU2561616C2 (en) Method to produce arrays of aligned carbon nanotubes on substrate surface
CN111647879A (en) Chemical vapor deposition device and method
JPH06280019A (en) Production of thin film of diamond-like carbon

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20201124