MICROWAVE PLASMA ASSISTED CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF DIAMOND

Résumé
Des cristaux et des couches polycristallines de diamant ont été déposés à partir de mélanges CH₄/H₂ par CVD assistée par plasma microonde. On a fait varier la concentration initiale en méthane, la pression, le flux total et la puissance microonde dans de larges domaines. La morphologie des dépôts a été étudiée par Microscopie Optique et à Balayage et la structure par Diffraction des Rayons X et Spectroscopie Raman. Les morphologies qui varient, en fonction des conditions expérimentales, depuis des dépôts sphérulitiques microcristallins jusqu'à des dépôts à facettes avec différentes orientations, sont corrélées à la qualité de la structure cristalline. La discussion du processus global de dépôt est basée sur l'examen des étapes successives de nucléation et de croissance. On propose, comme paramètre important qui contrôle ces deux étapes, le rapport entre les concentrations en neutres hydrocarbonés et en atomes d'hydrogène à l'interface gaz-solide. Couplées à la température de surface, les variations de ces concentrations permettent de représenter l'influence de tous les paramètres expérimentaux et sont ensuite corrélées à la qualité cristalline des dépôts et aux différentes morphologies. Etant donné que différentes combinaisons des paramètres expérimentaux peuvent conduire à des conditions de dépôt similaires à l'interface gaz-solide, ceci permet d'expliquer certains désaccords entre des résultats de la littérature et de déduire des caractéristiques générales importantes pour le dépôt du diamant.

Abstract
Diamond crystals and polycrystalline diamond films have been deposited by the microwave plasma assisted CVD method from CH₄ /H₂ mixtures. The inlet concentration of methane, the pressure, the temperature, the total flow rate and the microwave power were varied in large ranges. The morphology of the deposits were studied by optical and scanning electron microscopy and the structure by X-Ray diffraction and Raman spectroscopy. The morphologies ranging from microcrystalline spherulitic deposits to well-faceted ones with different habits are related to the degree of structural order, the whole being clearly function of the experimental deposition conditions. A discussion of the global deposition process is based on the examination of two successive steps, the nucleation and the growth. It is proposed that the important parameter which controls these two steps is the ratio between the concentrations of the hydrocarbon neutrals and the hydrogen atoms at the gas-solid interface. Together with the substrate temperature, the variations of these concentrations allow to represent the influence of all the experimental deposition conditions. Then these interfacial parameters are correlated with the degree of structural order and the stability of the different type of morphology of the deposits. As different combinations of the experimental parameters can lead to the same interfacial deposition conditions, this permits to explain some apparent discrepancies between the results of previous published studies and to deduce some general important characteristics for diamond deposition.