Investigação das propriedades de filmes de diamante depositados por TMCVD

Abstract

O diamante possui um conjunto de propriedades que tornam a sua aplicação na industria e no mercado de consumo, altamente apetecível. O interesse em revestimentos de diamante disparou após o desenvolvimento da tecnologia de deposição química na fase de vapor [Chemical Vapor Deposition (CVD)], a qual possibilitou o revestimento de uma série de materiais diferentes. Contudo, a dificuldade de depositar diamante de elevada qualidade é tão grande como a grandeza das suas propriedades. Os filmes de diamante depositados utilizando sistemas convencionais de CVD, onde o metano e o hidrogénio são utilizados como precursores, tende a apresentar elevadas rugosidades superficiais, devido principalmente ao crescimento colunar dos cristais e ao não crescimento homogéneo. Uma das grandes limitações de aplicação é mesmo a elevada rugosidade dos filmes, não permitindo a sua utilização maciça nos campos da micro electrónica e biomedicina, por exemplo. Investigadores do Centro de Tecnologia Mecânica e Automação, da Universidade de Aveiro, desenvolveram um processo de deposição por modulação temporal do hidrocarboneto precursor [Time-modulated CVD (TMCVD)], dando origem a filmes nanocristalinos de baixa rugosidade, mais duro e de melhor qualidade. O processo chave da tecnologia TMCVD é a modulação temporal do metano durante o crescimento do filme. No método convencional, o CH4 é mantido a um fluxo constante ao longo do crescimento. No TMCVD, é esperado que ocorra nucleações de segunda ordem, com o aumento da concentração de metano no precursor. É dado assim origem a um filme crescido por multicamadas, que envolve uma nucleação inicial, seguido de uma fase de crescimento e de uma nova nucleação, podendo o processo ser continuado de forma cíclica. A caracterização dos filmes crescidos por TMCVD, pode abrir as portas para uma série de aplicações até agora barrada pelas limitações dos filmes convencionais, tais como ferramentas de cirurgia, implantes humanos, por exemplo válvulas cardíacas. Neste trabalho, foi efectuado estudos comparativos das propriedades de filmes convencionais e modelados. As propriedades eléctricas de filmes convencionais e modelados foram também estudas. No entanto será necessário proceder a mais investigação, para uma total compreensão das consequências do novo processo de deposição proposto. Métodos de optimização foram também aplicados.

ABSTRACT: Diamond has many extreme properties that make it suitable for many industrial and consumer applications. The interest in diamond coatings boosted ever since the realization that diamond films can be deposited onto a range of materials using a process called Chemical Vapor Deposition (CVD). However, the difficulty in depositing truly superior diamond coatings is nearly as extreme as the material’s outstanding properties. Diamond films deposited using conventional CVD systems, where methane and hydrogen are used as the precursor gases, tend to exhibit high surface roughness mainly due to the columnar growth of the non-orientated polycrystalline diamond films. One of the major limitations of the wide scale use of diamond coatings has been the high roughness of the films. As a result, this has severely hampered diamond coatings’ widespread use in microelectronics, biomedical, and optical applications. At the “Centre for Mechanical Technology and Automation”, University of Aveiro, the researchers have developed a novel time-modulated CVD (TMCVD) process for producing smooth/nano-crystalline, harder and better quality diamond films. The key distinctive feature of the TMCVD process is that it modulates methane flow during film growth. In conventional diamond CVD, the CH4 flow is generally kept constant for the complete growth process. In TMCVD, it is expected that secondary nucleation processes occur during the high/low CH4 pulse cycles. This can effectively result in the formation of a diamond film involving nucleation stage, diamond growth, and secondary nucleation, and the cycle is repeated. The successful and effective characterization of the time-modulated films can see such film coatings used in a number of new and interesting applications, such as surgical tools, human implants, e.g. heart valves. In this work, we perform comparative studies of the properties of conventional and time-modulated films. Electrical properties are also investigated in conventional and modulated films, although further research is needed to fully understand the consequences of the new proposed deposition process. Optimization methods are also performed.