Estudo do ambiente de crescimento de filmes monocristalinos de diamante via MWPACVD

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Javier Sierra Gómez
• Orientador(a): Vladimir Jesus Trava-Airoldi
• Banca de defesa: Evaldo José Corat, João Paulo Barros Machado, Maria Cecília Barbosa da Silveira Salvadori
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: Research on monocrystalline grade CVD diamond (Chemical Vapor Deposition) or SCD (Single Crystal Diamond) using microwave plasma assisted chemical vapor deposition technique (MWPACVD), has been intensified in the last two decades by the various applications that this great material provides in the technological and industrial field. Its application is very broad ranging from heat sinks, semiconductor, optical windows, and even as gems for jewelry. These results led to the emergence of several partnerships between research centers and diamond-producing companies. One of the objectives of this connections is purpose of improving the properties of this crystal, open a market window and create a new product with high added value. There are several methods of obtaining epitaxial CVD diamond, however, the high power MWPACVD technique is used for the production of homoepitaxial diamond. MWPACVD due to the high growth rates and the better control of diamond imperfections and impurities comparing to others CVD deposition techniques. In the present work, a study was developed to search for parameters for the growth of monocrystalline diamond (SCD) using the high-power via MWPACVD technique (6 kW), which is unprecedented in Brazil. For this purpose, a study was made of the reactor operating principle and determination of the best growth parameters. Was deposited polycrystalline CVD diamond a film on silicon substrate and at high power input, above 3 kW. According to the previous was defined the best parameters to obtain single crystal diamond. Several techniques of characterization were used to analyze the obtained film quality, such as Raman Scattering Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, X-ray Diffractometry, Atomic Force Microscopy and Optical Microscopy with polarized light. The preliminary results show that the parameters adopted for the production of polycrystalline diamond have yielded good quality films and with high growth rates. These results allowed the monocrystalline research advanced, obtaining a genuinely mono crystalline diamond film with a single structure [100] direction. Diamond was 1,4 mm thickness in 62 hours of deposition, evidencing also a great growth rate, of about 18-24 μm/h evidenced by the above-mentioned characterizations. During the development of this work some defects in diamond structure were observed, and new studies are suggested for the work continuity. However, owing to the complexity of this subject, its continuity will be focused on a doctoral proposal, highlighting the optical and gemstone applications and already with the interested ones in this product of high added value.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.24.19.31

A pesquisa para a produção de diamante CVD (do inglês Chemical Vapor Deposition) de grau monocristalino ganhou muita força na última década pelas diversas aplicações que esse nobre material possibilita, como por exemplo, na área tecnológica industrial de diferentes segmentos e mesmo na área de obtenção de gemas de alta qualidade. Estes resultados propiciou o aparecimento de diversas parcerias entre centros de pesquisas e empresas produtoras de diamante, com o propósito de melhorar as propriedades deste cristal e abrir as portas para o mercado de alto valor agregado. Existem diversos métodos de obtenção de diamante CVD epitaxial, entretanto para a produção de diamante homoepitaxial se utiliza a técnica de deposição química na fase de vapor assistida por plasma de micro-ondas MWPACVD (do inglês Microwave Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition), de alta potência. No presente trabalho foi desenvolvido um estudo na busca de parâmetros para o crescimento do diamante monocristalino SCD (do inglês Single Cristal Diamond) utilizando justamente a técnica MWPACVD de alta potência (6 kW), sendo este inédito no Brasil. Para tal fim, foi realizado, em um primeiro momento, um estudo do princípio de funcionamento do reator e determinação das melhores condições de crescimento do filme de diamante CVD policristalino sobre substrato de silício e em alta potência, acima de 3 kW, para assim definir os melhores parâmetros para a obtenção do monocristal. Foram utilizadas diversas técnicas de caracterização para analisar a qualidade do filme obtido, como espectroscopia de espalhamento Raman, Espectroscopia do infravermelho por transformada de Fourier, microscopia eletrônica de varredura, difratometria de Raio-X, microscopia de força atômica e microscopia ótica com luz polarizada. Os resultados prévios mostram que os parâmetros adotados para a produção de diamante policristalino permitiram obter filmes de boa qualidade e com ótimas taxas de crescimento. Tais resultados possibilitaram o avanço da pesquisa com o monocristal, sendo obtido um filme de diamante genuinamente monocristalino com estrutura única de fase <100> de aproximadamente 1,4 mm de espessura em 62 horas de deposição, evidenciando também, a excelente taxa de crescimento, entre 18-24 &#956;m/h, corroboradas pelas caracterizações acima citadas. Durante o desenvolvimento deste trabalho alguns defeitos foram observados, e novos estudos são sugeridos para a continuidade. Entretanto, devido à complexidade deste assunto, sua continuidade será focada em uma proposta de doutorado, evidenciando as aplicações ópticas e em gemas e já com os devidos interessados neste produto de alto valor agregado.