1111111111111111111111111111111 11111011111111 1 1 1 1 1 1 1 E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n 0 - 1 2 7 7 1 M 5 U i s a n A f fi r m a t i v e A c t i o n / 1 3 1 2 9 3 M ( ) T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d L O N - T E M P E R A T U R E D E P O S I T I O N O F T R A N S P A R E N T D I A M O N D F I L M S W I T H A M I C R O W A V E C A V I T Y P L A S M A R E A C T O R p r e s e n t e d b y M i c h a e l J . U i c z y n s k i h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r P h . D . d e g r e e i n E l e c t r i c a l E n g M 1 1 . 1 1 ? a } ; , 0 ° I L I B R A R Y M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y P L A C E I N R E T U R N B o x t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T o A V O I D F I N E S r e t u m o n o r b e f o r e d a t e d u e . M A Y B E R E C A L L E D w i t h e a r l i e r d u e d a t e i f r e q u e s t e d . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E h m " 1 : 0 2 7 1 1 0 3 I 9 7 é z , “ * 1 J A N 7 . D 4 j . 2 3 1 0 3 ‘ M A Y 1 6 2 0 0 5 0 9 2 2 0 9 1 M m m 1 4 L O W - T E M P E R A T U R E D E P O S I T I O N O F T R A N S P A R E N T D I A M O N D F I L M S W I T H A M I C R O W A V E C A V I T Y P L A S M A R E A C T O R V O L U M E I B y M i c h a e l J . U l c z y n s k i A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 8 L o u ( M C P R T h e s u t g r e a t e r m a t c r i a a p p l i c a - P O i m [ c E X p e m S e C o n d A B S T R A C T L O W - T E M P E R A T U R E D E P O S I T I O N O F T R A N S P A R E N T D I A M O N D F I L M S W I T H A M I C R O W A V E C A V I T Y P L A S M A R E A C T O R B y M i c h a e l J . U l c z y n s k i L o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n w i t h M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r ( M C P R ) t e c h n o l o g y w a s i n v e s t i g a t e d f o r a p p l i c a t i o n t o t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s . T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e d u r i n g m o s t C V D d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s e s i s t y p i c a l l y g r e a t e r t h e n 6 0 0 C ; h o w e v e r , t h e r e a r e s o m e a p p l i c a t i o n s w h e r e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e m a t e r i a l s a r e u s e d a n d t h e d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e m u s t b e m a i n t a i n e d b e l o w 5 5 0 C . T h e s e a p p l i c a t i o n s i n c l u d e m a t e r i a l s l i k e b o r o - s i l i c a t e g l a s s , w h i c h h a s a r e l a t i v e l y l o w s t r a i n - p o i n t t e m p e r a t u r e , a n d i n t e g r a t e d c i r c u i t s t h a t c o n t a i n l o w m e l t i n g p o i n t c o m p o n e n t s . E x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d i n t h r e e a r e a s . T h e fi r s t a r e a w a s M C P R d e v e l o p m e n t , t h e s e c o n d w a s b e n c h m a r k d e p o s i t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f d i a m o n d fi l m s o n s i l i c o n s u b - s t r a t e s a n d t h e t h i r d w a s d e p o s i t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f d i a m o n d fi l m s o n b o r o - s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s . M C P R d e v e l o p m e n t i n c l u d e d a n i n v e s t i g a t i o n o f v a r i o u s M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h a t w e r e d e s i g n e d a n d a d a p t e d f o r u n i f o r m , l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n o v e r a r e a s a s l a r g e a s 8 0 — c m 2 . R e a c t o r s w e r e i n v e s t i g a t e d w i t h e n d - f e e d m i c r o w a v e e x c i t a t i o n a n d s i d e - f e e d m i c r o w a v e e x c i t a t i o n f o r m a x i m u m d e p o s i t i o n a r e a a n d u n i f o r m i t y . V a r i o u s s u b - s t r a t e r e c e p t o r c o n fi g u r a t i o n s w e r e a l s o i n v e s t i g a t e d i n c l u d i n g a s u b s t r a t e h e a t e r a n d c o o l e r . F r o m t h e s e i n v e s t i g a t i o n s , d e p o s i t i o n p a r a m e t e r s s u c h a s s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , m a m m d n d e p o s i t i i T m s o n t o p r o n n o n r e d a m m d n o n e x p e m fl k m k w k n n d a n d t w o 5 P o w d e r s c t h e r a n g e I Q K R T I 1 0 0 H I D / h r a P P Y O X I m d “ W h y d e P O S i t i o n s m n m m a d d i a m o n d i n 1 d e p e n d e n d e p o s i t i o n r a t e , d e p o s i t i o n a r e a a n d d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y w e r e c h a r a c t e r i z e d . T h e b e n c h m a r k s i l i c o n d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d f o r c o m p a r i - s o n t o p r e v i o u s h i g h t e m p e r a t u r e , > 5 5 0 C , M C P R r e s e a r c h a n d g r o w t h m o d e l s . H e r e d e p - o s i t i o n r e s u l t s s u c h a s d e p o s i t i o n r a t e a n d fi l m q u a l i t y w e r e c o m p a r e d w i t h a p p l i c a t i o n s o f d i a m o n d g r o w t h m o d e l s b y H a r r i s - G o o d w i n a n d B a c h m a n n . A d d i t i o n a l l y , c h a r a c t e r i z a - t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e fi l m a t t r i b u t e s t h a t a r e c r i t i c a l t o o p t i c a l a p p l i c a t i o n s , s u c h a s fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s a n d d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . I n c l u d e d a s v a r i - a b l e s i n t h e s e b e n c h m a r k e x p e r i m e n t s w e r e v a r i o u s m i x t u r e s o f H 2 , C 0 2 a n d C H 4 g a s e s a n d t w o s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d s , w h i c h w e r e p h o t o - r e s i s t s e e d i n g a n d d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h s e e d i n g . T h e t y p i c a l o p e r a t i n g r a n g e o f t h e M C P R w e r e g a s p r e s s u r e s i n t h e r a n g e o f 5 t o 1 5 t o r r a n d i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r l e v e l s i n t h e r a n g e o f 3 0 0 W a t t s t o 1 . 2 K W . T y p i c a l d e p o s i t i o n r a t e s a t a p p r o x i m a t e l y 4 7 0 C w e r e i n t h e r a n g e o f 2 0 n m / h r t o 1 0 0 n m / h r . U n i f o r m d e p o s i t i o n o n t h e o r d e r o f 1 1 0 % w a s a c h i e v e d o v e r a r e a s a s l a r g e a s a p p r o x i m a t e l y 4 5 c m ‘ 2 T h e f o c u s o f d i a m o n d d e p o s i t i o n o n b o r o - s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s w a s t o i n v e s t i g a t e d e p o s i t i o n p a r a m e t e r s t h a t i n fl u e n c e o p t i c a l d i a m o n d fi l m c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s t r a n s m i s - s i o n a n d a d h e s i o n . T w o l o s s m e c h a n i s m s f o r o p t i c a l t r a n s m i s s i o n t h r o u g h p o l y - c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s a r e b u l k a b s o r p t i o n a n d s u r f a c e s c a t t e r i n g , w h i c h b o t h t e n d t o h a v e i n v e r s e A d e p e n d e n c i e s . M e a s u r e d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n a n d fi t t e d r m s s u r f a c e r o u g h n e s s d a t a i n d i - c a t e t h a t d i a m o n d fi l m s t h a t h a v e a t h i c k n e s s o n t h e o r d e r o f 1 t o Z - u m c a n b e d e p o s i t e d w i t h t r a n s m i s s i o n a s h i g h a s 7 0 % a t 4 0 0 - n m . A d h e s i o n w a s s o m e w h a t p r o b l e m a t i c f o r fi l m s w i t h a t h i c k n e s s o f > 2 p m , m a n y o f t h e m h a d a t e n d e n c y t o p e e l . M a n y fi l m s w i t h a t h i c k n e s s u n d e r 2 p m h a v e e x h i b i t e d l o n g t e r m a d h e s i o n o v e r s e v e r a l y e a r s . C o p y r i g h t b y M I C H A E L J . U L C Z Y N S K I 1 9 9 8 T o m y p a r e n t s f o r t h e i r l o v i n g s u p p o r t o v e r t h e y e a r s . 0 f M i c h i g T h a s s i s u r h a r d { 0 D r . T i r r . i n g t h i s O f i b j s ‘ l x t S t r u c t e d R a m a n a T h i s ‘ A C K N O W L E D G E M E N T S T h r o u g h o u t t h i s a c a d e m i c a d v e n t u r e , n u m e r o u s p e o p l e h a v e p r o v i d e d g u i d a n c e a n d a s s i s t a n c e . F i r s t , t h e a u t h o r w i s h e s t o e x p r e s s h e a r t f e l t a p p r e c i a t i o n t o D r . D o n n i e K . R e i n - h a r d f o r h i s p a t i e n c e a n d e n c o u r a g e m e n t o v e r t h e y e a r s . A d d i t i o n a l l y , t h a n k s a r e g i v e n t o D r . T i m o t h y A . G r o t j o h n a n d D r . J e s A s m u s s e n f o r t h e i r s u g g e s t i o n s a n d c o m m e n t s d u r - i n g t h i s p r o j e c t . A s p e c i a l t h a n k s i s e x t e n d e d t o M r . B r i a n W r i g h t f o r h i s n u m e r o u s h o u r s o f a s s i s t a n c e i n m a n u f a c t u r i n g a n d a s s e m b l i n g t h e e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s t h a t w e r e c o n - s t r u c t e d t o s u p p o r t t h i s w o r k . F i n a l l y , t h a n k s t o J o e r g M o s s b r u c k e r f o r p r o v i d i n g t h e R a m a n a n a l y s i s a n d W e n - S h i n H u a n g f o r a s s i s t a n c e w i t h S E M p h o t o s . T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y g r a n t s f r o m N o r t o n D i a m o n d F i l m s a n d t h e S t a t e o f M i c h i g a n R e s e a r c h E x c e l l e n c e F u n d . v i C A h a p t e r 1 R e v i e w 2 . 2 . 1 ) . N i ) . L N ) ) . A r ) \ ) N l " _ I m o o g t ) 1 2 r J ) N [ i ) L J - f ) x R N N L I S T 0 1 L I S T 0 1 C h a p t e r [ \ T R O L 1 . 1 . \ 1 1 . 2 R . 1 . 3 D ; 2 . 1 m 1 2 . 1 . 1 2 . 1 . 2 2 . 2 C \ ' I I T A B L E O F C O N T E N T S L I S T O F T A B L E S x i i L I S T O F F I G U R E S x v i C h a p t e r 1 I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 M o t i v a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 2 R e s e a r c h O b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 . 3 D i s s e r t a t i o n O u t l i n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 C h a p t e r 2 A R e v i e w o f D i a m o n d D e p o s i t i o n P r o c e s s e s a n d M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 1 T h e M C P R C o n c e p t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 . 1 . 1 T h e o r y o f t h e M o d e r a t e P r e s s u r e M C P R . . . . ° . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 1 . 2 T M o l n M o d e s o f t h e M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 . 2 C V D P r o c e s s e s f o r D i a m o n d S y n t h e s i s f r o m t h e G a s P h a s e . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 . 2 . 1 T h e r m a l D e c o m p o s i t i o n P r o c e s s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 . 2 . 1 . 1 D i a m o n d S y n t h e s i s o n a D i a m o n d S e e d i n a F u r n a c e . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 . 2 . 1 . 2 C h e m i c a l T r a n s p o r t R e a c t i o n ( C T R ) g r o w t h o f D i a m o n d . . . . . . . . . 2 2 2 . 2 . 1 . 3 H o t F i l a m e n t C V D D i a m o n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 . 2 . 2 P l a s m a C V D P r o c e s s e s f o r D i a m o n d S y n t h e s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 . 2 . 2 . 1 d c P l a s m a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 . 2 . 2 . 1 . ] P a r a l l e l P l a t e d o P l a s m a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 . 2 . 2 . 1 . 2 D C P l a s m a J e t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 . 2 . 2 . 2 M i c r o w a v e P l a s m a C V D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 2 . 2 . 2 . 2 . ] T u b u l a r M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 2 . 2 . 2 . 2 . 2 B e l l J a r M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 2 . 2 . 2 . 2 . 3 M a g n e t o - M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 2 . 2 . 2 . 2 . 4 M a g n e t o - A c t i v e P l a s m a S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 2 . 2 . 2 . 2 . 5 4 ” M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r ( 4 ” M C P R ) . . . . . . . . . . 4 0 2 . 2 . 2 . 2 . 6 5 ” M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r ( 5 ” M C P R ) . . . . . . . . . . 4 5 2 . 3 C V D D i a m o n d G a s P h a s e C h e m i s t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 2 . 3 . 1 B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 2 . 3 . 2 T h e e f f e c t o f O x y g e n i n M i c r o w a v e D i a m o n d D e p o s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . 5 2 2 . 3 . 3 H a r r i s - G o o d w i n M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 2 . 4 M e t h o d s o f L o w T e m p e r a t u r e D i a m o n d D e p o s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 2 . 4 . 1 L o w P r e s s u r e P l a s m a C V D P r o c e s s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 2 . 4 . 2 M a n i p u l a t i o n o f S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 O v i i 2 . 4 . 3 P u l s e M o d u l a t e d M i c r o w a v e P o w e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 2 . 5 D i a m o n d N u c l e a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 2 . 5 . 1 A b r a s i o n S e e d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 2 . 5 . 2 U l t r a - S o n i c S e e d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3 2 . 5 . 3 B i a s E n h a n c e d N u c l e a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 2 . 5 . 4 P h o t o - R e s i s t D i a m o n d S e e d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 C h a p t e r 3 E x p e r i m e n t a l S y s t e m , E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e s , a n d M e a s u r e m e n t M e t h o d s . . . 6 6 3 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 3 . 2 T h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 3 . 2 . 1 H a r d w a r e i n t h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 3 . 2 . 1 . 1 V a c u u m a n d G a s F l o w S y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 3 . 2 . 1 . 2 V a c u u m M e a s u r e m e n t S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 3 . 2 . 1 . 3 M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 3 . 2 . 1 . 4 C o m p u t e r H a r d w a r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 3 . 2 . 1 . 5 C o m p u t e r I n t e r f a c e o f t h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m . . . . . 8 0 3 . 2 . 1 . 5 . ] C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y S y s t e m . . 8 0 3 . 2 . 1 . 5 . 2 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e V a c u u m a n d G a s F l o w S y s t e m . . . . . 8 1 3 . 2 . 2 S o f t w a r e f o r t h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 3 . 3 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7 3 . 3 . 1 O p e r a t i o n o f t h e L o w T e m p e r a t u r e M C P R S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7 3 . 3 . 1 . 1 T h e S t a r t - U p P r o c e d u r e f o r R u n n i n g a D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t . . . . . 8 7 3 . 3 . 1 . 2 T h e S h u t - D o w n P r o c e d u r e f o r a D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t . . . . . . . . . . 9 3 3 . 3 . 1 . 3 O p e r a t i o n o f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 3 . 3 . 2 S u b s t r a t e P r e - t r e a t m e n t M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5 3 . 3 . 2 . 1 P r e p a r a t i o n o f s u b s t r a t e s p r i o r t o S e e d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5 3 . 3 . 2 . 2 P h o t o - R e s i s t S e e d i n g o f S i l i c o n a n d G l a s s S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . 9 6 3 . 3 . 2 . 3 A b r a s i o n S e e d i n g o f S i l i c o n a n d G l a s s S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 3 . 4 C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e D i a m o n d D e p o s i t i o n P r o c e s s a n d D i a m o n d F i l m . . . . . 9 8 3 . 4 . 1 S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 8 3 . 4 . 2 O p t i c a l T r a n s m i s s i o n M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 3 . 4 . 3 F i l m T h i c k n e s s M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3 3 . 4 . 3 . 1 W e i g h t G a i n D e t e r m i n a t i o n o f F i l m T h i c k n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3 3 . 4 . 3 . 2 S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o s c o p y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4 3 . 4 . 3 . 3 D e t e r m i n a t i o n o f F i l m T h i c k n e s s b y C o h e r e n t I n t e r f e r e n c e . . . . . . . . 1 0 5 3 . 4 . 4 F i l m Q u a l i t y A n a l y s i s b y R a m a n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 3 . 4 . 4 . 1 D e fi n i t i o n o f R a m a n A s p e c t r a a n d R a m a n B s p e c t r a . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 3 . 4 . 5 S u r f a c e R o u g h n e s s M e a s u r e m e n t s b y D e k t a k a n d A F M . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 3 . 4 . 6 F i l m t o S u b s t r a t e A d h e s i o n T e s t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4 3 . 4 . 7 C a r b o n C o n v e r s i o n E f fi c i e n c y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 C h a p t e r 4 D e s c r i p t i o n o f R e a c t o r C o n fi g u r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7 4 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7 4 . 2 D e fi n i t i o n o f M C P R T e r m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9 v i i i 4 . 3 4 . 4 4 . 4 . 4 . 3 M C P R S u b s t r a t e R e c e p t o r D e s i g n C o n s i d e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 4 . 4 T h e S i d e F e e d 4 ” M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 4 . 4 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 4 . 4 . 1 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 4 4 . 4 . 1 . 2 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 6 4 . 4 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 6 4 . 4 . 2 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 8 4 . 4 . 2 . 2 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 8 4 . 4 . 2 . 3 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 9 4 . 5 T h e E n d - F e e d 4 ” M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 4 . 5 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 4 . 5 . 1 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 4 . 5 . 1 . 2 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 4 . 5 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 4 - - d c B i a s E n h a n c e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 4 . 5 . 2 . 1 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 4 . 6 T h e E n d - F e e d 5 ” M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 4 . 6 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 4 . 6 . 1 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 9 4 . 6 . 1 . 2 P r o c e s s i n g L a r g e A r e a S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 1 4 . 6 . 1 . 3 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3 4 . 6 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 6 - - d c B i a s E n h a n c e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 3 4 . 6 . 2 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 5 4 . 6 . 2 . 2 T h e d c B i a s C i r c u i t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 7 4 . 6 . 2 . 3 B i a s C u r r e n t M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 7 4 . 6 . 2 . 4 I n fl u e n c e o f S e e d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 4 . 6 . 3 M C P R C o n fi g u r a t i o n 7 - - D e p o s i t i o n o n 3 ” a n d 4 ” S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . 1 5 2 4 . 6 . 3 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 4 4 . 7 T h e r m a l l y A d j u s t a b l e E n d - F e e d 5 ” M C P R C o n fi g u r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5 4 . 7 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 8 - H e a t e d S u b s t r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6 4 . 7 . 1 . 1 C a l c u l a t i o n s o f H e a t F l o w T h r o u g h t h e S u b s t r a t e R e c e p t o r . . . . . . . . 1 5 9 4 . 7 . 1 . 2 T h e H e a t e r C i r c u i t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 4 . 7 . 1 . 3 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 4 . 7 . 1 . 4 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 7 4 . 7 . 1 . 5 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0 4 . 7 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 9 - - C o o l e d S u b s t r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 4 . 7 . 2 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 4 4 . 7 . 2 . 2 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 9 4 . 7 . 2 . 3 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2 4 . 8 T u n i n g t h e M C P R f o r P l a s m a I g n i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 4 4 . 9 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 C h a p t e r 5 L o w - T e m p e r a t u r e D i a m o n d D e p o s i t i o n R e s u l t s o n S i l i c o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 9 5 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 9 5 . 2 C o m p a r i s o n o f D e p o s i t i o n R e s u l t s t o G r o w t h M o d e l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 1 5 . 2 . 1 C o m p a r i s o n t o t h e H a r r i s - G o o d w i n G r o w t h M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 1 i x 5 7 . 2 1 ~ . ‘ . ~ 5 . 2 . 1 . 1 I n fl u e n c e o f t h e S u b s t r a t e ’ s T e m p e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 5 . 2 . 1 . 2 I n fl u e n c e o f D e p o s i t i o n C h e m i s t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 5 . 2 . 1 . 3 I n fl u e n c e o f D e p o s i t i o n G a s P r e s s u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 5 . 2 . 2 C o m p a r i s o n t o t h e B a c h m a n n C - H - O G a s P h a s e D i a g r a m . . . . . . . . . . . . . 2 1 0 5 . 2 . 2 . 1 V a r i a t i o n s i n t h e F l o w o f M e t h a n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 5 . 2 . 2 . 2 V a r i a t i o n s i n t h e F l o w o f C a r b o n D i o x i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 3 5 . 2 . 2 . 3 D i a m o n d D e p o s i t i o n w i t h m i x t u r e s o f C H 4 - C 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 7 5 . 3 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n w i t h a d c b i a s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 0 5 . 4 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n w i t h a S u b s t r a t e C o o l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 5 . 5 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n w i t h P u l s e d M i c r o w a v e P o w e r . . . . . . . . . . . . . 2 2 8 5 . 6 A d d i t i o n a l O b s e r v a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 5 . 6 . 1 V a r i a t i o n s i n P h o t o - R e s i s t S e e d i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 5 . 6 . 2 M e a s u r e m e n t s o f F i l m S u r f a c e R o u g h n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 6 5 . 6 . 2 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 6 5 . 6 . 2 . 1 . 1 S u b s t r a t e s P r e - T r e a t e d w i t h t h e P h o t o - R e s i s t M e t h o d . . . . . . . . 2 4 7 5 . 6 . 2 . 1 . 2 S u b s t r a t e s P r e - T r e a t e d w i t h D i a m o n d - P o w d e r S c r a t c h S e e d i n g 2 5 0 5 . 6 . 2 . 1 . 3 S u m m a r y o f S u r f a c e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 4 5 . 6 . 3 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n a n d U n i f o r m i t y o n 3 ” a n d 4 ” S u b s t r a t e s . . . 2 5 5 5 . 6 . 4 D e p o s i t i o n o n S i l i c o n I C S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 6 5 . 7 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 9 C h a p t e r 6 C h a r a c t e r i z a t i o n o f D i a m o n d F i l m s o n G l a s s S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 6 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 4 6 . 2 A n O v e r v i e w o f D i a m o n d a s a n O p t i c a l C o a t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 6 . 2 . 1 F i l m t o G l a s s A d h e s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 7 6 . 2 . 2 M e t h o d s f o r I m p r o v i n g F i l m A d h e s i o n t o O p t i c a l S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . 2 6 8 6 . 2 . 2 . 1 A p p l y i n g O p t i c a l C o a t i n g s t o I R w i n d o w s b y O p t i c a l B r a z i n g . . . . . 2 6 8 6 . 2 . 2 . 2 I m p r o v e d A d h e s i o n P r o v i d e d b y I n t e r - l a y e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 6 . 2 . 2 . 3 I n t e r f a c e s E n g i n e e r e d t o I m p r o v e D i a m o n d A d h e s i o n . . . . . . . . . . . . 2 6 9 6 . 3 R e s u l t s f o r D i a m o n d D e p o s i t i o n o n G l a s s S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 6 . 3 . 1 C o m p a r i s o n t o t h e H a r r i s - G o o d w i n G r o w t h M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 6 . 3 . 2 D e p o s i t i o n w i t h a S u b s t r a t e H e a t e r - M C P R - C 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 2 6 . 3 . 3 O b s e r v a t i o n s o f D i a m o n d F i l m U n i f o n n i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 7 6 . 3 . 4 O b s e r v a t i o n s o f t h e E f f e c t s o f S e e d i n g M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 9 6 . 4 O p t i c a l T r a n s m i s s i o n o f D i a m o n d F i l m s G r o w n o n G l a s s S u b s t r a t e s . . . . . . . . 2 8 2 6 . 4 . 1 T h e o r e t i c a l O p t i c a l T r a n s m i s s i o n T h r o u g h a T h i n D i a m o n d F i l m . . . . . . . . 2 8 2 6 . 4 . 1 . 1 S e l l m e i e r E q u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 5 6 . 4 . 1 . 2 I n c l u s i o n o f S c a t t e r i n g a t t h e D i a m o n d - A i r I n t e r f a c e . . . . . . . . . . . . . 2 8 8 6 . 4 . 2 M e a s u r e m e n t s o f O p t i c a l T r a n s m i s s i o n T h r o u g h a T h i n D i a m o n d F i l m . . . 2 9 2 6 . 5 O b s e r v a t i o n s o f t h e A d h e s i o n o f t h e D i a m o n d F i l m s o n G l a s s S u b s t r a t e s . . . . 3 0 1 6 . 5 . 1 I n t r i n s i c a n d T h e r m a l S t r a i n i n D i a m o n d F i l m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 5 6 . 5 . 2 O b s e r v a t i o n s o f F i l m A d h e s i o n t o C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . 3 0 7 6 . 6 S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 0 C h a p t e r 7 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 4 7 . 1 C o n t r i b u t i o n s o f t h i s D i s s e r t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 4 7 . 2 S u m m a r y o f R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 4 7 . 2 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 4 7 . 2 . 2 B e n c h m a r k D i a m o n d D e p o s i t i o n o n S i l i c o n S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 9 7 . 2 . 3 D e p o s i t i o n a n d C h a r a c t e r i z a t i o n o f D i a m o n d F i l m s o n G l a s s S u b s t r a t e s . . 3 2 3 7 . 3 R e c o m m e n d a t i o n s f o r F u t u r e R e s e a r c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 5 7 . 3 . 1 I m p r o v i n g D e p o s i t i o n R a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 5 7 . 3 . 2 I m p r o v i n g D e p o s i t i o n U n i f o r m i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 5 7 . 3 . 3 I m p r o v i n g O p t i c a l T r a n s m i s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 6 7 . 3 . 4 I m p r o v i n g F i l m t o G l a s s A d h e s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 6 A p p e n d i x A A M a t l a b P r o g r a m t o P l o t O p t i c a l T r a n s m i s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 9 A p p e n d i x B D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 2 ” S i l i c o n a n d 1 C S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 6 A p p e n d i x C D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 3 ” S i l i c o n S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 5 A p p e n d i x D D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 4 ” S i l i c o n S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 2 A p p e n d i x E D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 2 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 5 A p p e n d i x F D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 3 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 0 A p p e n d i x G D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 4 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 4 A p p e n d i x H D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 2 ” P y r e x S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 6 A p p e n d i x I O p e r a t i n g P r o c e d u r e s f o r t h e G e r l i n g M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 9 1 . 1 W a r m - U p P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 9 1 . 2 A d j u s t i n g t h e O u t p u t M i c r o w a v e L e v e l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 9 1 . 3 S h u t - D o w n P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 9 R E F E R E N C E S 4 1 4 x i T a b l e 2 . 1 : T a b l e 2 . 2 : T a b l e 2 . 3 : T a b l e 3 . 1 : T a b l e 3 . 2 : T a b l e 3 . 3 : T a b l e 4 . 1 ; T a b l e 4 . 2 ; T a b l e 4 . 3 ; T a b l e 4 . 4 ; T a b l e 5 1 ; T a b l e 5 3 ; T a b l e 5 3 : 1 1 1 1 1 6 5 . 4 : T c i b I e 5 . 5 ; T a b l e 5 . 6 : T a b l e 5 . 7 : T a b l e 6 . 1 : W e 6 . 2 : T a b l e 2 . 1 : T a b l e 2 . 2 : T a b l e 2 . 3 : T a b l e 3 . 1 : T a b l e 3 . 2 : T a b l e 3 . 3 : T a b l e 4 . 1 : T a b l e 4 . 2 : T a b l e 4 . 3 : T a b l e 4 . 4 : T a b l e 5 . 1 : T a b l e 5 . 2 : T a b l e 5 . 3 : T a b l e 5 . 4 : T a b l e 5 . 5 : T a b l e 5 . 6 : T a b l e 5 . 7 : T a b l e 6 . 1 : T a b l e 6 . 2 : L I S T O F T A B L E S P e r f o r m a n c e o f t h e H o t - F i l a m e n t S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 P e r f o r m a n c e o f t h e D C P a r a l l e l P l a t e s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 P e r f o r m a n c e o f 5 ” M C P R c o n fi g u r a t i o n s l 3 6 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 M K S M F C G a u g e F a c t o r s 1 5 8 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 D a t a A c q u i s i t i o n C a r d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9 T r a n s m i s s i o n A r r a n g e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 M e a s u r e d v a l u e s o f v o l t a g e , c u r r e n t a n d p o w e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 5 M C P R c o o l e r a s s e m b l y s p a c e r c o n fi g u r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 0 S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e v e r s e s t h e r m a l g a p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 3 S u m m a r y o f M C P R C o n fi g u r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 6 M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B S p e c t r a F W H M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 7 M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B S p e c t r a F W H M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B S p e c t r a F W H M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B s p e c t r a F W H M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 9 M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B s p e c t r a F W H M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 M e a s u r e d S u r f a c e R o u g h n e s s f o r P h o t o - R e s i s t S e e d e d S u b s t r a t e s . . . . . 2 4 9 M e a s u r e d S u r f a c e R o u g h n e s s f o r S c r a t c h S e e d S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . 2 5 1 S u m m a r y o f D e p o s i t i o n R e s u l t s w i t h M C P R - C 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 8 E x p e r i m e n t a l D a t a f o r D i a m o n d F i l m s o n 7 0 5 9 G l a s s S u b s t r a t e s . . . . . 2 9 8 x i i T a b l e 6 . 3 : T a b l e 6 . 4 : T a b l e 6 . 5 : T a b l e 7 . 1 : T a b l e 8 . 1 T a b l e 8 . 2 T a b l e 8 . 3 T a b l e 8 . 4 T a b l e 8 . 5 T a b l e 8 . 6 T a b l e 8 7 T a b l e 8 . 8 T a b l e 3 . 9 T D E B J O T a b l e 3 . 1 1 T a b l e 8 . 1 2 T a b l e B 1 3 T a b l e B . 1 4 T T E B J S T a b l e 8 - 1 6 T a b l e 3 . 1 7 T a b l e 8 . 1 8 T a b l e 6 . 3 : T a b l e 6 . 4 : T a b l e 6 . 5 : T a b l e 7 . 1 : T a b l e B . 1 T a b l e B . 2 T a b l e B . 3 T a b l e B . 4 T a b l e B . 5 T a b l e B . 6 T a b l e B . 7 T a b l e B . 8 T a b l e B . 9 T a b l e B . 1 0 T a b l e 8 . 1 1 T a b l e B . 1 2 T a b l e B . l 3 T a b l e B . 1 4 T a b l e 8 . 1 5 T a b l e 3 . 1 6 T a b l e B . 1 7 T a b l e 3 . 1 8 T a b l e B . l 9 O b s e r v a t i o n s o f A d h e s i o n o n C o m i n g 7 0 5 0 S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . 3 0 9 O b s e r v a t i o n s o f A d h e s i o n o n C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . 3 0 9 O b s e r v a t i o n o f A d h e s i o n o f S c r a t c h S e e d e d F i l m s . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 1 S u m m a r y o f M C P R C o n fi g u r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l — S S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 6 - S 1 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l l - S 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 1 6 - S 2 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 2 3 - 8 2 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 2 8 - 8 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 1 - S 3 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 6 - S 3 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 4 1 - S 4 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 5 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 4 6 - 8 5 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S S l - S S S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S S 6 - S 6 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 6 1 - S 6 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 6 6 - S 7 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 7 1 - S 7 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 7 6 - S 7 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 8 3 - 8 8 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 8 6 - S 9 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 9 1 - S 9 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 5 x i i i T a b l e 8 . 2 0 T a b l e 8 . 2 1 T a b l e 8 . 2 2 T a b l e 8 . 2 3 T a b l e 8 . 2 4 T a b l e 8 . 2 5 - T a b l e 8 . 2 6 T a b l e 8 . 2 7 T a b l e 8 . 2 8 T a b l e C . l T a b l e C 2 T a b l e C 3 T a b l e C 4 T a b l e C 5 T a b l e C 6 T a b l e D _ 1 T a b l e D 2 T a b l e 8 1 T a b l e [ 5 . 2 T a b l e 8 3 T " 1 1 1 6 5 4 T a b l e E 5 T a b l e E s T a b l e B 2 0 T a b l e B . 2 1 T a b l e B . 2 2 T a b l e B . 2 3 T a b l e B . 2 4 T a b l e B . 2 5 T a b l e B . 2 6 T a b l e B . 2 7 T a b l e B . 2 8 T a b l e 0 1 T a b l e C . 2 T a b l e C . 3 T a b l e C . 4 T a b l e C . 5 T a b l e C . 6 T a b l e D . l T a b l e D 2 T a b l e B ] T a b l e E . 2 T a b l e E . 3 T a b l e E . 4 T a b l e E . 5 T a b l e E . 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 9 6 - S 1 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 1 0 1 - S 1 0 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 1 0 6 - 8 1 1 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S I 1 1 - 8 1 1 5 a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 1 1 5 b - 8 1 1 5 f . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 1 1 6 - S I 1 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 1 2 1 - S 1 2 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e S 1 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s T C - l - I C - 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 - l - S 3 - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e 8 3 - 1 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 3 - 1 1 - S 3 - 1 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 - 1 7 - 8 3 - 2 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 5 3 - 2 1 - 8 3 - 2 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e p u l s e - 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 4 - 1 - S 4 - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e 8 4 - 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 1 - G 7 - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 6 - G 7 - 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 1 3 - G 7 - 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 1 6 - G 7 - 2 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 2 1 - G 7 - 2 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 2 6 - G 7 - 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 1 x i v T a b l e E . 7 T a b l e E . 8 T a b l e 8 9 T a b l e E . 1 0 T a b l e E . 1 1 T a b l e E . 1 2 T a b l e 1 5 . 1 3 T a b l e E 1 4 T a b l e F . l T a b l e F ; T a b l e F , 3 T a b l e ( 3 . 1 T a b l e H 1 T a b l e H g T a b l e E . 7 T a b l e E . 8 T a b l e E . 9 T a b l e E . 1 0 T a b l e E . 1 1 T a b l e E . 1 2 T a b l e E . 1 3 T a b l e E . 1 4 T a b l e F . 1 T a b l e F . 2 T a b l e F . 3 T a b l e G . 1 T a b l e H . 1 T a b l e H . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 3 1 - G 7 - 3 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 3 6 - G 7 - 4 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 4 l - G 7 - 4 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 4 6 - G 7 - 4 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 5 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 5 1 - G 7 - 5 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e G 7 2 — 6 O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 2 - 6 1 - G 7 2 - 6 5 . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 2 - 6 6 - G 7 2 - 6 7 . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 3 - 1 1 - G 7 3 - 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e G 7 3 - 1 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s L B L - l - L B L - 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 4 — l - G 7 4 - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 5 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G P - l - G P - 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e G P - 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 8 X V F i g u r e 2 . 1 F i g u r e 2 . 2 F i g u r e 2 . 3 F i g u r e 2 . 4 F i g u r e 2 . 5 F i g u r e 2 . 6 F i g u r e 2 . 7 F i g u r e 2 . 8 F i g u r e 2 . 9 F i g u r e 2 . 1 0 F i g u r e 2 . 1 1 F i g u r e 2 . 1 2 F i g u r e 2 . 1 3 F i g u r e 2 . 1 4 F i g u r e 2 . 1 5 F i g u r e 2 . 1 6 F i g u r e 2 . 1 7 F i g u r e 2 . 1 8 F i g u r e 2 . 1 9 L I S T O F F I G U R E S C r o s s - s e c t i o n o f t h e M o d e r a t e P r e s s u r e M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 T h e c i r c u l a r c y l i n d r i c a l c a v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 T h e T M O H m o d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 T h e T M 0 1 2 m o d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 T h e r e s o n a n t m o d e s o f a 1 7 . 7 8 c m d i a m e t e r c i r c u l a r c a v i t y . . . . . . . . . . 1 6 T h e r e s o n a n t m o d e s o f a 3 8 c m d i a m e t e r c i r c u l a r c a v i t y . . . . . . . . . . . . 1 8 E x p e r i m e n t a l s e t u p f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n o n a d i a m o n d s e e d . . . . . . 2 1 C h e m i c a l T r a n s p o r t R e a c t i o n c o n fi g u r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 D i a g r a m o f a H o t F i l a m e n t S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 D i a g r a m o f a d c P l a s m a C V D s o u r c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 D i a g r a m o f a d c A r c J e t P l a s m a C V D s o u r c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 C r o s s s e c t i o n o f t h e 2 . 4 5 M H z t u b u l a r m i c r o w a v e p l a s m a . . . . . . . . . . . 3 3 B e l l j a r M i c r o w a v e S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 M a g n e t o - M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 T h e 2 . 4 5 G H z M a g n e t o - A c t i v e P l a s m a S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 S i d e F e e d C o n fi g u r a t i o n o f t h e 4 ” M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 E n d F e e d C o n fi g u r a t i o n o f t h e 4 ” M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 E n d F e e d 5 ” M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 T e r n a r y g a s p h a s e d i a g r a m f o r C , H , a n d O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 x v i ' 7 2 0 F i g u r e . . F i g u r e 3 . 1 F i g u r e 3 . 2 F i g u r e 3 . 3 F i g u r e 3 . 4 F i g u r e 3 . 5 F i g u r e 3 . 6 F i g u r e 3 . 7 F i g u r e 3 . 8 F i g u r e 3 . 9 F i c s u r e 3 . 1 0 F i g u r e 3 . 1 1 F i g u r e 3 . 1 2 fi g u r e 3 . 1 3 fi g u r e 3 . 1 4 F i é ’ l l r e 3 . 1 5 a m 3 . 1 6 F i g u r e 3 . 1 7 F l g l l r e 4 . 1 F i g . 1 “ . 4 2 F i g m e 4 . 3 F i g u r e 4 . 4 F i g u r e 4 . 5 F i g u r e 2 . 2 0 F i g u r e 3 . 1 F i g u r e 3 . 2 F i g u r e 3 . 3 F i g u r e 3 . 4 F i g u r e 3 . 5 F i g u r e 3 . 6 F i g u r e 3 . 7 F i g u r e 3 . 8 F i g u r e 3 . 9 F i g u r e 3 . 1 0 F i g u r e 3 . 1 1 F i g u r e 3 . 1 2 F i g u r e 3 . 1 3 F i g u r e 3 . 1 4 F i g u r e 3 . 1 5 F i g u r e 3 . 1 6 F i g u r e 3 . 1 7 F i g u r e 4 . 1 F i g u r e 4 . 2 F i g u r e 4 . 3 F i g u r e 4 . 4 F i g u r e 4 . 5 M o d i fi e d C - H — O t e r n a r y g a s p h a s e d i a g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 T h e d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8 T h e v a c u u m a n d g a s fl o w s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0 T h e v a c u u m m e a s u r e m e n t s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4 T h e C W m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y s y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e P r e s s u r e T r a n s d u c e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e M F C s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 G e n e r i c S y s t e m S t a r t - U p P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 G e n e r i c S y s t e m S h u t - D o w n P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s i n t h e M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0 M e a s u r e m e n t o f s p e c t r a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 T h e R a m a n A s p e c t r u m f r o m G 2 - 3 2 , d a t e d 1 7 A p r i l 1 9 9 7 . . . . . . . . . . . 1 1 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m G 2 - 3 2 , d a t e d 1 A p r i l 1 9 9 8 . . . . . . . . . . . . 1 1 3 D e fi n i t i o n o f r e g i o n s i n s i d e t h e M C P R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 0 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 5 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 T e m p e r a t u r e v s . p r e s s u r e a n d p o w e r f o r M C P R - C 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 0 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 x v i i F i g u r e 4 . 6 F i g u r e 4 . 7 F i g u r e 4 . 8 F i g u r e 4 . 9 F i g u r e 4 . 1 0 F i g u r e 4 . 1 1 F i g u r e 4 . 1 2 F i g u r e 4 . 1 3 F i g u r e 4 . 1 4 F i g u r e 4 . 1 5 T 1 8 1 1 e 4 . 1 6 F i g u r e 4 . 1 7 F i g u r e 4 . 1 8 I T ‘ e ' l l r e 4 . 1 9 F i g u r e 4 . 2 0 F 1 t u r e 5 . 1 F T E U I e 5 . 2 T l g l l r e S , 3 I T T ‘ g U r e 5 . 4 I : l g l l r e 5 ' 5 fi g u r e 5 . 6 fi g u r e 5 . 7 F l g l l l ‘ e 5 . 8 F i g u r e 4 . 6 F i g u r e 4 . 7 F i g u r e 4 . 8 F i g u r e 4 . 9 F i g u r e 4 . 1 0 F i g u r e 4 . 1 1 F i g u r e 4 . 1 2 F i g u r e 4 . 1 3 F i g u r e 4 . 1 4 F i g u r e 4 . 1 5 F i g u r e 4 . 1 6 F i g u r e 4 . 1 7 F i g u r e 4 . 1 8 F i g u r e 4 . 1 9 F i g u r e 4 . 2 0 F i g u r e 5 . 1 F i g u r e 5 . 2 F i g u r e 5 . 3 F i g u r e 5 . 4 F i g u r e 5 . 5 F i g u r e 5 . 6 F i g u r e 5 . 7 F i g u r e 5 . 8 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 0 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 T e m p e r a t u r e v s . p r e s s u r e a n d p o w e r f o r M C P R - C 5 . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 4 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 6 E l e c t r i c a l C o n n e c t i o n s o f t h e b i a s - e n h a n c e d M C P R - C 6 . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 E l e c t r i c a l C o n n e c t i o n s o f t h e b i a s - e n h a n c e d M C P R - C 6 . . . . . . . . . . . . . 1 5 0 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 3 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8 T h e B N - h e a t e r c i r c u i t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 8 T e m p e r a t u r e v s . p r e s s u r e a n d h e a t e r v o l t a g e f o r M C P R - C 7 . . . . . . . . . . 1 6 9 V a r i a b l e c o n d u c t i v e h e a t fl o w i n a s u b s t r a t e c o o l e r . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 C r o s s - s e c t i o n o f t h e c o o l e r a s s e m b l y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 C r o s s - s e c t i o n o f a m o l y b d e n u m s p a c e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 8 P r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e T S o n t h e d e p o s i t i o n r a t e . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 7 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 5 . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 8 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 6 . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 8 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e 8 1 8 . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 9 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 3 1 . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 9 P r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e C H 4 fl o w r a t e o n t h e d e p o s i t i o n r a t e . . . . . . . 2 0 1 A n S E M p h o t o o f S S 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 x v i i i F i g u r e 5 . 9 F i g u r e 5 . 1 C F i g u r e 5 . 1 1 F i g u r e 5 . 1 2 F i g u r e 5 . 1 3 F i g u r e 5 . 1 4 F i g u r e 5 . 1 5 F i g u r e 5 . 1 6 F i g u r e 5 . 1 7 F i g u r e 5 . 1 8 F i g u r e 5 . 1 9 F a m e 5 2 0 F 1 e u r e 5 2 1 F i g u r e 5 . 2 2 F i g u r e 5 . 2 3 F 1 g u r e 5 . 2 4 F i g u r e 5 . 2 5 F 1 ' e u r e 5 . 2 6 F 1 1 3 ’ 1 1 r e 5 . 2 7 fi g u i e 5 - 2 8 F i g u r e 5 . 2 9 F i g u r e 5 . 3 0 I f ! E X 1 F i g u r e 5 . 9 F i g u r e 5 . 1 0 F i g u r e 5 . 1 1 F i g u r e 5 . 1 2 F i g u r e 5 . 1 3 F i g u r e 5 . 1 4 F i g u r e 5 . 1 5 F i g u r e 5 . 1 6 F i g u r e 5 . 1 7 F i g u r e 5 . 1 8 F i g u r e 5 . 1 9 F i g u r e 5 . 2 0 F i g u r e 5 . 2 1 F i g u r e 5 . 2 2 F i g u r e 5 . 2 3 F i g u r e 5 . 2 4 F i g u r e 5 . 2 5 F i g u r e 5 . 2 6 F i g u r e 5 . 2 7 F i g u r e 5 . 2 8 F i g u r e 5 . 2 9 F i g u r e 5 . 3 0 F i g u r e 5 . 3 1 A n S E M p h o t o o f S 8 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 A n S E M p h o t o o f S 7 8 ( 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 1 0 s c c m o f C H 4 ) . . . . . . . . 2 0 4 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 7 8 . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 8 3 . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e 8 8 4 . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 P r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e g a s p r e s s u r e o n t h e d e p o s i t i o n r a t e . . . . . . . . 2 0 9 M e a s u r e d w e i g h t g a i n f o r g a s c o m p o s i t i o n s o f C H 4 i n C 0 2 a n d H 2 " . . 2 1 2 R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 8 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 4 R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 9 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5 R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 5 M e a s u r e d w e i g h t g a i n f o r g a s c o m p o s i t i o n s o f C 0 2 i n C H 4 a n d H 2 ” . . 2 1 6 S E M p h o t o o f S - 6 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 8 S E M p h o t o s f o r S - 1 2 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 8 T h e R a m a n A s p e c t r u m f r o m S - 1 2 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 9 S E M p h o t o o f S 4 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 1 S E M p h o t o o f 5 5 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 1 S E M p h o t o o f S 4 8 t a k e n a t a 6 0 ° a n g l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 S E M p h o t o s o f 8 5 2 t a k e n a t a 6 0 ° a n g l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 S E M P h o t o o f S 4 8 t a k e n a t a 6 0 ° a n g l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 S E M P h o t o o f 8 5 2 t a k e n a t a 6 0 ° a n g l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 T h e R a r n a n A s p e c t r u m f r o m S 4 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 4 T h e R a m a n A s p e c t r u m f r o m 8 5 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 4 E x p e r i m e n t a l w e i g h t - g a i n s f o r l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e s . . . . . . . . . . . . . 2 2 7 x i x F i g u r e 5 . 3 2 F i g u r e 5 . 3 3 F i g u r e 5 . 3 4 F i g u r e 5 . 3 5 F i g u r e 5 . 3 6 F i g u r e 5 . 3 7 F i g u r e 5 . 3 8 F i g u r e 5 . 3 9 F i g u r e 5 . 4 0 F i g u r e 5 . 4 ] F i g u r e 5 . 4 2 F i g u r e 5 . 4 3 F i g u r e 5 . 4 4 l fi g u r e 5 . 4 5 F i g u r e 5 . 4 6 F a m e 5 4 7 F i g u r e s - 1 8 F l g l r r e 5 . 4 9 F i g u r e 5 . 5 0 F i g u r e 5 . 5 1 F l i n n : 5 . 5 2 F ‘ g l l r e 6 . 1 fi g u r e 6 2 F i g u r e 5 . 3 2 F i g u r e 5 . 3 3 F i g u r e 5 . 3 4 F i g u r e 5 . 3 5 F i g u r e 5 . 3 6 F i g u r e 5 . 3 7 F i g u r e 5 . 3 8 F i g u r e 5 . 3 9 F i g u r e 5 . 4 0 F i g u r e 5 . 4 1 F i g u r e 5 . 4 2 F i g u r e 5 . 4 3 F i g u r e 5 . 4 4 F i g u r e 5 . 4 5 F i g u r e 5 . 4 6 F i g u r e 5 . 4 7 F i g u r e 5 . 4 8 F i g u r e 5 . 4 9 F i g u r e 5 . 5 0 F i g u r e 5 . 5 1 F i g u r e 5 . 5 2 F i g u r e 6 . 1 F i g u r e 6 . 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e 8 1 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 9 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e S 1 1 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e S I 1 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 P u l s e d p o w e r w a v e - f o r m s f o r a 3 3 % d u t y c y c l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 P u l s e d p o w e r w a v e - f o r m s f o r a 5 0 % d u t y c y c l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 S u b s t r a t e w e i g h t g a i n s f o r p u l s e d - p o w e r e x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e 8 1 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e 8 1 1 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 S E M p h o t o o f S 6 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 9 S E M p h o t o o f S 7 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 9 S E M p h o t o o f S 7 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 S E M p h o t o o f S 7 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 S E M p h o t o o f S 7 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 S E M p h o t o o f 8 8 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 2 W e i g h t g a i n v s . d i a m o n d p o w d e r c o n c e n t r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 5 S E M p h o t o o f 8 8 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 S E M p h o t o o f S 8 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 S E M p h o t o o f S 9 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 S E M p h o t o o f 8 1 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 A p h o t o o f d i a m o n d c o a t e d d e v i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 8 A p h o t o o f a d i a m o n d c o a t e d I C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 8 C o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l w e i g h t g a i n s t o t h e H - G m o d e l . . . . . . . . . 2 7 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 2 . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4 X X F i g u r e 6 . 3 F i g u r e 6 . 4 F i g u r e 6 . 5 F i g u r e 6 . 6 F i g u r e 6 . 7 F i g u r e 6 . 8 F i g u r e 6 . 9 F i g u r e 6 . 1 0 F i g u r e 6 . 1 1 F i g u r e 6 . 1 2 F i g u r e 6 . 1 3 F i g u r e 6 . 1 4 F i g u r e 6 . 1 5 F i g u r e 6 . 1 6 F i g u r e 6 . 1 7 F i g m e 6 - 1 8 F i g u r e 6 . 1 9 F T g U r e 6 . 2 0 F i g u r e 6 . 2 1 F i g u r e 6 . 2 2 F i g u r e 6 . 2 3 F i g u r e 6 . 2 4 F i g u r e 6 . 2 5 F i g u r e 6 . 3 F i g u r e 6 . 4 F i g u r e 6 . 5 F i g u r e 6 . 6 F i g u r e 6 . 7 F i g u r e 6 . 8 F i g u r e 6 . 9 F i g u r e 6 . 1 0 F i g u r e 6 . 1 1 F i g u r e 6 . 1 2 F i g u r e 6 . 1 3 F i g u r e 6 . 1 4 F i g u r e 6 . 1 5 F i g u r e 6 . 1 6 F i g u r e 6 . 1 7 F i g u r e 6 . 1 8 F i g u r e 6 . 1 9 F i g u r e 6 . 2 0 F i g u r e 6 . 2 1 F i g u r e 6 . 2 2 F i g u r e 6 . 2 3 F i g u r e 6 . 2 4 F i g u r e 6 . 2 5 P h o t o o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 6 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 8 P h o t o o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 6 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 0 P h o t o o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 0 P h o t o o f d i a m o n d c o a t e d g l a s s s u b s t r a t e s s i t t i n g o n a c o l o r p l a t e . . . . . . 2 8 1 P h o t o o f d i a m o n d c o a t e d g l a s s s u b s t r a t e s o n a n o p t i c a l t a b l e . . . . . . . . . 2 8 1 G r a p h i c a l d e s c r i p t i o n o f T a n d T c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 4 G r a p h i c a l d e s c r i p t i o n o f T o b s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 6 T h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 7 A p l o t o f n 1 a s d e s c r i b e d b y t h e S e l l m e i e r E q u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 9 T h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f r o u g h d i a m o n d fi l m s . . . . . . . . . . . . 2 9 1 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f 6 7 - 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 2 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 3 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 5 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 6 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 6 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 6 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 6 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f 6 7 - 6 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 7 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f 6 7 - 6 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 7 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 2 7 . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 3 O . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 5 2 . . . . . . . . . . . . . 3 0 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 6 0 . . . . . . . . . . . . . 3 0 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 6 3 . . . . . . . . . . . . . 3 0 4 x x i F i g u r e 6 . 2 1 F i g u r e 6 . 2 ' F i g u r e 6 . 2 5 F i g u r e 6 . 2 6 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 6 6 . . . . . . . . . . . . . 3 0 4 F i g u r e 6 . 2 7 A n S E M p h o t o o f a fi l m p e e l i n g f r o m a 7 0 5 9 s u b s t r a t e . . . . . . . . . . . . . 3 0 8 F i g u r e 6 . 2 8 A n S E M p h o t o o f l e a d i n g e d g e o f t h e p e e l r e g i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 8 x x i i 1 . 1 a t i o n c f n S r d C l s n i d o e i e i o r s o s o m e n g t . s e p t h r t s o M S a r e g s s i c a h n a n t , n h s r n T e V i c e o i n n t d e g e a m i c e € . 0 3 a n s ] ; c 1 1 t s a n j C h a p t e r 1 I N T R O D U C T I O N 1 . 1 M o t i v a t i o n S i n c e t h e e a r l y 1 9 8 0 ’ s r e s e a r c h e r s t h r o u g h o u t t h e w o r l d h a v e b e e n p u r s u i n g a p p l i - c a t i o n s a n d d e p o s i t i o n p r o c e s s e s f o r t h i n p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s . T h e m o t i v a t i o n f o r t h i s r e s e a r c h e f f o r t i s d r i v e n b y d i a m o n d ’ s u n i q u e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f e x t r e m e h a r d - n e s s , c h e m i c a l r e s i s t a n c e , h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , a n d w i d e s p e c t r a l o p t i c a l t r a n s m i s - s i o n r a n g e . P r e d i c t i o n s f o r a p p l i c a t i o n s i n c l u d e ( 1 ) m e c h a n i c a l f u n c t i o n s s u c h a s w e a r r e s i s t a n t c o a t i n g s f o r c u t t i n g t o o l s , a n d t h e r m a l s i n k s , ( 2 ) e l e c t r o n i c d e v i c e s s u c h a s d i o d e s , t r a n s i s t o r s a n d e l e c t r o n e m i t t e r s , a n d ( 3 ) o p t i c a l l y t r a n s p a r e n t c o a t i n g s t h a t p r o t e c t c o m p o n e n t s e x p o s e d t o c h e m i c a l l y h a r s h e n v i r o n m e n t s , o r p r o v i d e t r a n s m i s s i o n f o r w a v e - l e n g t h s v a r y i n g b e t w e e n u l t r a v i o l e t a n d i n f r a r e d . O v e r t h e p a s t t w o d e c a d e s , a v a r i e t y o f c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n p r o c e s s e s h a v e b e e n d e v e l o p e d t h a t p r o d u c e p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d f r o m a l o w c o n c e n t r a t i o n m i x t u r e o f m e t h a n e i n h y d r o g e n . O t h e r g a s e s s u c h a s o x y g e n , c a r b o n d i o x i d e , a n d s o m e h a l o g e n s a r e s o m e t i m e s a d d e d t o e n h a n c e t h e g r o w t h r a t e a n d t h e p r o p e r t i e s o f t h e d e p o s i t e d fi l m s , b u t a s i m p l e 1 % m e t h a n e i n h y d r o g e n m i x t u r e p r o d u c e s h i g h q u a l i t y d i a m o n d i n m o s t p r o - c e s s e s . A l t h o u g h C V D p r o c e s s e s d o n o t p r o d u c e s i n g l e c r y s t a l d i a m o n d fi l m s o n n o n - d i a - m o n d s u b s t r a t e y e t , t h e p r o p e r t i e s o f d e p o s i t e d p o l y c r y s t a l l i n e fi l m s a r e q u i t e g o o d . I n m a n y c a r s t3.1.1.1121 51 5 0 however’ C a n o p t i c a l ‘ ( 1 6 1 3 0 8 1 t h L c h a r a c t e r i S l f r o m u l t r Z H p a r a m e t t C a l o p t i c a l m a t e tion rate P I C " m a t c h e d W i l l ited d i a m o n d ity o f d e l a m i n t e m p e r a t u r e a the rate o f fi l m A s a result, 1011 various C V D temperature d e g technique that c sure is a n o t h e r 11 techniques r e d u c film s u c h as m o r ; p m a n y c a s e s t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d a r e n e a r o r e q u a l t o t h o s e o f t y p e I I a s i n g l e c r y s t a l d i a m o n d . S o m e d i a m o n d fi l m a p p l i c a t i o n s h a v e l i t t l e c o n s t r a i n t s o n t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s ; h o w e v e r , o t h e r s r e q u i r e u n i f o r m , l o w - t e m p e r a t u r e a n d l a r g e a r e a d e p o s i t i o n . F o r e x a m p l e a n o p t i c a l c o a t i n g t h a t p r o t e c t s a n o p t i c a l c o m p o n e n t f r o m a h a r s h e n v i r o n m e n t m u s t b e d e p o s i t e d u n i f o r m l y , h a v e m i n i m a l s u r f a c e r o u g h n e s s a n d l o w i m p u r i t y c o n t e n t . T h e s e c h a r a c t e r i s t i c s a r e n e c e s s a r y f o r t h e p r o d u c t t o h a v e h i g h t r a n s m i s s i o n i n t h e s p e c t r u m f r o m u l t r a - v i o l e t l i g h t t o l o n g w a v e l e n g t h i n f r a r e d . D e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e i s a l s o a c r i t i - c a l p a r a m e t e r w h e n c o a t i n g o p t i c a l c o m p o n e n t s . T h e s o f t e n i n g p o i n t t e m p e r a t u r e o f m o s t o p t i c a l m a t e r i a l s i s w e l l b e l o w t h e t y p i c a l 1 0 0 0 C d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e o f h i g h d e p o s i - t i o n r a t e p r o c e s s e s . F u r t h e r m o r e , t h e t h e r m a l e x p a n s i o n o f o p t i c a l m a t e r i a l s i s n o t w e l l m a t c h e d w i t h t h a t o f d i a m o n d . T o g e t h e r t h e s e p r o p e r t i e s c r e a t e i n t e r n a l s t r e s s e s i n d e p o s - i t e d d i a m o n d fi l m s w h i c h l e a d t o c r a c k i n g a n d a d h e s i o n p r o b l e m s . T o r e d u c e t h e p r o b a b i l - i t y o f d e l a m i n a t i o n o f t h e d e p o s i t e d fi l m , i t i s n e c e s s a r y t o r e d u c e t h e d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e a s l o w a s p o s s i b l e w i t h o u t s a c r i fi c i n g t h e q u a l i t y o f t h e fi l m . U n f o r t u n a t e l y , t h e r a t e o f fi l m d e p o s i t i o n i s o f t e n t i m e s s t r o n g l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . A s a r e s u l t , l o w e r d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e s y i e l d l o w e r d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e s . S i n c e t h e v a r i o u s C V D p r o c e s s e s a r e s o d i f f e r e n t , i t f o l l o w s t h a t s e v e r a l d i f f e r e n t a p p r o a c h e s t o l o w t e m p e r a t u r e d e p o s i t i o n m i g h t b e e m p l o y e d . C o o l i n g t h e s u b s t r a t e w i t h a c h i l l e d l i q u i d i s a t e c h n i q u e t h a t c a n b e a p p l i e d t o a l m o s t a n y C V D p r o c e s s . L o w e r i n g t h e p r o c e s s g a s p r e s - s u r e i s a n o t h e r u n i v e r s a l t e c h n i q u e f o r l o w e r i n g t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . B o t h o f t h e s e t e c h n i q u e s r e d u c e t h e d e p o s i t i o n r a t e o f d i a m o n d a n d u s u a l l y c h a n g e t h e p r o p e r t i e s o f t h e fi l m s u c h a s m o r p h o l o g y . F o r p r o c e s s e s t h a t u s e m i c r o w a v e e n e r g y t o a c t i v a t e t h e g a s - a n d C P U - C a l C h a p h a s e . a m p e a k p O W t 1 . 2 R e T h ! m o n d d e p o u n d e r l o w 1 l i e s i n t h e f ; p o s s i b i l i t y c t i o n i s a l s o 5 O v e r a n C X P E c i a t e d w i t h 1 . e r a ] r e l a t e d 5 p e r f o r m a n c e r e s e a r c h » ( 2 1 1 t h e s e C o n d i t j c t ’ a r i O L r s T O W p 1 w i t h e s t a b l i s h C E S S C S [ 0 t e m p p h a s e , a n o t h e r m e t h o d f o r p r o d u c i n g l o w t e m p e r a t u r e i s t o p u l s e t h e m a g n i t u d e o f t h e p e a k p o w e r , w h i c h r e d u c e s t h e a v e r a g e p o w e r d e l i v e r e d . 1 . 2 R e s e a r c h O b j e c t i v e s T h e p r i m a r y o b j e c t i v e o f t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s t o a d v a n c e t h e c u r r e n t M C P R d i a - m o n d d e p o s i t i o n a p p a r a t u s a n d m e t h o d s t o w a r d t h e g o a l o f a c h i e v i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n u n d e r l o w p r e s s u r e a n d l o w t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s . A p r a c t i c a l i m p o r t a n c e o f t h i s g o a l l i e s i n t h e f a c t t h a t d e p o s i t i o n o f d i a m o n d o n t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v e s u b s t r a t e s o f f e r s t h e p o s s i b i l i t y o f c o n s i d e r a b l y e x p a n d i n g t h e a p p l i c a t i o n s o f d i a m o n d c o a t i n g s . T h e i n v e s t i g a - t i o n i s a l s o e x p e c t e d t o p r o v i d e n e w i n f o r m a t i o n o n t h e o p e r a t i n g p r o p e r t i e s o f t h e M C P R o v e r a n e x p a n d e d r a n g e o f p a r a m e t e r s p a c e a n d t o p r o v i d e i n s i g h t o n k e y l i m i t a t i o n s a s s o - c i a t e d w i t h l o w t e m p e r a t u r e a n d l o w p r e s s u r e d i a m o n d g r o w t h . T h e p r i m a r y g o a l h a d s e v - e r a l r e l a t e d s u b - o b j e c t i v e s i n c l u d i n g ( 1 ) a n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a t l o w p r e s s u r e s o f p e r f o r m a n c e l i m i t a t i o n s o f M C P R d e s i g n s w h i c h e x i s t e d p r i o r t o t h e b e g i n n i n g o f t h i s r e s e a r c h , ( 2 ) d e v e l o p m e n t o f a n a p p a r a t u s t o p r o v i d e i m p r o v e d d i a m o n d d e p o s i t i o n u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , ( 3 ) a n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f d i a m o n d fi l m q u a l i t y g r o w n u n d e r v a r i o u s l o w p r e s s u r e a n d l o w t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s , ( 4 ) c o m p a r i s o n o f g r o w t h r e s u l t s w i t h e s t a b l i s h e d m o d e l s , ( 5 ) a p p l i c a t i o n o f t h e l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o - c e s s e s t o t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s , i n c l u d i n g b o r o - s i l i c a t e g l a s s m a t e r i a l s a n d ( 6 ) a n d o p t i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e c o a t i n g s o n t h e g l a s s s u b s t r a t e s . I n o r d e r t o p e r f o r m t h e s e e x p e r i m e n t s , t h e d e s i g n a n d a s s e m b l y o f a d e p o s i t i o n s y s t e m w a s r e q u i r e d . C o n s e q u e n t l y , a s a fi r s t s t e p a s e m i - a u t o m a t e d M C P R d i a m o n d d e p - o s i t i o n s y s t e m w a s c o n s t r u c t e d . T h e m a c h i n e i s c o n t r o l l a b l e b y a V i s u a l C - H - p r o g r a m . s u r e 3 1 1 d [ e m p e j S a m P l e s . 1 1 1 3 h e l p o n b o r o s . r l , r e a t e g T h e n o t a b l e p r o v i d t ? 3 S U t r o l u p t o 4 F t o n . a n d ( 5 . 1 w a v e C a v i t y t u r e s . w h i c h i n v e s t i g a t e d 1 d e v e l o p e d a s t u r e c o n t r o l a : a d h e r e n t . u n i t t h e s u b s t r a t e t A W i t t : S i t a t e t e m p e r a ] U n i f o r m j t y 3 1 1 C “ F i g h t g a i n a n w a s m e a s u r e d . g r o w t h m o d e l s C o m p a T l S o n S W 1 5 . p e C l fi c g 0 a 1 0 f t T h e n o t a b l e r e q u i r e m e n t s o f t h e a p p a r a t u s a r e ( 1 ) a d a p t t o b o t h 4 ” a n d 5 ” M C P R ’ S , ( 2 ) p r o v i d e a s u b s t r a t e b i a s , a c o o l i n g s t a g e a n d a h e a t i n g s t a g e , ( 3 ) b e a b l e t o s u p p l y a n d c o n - t r o l u p t o 4 p r o c e s s g a s e s s i m u l t a n e o u s l y , ( 4 ) o p e r a t e i n a g a s p r e s s u r e r a n g e o f 1 t o r r t o 5 0 t o r r , a n d ( 5 ) p r o v i d e m i c r o w a v e e n e r g y u p t o 1 K W . U s i n g t h i s s y s t e m , e x i s t i n g M i c r o - w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r s w e r e o p e r a t e d a t l o w p r e s s u r e s a n d l o w s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e s , w h i c h w e r e g e n e r a l l y l e s s t h a n 1 5 t o r r a n d 5 5 0 C . V a r i o u s M C P R d e s i g n s w e r e i n v e s t i g a t e d f o r p l a s m a s t a b i l i t y a n d d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y , a n d d e s i g n m o d i fi c a t i o n s w e r e d e v e l o p e d a s w e r e n e c e s s a r y . D e p o s i t i o n e n h a n c i n g t e c h n i q u e s s u c h a s s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e c o n t r o l a n d b i a s w e r e e m p l o y e d t o d e t e r m i n e t h e i r c o n t r i b u t i o n t o w a r d s a c h i e v i n g a d h e r e n t , u n i f o r m fi l m s . T h e e f f e c t o f a d c b i a s w a s e x p l o r e d i n b o t h M C P R ’ s ; h o w e v e r , t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e c o n t r o l w a s l i m i t e d t o t h e 5 ” r e a c t o r b e c a u s e o f s i z e c o n s t r a i n t s . A v a r i e t y o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n s i n c l u d i n g p o w e r , p r e s s u r e , g a s m i x t u r e s a n d s u b - s t r a t e t e m p e r a t u r e s w e r e i n v e s t i g a t e d a n d m a p p e d t o t h e a t t r i b u t e s o f fi l m g r o w t h r a t e , fi l m u n i f o r m i t y a n d fi l m q u a l i t y . T h e fi l m g r o w t h r a t e w a s m e a s u r e d b y t w o m e t h o d s ( 1 ) d i r e c t w e i g h t g a i n a n d ( 2 ) m i n i m u m a n d m a x i m u m i n o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . T h e fi l m u n i f o r m i t y w a s m e a s u r e d b y c o l o r f r i n g e s . T h e d e p o s i t i o n r a t e s w e r e c o m p a r e d t o a p p l i c a t i o n s o f g r o w t h m o d e l s i n c l u d i n g a m o d e l b y H a r r i s a n d G o o d w i n , a n d o n e b y B a c h m a n n . T h e s e c o m p a r i s o n s w e r e f o c u s e d o n i n v e s t i g a t i n g t h e c h i e f l i m i t a t i o n s t o g r o w t h r a t e a t l o w p r e s - s u r e a n d t e m p e r a t u r e . F i n a l l y , fi l m q u a l i t y w a s m e a s u r e d b y R a m a n a n a l y s i s o n s e l e c t e d s a m p l e s . I t i s h e l p f u l t o h a v e g o a l s w h i c h a r e a p p l i c a t i o n d r i v e n . T h e p r i m a r y a p p l i c a t i o n s p e c i fi c g o a l o f t h i s r e s e a r c h w a s t o d e p o s i t i n t a c t , a d h e s i v e a n d t r a n s p a r e n t d i a m o n d fi l m s o n b o r o s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s w i t h a h i g h d e g r e e o f u n i f o r m i t y o v e r d i a m e t e r s b e t w e e n 2 w h i c h m e t h o . i n c h e s a n d - o n m e t a l l i z e w e r e o p t i m i T h e t i o n o f t h e s t t h e o p t i c a l t r o f t h e I C s u t w e r e p r o c e s s t h e d e p o s i t i o m e n t i o n e d p r i n c h e s a n d 4 i n c h e s . A s e c o n d a r y a p p l i c a t i o n s p e c i fi c g o a l w a s t o d e p o s i t d i a m o n d fi l m s o n m e t a l l i z e d s i l i c o n I C d e v i c e s . I n t e r m s o f g l a s s s u b s t r a t e s , t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s e s w e r e o p t i m i z e d t o m i n i m i z e t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e d e p o s i t e d fi l m s . T h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f d i a m o n d fi l m s o n g l a s s w a s m e a s u r e d a n d t h e c o n t r i b u - t i o n o f t h e s u r f a c e r o u g h n e s s t o t r a n s m i s s i o n , i n t e r m s o f s c a t t e r i n g , w a s q u a n t i z e d . H e n c e t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f t h e d i a m o n d fi l m s d e p o s i t e d o n g l a s s w a s m a x i m i z e d . I n t e r m s o f t h e I C s u b s t r a t e s , t h e o b j e c t i v e w a s t o d e p o s i t d i a m o n d fi l m s o n s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r o c e s s e d t o c o n t a i n s i m p l e d e v i c e s a n d c o a t e d w i t h a l u m i n u m m e t a l l i z a t i o n . H e r e , t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s m u s t n o t h a r m t h e a l u m i n u m o r t h e u n d e r l y i n g d e v i c e s . T h e a b o v e m e n t i o n e d p r o c e s s e s w e r e u t i l i z e d w i t h b o t h p h o t o - r e s i s t a n d a b r a s i o n s e e d i n g t o i d e n t i f y w h i c h m e t h o d s a r e b e s t f o r d e p o s i t i n g d i a m o n d o n p r o c e s s e d I C s u b s t r a t e s . 1 . 3 D i s s e r t a t i o n O u t l i n e B e y o n d t h i s i n t r o d u c t o r y c h a p t e r , t h i s d i s s e r t a t i o n i s s e p a r a t e d i n t o t h r e e a r e a s , w h i c h a r e ( 1 ) a r e v i e w o f r e l e v a n t l i t e r a t u r e , ( 2 ) a d e s c r i p t i o n o f e x p e r i m e n t a l m e t h o d s , a n d ( 3 ) t h e r e s u l t s o f l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . T h e fi r s t s e c t i o n , a r e v i e w o f r e l e v a n t l i t e r a t u r e , i s c o n t a i n e d w i t h i n c h a p t e r 2 . I t i n c l u d e s l i t e r a t u r e p e r t a i n i n g t o C V D p r o c e s s e s , t e c h n i q u e s f o r c o n t r o l l i n g t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i n a C V D p r o c e s s , a n a l y s i s a n d m o d e l s o f g a s - p h a s e c h e m i s t r y , a n d m e t h o d s o f s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t . T h e r e i s a l s o a n o v e r v i e w o f t h e M C P R c o n c e p t , w h i c h i s t h e m e t h o d o f d i a m o n d d e p o s i - t i o n a p p a r a t u s u s e d f o r t h i s w o r k . T h e s e c o n d t o p i c , a d e s c r i p t i o n o f e x p e r i m e n t a l m e t h - o d s , i s m o s t l y d e t a i l e d i n c h a p t e r 3 . T h e s u b s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r i n c l u d e a d e s c r i p t i o n o f t h e e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s u s e d f o r t h i s r e s e a r c h , t h e m e t h o d s o f d e p o s i t i n g d i a m o n d a r e a . C h a p t e r 6 fi l m s w i t h 1 3 : : s u r e d . T h e 1 i s d i v i d e d b e r a t i o n s t h a t v c o n fi g u r a t i o r c o o l e d r e c e p : d i a m o n d d e p . c u s s i o n s i n c l u I 1 0 H r e s u l t s W 1 s u b s t r a t e r e e e F a d h e s i o n o f d i a fi l m s w i t h t h e a p p a r a t u s , a n d h o w t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e p o s i t e d fi l m s w e r e m e a - s u r e d . T h e l a s t s e c t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e r e s u l t s o f d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s , i s d i v i d e d b e t w e e n c h a p t e r s 4 , 5 a n d 6 . C h a p t e r 4 s u m m a r i z e s 9 d i f f e r e n t M C P R c o n fi g u - r a t i o n s t h a t w e r e i n v e s t i g a t e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e y i n c l u d e s i d e - f e e d a n d e n d - f e e d c o n fi g u r a t i o n s , a s w e l l a s n u m e r o u s s u b s t r a t e r e c e p t o r s i n c l u d i n g a h e a t e d r e c e p t o r , a c o o l e d r e c e p t o r a n d a d c b i a s e d r e c e p t o r a m o n g o t h e r s . C h a p t e r 5 s u m m a r i z e s b e n c h m a r k d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d w i t h s i l i c o n s u b s t r a t e s . T h e s e d i s - c u s s i o n s i n c l u d e c o m p a r i s o n s o f g r o w t h r a t e s a n d fi l m q u a l i t y t o g r o w t h m o d e l s , d e p o s i - t i o n r e s u l t s w i t h a l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e r e c e p t o r , d e p o s i t i o n r e s u l t s w i t h a d c b i a s e d s u b s t r a t e r e c e p t o r , a n d o b s e r v a t i o n s o f fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s , u n i f o r m i t y a n d s u r f a c e a r e a . C h a p t e r 6 s u m m a r i z e s t h e d e p o s i t i o n , o p t i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n a n d o b s e r v a t i o n s o f a d h e s i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n b o r o - s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s . n atMichigan 3 T h e “ The 5" MCPR. a “‘11 combining inp discharge P r 0 0 machines. the t that c o n v e n t i o r A a nota' form, l a r g e a r e : between 1 0 H to greater than energy ions, thL Sources also p r o area. uniform ge make the M C P R cares that the Mt. C h a p t e r 2 A R e v i e w o f D i a m o n d D e p o s i t i o n P r o c e s s e s a n d M o d e l s 2 . 1 T h e M C P R C o n c e p t T h e M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r ( M C P R ) i s a m a c h i n e t h a t w a s d e v e I O p e d a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y b y A s m u s s e n , e t a l . , f o r p l a s m a , m a t e r i a l s p r o c e s s i n g . I n t h e M C P R , a w e a k l y i o n i z e d p l a s m a t h a t c o n t a i n s e l e c t r o n s , i o n s , a n d r a d i c a l s i s c r e a t e d b y c o m b i n i n g i n p u t g a s e s a n d e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y . T h e M C P R p l a s m a i s c r e a t e d i n s i d e a d i s c h a r g e p r o c e s s i n g c h a m b e r a t s u b - a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s . L i k e o t h e r p l a s m a p r o c e s s i n g m a c h i n e s , t h e d i s c h a r g e c h e m i s t r y o f t h e M C P R p r o v i d e s a m e a n s o f p r o c e s s i n g m a t e r i a l s t h a t c o n v e n t i o n a l n o n - p l a s m a p r o c e s s e s c a n n o t a c h i e v e . A n o t a b l e f e a t u r e o f t h e M C P R f a m i l y o f p l a s m a s o u r c e s i s t h a t t h e y g e n e r a t e u n i - f o r m , l a r g e a r e a , h i g h d e n s i t y p l a s m a s o v e r a w i d e r a n g e o f p r e s s u r e s . C h a r g e d e n s i t i e s b e t w e e n 1 0 1 1 a n d 1 0 1 3 c m ’ 3 a r e s u s t a i n e d o v e r a g a s p r e s s u r e r a n g e f r o m a f e w m i l l i - t o r r t o g r e a t e r t h a n 1 0 0 t o r r m . F u r t h e r m o r e , t h e M C P R p l a s m a s o u r c e s t y p i c a l l y g e n e r a t e l o w e n e r g y i o n s , t h u s r e d u c i n g s u r f a c e d a m a g e t o s u b s t r a t e s . T h e s e h i g h d e n s i t y p l a s m a s o u r c e s a l s o p r o d u c e c o p i o u s r a d i c a l fl u x d e n s i t i e s f r o m a v a r i e t y o f i n p u t g a s e s . T h e l a r g e a r e a , u n i f o r m g e n e r a t i o n o f r a d i c a l s f r o m f e e d g a s e s s u c h a s H 2 , C H 4 , C 0 2 , a n d o t h e r s m a k e t h e M C P R a n i d e a l m a c h i n e f o r a v a r i e t y o f i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . R e s e a r c h i n d i - c a t e s t h a t t h e M C P R c a n b e a c o m p e t i t i v e m a c h i n e f o r a p p l i c a t i o n s s u c h a s a n i s o t r o p i c e t c h i n g o f 1 a n d u n i f o m Currently" m o n d [1 . 1 : 1 i j P 1 2 N m o d e r a l e p “ c e s s e s d o w n of a l a r g e a r t “ range o f 3 1 6 “ d o w n S t r e a m r a n g e s f r o m is o n I t h e o r d e r 1 M C P R . the m “ ensures t h a t P “ m a x i m u m - D i a m o m erate p r e s s u r e M M C P R is prOV'Td‘ 2.1.1 T h e o r y 01 Substrate 1 strate in direct c o n T C P R a r e ( 1 ) a r n e t c h i n g o f s i l i c o n m m a n d s i l i c o n d i o x i d e m , u n i f o r m d e p o s i t i o n o f o x i d e s o n s i l i c o n m w a n d u n i f o r m d e p o s i t i o n o f p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s o n a v a r i e t y o f s u b s t r a t e s m l g l . C u r r e n t l y , t h e M C P R i s i n u s e a s a c o m m e r c i a l d i a m o n d c o a t i n g m a c h i n e a t N o r t o n D i a - m o n d F i l m s I n c . i n N o r t h b o r o , M A . P l a s m a p r o c e s s e s i n a M C P R c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e g r o u p s ( 1 ) l o w p r e s s u r e , ( 2 ) m o d e r a t e p r e s s u r e , a n d ( 3 ) h i g h p r e s s u r e . I n t h e l o w p r e s s u r e M C P R , m a t e r i a l s a r e p r o - c e s s e s d o w n s t r e a m f r o m t h e p l a s m a . S u c h a c o n fi g u r a t i o n i s n e c e s s a r y f o r t h e f o r m a t i o n o f a l a r g e a r e a u n i f o r m p r o c e s s . T h e g a s p r e s s u r e i n t h e s e p r o c e s s e s i s t y p i c a l l y i n t h e r a n g e o f a f e w m i l l i - t o r r t o 1 t o r r . H e n c e , t h e d i f f u s i o n l e n g t h s a r e l o n g e n o u g h t o r e a c h t h e d o w n s t r e a m m a t e r i a l s u b s t r a t e . T h e p r e s s u r e r a n g e o f t h e m o d e r a t e p r e s s u r e M C P R r a n g e s f r o m 1 t o r r t o 1 5 0 t o r r . I n t h e s e p r o c e s s e s , t h e d i f f u s i o n l e n g t h o f n e c e s s a r y r a d i c a l s i s o n t h e o r d e r o f a c m . T o a v o i d c o n c e r n s w i t h d i f f u s i o n l o s s e s i n t h e m o d e r a t e p r e s s u r e M C P R , t h e m a t e r i a l s u b s t r a t e i s l o c a t e d i n d i r e c t c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a d i s c h a r g e . T h i s e n s u r e s t h a t p r o c e s s i n g t a k e s p l a c e w h e r e t h e g e n e r a t e d i o n a n d r a d i c a l d e n s i t i e s a r e a t a m a x i m u m . D i a m o n d d e p o s i t i o n f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w a s p e r f o r m e d w i t h v e r s i o n s o f t h e m o d - e r a t e p r e s s u r e M C P R . H e n c e f u r t h e r d e t a i l s s u m m a r i z i n g t h e o p e r a t i o n o f t h i s t y p e o f M C P R i s p r o v i d e d i n t h e n e x t f e w s e c t i o n s . 2 . 1 . 1 T h e o r y o f t h e M o d e r a t e P r e s s u r e M C P R S u b s t r a t e p r o c e s s i n g i n t h e m o d e r a t e p r e s s u r e M C P R t a k e s p l a c e w i t h t h e s u b - s t r a t e i n d i r e c t c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a . T h e p r i m a r y c o m p o n e n t s o f t h e m o d e r a t e p r e s s u r e M C P R a r e ( 1 ) a m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y , ( 2 ) a n i n t e r n a l l y t u n e d m i c r o w a v e c a v i t y a p p l i - t h e c e n t e r o f t h e c a t o r . a n d t . a p p l i c a t o r g a s e s a n d e 1 c h a r g e p r o c T h e m i s s i o n l i n e . i n g f r e q u e n c y e n e r g y f r o m t i o u s w a v e g u h T h e c ; d fi s c n b e d a s a “ fi l i n g e l e c t r o ; P l a s m a i s g e m . e v a c u a t e d \ " 0 1 1 b 8 1 1 1 3 ; I S 1 0 0 3 ‘ d e s i g n e d S U C h s i s t e m a n d t h e M T C r o w C O U i j n g P T O b e c a t o r , a n d ( 3 ) a d i s c h a r g e p r o c e s s i n g c h a m b e r . T h e p l a s m a s o u r c e i s m a d e u p o f t h e c a v i t y a p p l i c a t o r a n d t h e d i s c h a r g e p r o c e s s i n g c h a m b e r ( fi g u r e 2 . 1 ) . T h e M C P R c o m b i n e s i n p u t g a s e s a n d e l e c t r o m a g n e t i c e n e r g y t o p r o d u c e e l e c t r o n s , i o n s a n d r a d i c a l s i n s i d e t h e d i s - c h a r g e p r o c e s s i n g c h a m b e r . T h e p o w e r s u p p l y c i r c u i t i s s u m m a r i z e d o f a m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y a n d a t r a n s - m i s s i o n l i n e . T h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y i s t y p i c a l l y a c o m m e r c i a l u n i t w i t h a n o p e r a t - i n g f r e q u e n c y o f e i t h e r 9 1 5 M H z o r 2 . 4 5 G H z . T h e t r a n s m i s s i o n l i n e t r a n s p o r t s m i c r o w a v e e n e r g y f r o m t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y t o t h e c a v i t y a p p l i c a t o r . I t c a n b e a n y o n e o f v a r - i o u s w a v e g u i d e s o r c o a x i a l c a b l e s . T h e c a v i t y a p p l i c a t o r i s a c i r c u l a r c y l i n d r i c a l m i c r o w a v e r e s o n a t o r t h a t i s s i m p l y d e s c r i b e d a s a m e t a l l i c ( t y p i c a l l y b r a s s ) t u b e t h a t i s t e r m i n a t e d a t b o t h e n d s t o f o r m a r e s o - n a t i n g e l e c t r o m a g n e t i c c a v i t y . I n s i d e t h e b r a s s c a v i t y i s a d i s c h a r g e c h a m b e r w h e r e t h e p l a s m a i s g e n e r a t e d a n d m a t e r i a l s p r o c e s s i n g t a k e s p l a c e . T h e d i s c h a r g e c h a m b e r i s a n e v a c u a t e d v o l u m e r e g i o n t h a t i s l o c a t e d i n s i d e o f a q u a r t z d o m e b e l l j a r . T h e q u a r t z d o m e b e l l j a r i s l o c a t e d i n t h e c e n t e r e d o f t h e b o t t o m o f t h e c a v i t y . T h e c a v i t y a s s e m b l y i s d e s i g n e d s u c h t h a t p r o c e s s g a s e s c a n b e fl o w e d i n t o t h e q u a r t z b e l l j a r b y a p r e c i s i o n fl o w s y s t e m a n d t h e n p u m p e d a w a y b y a m e c h a n i c a l v a c u u m p u m p . M i c r o w a v e e n e r g y i s c o u p l e d i n t o t h e b r a s s c a v i t y f r o m t h e t r a n s m i s s i o n l i n e v i a a c o u p l i n g p r o b e . T h e c o u p l i n g p r o b e p r o j e c t s i n t o t h e c a v i t y a t t h e t o p e n d . I t i s l o c a t e d i n t h e c e n t e r o f t h e t o p e n d o f t h e c a v i t y , o p p o s i t e t o t h e d i s c h a r g e c h a m b e r a n d l o n g i t u d i n a l t o t h e a x i s o f t h e b r a s s t u b e . T h e l e n g t h t h a t t h e c o u p l i n g p r o b e p r o j e c t s i n t o t h e c a v i t y i s a n a d j u s t a b l e p a r a m e t e r o f t h e c a v i t y a p p l i c a t o r . T h e l o c a t i o n o f t h e e n d p l a t e o f t h e c a v i t y t h a t t h e c o u p l i n g p r o b e p r o j e c t s t h r o u g h i s a l s o a n a d j u s t a b l e v a r i a b l e o f t h e c a v i t y C a v i t y A p p l i c a t 1 0 T o M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y S l i d i n g S h o r t C o u p l i n g P r o b e C a v i t y A p p l i c a t o r B e l l J a r D i s c h a r g e C h a m b e r ' 0 ' 0 ' 0 ' 0 ' 0 ' 0 ' ' « T 0 3 0 3 0 z 0 z 0 3 0 z 0 : . - . - ’ 9 3 0 3 0 3 0 3 0 ' 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 ' 0 3 0 3 0 3 0 ' — _ > g a s T o V a c u u m o w P u m p 1 F i g u r e 2 . 1 C r o s s - s e c t i o n o f t h e M o d e r a t e P r e s s u r e M C P R . f o c u s i n g t h e 1 a p p l i c a t o r . v a r y t h e 0 \ - D u r n e t i c e n e r g } m a g n e t i c c a ' l e n g t h o f t h e P a T a I T I C T C I S I T i n g s h o r t a n d 1 t h e t r a n S m i s s i d e P O S i t i o n i n : T M O l n r e s o n u a U n i f o r m p 1 1 . “ 1 ] a p p l i c a t o r . T h e m o v a b l e e n d p l a t e i s n a m e d t h e s l i d i n g s h o r t . T h e s l i d i n g s h o r t s e r v e s t o v a r y t h e o v e r a l l l e n g t h o f t h e b r a s s c a v i t y . D u r i n g o p e r a t i o n , a p l a s m a i s i n d u c e d i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r b y e l e c t r o m a g - n e t i c e n e r g y t h a t i s c o u p l e d i n t o t h e c a v i t y . T h i s e n e r g y i s f o c u s e d i n t o a s p e c i fi c e l e c t r o - m a g n e t i c c a v i t y r e s o n a t i n g m o d e . T h e m o d e i s e x c i t e d i n s i d e t h e c a v i t y b y a d j u s t i n g t h e l e n g t h o f t h e c o u p l i n g p r o b e a n d t h e l o c a t i o n o f t h e s l i d i n g s h o r t . T o g e t h e r t h e s e t w o p a r a m e t e r s m a k e u p t h e i n t e r n a l t u n i n g f e a t u r e s o f t h e M C P R c a v i t y a p p l i c a t o r . B e s i d e s f o c u s i n g t h e m i c r o w a v e e n e r g y i n t o a s p e c i fi c e l e c t r o m a g n e t i c r e s o n a n c e m o d e , t h e s l i d - i n g s h o r t a n d c o u p l i n g p r o b e a l s o s e r v e t o m a t c h t h e l o a d o f t h e i n d u c e d p l a s m a s t o t h a t o f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e b e t w e e n t h e c o u p l i n g p r o b e a n d t h e p o w e r s u p p l y . F o r d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n i n t h e m o d e r a t e p r e s s u r e M C P R , t h e c a v i t y r e s o n a t o r i s t y p i c a l l y t u n e d t o a T a n r e s o n a n t m o d e . T h e s e m o d e s h a v e a n a x i a l s y m m e t r y t h a t i s c o n d u c i v e f o r c r e a t i n g a u n i f o r m p l a s m a t h r o u g h o u t t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . 2 . 1 . 2 T M “ , M o d e s o f t h e M C P R I n t h e m o d e r a t e p r e s s u r e M C P R , t h e r e s o n a t i n g e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s a r e g e n e r - a l l y t u n e d t o a s i n g l e T M O I n m o d e . F o r a n a l y s i s o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s t h a t a r e p r e s e n t i n t h e M C P R , t h e d i s c h a r g e l o a d e d c a v i t y a p p l i c a t o r c a n b e v i e w e d a s a l o a d e d m i c r o w a v e c a v i t y . T o f u r t h e r s i m p l i f y t h e a n a l y s i s , t h e fi e l d s o f a n i d e a l l o s s l e s s u n l o a d e d c a v i t y a r e c o m p a r e d t o t h o s e o f t h e M C P R w i t h o u t l o s s o f g e n e r a l i t y . I n a n i d e a l l o s s l e s s c i r c u l a r c a v i t y w i t h a c r o s s s e c t i o n s u c h a s t h a t i n fi g u r e 2 . 2 t h e r e i s a n i n fi n i t e s e t o f r e s o n a n t f r e q u e n c i e s a t w h i c h a p a r t i c u l a r s t a n d i n g w a v e p a t t e r n o f e l e c t r i c a n d m a g n e t i c fi e l d s c a n b e i n d u c e d . I n t h i s e m p t y l o s s l e s s c i r c u l a r c a v i t y o f F i g u r e 2 . 2 T h e c i r c u l a r c y l i n d r i c a l c a v i t y I l e n g t h L S a g e n e r a t e d . 1 f o r a c a v i t y W W I W h e r e ” P 9 W h e r e n p : n p : T h e t e ” I T S I n 1 T h e C t b . . 1 E Q U a u O n l l e n g t h L s a n d r a d i u s p b o t h T E n p q ( H m o d e ) a n d T a n q ( E m o d e ) s t a n d i n g w a v e s c a n b e g e n e r a t e d . F o r t h e T a n q m o d e s a n d t h e T E n p q m o d e s t h e c o r r e s p o n d i n g w a v e f u n c t i o n s f o r a c a v i t y w i t h r a d i u s p a n d l e n g t h d a r e s p e c i fi e d b y e q u a t i o n [ 2 . 1 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 2 ] [ 9 ] . T M _ x n p p ) S i n n q ) ( fl ) ‘ l ’ n p q - J " ( a { c o s n t p i c o s d z e q ( 2 ' 1 ) w h e r e n = 0 , 2 , 3 , . . . ; p = l , 2 , 3 , . . . ; a n d q = 0 , 1 , 2 , . T E _ x ’ n E P ) s i n n q ) ( fl ) W n p q ' J n ( a { c o s n ¢ } c o s d z e q ( 2 . 2 ) w h e r e n = 0 , 2 , 3 , . . . ; p = l , 2 , 3 , . . . ; a n d q = l , 2 , 3 , . X = z e r o s o f J n ( X ) . “ P X = z e r o s o f J ’ n ( X ) . 9 n p T h e t e r m s J n ( X ) a n d J ’ n ( X ) i n e q u a t i o n [ 2 . 1 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 2 ] a r e t h e fi r s t o r d e r B r e s s e l f u n c t i o n a n d t h e d e r i v a t i v e o f t h e fi r s t o r d e r B r e s s e l f u n c t i o n r e s p e c t i v e l y . T h e c o r r e s p o n d i n g r e s o n a n t f r e q u e n c i e s f o r t h e T M a n d T E m o d e s a r e d e s c r i b e d b y e q u a t i o n [ 2 . 3 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 4 ] . T M 1 J 2 ( g m ) 2 , = x " + — — e ( 2 . 3 ) ( f ) n p q 2 n a J 8 u p d q T E 1 , 2 q r t a 2 ( r = 1 , . " + ( — ) e ( 2 . 4 ) f ) n p q 2 1 t a J 8 1 1 p d q w h e r e e a n d 1 . 1 a r e t h e p e r m i t t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y o f t h e l o s s l e s s , h o m o g e n e o u s m a t e r i a l filling the ‘ T E 16811j T M m l n m C tion 01 the ‘1 field 1111s. 1 is1318951 at I Ajso, the 13“. {01.1116 m a g r in t h e c e n t e r c e n t e r o f t h e t c F o r e a t o f e l e c t r o m a g f s p e c i fi c r e s o n a s i o n s o f t h e c a t Slant o n e c a n e : d i m e n s i o n s . F 1 g 0121 fi x e d d i a m t the r e s o n a n t f r e t line drawn at 2 4 lengths. 11 is alsc 01111.11 15 T E 1 1 1 11 013Particular m c 1111131 3 . 1 3 0 b e c o n s T I P - * 1 l 4 fi l l i n g t h e c a v i t y . E a c h o f t h e a b o v e m e n t i o n e d f r e q u e n c i e s r e l a t e s t o a s p e c i fi c T a n q o r T E n p q r e s o n a n t m o d e . F i g u r e 2 . 3 a n d fi g u r e 2 . 4 s h o w t h e fi e l d p a t t e r n s f o r t h e T M O H a n d T M 0 1 2 m o d e s i n a n e m p t y l o s s l e s s c i r c u l a r c a v i t y . T h e t h i n s o l i d l i n e s r e p r e s e n t t h e d i r e c - t i o n o f t h e e l e c t r i c fi e l d s a n d t h e t h i n d a s h e d l i n e s r e p r e s e n t t h e d i r e c t i o n o f t h e m a g n e t i c fi e l d l i n e s . T h e e l e c t r i c fi e l d l i n e s i n b o t h p l o t s s h o w t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e e l e c t r i c fi e l d i s l a r g e s t a t t h e c e n t e r o f t h e s i d e w a l l s a n d t h e c e n t e r o f t h e t o p a n d b o t t o m o f t h e c a v i t y . A l s o , t h e t a n g e n t i a l c o m p o n e n t o f t h e e l e c t r i c fi e l d v a n i s h e s a t t h e s i d e w a l l s o f t h e r e a c - t o r . T h e m a g n e t i c fi e l d i n t h e T M m n m o d e h a s o n l y a < 1 ) c o m p o n e n t . I t ’ s i n t e n s i t y i t g r e a t e s t i n t h e c e n t e r o f t h e t o p a n d b o t t o m o f t h e c a v i t y . T h e i n t e n s i t y o f H d e c r e a s e s t o w a r d s t h e c e n t e r o f t h e c a v i t y a n d w i t h i n c r e a s i n g r a d i u s p . F o r e a c h r e s o n a n t f r e q u e n c y i n e q u a t i o n s [ 2 . 3 ] a n d [ 2 . 4 ] t h e r e i s a n i n fi n i t e n u m b e r o f e l e c t r o m a g n e t i c m o d e s t h a t c a n b e g e n e r a t e d . I n t h e s e e q u a t i o n s , t h e e x c i t a t i o n o f a s p e c i fi c r e s o n a n t m o d e fi e l d p a t t e r n a t a p a r t i c u l a r f r e q u e n c y i s d e t e r m i n e d b y t h e d i m e n - s i o n s o f t h e c a v i t y . F o r e x a m p l e , i f t h e f r e q u e n c y a n d d i a m e t e r o f t h e c a v i t y a r e h e l d c o n - s t a n t o n e c a n e x c i t e T M a n d T E m o d e s b y a d j u s t i n g t h e l e n g t h o f t h e c a v i t y t o s p e c i fi c d i m e n s i o n s . F i g u r e 2 . 5 s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r e q u e n c y a n d l e n g t h f o r a c a v i t y o f a fi x e d d i a m e t e r o f 1 7 . 8 9 c m . T h e c u r v e s l a b e l e d w i t h T M a n d T E m o d e s i n d i c a t e h o w t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y o f a p a r t i c u l a r m o d e v a r i e s w i t h c a v i t y l e n g t h . T h e s o l i d h o r i z o n t a l l i n e d r a w n a t 2 . 4 5 G H z s h o w s h o w d i f f e r e n t r e s o n a n t m o d e s a r e e x c i t e d a t d i f f e r e n t c a v i t y l e n g t h s . I t i s a l s o s h o w n i n fi g u r e 2 . 5 t h a t t h e l o w e s t r e s o n a n t m o d e i n a 1 7 . 7 8 c m d i a m e t e r c a v i t y i s T E 1 1 i f t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y i s n e a r 2 . 4 5 G H z . S i n c e t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y O f a p a r t i c u l a r m o d e i s a f u n c t i o n o f b o t h t h e r a d i u s a n d t h e l e n g t h , t h e e f f e c t s o f t h e r a d i u s m u s t a l s o b e c o n s i d e r e d . A t fi r s t g l a n c e i t m i g h t a p p e a r t h a t i n c r e a s i n g t h e r a d i u s o f t h e 1 5 F i g u r e 2 . 3 T h e T M O ” m o d e . W K . — C ” ) F i g u r e 2 . 4 T h e T M 0 1 2 m o d e . 5 C L 2 L o 3 . 5 F 3 % 2 . A N I O V 0 9 “ . c o z a : o x w 1 . 5 1 I E x c i t a t i o n F r e q ( G H z ) 3 . 5 N o r N 1 . 5 I 1 6 \ 2 . 4 5 G H z T 3 2 1 1 T E 1 1 1 T M O — h - l l l l l F i g u r e 2 . 5 4 6 8 1 O 1 2 1 4 1 6 C a v i t y L e n g t h ( c m ) T h e r e s o n a n t m o d e s o f a 1 7 . 7 8 c m d i a m e t e r c i r c u l a r c a v i t y . a s p e c t o f [ h e 1 0 ‘ c a v i t y o n } _ \ H o w e v e r . 1 q u e n c y C 1 0 1 1 1 5 w e r e a r t e m p r e s e n t u n l e r e s o n a t i n g c 1 q u e n c i e s a r e o c c u r u o l , O n p a t i o “ O f e n s ; S h a r p n e s s o f t c a v i t y , t h e Q i T h e Q . i s P r e s e n t C a u g c { O n o a m ' . d t c h p 1 0 l 7 c a v i t y o n l y a f f e c t s t h e l e n g t h o f t h e c a v i t y f o r a m o d e e x c i t e d a t a p a r t i c u l a r f r e q u e n c y . H o w e v e r , i n c r e a s i n g t h e r a d i u s o f t h e c a v i t y a l s o m o v e s t h e m o d e s o f a p a r t i c u l a r f r e - q u e n c y c l o s e r t o g e t h e r . T h i s i s i l l u s t r a t e d f o r a c a v i t y w i t h a r a d i u s o f 1 9 c m i n fi g u r e 2 . 6 . I t i s i m p l i e d b y e q u a t i o n s [ 2 . 3 ] a n d [ 2 . 4 ] , a n d fi g u r e s [ 2 . 5 ] a n d [ 2 . 6 ] t h a t i f o n e w e r e a t t e m p t i n g t o e x c i t e a p a r t i c u l a r r e s o n a n c e m o d e , n o fi e l d s o f t h a t m o d e w i l l b e p r e s e n t u n l e s s t h e e x c i t i n g f r e q u e n c y i s e x a c t l y e q u a l t o t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y . I n r e a l r e s o n a t i n g c a v i t i e s t h e r e i s n o t a d e l t a f u n c t i o n s i n g u l a r i t y , b u t r a t h e r a n a r r o w b a n d o f f r e - q u e n c i e s a r o u n d t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y o v e r w h i c h a p p r e c i a b l e m o d e e x c i t a t i o n c a n o c c u r U O ] . O n e s o u r c e o f t h i s s m e a r i n g o u t o f t h e s h a r p f r e q u e n c y o f o s c i l l a t i o n i s t h e d i s s i - p a t i o n o f e n e r g y i n t h e c a v i t y w a l l s a n d i n t h e m a t e r i a l fi l l i n g t h e c a v i t y . A m e a s u r e o f t h e s h a r p n e s s o f t h e w i d t h o f t h i s b a n d o f f r e q u e n c i e s i s t h e Q o f t h e c a v i t y . F o r a r e s o n a n t c a v i t y , t h e Q i s d e fi n e d a s 2 n t i m e s t h e r a t i o o f t h e t i m e - a v e r a g e d e n e r g y s t o r e d i n t h e c a v - i t y t o t h e e n e r g y l o s s p e r c y c l e . S t o r e d E n e r g y 0 P o w e r L o s s Q : e q ( 2 . 5 ) T h e Q o f a n e m p t y M C P R c a v i t y r e s o n a t o r i s t y p i c a l l y a r o u n d 5 0 0 0 ; h o w e v e r , t h e Q o f a p l a s m a l o a d e d c a v i t y i s a r o u n d 1 0 0 . T h i s l o w e r i n g o f t h e c a v i t y Q w h e n t h e p l a s m a i s p r e s e n t c a u s e s s i g n i fi c a n t s m e a r i n g o f t h e c u r v e s s h o w n i n fi g u r e s 4 a n d 5 . T h e p o s i t i v e a s p e c t o f t h e l o w e r Q v a l u e i s t h a t i t b e c o m e s e a s i e r t o t u n e t h e l e n g t h o f t h e c a v i t y r e s o n a - t o r t o a m a t c h p o i n t . A d r a w b a c k o f t h e l o w Q i s t h a t i f t h e m o d e s s m e a r t o o m u c h t h e y e x c i t a t i o n f r e q u e n c i e s b e g i n t o o v e r l a p . T h i s m e a n s t h a t m u l t i p l e m o d e s c a n b e e x c i t e d a t a h 7 1 2 . 5 . P 0 v 3 3 . . a . . . 2 3 2 : 3 : 0 y n w 2 b 1.5~ F i g u r e 2 . 6 3 . 5 ‘ 3 % ) z H G ( q e r F n o i t a t i 0 c [ x E 3 . 5 N o r 1 . 5 I 1 1 8 l l l l l l l l 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 C a v i t y L e n g t h ( c m ) F i g u r e 2 . 6 T h e r e s o n a n t m o d e s o f a 3 8 c m d i a m e t e r c i r c u l a r c a v i t y . S i f fl l i i C a n I c o n c e r n i t n C f h r e s a n s o f 1.2 m m m i e i t d i p l a b s u b s t r a t e o m m a r c i a c t m a m a e o s e m s a g l a V a , " s - p i t . i a i v c a t t i v n t a i n g ‘ a i t i - n e an e x c e s s o f h y d r o g e n t i m e t h i s d i a m o n d s p . such as g r o w t h r a t e . h i : vary w i d e l y . T h i s i s a i m i n p u t p a r a m e t e r s . n I Fibstrate p r e - t r e a t m e n t ~ T h i s r e v i e w s e c t n o n p o o u o n C V D p “ M o r e . t h e p l a s m a \ e m e m e t i m e . A s v i . : 1 2 . ] T h e r m a l D e c o m . 1 9 t h e s a m e t i m e . A s w a s i n d i c a t e d b y t h e c u r v e s i n fi g u r e 2 . 6 , m o d e s m e a r i n g c a n b e c o m e a s i g n i fi c a n t c o n c e r n f o r l a r g e r r a d i u s c a v i t i e s w h e r e t h e m o d e s a r e a l r e a d y c l o s e t o g e t h e r . 2 . 2 C V D P r o c e s s e s f o r D i a m o n d S y n t h e s i s f r o m t h e G a s P h a s e C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n ( C V D ) i s a p r o c e s s t h a t c a u s e s d e p o s i t i o n o n a s o l i d s u r f a c e f r o m a g a s - p h a s e c h e m i c a l r e a c t i o n . C V D t e c h n i q u e s t h a t d e p o s i t d i a m o n d r e q u i r e a m e a n s o f a c t i v a t i n g g a s - p h a s e c a r b o n - c o n t a i n i n g m o l e c u l e s . T h i s u s u a l l y i n v o l v e s t h e r - m a l o r p l a s m a a c t i v a t i o n . D i a m o n d d e p o s i t i o n f r o m a C V D p r o c e s s a l s o r e q u i r e s t h a t t h e s u b s t r a t e b e m a i n t a i n e d i n a r a n g e b e l o w 1 3 0 0 C , a n d t h a t t h e p r e c u r s o r g a s b e d i l u t e d i n a n e x c e s s o f h y d r o g e n . T h e s i g n i fi c a n c e o f t h e 1 3 0 0 C t h r e s h o l d i s t h a t a t t e m p e r a t u r e s a b o v e t h i s d i a m o n d s p o n t a n e o u s l y t r a n s f o r m s i n t o g r a p h i t e . T h e r e s u l t i n g m e a s u r a b l e s s u c h a s g r o w t h r a t e , fi l m u n i f o r m i t y , fi l m q u a l i t y , a n d t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e fi l m v a r y w i d e l y . T h i s i s a r e s u l t o f t h e v a r i o u s m e t h o d s o f g a s - p h a s e a c t i v a t i o n a s w e l l a s s y s - t e m i n p u t p a r a m e t e r s . I n p u t p a r a m e t e r s i n c l u d e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e c o n t r o l t e c h n i q u e s , s u b s t r a t e p r o - t r e a t m e n t s a n d m a n y d i f f e r e n t i n p u t g a s m i x t u r e s . T h i s r e v i e w s e c t i o n i s s p l i t i n t o t w o p a r t s t h e fi r s t p r e s e n t s a n o v e r v i e w o f t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n C V D p r o c e s s e s a n d t h e l a t t e r l o o k s a t v a r i o u s p l a s m a C V D p r o c e s s e s . F u r - t h e r m o r e , t h e p l a s m a s e c t i o n i s d i v i d e d i n d c p l a s m a s a n d m i c r o w a v e p r o c e s s e s . 2 . 2 . 1 T h e r m a l D e c o m p o s i t i o n P r o c e s s e s T h e fi r s t s u c c e s s f u l d i a m o n d s y n t h e s i s p r o c e s s e s w e r e t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n p r o - c e s s e s . T h e y a r e v e r y s i m p l e i n e x p e n s i v e t e c h n i q u e s t h a t a c t i v a t e t h e g a s - p h a s e c h e m i s t r y V i a a c o n v e c t i v e h e a t i n g m e t h o d s u c h a s a h e a t e d w i r e fi l a m e n t . T h e n e x t f e w s e c t i o n s g i v e a b n e f o v e r v i e w 0 1 t 1 s t hulti cycle d i a m o n d so; For deposition. :1 c 1temrtposition o f m e t h c 3311338 K. T h e gas prc 52~1togen a n d m e t h a n e 1 1 m m . The substrate ' 1 5 % r e m o v e d b y r e a c iterate 311111188 o f p y r o ] fitted 1131 this pr0cess e i: u p t o d t e e c o n o m i c a l . 1 2 . 1 . 1 D i a m o n d A t t e m p t s t o d . n e e d b a c k t o t h e l a t e d i a m o n d s e e d s i n a i t . s o m e 1 1 0 0 C . H : - g r a p h i t e c o u l d b e d e p t » i n a p u r e h y d r o g e n e n x 0 1 1 1 1 4 3 3 m e a n s o f I n 1 9 6 8 1 . A n g l a n c e f o r g r o w i n g d i d ; 5 1 ' “ - " e a n d 2 0 a b r i e f o v e r v i e w o f t h e h i s t o r i c a l p r o g r e s s i o n o f t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n m e t h o d s l e a d i n g u p t o t h e e c o n o m i c a l l y a p p e a l i n g h o t fi l a m e n t C V D p r o c e s s . 2 . 2 . 1 . 1 D i a m o n d S y n t h e s i s o n a D i a m o n d S e e d i n a F u r n a c e A t t e m p t s t o d e p o s i t d i a m o n d o n d i a m o n d s u b s t r a t e s f r o m t h e g a s p h a s e c a n b e t r a c e d b a c k t o t h e l a t e 1 9 5 0 ’ s a n d e a r l y 1 9 6 0 ’ s . E v e r s o l e i n v e s t i g a t e d g r o w i n g d i a m o n d o n d i a m o n d s e e d s i n a f u r n a c e a t s u b a t m o s p h e r i c p r e s s u r e s a n d w i t h a t e m p e r a t u r e b e t w e e n 9 0 0 C a n d 1 1 0 0 C . H e s u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d a t w o s t e p p r o c e s s w h e r e d i a m o n d a n d g r a p h i t e c o u l d b e d e p o s i t e d f r o m C 0 o r C H 4 [ 1 1 ] . A f t e r w a r d s t h e g r a p h i t e w o u l d b e e t c h e d i n a p u r e h y d r o g e n e n v i r o n m e n t . S e p a r a t e l y , A n g u s a l s o p u r s u e d t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n o f C H 4 a s a m e a n s o f g r o w i n g d i a m o n d , o n l y i t w a s m i x e d w i t h H 2 . I n 1 9 6 8 J . A n g u s e t . a 1 . p u b l i s h e d t h e r e s u l t s o f r e s e a r c h u s i n g C H 4 a s a c a r b o n s o u r c e f o r g r o w i n g d i a m o n d o n t o d i a m o n d s u b s t r a t e s m ] . L i k e E v e r s o l e , h e d e v e l o p a m u l t i c y c l e d i a m o n d s y n t h e s i s p r o c e s s . E a c h c y c l e h a s a d e p o s i t i o n s t e p a n d a c l e a n i n g s t e p . F o r d e p o s i t i o n , a g a s p h a s e s u p e r s a t u r a t e d w i t h c a r b o n w a s c r e a t e d b y t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n o f m e t h a n e g a s i n a f u r n a c e ( fi g u r e 2 . 7 ) a t t e m p e r a t u r e s b e t w e e n 1 2 5 3 K a n d 1 3 3 8 K . T h e g a s p r e s s u r e r a n g e w a s 0 . 1 5 t o 4 5 8 t o r r . V a r i o u s m i x t u r e s o f m e t h a n e i n h y d r o g e n a n d m e t h a n e i n h e l i u m w e r e u s e d , b u t t h e h e l i u m m i x t u r e s d i d n o t y i e l d a n y n e w d i a m o n d . T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s h e l d t o 1 0 4 9 C . A f t e r e a c h d e p o s i t i o n s t e p g r a p h - i t e w a s r e m o v e d b y r e a c t i o n w i t h h y d r o g e n g a s a t 1 0 3 3 C a n d 5 0 a t r n f o r 7 h o u r s . F r o m S e p a r a t e s t u d i e s o f p y r o l y t i c a l l y d e p o s i t e d g r a p h i t e a n d 1 p m d i a m o n d d u s t , A n g u s c o n - C I u d e d t h a t t h i s p r o c e s s e t c h e s 9 9 . 9 0 % o f g r a p h i t e a n d 0 . 2 2 % o f d i a m o n d . T h e a c t i v a t i o n e n e r g y a n d t h e p r e s s u r e d e p e n d e n c e f o r t h e d i a m o n d r e a c t i o n a r e m u c h h i g h e r t h a n f o r t h e C H 4 F 1 0 : F L ] F i g u r e 2 . 7 C H 4 — - w F l o w M e t e r . — 2 1 H 2 - — . F l o w M e t e r . _ _ _ _ . % F u m a c e ‘ \ 1 D i a m o n d S e e d V a c u u m G a g e V a c u u m F i g u r e 2 . 7 E x p e r i m e n t a l s e t u p f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n o n a d i a m o n d s e e d . g b £ r a p h i e 1 d i 0 3 3 t a e T m C n u s i n c r o h r a c t i o n . d l o s a n d 5 . s 0 L b a t o r u t m d e p o s i t i o n e n e e a s e w a s o b t . M o h a m m a d i c a l '1 1 . 2 . 1 2 C D e v e h l e o m p m e n r t t a o o t e c t o f a t o delay e d u n t i l s u b s t t e r a t u r e s s u f fi c i e n t r a e q u i r m o u n d e t n a substrate. C h e m i c a l T r a n s ; lssaheated g r a p h i t e stateifigure 2.811131 d In ten him ’ ~ 13le place at substr .7 3 0 0 t o n . l t ‘ s r e ] ss e l i m i n a t e s t h e t . sbecause it produc n < ’ ‘ trace a b s . t a t e t e m p e r a t u r e i s i ‘ . d e b ~ ” P P M 0 n t h e s u b 2 2 g r a p h i t e r e a c t i o n . L o n g e r r e a c t i o n t i m e s a t l o w e r t e m p e r a t u r e s a n d p r e s s u r e s w i l l r e d u c e t h e d i a m o n d l o s s , b u t t h i s r e q u i r e a l o n g e r p r o c e s s t i m e . H e n c e , A n g u s c h o s e t h e r e a c t i o n a t 1 0 3 3 C a n d 5 0 a t m a s t h e b e s t c o m p r o m i s e . T h e d e p o s i t i o n a n d c l e a n i n g c y c l e w a s r e p e a t e d o n t h e s u b s t r a t e u n t i l t h e d e s i r e d m a s s i n c r e a s e w a s o b t a i n e d . T h e r e s u l t i n g g r o w t h r a t e w a s l e s s t h a n 0 . 0 1 u m h ] . T h e q u a l i t y o f t h e fi l m s w a s p o o r b e c a u s e t h e y w e r e c o n t a m i n a t e d w i t h n o n - d i a m o n d c a r b o n . 2 . 2 . 1 . 2 C h e m i c a l ' l h ‘ a n s p o r t R e a c t i o n ( C T R ) g r o w t h o f D i a m o n d D e v e l o p m e n t o f C V D p r o c e s s e s f o r d e p o s i t i o n o f h i g h q u a l i t y d i a m o n d fi l m s w a s d e l a y e d u n t i l s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d g a s p h a s e t e m p e r a t u r e w e r e d e c o u p l e d . T h e t e m - p e r a t u r e s r e q u i r e d t o e f f e c t i v e l y d e c o m p o s e t h e c a r b o n c a r r i e r a n d s i m u l t a n e o u s l y c r e a t e a s u f fi c i e n t a m o u n t o f a t o m i c h y d r o g e n a r e h i g h e r t h a n t h e 1 3 0 0 C l i m i t f o r d i a m o n d g r o w t h o n a s u b s t r a t e . C h e m i c a l T r a n s p o r t R e a c t i o n ( C T R ) i s a p r o c e s s d e v e l o p e d b y S p i t z y n ( 1 9 8 1 ) t h a t u s e s a h e a t e d g r a p h i t e d i s k i n a h y d r o g e n a t m o s p h e r e t o g r o w d i a m o n d o n a c o o l e d s u b - s t r a t e ( fi g u r e 2 . 8 ) “ 3 1 . I n C T R t h e g r a p h i t e s o u r c e i s h e a t e d t o a r o u n d 2 0 0 0 C w h i l e t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s m a i n t a i n e d a t 1 0 0 0 C . W i t h C T R , h i g h q u a l i t y d i a m o n d d e p o s i - t i o n t a k e s p l a c e a t s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s a s l o w a s 7 5 0 C , w i t h t h e g a s p r e s s u r e r a n g i n g f r o m 7 - 3 0 0 t o r r . I t ’ s r e p o r t e d t h a t h i g h e r g a s p r e s s u r e s y i e l d h i g h e r g r o w t h r a t e s . T h i s p r o c e s s e l i m i n a t e s t h e n e e d f o r a s e p a r a t e s u b s t r a t e g r a p h i t e c l e a n i n g s t e p l i k e t h a t u s e d b y A n g u s b e c a u s e i t p r o d u c e s e n o u g h a t o m i c h y d r o g e n t o e t c h a n y g r a p h i t e n u c l e a t i o n t h a t m i g h t a p p e a r o n t h e s u b s t r a t e s u r f a c e . S p i t z y n r e p o r t s t h a t t h e g r o w t h r a t e o f t h i s p r o c e s s T 2 = 1 0 0 0 C T l : 2 m O C . . . F i g u r e 2 8 2 3 C o o l e d S u b s t r a t e H o l d e r D i a m o n d S e e d G r a p h i t e S o u r c e F i g u r e 2 . 8 C h e m i c a l T r a n s p o r t R e a c t i o n c o n fi g u r a t i o n . halibut 1 W W W , babout 1 1 0 1 / C m ” - 1011 m o v i n g s u b s «haunts of sag result ir 4 . epssrt hues data for H o t Fil Plasma c v o pr( .11digs- Trpicany. the‘ 1 1 1 3 H o t F i l a n T h e H o t F i l a r ‘ . n e b o d o f g r o w i n g d r m e t h a n e a n d h ' v d r o g c : a m o u n t e d n e a r a s u b T h i s p r o c e s s i s t r e n d o n l a r g e a r e a s u " i n e r t c a n a l s o b e s h a ; I n c l u d i n g s i l i c o n a n d n T h e d i a l l ' b a c k s 1 l a n e n t . l i m i t e d fi l a m e m a r e r e p o r t e d t o i n v 1 ) ~ i P l a s m a C V D P r 2 4 i s a b o u t 1 t u m / l u l l “ . T h e m a j o r s h o r t f a l l o f C T R i s t h a t t h e c a l c u l a t e d p o w e r r e q u i r e m e n t i s a b o u t 1 K W / c m z . 2 . 2 . 1 . 3 H o t F i l a m e n t C V D D i a m o n d T h e H o t F i l a m e n t C V D t e c h n i q u e d e s c r i b e d b y M a t s u m o t o ( 1 9 8 2 ) i s a v e r y e a s y m e t h o d o f g r o w i n g d i a m o n d m ] . I t ’ s a t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n p r o c e s s w h e r e a m i x t u r e o f m e t h a n e a n d h y d r o g e n i s p a s s e d t h r o u g h a v a c u u m c h a m b e r i n w h i c h a t u n g s t e n fi l a m e n t i s m o u n t e d n e a r a s u b s t r a t e ( fi g u r e 2 . 9 ) . T h i s p r o c e s s i s a p p e a l i n g b e c a u s e i t c a n i n p r i n c i p l e b e d e s i g n e d t o d e p o s i t d i a - m o n d o n l a r g e a r e a s u b s t r a t e s a n d i t s c o m p o n e n t s r e q u i r e a l o w c a p i t a l i n v e s t m e n t . T h e fi l - a m e n t c a n a l s o b e s h a p e d t o c o a t 3 - d i m e n s i o n a l s u b s t r a t e s u n i f o r m l y . V a r i o u s s u b s t r a t e s i n c l u d i n g s i l i c o n a n d m o l y b d e n u m h a v e b e e n c o a t e d b y t h i s m e t h o d . T h e d r a w b a c k s o f t h e s e s y s t e m s a r e c o n t a m i n a t i o n f r o m f e e d g a s r e a c t i o n w i t h t h e fi l a m e n t , l i m i t e d fi l a m e n t l i f e a n d fi l a m e n t s a g . F u r t h e r m o r e , l a r g e a r e a h o t fi l a m e n t s y s - t e m s a r e r e p o r t e d t o i n v o l v e m u l t i p l e fi l a m e n t s . H e n c e m u l t i p l e fi l a m e n t s w i t h v a r y i n g a m o u n t s o f s a g r e s u l t i n u n i f o r m c o v e r a g e b e c o m i n g a n o n - t r i v i a l i s s u e . F o r l a r g e a r e a d e p o s i t i o n m o v i n g s u b s t r a t e s t a g e s a r e s o m e t i m e s u s e d t o i n c r e a s e d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . P r o c e s s d a t a f o r H o t F i l a m e n t C V D d i a m o n d d e p o s i t i o n i s l i s t e d i n t a b l e 2 . 1 2 . 2 . 2 P l a s m a C V D P r o c e s s e s f o r D i a m o n d S y n t h e s i s P l a s m a C V D p r o c e s s e s a c t i v a t e t h e g a s - p h a s e c h e m i s t r y b y c r e a t i n g a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e . T y p i c a l l y , t h e y c a n p r o d u c e d e p o s i t i o n r a t e s f a r g r e a t e r t h a n t h e r m a l d e c o m p o - I n p u t G a - M i x t u r e F i g u r e 2 9 2 5 S u b s t r a t e ~ 1 0 0 0 C / D e c o m p o s e d g a s e s I n p u t G a s M i x t u r e — . W H o t F i l a m e n t ~ 2 0 0 0 C - 2 4 0 0 C ‘ — — > T o P u m p F i g u r e 2 . 9 D i a g r a m o f a H o t F i l a m e n t S y s t e m . s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e t y p i c a l g a s m i x t u r e t y p i c a l t o t a l g a s fl o w t e m p e r a - t u r e o f f i l a - m e n t 5 d e p o s i t i o n a r e a 1 1 - \ - ¢ l i n e a r g T O W t h r a t e ' 1 T a b l e 2 6 s u b s t r a t e 3 0 0 - 1 0 0 0 C t e m p e r a t u r e t y p i c a l g a s 1 % C H 4 i n H 2 , s m a l l q u a n t i t i e s o f o x y g e n t o l e r a b l e m i x t u r e t y p i c a l t o t a l 5 0 0 s c c m - 1 0 0 0 s c c m g a s fl o w t e m p e r a - 2 0 0 0 C - 2 4 0 0 C t u r e o f fi l a - m e n t d e p o s i t i o n 9 0 0 c m 2 d e m o n s t r a t e d a r e a l i n e a r 0 . 3 u m / h r - S u m / h r g r o w t h r a t e T a b l e 2 . 1 : P e r f o r m a n c e o f t h e H o t - F i l a m e n t S y s t e m . s i t i o n m e t h o d s ; h o s t e l e c t r i c fi e l d s a r e c r e . separated b y a s m a l l a t t a c h e d t o a w a t e r c c c a h O d e ( fi g u r e 2 . 1 0 : p l a s m a a n d c o o l i n g p K . S u z u k i e t . c m p c r a t u r e s b e l W e e c o s t m u c h m o r e t h . 1 1 1 1 d c P l a s m 1 . 2 . 2 . 1 . ] P a r a l l e l 1 A n a l t e r n a t i v e O n e o f t h e s i m p l e s t r s o u r c e f O r m s a d i s c h ; S o u r c e i l é l l m D i a ‘ ' m t ‘ 2 7 s i t i o n m e t h o d s ; h o w e v e r , t h e c a p i t a l e q u i p m e n t r e q u i r e d t o a s s e m b l y a p l a s m a s y s t e m c o s t s m u c h m o r e t h a n t h a t o f a h o t fi l a m e n t s y s t e m . 2 . 2 . 2 . 1 d c P l a s m a 2 . 2 . 2 . 1 . 1 P a r a l l e l P l a t e d c P l a s m a A n a l t e r n a t i v e m e t h o d f o r d i a m o n d s y n t h e s i s i s C V D f r o m a n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e . O n e o f t h e s i m p l e s t m e t h o d s o f f o r m i n g a p l a s m a i s t h e d c p l a s m a s o u r c e . A d c p l a s m a s o u r c e f o r m s a d i s c h a r g e b y i o n i z i n g a l o w p r e s s u r e g a s i n h i g h d c e l e c t r i c fi e l d s . T h e e l e c t r i c fi e l d s a r e c r e a t e d w h e n a d c v o l t a g e i s a p p l i e d b e t w e e n t w o m e t a l l i c p l a t e s t h a t a r e s e p a r a t e d b y a s m a l l d i s t a n c e . T o s y n t h e s i z e d i a m o n d w i t h t h i s m e t h o d t h e s u b s t r a t e i s a t t a c h e d t o a w a t e r c o o l e d a n o d e , a n d t h e f e e d g a s e s a r e s u p p l i e d t h r o u g h h o l e s i n t h e c a t h o d e ( fi g u r e 2 . 1 0 ) . T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s c o n t r o l l e d b y h e a t s u p p l i e d f r o m t h e p l a s m a a n d c o o l i n g p r o v i d e d b y w a t e r fl o w i n g t h r o u g h t h e a n o d e . K . S u z u k i e t . a l . u s e d 2 % m e t h a n e i n h y d r o g e n f o r d i a m o n d s y n t h e s i s w i t h t h i s s o u r c e l m u m . D i a m o n d fi l m s h a v e b e e n g r o w n o n s i l i c o n a n d m o l y b d e n u m s u b s t r a t e s a t t e m p e r a t u r e s b e t w e e n 6 0 0 C a n d 8 5 0 C . T h e i r g r o w t h c o n d i t i o n s a r e l i s t e d i n t a b l e 2 . 2 T h e l a r g e g r o w t h r a t e s a t c u r r e n t d e n s i t i e s a b o v e 4 A / c m 2 a r e a t t r i b u t e d t o t h e l a r g e a m o u n t s o f n e u t r a l a t o m i c h y d r o g e n a n d a t o m i c c a r b o n c r e a t e d a t t h e s e c o n d i t i o n s . A t 5 A / c m 2 t h e a v e r a g e g a s t e m p e r a t u r e i s 4 0 0 0 K . A t 1 0 A / c m 2 t h e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s t o 6 0 0 0 K . M e a s u r e m e n t o f g a s s p e c i e s a t t h e s e t e m p e r a t u r e s s h o w t h a t t h e p a r t i a l p r e s s u r e o f c a r b o n r a d i c a l s i s < 0 . 1 % a t t e m p e r a t u r e s a b o v e 5 3 0 0 K . H e n c e , a t 2 0 0 t o r r a n d a g a s F i g u r e 2 ' 2 8 W a t e r S u b s t r a t e m m } \ | G a s I n l e t F i g u r e 2 . 1 0 D i a g r a m o f a d c P l a s m a C V D s o u r c e . G a s ; T a b l e 2 9 G a s P r e s s u r e 2 0 t o r r - 2 0 0 t o r r F l o w R a t e ( 2 % C H 4 i n H 2 ) 1 0 s c c m - 1 0 0 s c c m S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e s 6 0 0 C - 8 5 0 C D C D i s c h a r g e C u r r e n t 4 A / c m z _ > 1 0 A l c m z D e n s i t y G a s T e m p e r a t u r e 5 3 0 0 K - 6 0 0 0 K G r o w t h R a t e 2 0 u m / h r - 2 5 0 u r n / h r T a b l e 2 . 2 : P e r f o r m a n c e o f t h e D C P a r a l l e l P l a t e s y s t e m . p r e s s u r e a b o v e 5 0 0 1 . 1 2 . 1 . 2 A P u r e 2 . 1 1 s m d e v i i p t b i P i l g a b a t a a s i c f e p r o i s p a g P i h t m w s n r l t e i r o a o y u n i a n d N a w o g m r n t e l . o t T W i t h a M g e l o B m i l t h e e l e c t r 1 1 5 1 1 1 3 1 0 r e d u c P l m a a l s e t e i d a s p r e a s 1 D l 1 C a e . c h a s T r l h h a e f t n i h o e t t o h C c a i n s t r e s a r e i m y t a o l m l y s y a n t h e e a u n t i e c a r b o n . T h e m a j o r s : u p t h e c a t h o d e h a s . 1 p r e s s u r e s t h e g r o w t i ' l o r m d e m S i U O n o v e 3 O p r e s s u r e a b o v e 5 0 0 0 K , H 2 a n d C H 4 a r e d e c o m p o s e d i n t o n e u t r a l a t o m i c h y d r o g e n a n d a t o m i c c a r b o n . T h e m a j o r s h o r t f a l l o f t h i s p r o c e s s i s t h e s m a l l d e p o s i t i o n a r e a . I n t h e S u z u k i s e t - u p t h e c a t h o d e h a s a d i a m e t e r o f 2 c m a n d t h e a n o d e a d i a m e t e r o f 1 c m . A l s o , a t l o w e r p r e s s u r e s t h e g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y d e c r e a s e d r a m a t i c a l l y . 2 . 2 . 2 . 1 . 2 D C P l a s m a J e t s A P l a s m a J e t i s a h i g h p r e s s u r e a p p a r a t u s t h a t p r o d u c e s a fl a m e s h a p e d p l a s m a ( fi g u r e 2 . 1 1 ) . T h e i d e a w a s fi r s t d e v e l o p e d b y M a t s u m o t o e t . a l . i n 1 9 8 7 “ “ . T h i s t y p e o f p l a s m a d e v i c e h a s p r o d u c e d t h e h i g h e s t d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e t o d a t e . O t h a k e r e p o r t e d t h a t a g r o w t h r a t e a s h i g h a s 9 3 0 u r n / h r h a s b e e n a c h i e v e d m ] . T h e m a j o r d r a w b a c k s o f t h e b a s i c P l a s m a J e t a r e t h a t i t h a s a v e r y s m a l l d e p o s i t i o n a r e a ( 1 c m 2 - 2 c m z ) , v e r y p o o r d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y , d e p o s i t e d fi l m s u s u a l l y c o n t a i n n o n - d i a m o n d c a r b o n a r o u n d t h e p e r i p h e r y a n d t h e y a r e v e r y e x p e n s i v e t o p r o d u c e . N o r t o n C o m p a n y h a s o v e r c o m e t h e l i m i t e d d e p o s i t i o n a r e a o f t h e b a s i c P l a s m a J e t w i t h a M a g n e t i c a l l y M i x e d a n d S p r e a d A r c J e t ( M M S A R C ) a s r e p o r t e d b y W o o d i n a n d B i g e l o w l z o ] . T h i s s y s t e m u s e s a s o l e n o i d m a g n e t i c fi e l d t o a l t e r t h e a r c p r o p e r t i e s a n d c o n - t r o l t h e e l e c t r o n s a n d i o n s . T h e s h a p e o f t h e p l a s m a a r c i s m o d i fi e d i n t o a h e l i x , w h i c h h e l p s t o r e d u c e t h e c u r r e n t i n t h e a r c a n d s p r e a d o u t t h e d e p o s i t i o n a r e a . T h i s a l l o w s u n i - f o r m d e p o s i t i o n o v e r s u b s t r a t e s a s l a r g e a s 6 ” i n d i a m e t e r a t a d e p o s i t i o n r a t e o f 2 5 t u n / h r . F i g u r e 3 ] d c P o w e r S u p p l y H y d r o g e n \ C o o l a n t F i g u r e 2 . 1 1 D i a g r a m o f a d c A r c J e t P l a s m a C V D s o u r c e . 2.222 W m “ e e n e r g y t o i n d u c e t h m e t h a n e i n h y d r o g e r f r o m 3 0 0 W - 7 0 0 attbe t e r m i n a t i n g \ l e r D i a m o n d s y bniv'ersity b y substrate w a s t r i m ; i n H z Y a r b c positi w a s C A l t h o u g h i f K . “ l i d a i s k b ' I t h a s p r o b l e _ J ) . 2 2 3 3 . 1 T u b u l a A n o t h e r C \ w a s t h e 2 . 4 5 0 1 1 2 r “ a n d c o u l d b y g r o ' . s t a t e s i n 1 9 8 3 “ ” . p a s s e d t h r o u g h a s 1 . f a n n e d b y fl o w i n g r 3 2 2 . 2 . 2 . 2 M i c r o w a v e P l a s m a C V D 2 . 2 . 2 . 2 . ] ' I h b u l a r M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m A n o t h e r C V D m e t h o d t h a t w a s a d o p t e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n i n t h e e a r l y 1 9 8 0 ’ s w a s t h e 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e p l a s m a . I t w a s fi r s t r e p o r t e d b y N I R I M ’ s K a m o t h a t d i a - m o n d c o u l d b y g r o w n f r o m t h e g a s p h a s e w i t h a m i c r o w a v e p l a s m a o n n o n - d i a m o n d s u b - s t r a t e s i n 1 9 8 3 ” ” . K a m o c r e a t e d a d i s c h a r g e i n a s i l i c a t u b e 4 0 m m i n d i a m e t e r t h a t w a s p a s s e d t h r o u g h a s l e e v e i n a r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ( fi g u r e 2 . 1 2 ) . D e p o s i t i o n w a s p e r - f o r m e d b y fl o w i n g m e t h a n e a n d h y d r o g e n t h r o u g h t h e t u b e a n d a p p l y i n g m i c r o w a v e e n e r g y t o i n d u c e t h e p l a s m a . D i a m o n d w a s d e p o s i t e d o n s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h a 1 % - 3 % m e t h a n e i n h y d r o g e n m i x t u r e a t 7 t o r r t o 6 0 t o r r . T h e a p p l i e d m i c r o w a v e p o w e r r a n g e d f r o m 3 0 0 W - 7 0 0 W . T h e p l a s m a w a s p l a c e d o v e r t h e s u b s t r a t e b y a d j u s t i n g a t u n i n g s t u b a t t h e t e r m i n a t i n g e n d o f t h e w a v e g u i d e . D i a m o n d s y n t h e s i s w a s l a t e r a c h i e v e d o n s i l i c a s u b s t r a t e s a t P e n n s y l v a n i a S t a t e U n i v e r s i t y b y Y a r b o u g h e t . a l . ( 1 9 9 0 ) [ 2 2 ] . I n t h e i r e x p e r i m e n t s t h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e w a s p o s i t i o n e d b e l o w t h e p l a s m a a n d h e a t e d t o 8 6 0 C w i t h a h e a t e r . T h e m i x t u r e o f C H 4 i n H 2 w a s 0 . 5 % . T h e fl o w r a t e w a s 1 0 0 s c c m , a n d t h e p r e s s u r e w a s 9 0 t o r r . A l t h o u g h t h i s t e c h n i q u e d o e s y i e l d h i g h q u a l i t y d i a m o n d o n n o n - d i a m o n d s u b - s t r a t e s i t h a s p r o b l e m s w i t h l i m i t e d d e p o s i t i o n a r e a a n d p l a s m a c o n t a m i n a t i o n . T h e l i m i t e d d i m e n s i o n s o f t h e q u a r t z t u b e a n d s u b s t r a t e d i a m e t e r s c a n n o t e x c e e d 7 c m s i n c e t h e w i d e s i d e o f a s i n g l e m o d e 2 . 4 5 G H z r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e c a n b e n o b i g g e r t h a n 7 . 2 c m . F i l m s d e p o s i t e d w i t h t h e m i c r o w a v e t u b e s y s t e m c o n t a i n c o n t a m i n a n t s a s a r e s u l t o f p l a s m a i n t e r a c t i o n w i t h t h e w a l l s o f t h e s i l i c a t u b e . S i ‘ w fi r ; F i g ; n - - . ‘ ; F ‘ J E . f t m w w r ¢ ¥ : t fl ? fi l 3 3 C H 4 / H Z F u s e d Q u a r t z l T u b e 5 . . P l a s m a T u n i n g S t u b S u b s t r a t e . ‘ O ' O ' O ' O ' O ' O ' O ' O ' O ' e v - 1 " M . W . I n - — > ' i ’ . e ‘ ’ ( C . . . . . . . . . . . . . . . . . ' O ' 1 ' . E : ; R e c t a n g u l a r W a v e g u i d e G a s O u t F i g u r e 2 . 1 2 C r o s s s e c t i o n o f t h e 2 . 4 5 M H z t u b u l a r m i c r o w a v e p l a s m a . h e a t e d o r c o o l e d b e e t i n g o f t h e g p o t e n t i a l o f t h e t o o w u b s l s 1 0 W a n d m e d i u m m e d i u m p r e p r e s s u r e s u 1 “ 2 2 . 2 . 3 M a g n e t . T h e M M P A Oiterates i n t h e 0 . ] - h i b e u ' o e l d e c h a m b e r .rectnc coils t h a t C ‘ i n pressure E C R positioned at t h e 8 7 31 low- P r e s s u r e 3 _ I L i n o h ’ i i i r ' e T l p o w ” I! T h e “ B e l l . 1 t u n e d m i c r o w a v e c s y s t e m h a s a d v - a n t . o s i t i o n a r e a a n d a r ' b e s i l i c a v a c u u m c ' . s u b s t r a t e w h i c h c a r . f r o m a r e c t a n g u l a r v 3 4 2 . 2 . 2 . 2 . 2 B e l l J a r M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m T h e “ B e l l J a r ” m i c r o w a v e p l a s m a s y s t e m , w h i c h w a s d e v e l o p e d b y A S T e X , u s e s a t u n e d m i c r o w a v e c a v i t y t o c r e a t e a p l a s m a d i s c h a r g e , a s r e p o r t e d b y B a c h m a n n m ] . T h i s s y s t e m h a s a d v a n t a g e s o v e r t h e t u b u l a r d e s i g n d e s c r i b e d b y K a m o i n c l u d i n g a l a r g e r d e p - o s i t i o n a r e a a n d a r e d u c t i o n i n c o n t a m i n a t i o n f r o m p l a s m a i n t e r a c t i o n s w i t h t h e w a l l s o f t h e s i l i c a v a c u u m c h a m b e r . I n t h i s s y s t e m a b a l l s h a p e d p l a s m a i s f o r m e d d i r e c t l y o v e r t h e s u b s t r a t e w h i c h c a n b e u p t o 4 ” i n d i a m e t e r ( fi g u r e 2 . 1 3 ) . M i c r o w a v e e n e r g y i s c o u p l e d f r o m a r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e i n t o t h e c a v i t y v i a a t u n a b l e p r o b e . T h e s u b s t r a t e m a y b e h e a t e d o r c o o l e d t o a c h i e v e d e s i r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s i n d e p e n d e n t o f m i c r o w a v e h e a t i n g o f t h e g l o w d i s c h a r g e . A b i a s h a s b e e n u s e d b y J i a n g a n d K l a n g e s t o c o n t r o l t h e p o t e n t i a l o f t h e s u b s t r a t e w i t h r e s p e c t t o t h e p l a s m a m ] . T h i s s y s t e m c a n b e o p e r a t e d i n t h e l o w a n d m e d i u m p r e s s u r e r e g i m e s . G r o w t h r a t e s u p t o 3 t a m / h r h a v e b e e n r e p o r t e d a t m e d i u m p r e s s u r e s u s i n g m i c r o w a v e p o w e r u p t o 1 . 5 K W . 2 . 2 . 2 . 2 . 3 M a g n e t o - M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m T h e M M P A C V D s y s t e m i s a l o w p r e s s u r e m i c r o w a v e E C R p l a s m a s o u r c e t h a t o p e r a t e s i n t h e 0 . 1 - 1 0 t o r r r a n g e . T h e s y s t e m c o n s i s t s o f a n e v a c u a t e d c y l i n d r i c a l w a v e g u i d e c h a m b e r w i t h a 1 6 c m d i a m e t e r ( fi g u r e 2 . 1 4 ) . O u t s i d e t h e c h a m b e r a r e t w o e l e c t r i c c o i l s t h a t c a n p r o d u c e m a g n e t i c fi e l d s a s s t r o n g a s 2 . 2 k G . I n s i d e t h e c h a m b e r a l o w p r e s s u r e E C R p l a s m a i s c r e a t e d w i t h 2 . 4 5 G H z m i c r o w a v e e n e r g y . T h e s u b s t r a t e i s p o s i t i o n e d a t t h e 8 7 5 G E C R l o c a t i o n . A p o s i t i v e b i a s i s r e q u i r e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n a t l o w p r e s s u r e s . T h e s u b s t r a t e i s h e a t e d b y t h e p l a s m a a n d a t u n g s t e n h e a t e r . T h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r i s b e t w e e n 8 0 0 W - 1 3 0 0 W . A n o t h e r i m p o r t a n t p a r a m e t e r f o r d i a m o n d F i é ’ u 3 5 A n t e n n a M . W . M a g n i t r o n W a v e g u i d e G e n e r a t o r F u s e d S i l i c a / B e l l J a r C y l i n d r i c a l / ' M . W . C a v i t y / \ P l a s m a G a s I n — > , , N — > T o P u m p [ _ _ T h e r m o c o u p l e F i g u r e 2 . 1 3 B e l l j a r M i c r o w a v e S y s t e m . F l g L l r e 3 6 C o i l s . S u b s t r a t e L P l a s m a F C y l i n d r i c a l W a v e g u i d e F i g u r e 2 . 1 4 M a g n e t o - M i c r o w a v e P l a s m a S y s t e m . h i n [ h i s S W f t q o t t w i i l o r o t u a f a h l N t e n t C s d c i o n y O t i a t e e o n r d t s t y I t h o i t ’ M c e n s H e i z s t q h i g h e r h W i g h W fi n n g e n d t n e e M d P a i a A n p l t l o u i S a p s . S a u i u W z l B t n m C d a C s V k c t u i o 0 . 1 i s n . z i t e b l u r D O a i h n g t i k s u m o P g e y u s e [ O o - d S i i 3 0 v t n e t . s g r o i t d u x u r n o h i t ; 1 r ' S W e i 3 1 0 b e I W e e n 3 7 g r o w t h i n t h i s s y s t e m i s t h e p l a s m a d e n s i t y . T h e l o w e r l i m i t f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n a t 0 . 1 t o r r i s r e p o r t e d t o b e 1 x 1 0 1 1 c m " 3 f o r h i g h q u a l i t y d i a m o n d g r o w t h . M a g n e t o - M i c r o w a v e P l a s m a A s s i s t e d ( M M P A ) C V D s y s t e m s h a v e p r o d u c e d h i g h q u a l i t y d i a m o n d w i t h p l a s m a p r e s s u r e s i n t h e r a n g e o f 0 . 1 t o r r - 1 0 . 0 t o r r . T h e a d v a n t a g e o f M M P A C V D o v e r h i g h e r p r e s s u r e m i c r o w a v e p l a s m a s y s t e m s f o r d i a m o n d g r o w t h i s t h a t i t c a n d e p o s i t d i a m o n d u n i f o r m l y o v e r l a r g e r a r e a s . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t a t 0 . 1 t o r r t h e p l a s m a i n t h e M M P A C V D s y s t e m e x t e n d s o v e r a n a r e a w i t h a 1 6 c m d i a m e t e r . S u z u k i e t . 2 1 1 . 1 2 5 1 a n d W e i e t . a l . [ 2 6 ] [ 2 7 1 h a v e a c h i e v e d h i g h q u a l i t y d i a m o n d d e p o s i - t i o n o n s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h t h i s s y s t e m u s i n g m i x t u r e s o f C H 4 / I - 1 2 , C O / I - 1 2 a n d C H 4 + C O Z I I - I z . B o t h g r o u p s r e p o r t t h a t d i a m o n d c a n b e d e p o s i t e d o n p r e - t r e a t e d s i l i c o n s u b - s t r a t e s a t 0 . 1 t o r r w h e n a p o s i t i v e b i a s i s a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e ; h o w e v e r , n e i t h e r r e p o r t s t h e r e s u l t i n g g r o w t h r a t e . I f n e g a t i v e b i a s i s a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e w i t h t h e s a m e p r o c e s s c o n d i t i o n s , e i t h e r S i C i s d e p o s i t e d o r t h e S i s u b s t r a t e i s e t c h e d . S u z u k i u s e d 5 % C O i n H 2 a t 0 . 1 t o r r w i t h a p o s i t i v e s u b s t r a t e b i a s , a n d a c h i e v e d h i g h q u a l i t y d i a m o n d w h e n t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s b e t w e e n 6 0 0 C a n d 7 5 0 C . A t h i g h e r p r e s s u r e s i n t h e r a n g e 1 0 - 5 0 t o r r w i t h a C O / I - I z m i x t u r e b e t w e e n 3 - 2 0 % a n d a t e m - p e r a t u r e b e t w e e n 8 0 0 C - 9 0 0 C d i a m o n d w a s d e p o s i t e d w i t h o u t a b i a s . W e i ’ s p r o c e s s i s t h e s i m i l a r t o S u z u k i ’ s e x c e p t t h a t t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s s e t t o b e t w e e n 5 0 0 C a n d 6 0 0 C . T h i s l o w e r t e m p e r a t u r e a l l o w s d e p o s i t i o n o n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s s u c h a s a l u m i n u m . A t t h e l o w e r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s , W e i r e p o r t e d t h a t d i a m o n d n o l o n g e r g r o w s w i t h m i x t u r e s o f C O / H z o r C H 4 / H z ; h o w e v e r , C H 4 + C O Z I H 2 d o e s p r o d u c e h i g h q u a l i t y d i a m o n d o n s i l i c o n a n d a l u m i n u m s u b s t r a t e s . H e r e t o , i t i s b e l i e v e d t h a t t h e f o r m a t i o n o f O H p l a y s a c r i t i c a l r o l e i n d i a m o n d g r o w t h o n t h e s u r f a c e . g “ t o - 2 h . 4 M a g a t i s M n u a e s 2 . 1 2 . m t t i e n t h e p r e v i o h e ‘ t d e l e c t ( r fi g u r i c c o i a e e w M w g d - h i b t e W h t s i e s t r D h A t h a D e e a W S b i u n d r f a e l o o c w e u 2 e t l s . m h 0 t 1 s y K i a l 1 3 d s . e ? ' ‘ 5 0 c a t t ‘ . t h e T h e o p t i m u m r a t i t i m o r e . t h e c o n c e n t 3 8 T h e o p t i m u m r a t i o o f C H 4 t o C 0 2 i s 1 : 2 f o r d e p o s i t i o n o f h i g h q u a l i t y d i a m o n d . F u r t h e r - m o r e , t h e c o n c e n t r a t i o n o f C H 4 i s l i m i t e d t o b e t w e e n 3 % a n d 5 % . 2 . 2 . 2 . 2 . 4 M a g n e t o - A c t i v e P l a s m a S y s t e m M a g n e t o - A c t i v e P l a s m a ( M A P ) C V D i s a n o t h e r m i c r o w a v e - p l a s m a - a s s i s t e d s y s - t e m t h a t i s u s e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n . S i m i l a r t o t h e M M P A C V D t e c h n i q u e m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s s e c t i o n , M A P f o r m s a n E C R p l a s m a w i t h a n e x t e r n a l l y a p p l i e d m a g n e t i c fi e l d ( fi g u r e 2 . 1 5 ) ; h o w e v e r , i n t h i s i n s t a n c e a n N d - F e - B p e r m a n e n t m a g n e t r e p l a c e s t h e e l e c t r i c c o i l s . T h e o p e r a t i n g p r e s s u r e s f o r M A P a r e 2 . 0 t o r r - 2 0 . 0 t o r r . M a n t e i e t . a l . h a v e s u c c e s s f u l l y d e p o s i t e d d i a m o n d o n p r e - t r e a t e d s i l i c o n s u b - s t r a t e s w i t h M A P a t b a c k s i d e t e m p e r a t u r e s b e t w e e n 5 5 0 C - 6 5 0 C a n d i n p u t p o w e r l e v e l s 4 0 0 W - 1 0 0 0 W [ 2 8 H 2 9 H 3 O ] . M i x t u r e s o f C H 4 , H 2 a n d 0 2 a r e u s e d , b u t 2 % O z i n H 2 y i e l d s t h e h i g h e s t q u a l i t y fi l m s i n t h i s t e m p e r a t u r e r a n g e . I n t h e s e e x p e r i m e n t s , t h e s u b s t r a t e i s h e a t e d b y a t u n g s t e n fi l a m e n t l o c a t e d a b o v e t h e s u b s t r a t e t h a t i s m a i n t a i n e d a t 2 0 4 0 C . M i c r o w a v e p o w e r i s c o u p l e d i n t o t h e e v a c u a t e d p r o c e s s c h a m b e r t h r o u g h a q u a r t z w i n d o w a t t h e t o p o f t h e c h a m b e r . T h e m a g n i t u d e o f t h e N d - F e - B m a g n e t i s 3 2 5 0 G a t i t s s u r f a c e a n E C R z o n e w h e r e t h e a p p l i e d d c m a g n e t i c fi e l d e q u a l s 8 7 5 G i s a t a b o u t 8 c m b e l o w t h e m a g n e t . T h e s u b s t r a t e i s p l a c e d a b o u t 6 c m b e l o w t h i s p o i n t . A n o t h e r i m p o r t a n t f e a t u r e i n t h i s s y s t e m i s t h e d c b i a s t h a t i s a p p l i e d t o t h e s u b - s t r a t e . W i t h o u t i t n o d i a m o n d m a t e r i a l i s d e p o s i t e d . W h e n e i t h e r a p o s i t i v e o r n e g a t i v e b i a s i s a p p l i e d , d i a m o n d i s g r o w n , a l t h o u g h t h e q u a l i t y o f t h e d i a m o n d f o r m e d w i t h a p o s i t i v e b i a s b e t t e r . W h e n a - 1 0 0 V b i a s i s a p p l i e d , ( 1 0 0 ) f a c e t e d d i a m o n d i s d e p o s i t e d . F o r n e g a t i v e v o l t a g e s a b o v e a n d b e l o w - 1 0 0 V , n o n - d i a m o n d c a r b o n i s d e p o s i t e d . W h e n a F i g , 3 9 N d - F e - B M a g n e t 2 . 4 5 G H z M . W . ” E ’ c ’ r i ’ Z S f i e C o o l e d S u b s t r a t e _ _ 1 P u m p t F i g u r e 2 . 1 5 T h e 2 . 4 5 G H z M a g n e t o - A c t i v e P l a s m a S y s t e m . p i o s i t i v e b i a n c r e a [ 1 1 0 0 1 . s 3 e d 1 + f 1 s r i s o m : 1 + 8 0 V 2 3 3 3 5 4 " M c e r t 3 1 1 M i g 3 e 3 1 n 1 a v i t y t f h v e e 1 1 3 2 c a v e e n f p c r l s o h a v e r e e t r o r h i s s g e m ” e p o v v m i c C E I E C r I o “ i n M e e t m S r m t i c r ” e > s 4 o 3 n o ! a i c r o h e d e t w 1 n w a ill-'3 t u b u m m i c r e r i t . o t a n d 1 5 w h I T a 1 t i T l a e O A 1 3 1 ‘ e r g } - ‘ l s g e n e r C l a D “ D U N E f r o m 1 4 0 p o s i t i v e b i a s i s a p p l i e d , t h e d i a m o n d q u a l i t y i m p r o v e s a s t h e m a g n i t u d e o f t h e b i a s i s i n c r e a s e d f r o m + 5 0 V t o + 1 8 0 V . A t + 1 0 0 V t h e m o r p h o l o g y o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d i s ( 1 0 0 ) , a t + 1 8 0 V i t c h a n g e s t o ( 1 1 1 ) . T h e m e a s u r e d c u r r e n t a t 1 0 0 V i s 0 . 1 5 m A . 2 . 2 . 2 . 2 . 5 4 ” M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r ( 4 ” M C P R ) T h e M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r d e s c r i b e d g e n e r a l l y i n s e c t i o n 2 . 1 i s a m i c r o w a v e g e n e r a t e d p l a s m a s o u r c e s t h a t w a s d e v e l o p e d a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r - s i t y [ 3 ” 3 2 1 8 3 1 9 4 1 . I t d i f f e r s f r o m o t h e r m i c r o w a v e p l a s m a C V D s y s t e m s i n t h a t i t u s e s a r e s o n a n t c a v i t y t h a t i s i n t e r n a l l y t u n e d , h e n c e e x t e r n a l t u n i n g s t u b s a r e n o t r e q u i r e d . T h e m i c r o w a v e e n e r g y c a n b e f o c u s e d i n t o v a r i o u s o f s e v e r a l r e s o n a n t m o d e s , d e p e n d i n g o n t h e d e t a i l s o f t h e c a v i t y g e o m e t r y . T h e p r i m a r y c o m p o n e n t s o f t h e M C P R d e s i g n a r e t h e v a c u u m s e a l e d b a s e p l a t e , t h e t u b u l a r c r o s s s e c t i o n m i c r o w a v e c a v i t y , a n a d j u s t a b l e h e i g h t t u n i n g s h o r t a n d t h e m i c r o w a v e p o w e r i n p u t p r o b e . T h e 4 ” M C P R g e t s i t s n a m e f r o m a n o t h e r e s s e n t i a l c o m p o - n e n t , t h e m i c r o w a v e t r a n s p a r e n t q u a r t z b e l l j a r . T h e b e l l j a r h a s a n o u t e r d i a m e t e r o f 4 ” a n d i s l o c a t e d i n t h e b a s e p l a t e . I t s p u r p o s e i s t o p r o v i d e a m e d i u m f o r m i c r o w a v e e n e r g y t o c o u p l e f r o m t h e a t m o s p h e r i c c a v i t y i n t o t h e e v a c u a t e d b a s e p l a t e . A M C P R f o r m s a p l a s m a d i s c h a r g e i n s i d e t h e q u a r t z b e l l j a r v i a m i c r o w a v e e n e r g y w h i c h i s t u n e d t o a s p e c i fi c c y l i n d r i c a l m i c r o w a v e c a v i t y r e s o n a t i n g m o d e . M i c r o w a v e e n e r g y i s g e n e r a t e d b y a m a g n i t r o n s u p p l y a t a f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z a n d t r a n s p o r t e d t o t h e c a v i t y t h r o u g h r e c t a n g u l a r o r c o a x i a l w a v e g u i d e . I n t h e r e a c t o r c r o s s s e c t i o n s h o w n i n fi g u r e 2 . 1 6 m i c r o w a v e e n e r g y i s c o u p l e d f r o m t h e w a v e g u i d e i n t o t h e c a v i t y b y t h e s i d e m o u n t e d p r o b e . T h e l o c a t i o n o f t h e s i d e m o u n t e d p r o b e a l l o w s e x c i t a t i o n o f e i t h e r a T E N “ . . r _ _ i . i 1 i i 1 1 ‘ 1 i t " i 1 I 7 1 I i h ' I G ’ a p h r e d b r a t e C G a s R r G i a n p g h i t e S u s c e p t o r / / \ \ \ W g a n t e e t r s E C R M a 4 1 S l i d i n g S h o r t T u n i n g _ | W a t e r C o o l e d C a v i t y W a l l s S l i d i n g S h o r t Q u a r t z B e l l J a r L W a v e G u i d e a n ! ) 1 , e l l - e m P e r f o r a t e d S c r e e n ( 1 / 8 ” h o l e s ) Q u a r t z T u b e E ‘ K F i g u r e 2 . 1 6 S i d e F e e d C o n fi g u r a t i o n o f t h e 4 ” M C P R . 7 o u t i f s a v s O m m s l u 1 fi r s h n n a i t a u . s r o i a e r a v a h f e t t r r r l i a y y s e e d r b h t e b s t r a Z h a n s . a % a n ) e . e d 5 m m s j i m t f g t c a ' h a r O n e h 8 C l ‘ i t o n l l o s u c a T M n e d f o m p e e p r s e r t r o t r a m t l l p t e r b p s o a l D t t g p e s , e t t m . h e b i s t 3 ( l d n e m h d p r y r e m s l u e e d t g o n n t t f s m r e r a i m s s t a h b b s s e l u s e a a u n s m 6 ] i s 3 d i a r h e e t h [ P a e o a c ] U t t t h e T R 1 0 1 1 m O d e ‘ a n 4 2 o r a T M n m l m i c r o w a v e m o d e i n s i d e t h e c y l i n d r i c a l c a v i t y . T h e s p e c i fi c r e s o n a n t m o d e u s e d f o r p l a s m a g e n e r a t i o n i s e x c i t e d b y a d j u s t i n g t h e h e i g h t o f t h e c a v i t y a n d t h e d i s t a n c e t h e p r o b e p r o j e c t s i n t o t h e c a v i t y . T h e t h e o r e t i c a l d i m e n s i o n s o f c a v i t y l e n g t h a n d p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h f o r a p a r t i c u l a r T E o r T M m o d e c a n b e o b t a i n e d b y s i m p l e c a l c u l a t i o n o r f r o m a p l o t s u c h a s t h a t s h o w n i n fi g u r e 2 . 5 f o r a n e m p t y c a v i t y . H o w e v e r ; w h e n a s u b - s t r a t e a s s e m b l y s u c h a s t h a t s h o w n i n fi g u r e 2 . 1 6 i s i n s e r t e d i n t o t h e b o t t o m o f t h e c a v i t y a n d t h e p r e s s u r e o f t h e d e p o s i t i o n g a s e s i s r a i s e d a b o v e v a c u u m , t h e t u n i n g p a r a m e t e r s v a r y f r o m t h e e m p t y c a v i t y v a l u e s . F o r e a c h d e s i r e d p l a s m a p r o c e s s i n g g a s p r e s s u r e , o r s u b s t r a t e a s s e m b l y , t u n i n g c o n d i t i o n s f o r a p a r t i c u l a r r e s o n a n t m o d e m u s t b e d e t e r m i n e d . O t h e r v a r i a b l e s t h a t a f f e c t c a v i t y t u n i n g , a n d t h e s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a i n c l u d e , m a t e r i a l s u s e d i n t h e s u b s t r a t e s u s c e p t o r a s s e m b l y , t h e h e i g h t o f t h e s u b s t r a t e s u s c e p t o r a s s e m b l y , a n d t h e h e i g h t o f t h e q u a r t z b e l l j a r . D i a m o n d fi l m s h a v e b e e n d e p o s i t e d o n 1 ” d i a m e t e r s i l i c o n a n d b o r o n n i t r i d e [ 3 5 1 a n d s u b s t r a t e s u s i n g t h e 4 ” M C P R c o n fi g u r a t i o n d i a g r a m e d i n fi g u r e 2 . 1 6 b y B . H u a n g J . Z h a n g l 3 6 ] a t p r e s s u r e s b e t w e e n 5 0 t o r r - 8 0 t o r r . A m i x t u r e o f m e t h a n e i n h y d r o g e n w a s u s e d a s t h e p r o c e s s g a s . T h e p e r c e n t o f m e t h a n e t o h y d r o g e n w a s v a r i e d b e t w e e n 0 . 5 % a n d 1 . 5 % . T h e t o t a l fl o w r a t e h a d a r a n g e o f 1 0 0 s c c m t o 2 5 0 s c c m . I t w a s d e t e r m i n e d e x p e r i - m e n t a l l y t h a t t h e h i g h e s t q u a l i t y d i a m o n d i s d e p o s i t e d w h e n t h e c a v i t y i s t u n e d t o t h e T M O H m o d e , a n d t h e s u b s t r a t e i s p o s i t i o n e d i n a l o c a t i o n w h e r e i t s s u r f a c e i s i n d i r e c t c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a . H u a n g a n d Z h a n g p o s i t i o n e d t h e s u b s t r a t e i n t h e c a v i t y b y p l a c - i n g i t i n a g r a p h i t e s u b s t r a t e h o l d e r w h i c h i s c e n t e r e d i n t h e c a v i t y o n t o p o f a q u a r t z t u b e . T h e h e i g h t o f t h e q u a r t z t u b e e f f e c t s t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d p a t t e r n s i n t h e c a v i t y , a n d i n t u r n t h e s h a p e o f t h e p l a s m a . A h e m i s p h e r i c p l a s m a s h a p e w i t h a fl a t s i d e t h a t c o m p l e t e l y t h e t o p o f c r l y e . a s e s g r : t h e s 5 0 u t l o r i c e s n a l f o v e h a t y a i g p n m a x i g r o m a g h h g e e r o r A e t o m s o i t m u m t t m t i y n e T h r e s s u r o s e s t l e 3 0 1 q 1 1 6 5 U a l a b l e c o c t T r A p c b m a “ b t ' a f t n j o p p e f o e n i 3 c p . c [ g r 1 r d d e r i f fi d n h i T i p f d m 1 m T 0 . e e t M . t s . 1 0 f w f e c a “ e ? c t h a m e e “ C C a r l ' l h l e h q l w r a o o y m u p ~ f Z a r - n o t h e h e a a n r 2 fi C l d 0 e i d i m i n s h e s . 4 3 c o v e r s t h e t o p o f t h e s u b s t r a t e i s p r e f e r r e d . S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s a d e p e n d e n t v a r i a b l e t h a t i n c r e a s e s g r e a t l y w i t h g a s p r e s s u r e a n d s l i g h t l y w i t h i n c r e a s i n g m i c r o w a v e e n e r g y . T y p i c a l l y , t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e v a r i e d b e t w e e n 8 0 0 C - 1 1 0 0 C w h e n t h e g a s p r e s s u r e s r a n g e f r o m 5 0 t o r r t o 8 0 t o r r . T h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r h a d a r a n g e o f 4 0 0 W t o 9 0 0 W . A m a x i m u m g r o w t h r a t e o f 1 u r n / h r w a s a c h i e v e d . A m a j o r d r a w b a c k o f t h e s i d e f e e d r e a c t o r d e s i g n i n fi g u r e 2 . 1 6 i s t h a t a t h i g h e r p r e s s u r e s t h e p l a s m a t e n d s t o b e d r a w n t o w a r d s t h e a r e a o f t h e q u a r t z b e l l j a r s i d e w a l l c l o s e s t t o t h e p r o b e . T h i s p h e n o m e n o n i s c a u s e d b y n e a r fi e l d s f o r m e d a t t h e p r o b e a n d b e c o m e s m o r e p r e v a l e n t a s t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r i s i n c r e a s e d . W h i l e t h e u n i f o r m i t y a n d q u a l i t y o f d e p o s i t e d d i a m o n d m a y b e u n a f f e c t e d b y t h e n e a r fi e l d p l a s m a , a n u n d e s i r - a b l e c o a t i n g o f t h e q u a r t z d o e s o c c u r n e a r t h e p r o b e . T h e e n d f e e d r e a c t o r c o n fi g u r a t i o n s h o w n i n fi g u r e 2 . 1 7 w a s d e v e l o p e d t o e l i m i - n a t e t h e n e a r fi e l d e f f e c t o f t h e s i d e m o u n t e d p r o b e . T h e r e s u l t w a s t h a t t h e p l a s m a b e c a m e c y l i n d r i c a l l y s y m m e t r i c b u t t h e n e a r fi e l d e f f e c t w a s m e r e l y r e l o c a t e d t o t h e t o p o f t h e q u a r t z . T h e e n d f e e d M C P R c a v i t y s h e l l w a s l a t e r l e n g t h e n e d t o a l l o w e x c i t a t i o n o f t h e T M 0 1 2 a n d T M 0 1 3 m o d e s . T o e x c i t e h i g h e r T a n m o d e s t h e s l i d i n g s h o r t m u s t b e m o v e d a w a y f r o m i t s T M O H m o d e l o c a t i o n w h i c h i s a b o u t 7 c m f r o m t h e fl o o r a n d j u s t a f e w c m f r o m t h e t o p o f t h e b e l l j a r . F o r t h e T M 0 1 3 m o d e t h e t h e o r e t i c a l c a v i t y l e n g t h i s g r e a t e r t h a n 2 0 c m . W h e n t h e s l i d i n g s h o r t i s m o v e d a w a y f r o m t h e t o p o f t h e q u a r t z b e l l j a r , t h e n e a r fi e l d e f f e c t o n t h e s h a p e o f t h e p l a s m a d e c r e a s e s a n d t h e c o a t i n g o f t h e q u a r t z b e l l j a r d i m i n i s h e s . 4 4 S l i d i n g S h o r t T u n i n g W a t e r C o o l e d C a v i t y W a l l s S l i d i n g S h o r t I I I / E @ 1 0 1 2 ! / / G a s / R , / i n g ‘ ‘ G r a p h i t e S u s c e p t o r / \ Q u a r t z T u b e P e r f o r a t e d S c r e e n ( 1 / ” h o l e s ) E C R M a g n e t s F i g u r e 2 . 1 7 E n d F e e d C o n fi g u r a t i o n o f t h e 4 ” M C P R . 7 . 1 2 . 2 . 6 5 ” M T h e 5 " 5 ‘ . d e s i g n i n g a m i c r u s u b s t r a t e s w i t h a o n l y b e u n i f o r m ] ; l a r g e r s u b s t r a t e s - i s i n c r e a s e d t o 5 " T h e d i a m s l i d i n g s h o r t e q u u s e d . T h e l e n g t h M C P R d e s i g n w a l l o w s t h e C a v i t } m o d f m o v e s t h e m o r e t h a n 1 0 c m h e i g h t O f t h e q u ; L a “ W i t h “ n . T h e b a S l M a t e p e r f O I T m 4 “ r e a C K O r g . m e d t o S u n t h t t h a t m m ' i d e d . 4 5 2 . 2 . 2 . 2 . 6 5 ” M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c t o r ( 5 ” M C P R ) T h e 5 ” M C P R w a s d e v e l o p e d b y J . Z h a n g a n d J . A s m u s s e n w i t h t h e i n t e n t o f d e s i g n i n g a m i c r o w a v e p l a s m a s o u r c e t h a t c o u l d d e p o s i t p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s o n s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r a s l a r g e a s 4 ” [ 3 7 ] . P r e v i o u s l y i n t h e 4 ” r e a c t o r , d i a m o n d c o u l d o n l y b e u n i f o r m l y d e p o s i t e d o n s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r o f 1 . 5 ” o r l e s s . I n t h e 5 ” M C P R l a r g e r s u b s t r a t e s c a n b e a c c o m m o d a t e d b e c a u s e t h e o u t s i d e d i a m e t e r o f t h e q u a r t z b e l l j a r i s i n c r e a s e d t o 5 ” , h o w e v e r ; t h e b a s i c e n d f e e d r e a c t o r c o n fi g u r a t i o n r e m a i n s t h e s a m e . T h e d i a m e t e r o f t h e c a v i t y s h e l l i n t h e 5 ” M C P R i s l e f t u n c h a n g e d a t 7 ” a n d t h e s l i d i n g s h o r t e q u i p p e d w i t h a m i c r o w a v e i n p u t p r o b e f o r T a n r e s o n a t i n g m o d e s i s s t i l l u s e d . T h e l e n g t h o f t h e c a v i t y s h e l l w a s i n c r e a s e d t o 1 2 ” , s i n c e a n o t h e r o b j e c t i v e o f t h e 5 ” M C P R d e s i g n w a s t o p r e c l u d e q u a r t z c o a t i n g b y t h e n e a r fi e l d p l a s m a . T h e l o n g e r s h e l l a l l o w s t h e c a v i t y t o b e t u n e d t o t h e T M 0 1 3 m o d e . T u n i n g t h e c a v i t y t o a h i g h e r T a n m o d e m o v e s t h e t i p o f t h e i n p u t p r o b e f r o m a f e w c m f r o m t h e t o p o f t h e q u a r t z b e l l j a r t o m o r e t h a n 1 0 c m a w a y . W i t h t h e m i c r o w a v e i n p u t p r o b e l o c a t e d h i g h e r i n t h e c a v i t y t h e h e i g h t o f t h e q u a r t z b e l l w a s t h e n a d j u s t e d t o i n s u r e t h a t t h e p l a s m a c o u l d n o t c o m e i n c o n - t a c t w i t h i t . T h e b a s e p l a t e f o r t h e 5 ” M C P R w a s d e s i g n e d t o fi t t h e l a r g e r b e l l j a r a n d t o i n c o r - p o r a t e p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t s f o r b e t t e r t h e r m a l m a n a g e m e n t , a p r o b l e m t h a t p l a g u e d t h e 4 ” r e a c t o r s . O n e m o d i fi c a t i o n o f t h e b a s e p l a t e w a s t h e r e l o c a t i o n o f t h e v a c u u m o - r i n g u s e d t o s e a l t h e b e l l j a r t o t h e b a s e p l a t e . A fl a n g e w a s a d d e d a t t h e b o t t o m o f t h e b e l l j a r t h a t p r o v i d e d a m e a n s o f m o v i n g t h e o - r i n g c l o s e r t o t h e w a t e r g a l l e y r u n n i n g a r o u n d t h e 1 . P e r h a p s [ h f o u t e r e d g e o f t h e p e r a t u r e s w i t h o u A n o t h e r 2 w a s a n i n c r e a s e 3 , I s h o r t . T h e d i a m e i n c h e s . T h i s l a r g e t h e 4 " M C P R h a t P 0 W e r c a p a c i t y 0 A n i n i t i a l P e r f o r m a n c e W i t h w e r e C l e v e ] O p e d f b e t w e e n 3 a n d 4 $ 3 5 “ s t h e r e , b t i o n f o r e a c h S u b T h e F O r C t ‘ 0 d e n i m d i a m o - c o m p o n e n t s o f t i W I n b e . T h e S u b s t S h a p e d S u b s t r a t e : a t ) “ , I t h o u g h t h e Y ‘ a l l - e . . I ) o f m a t e r i . 5 t e € 4 6 o u t e r e d g e o f t h e b a s e p l a t e . T h i s m o d i fi c a t i o n a l l o w e d t h e u s e o f h i g h e r p r o c e s s g a s t e m - p e r a t u r e s w i t h o u t t h e r i s k o f b u r n i n g o u t t h e o - r i n g . A n o t h e r m a j o r d e s i g n i m p r o v e m e n t t h a t w a s i m p l e m e n t e d i n t h e 5 ” M C P R r e a c t o r w a s a n i n c r e a s e i n i n p u t p o w e r c a p a b i l i t y o f t h e m i c r o w a v e i n p u t p r o b e i n t h e s l i d i n g s h o r t . T h e d i a m e t e r o f t h e c o a x i a l a s s e m b l y i n t h e s l i d i n g s h o r t w a s i n c r e a s e d t o 1 5 / 8 i n c h e s . T h i s l a r g e r d i a m e t e r a l l o w s u p t o 6 k W o f p o w e r t o fl o w i n t o t h e c a v i t y ; w h e r e a s , t h e 4 ” M C P R h a d a 7 / 8 i n c h c o a x i a l f e e d t h a t w a s l i m i t e d t o a m a x i m u m m i c r o w a v e p o w e r c a p a c i t y o f 1 k W . A n i n i t i a l s e t o f d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w a s d e s i g n e d t o e v a l u a t e r e a c t o r p e r f o r m a n c e w i t h 5 d i f f e r e n t s u b s t r a t e h o l d e r c o n fi g u r a t i o n s . A l l t h e c o n fi g u r a t i o n s u s e d w e r e d e v e l o p e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n o n a d i s k s h a p e d s u b s t r a t e a r e a w i t h a d i a m e t e r b e t w e e n 3 a n d 4 i n c h e s . S p e c i fi c d e t a i l s a n d a p h y s i c a l d e s c r i p t i o n o f e a c h s t a g e i s n o t d i s c u s s e d h e r e , b u t c a n b e o b t a i n e d e l s e w h e r e w m . A s u m m a r y o f t h e p e r f o r m a n c e e v a l u a - t i o n f o r e a c h s u b s t r a t e h o l d e r c o n fi g u r a t i o n i s l i s t e d i n t a b l e 2 . 3 . T h e F o r c e d F l o w C o n fi g u r a t i o n i s s h o w n i n fi g u r e 2 . 1 8 . T h i s a s s e m b l y c a n b e u s e d t o d e p o s i t d i a m o n d o n d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r o f 4 ” o r l e s s . T h e p r i m a r y c o m p o n e n t s o f t h e a s s e m b l y a r e t h e s u b s t r a t e h o l d e r , t h e l a r g e q u a r t z t u b e a n d t h e i n t e r i o r m e t a l t u b e . T h e s u b s t r a t e h o l d e r i s a t h i n d i s k w i t h a r e c e s s e d a r e a t o p o s i t i v e l y l o c a t e d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s . A r i n g o f s m a l l h o l e s a r o u n d i t s p e r i m e t e r a l l o w s t h e p r o c e s s g a s t o fl o w t h r o u g h t h e p l a s m a a n d t o t h e v a c u u m p u m p . T h e h o l d e r c a n b e f a b r i c a t e d f r o m a v a r i e t y o f m a t e r i a l s i n c l u d i n g g r a p h i t e , a m o r p h o u s c a r b o n , b o r o n n i t r i d e a n d s t a i n l e s s s t e e l . P e r h a p s t h e b e s t m a t e r i a l i s b o r o n n i t r i d e s i n c e i t d o e s n o t r e a c t w i t h t h e p l a s m a t o B a ~ F o r J e t 4 7 C o n fi g u r a t i o n N a m e P e r f o r m a n c e R e s u l t s B a s i c 4 ” s u b s t r a t e 2 0 t o r r 1 % C H 4 i n H 2 2 k W G r o w t h R a t e < 0 . 2 u m / h r F o r c e d F l o w 4 ” s u b s t r a t e 4 0 t o r r 1 % C H 4 i n H 2 4 k W G r o w t h R a t e 0 . 5 - 0 . 8 r i m / h r J e t 1 . 5 ” s u b s t r a t e 9 5 t o r r 1 . 5 % C H 4 i n H z 1 . 6 7 k W G r o w t h R a t e 1 . 5 p m / h r L o w e r C a v i t y R e s o n a n c e 3 ” s u b s t r a t e 3 0 t o r r 1 % C H 4 i n H 2 2 k W G r o w t h R a t e < 0 . 2 t u n / h r D o w n S t r e a m 3 ” s u b s t r a t e 1 5 t o r r 1 % C H 4 i n H z 1 . 5 k W B N h e a t e r 1 0 0 V a c ( 6 0 H z ) G r o w t h R a t e a n d u n i f o r m i t y w e r e d e s c r i b e d a s p o o r . T a b l e 2 . 3 : P e r f o r m a n c e o f 5 ” M C P R c o n fi g u r a t i o n s m ] . I F ‘ t . . l 1 . 1 ' I F i g u r . 4 8 S l i d i n g S h o r t T u n i n g S l i d i n g S h o r t : r a s s C a v i t y Q u a r t z B e l l J a r C o o l i n g W a t e r . \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ‘ \ \ ‘ \ \ \ \ \ \ \ \ / ! % i / I / I / I / I " " a \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ V F i g u r e 2 . 1 8 E n d F e e d 5 ” M C P R . h a v e o n d i a m o a l t e r t h e p r o c e s é t h e r m a l c o n d u c t i e r r e d o v e r a p o T h e f u n t s u b s t r a t e i n t h e l e n g t h o f t h e q u t h a t t h e b e s t l o c s t r a t e i s n e a r a ] a b o v e 3 0 t o r r , T h e i n t : l o c a t i o n . I t g e n c a v i t y T h i s i n ' 1 3 C V D i T h e r e 1 a r e d o m i n a n t 1 e a t f r o m t h e l a P r E s g u r e P l a s r r e m S i t u a t i o n s c a r e w h a t P F E C U t u r e r e q u i r e d u 4 9 a l t e r t h e p r o c e s s c h e m i s t r y l i k e c a r b o n b a s e d m a t e r i a l s . A l s o , b o r o n n i t r i d e h a s a h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y . T h i s t h e r m a l c h a r a c t e r i s t i c o f b o r o n n i t r i d e m e a n s i t w o u l d b e p r e - f e r r e d o v e r a p o o r t h e r m a l c o n d u c t i n g m e t a l s u c h a s s t a i n l e s s s t e e l . T h e f u n c t i o n o f t h e q u a r t z t u b e t h a t t h e s u b s t r a t e h o l d e r s i t s o n i s t o p o s i t i o n t h e s u b s t r a t e i n t h e d e s i r e d l o c a t i o n i n t h e r e a c t o r . B e s i d e s c e n t e r i n g t h e s u b s t r a t e h o l d e r , t h e l e n g t h o f t h e q u a r t z t u b e i s u s e d t o a d j u s t t h e h e i g h t l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e . I t t u r n s o u t t h a t t h e b e s t l o c a t i o n f o r u n i f o r m d i a m o n d d e p o s i t i o n o n l a r g e s u b s t r a t e s i s w h e n t h e s u b - s t r a t e i s n e a r a h e i g h t t h a t i s e v e n w i t h t h e fl o o r o f t h e c a v i t y w h e n t h e p l a s m a p r e s s u r e i s a b o v e 3 0 t o r r . T h e i n t e r i o r m e t a l t u b e i s s e t a t t h e b o t t o m o f t h e c a v i t y b a s e p l a t e i n a c o n c e n t r i c l o c a t i o n . I t s e r v e s t o p r e v e n t r e s o n a n c e o f h i g h i n t e n s i t y E M fi e l d s i n t h e b o t t o m o f t h e c a v i t y . T h i s i n t u r n p r e v e n t s t h e f o r m a t i o n o f a p l a s m a d i s c h a r g e i n t h e a r e a b e l o w t h e s u b - s t r a t e h o l d e r . T h e m e t a l t u b e i s f a b r i c a t e d f r o m s t a i n l e s s s t e e l s t o c k a n d i s 3 ” i n d i a m e t e r . 2 . 3 C V D D i a m o n d G a s P h a s e C h e m i s t r y T h e r e i s n o t y e t a c o m p l e t e l y c l e a r u n d e r s t a n d i n g a s t o w h a t c h e m i c a l p r o c e s s e s a r e d o m i n a n t i n t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s e s m e n t i o n e d p r e v i o u s l y i n s e c t i o n 2 . 2 . I t i s a p p a r - e n t f r o m t h e l a r g e v a r i a n c e i n g r o w t h r a t e s , w h i c h r a n g e f r o m l e s s t h a n 1 . 0 j a m / h r i n l o w p r e s s u r e p l a s m a s y s t e m s t o g r e a t e r t h a n 9 5 0 u n i / h r i n t h e d c p l a s m a j e t , t h a t g r e a t l y d i f f e r - e n t s i t u a t i o n s c a n e x i s t o n t h e s u b s t r a t e i n t h e v a r i o u s p r o c e s s e s . S o m e o f t h e u n k n o w n s a r e w h a t p r e c u r s o r s a r e p r e s e n t i n t h e g a s p h a s e , w h a t i s t h e m i n i m a l g a s p h a s e t e m p e r a - t u r e r e q u i r e d t o g e n e r a t e t h e d e s i r e d c h e m i s t r y , a n d w h a t e f f e c t d o e s s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e h a v e o n d i a m o n d s e e d g r o w t h . O f c o u r s e a n o t h e r l a r g e s u b s e t o f v a r i a b l e s i n t h e d e p o s i - r . n o n d i a R m e o c “ 3 3 0 ‘ C r y s t n d e a n l c l a y t l i n e d e i m p r c t h e ( 1 1 1 2 1 e r o f t m a g n i t 1 3 . 1 u B R H f a i ~ O g a s o u n d p n p c a l r u e d i n i n t n a e P t t c c h h h g m h t n s C t m t e d h e a e a e a . l . P d m e i e ; a h n e t i o n p r o c e s s i s t s u c h a s C H 4 o r t c a r b o n c o n t a i n i : . . b l ' l d C S a t o m i c h } s a t ) i n s u f fi c i e n g r o w t h . U n d e r s w h e n o x y g e n i s 0 T H J 3 8 ] T h e m b ' ' 5 0 t i o n p r o c e s s i s t h e i n p u t g a s e s a n d t h e m i x t u r e r a t i o . T y p i c a l l y , a c a r b o n c o n t a i n i n g g a s s u c h a s C H 4 o r C O i s m i x e d i n a s m a l l p e r c e n t a g e w i t h H 2 ( i . e . C H 4 < 2 % i n H 2 ) . H e r e t h e c a r b o n c o n t a i n i n g g a s p r o v i d e s t h e d i a m o n d p r e c u r s o r a n d t h e m o l e c u l a r h y d r o g e n p r o - v i d e s a t o m i c h y d r o g e n a n d O H i f o x y g e n i s i n c l u d e d . I n e i t h e r c a s e , H a n d O H a r e n e c e s - s a r y i n s u f fi c i e n t q u a n t i t y t o e t c h n o n - d i a m o n d c a r b o n t h a t i s d e p o s i t e d d u r i n g d i a m o n d g r o w t h . U n d e r s o m e p r o c e s s c o n d i t i o n s d e p o s i t i o n g r o w t h r a t e a n d q u a l i t y a r e i m p r o v e d w h e n o x y g e n i s a d d e d t o t h e m i x t u r e . O x y g e n c a n b e a d d e d v i a C O , C 0 2 a n d O z . T h e r e h a v e a l s o b e e n r e p o r t s t h a t h a l o g e n c o n t a i n i n g g a s e s c a n p r o m o t e d i a m o n d g r o w t h i n a n o n - d i a m o n d c a r b o n p r o c e s s . R e c e n t l y , a g r o u p a t A r g o n n e N a t i o n a l L a b o r a t o r y h a s s h o w n t h a t v e r y s m o o t h n a n o - c r y s t a l l i n e fi l m s c a n b e d e p o s i t e d v i a a m i x t u r e o f a r g o n a n d C 6 0 i n a s m a l l a m o u n t o f H 2 9 8 ] . T h e m e a s u r e d w e a r r a t e s o f d i a m o n d g r o w n b y t h i s p r o c e s s h a v e t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e i m p r o v e m e n t o v e r t h o s e g r o w n b y c o n v e n t i o n a l C H 4 - H 2 m e t h o d s . 2 . 3 . 1 B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m R e c e n t p u b l i c a t i o n s b y B a c h m a n n d e s c r i b e t h e d i a m o n d g r o w t h r e g i o n w i t h a C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m ( fi g u r e 2 . 1 9 ) [ 3 9 ] [ 4 0 ] . G e n e r a l l y , t h e d i a m o n d g r o w t h r e g i o n i s f o u n d i n t h e c e n t e r o f t h e t e r n a r y d i a g r a m s u r r o u n d i n g t h e C O l i n e . F r o m t h e fi g u r e i t i s a p p a r e n t t h a t d i a m o n d c a n b e g r o w n f r o m a w i d e r a n g e o f g a s e s m i x e d i n h y d r o g e n i n c l u d i n g m e t h a n e , e t h a n e , e t h y l e n e , a c e t y l e n e a n d c a r b o n d i o x i d e . A g e n e r a l t r e n d i s t h a t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d i m p r o v e s f r o m t h e c a r b o n r i c h t o t h e o x y g e n r i c h s i d e . A l s o , n o s o l i d c a r b o n , d i a m o n d o r o t h e r w i s e , i s d e p o s i t e d i f t h e p a r t i a l p r e s s u r e o f o x y g e n i s t o o h i g h . B a c h m a n n f u r t h e r c o n c l u d e d t h a t t h e a b i l i t y o f a c e r t a i n m i x t u r e t o S l y i e l d d i a m o r t i a l c h e m i c a l T h e ( i n v e s t i g a t e d f r e e d o m a l l o t u r e s . O n e m o n e s b e i n g I t T h e 1 C 0 3 a n d C 3 ] fi g u r e 2 . 1 9 ] h . V d I O g e n n o m a n n ‘ s m o d C ~ H ~ O d i a g i 2 ' 3 0 ) - T h e n C 3 H 2 ‘ C 0 2 n d i a m 0 n d d e l d e p o s i t i o n 0 2 . 3 . 2 T h e 1 Y . L c 0 3 1 m ) “ p r O C e [ 0 r 5 2 y i e l d d i a m o n d d e p e n d s o n l y o n t h e o v e r a l l c o n t e n t o f C , O , a n d H - - t h e m a k e u p o f t h e i n i - t i a l c h e m i c a l s p e c i e s i s i r r e l e v a n t . T h e c o n c e p t o f d i a m o n d g r o w t h b a s e d o n t h e o v e r a l l C - H - O c o n t e n t w a s l a t e r [ 4 ” a t . e ] . T h e m o t i v a t i o n f o r t h i s w o r k w a s t h e h i g h d e g r e e o f i n v e s t i g a t e d b y M o r i n e l l i f r e e d o m a l l o w e d b y b e i n g a b l e t o s e l e c t a m o n g a g r e a t n u m b e r o f p o s s i b l e s t a r t i n g m i x - t u r e s . O n e m i g h t c h o o s e t h e o n e s m o s t s u i t a b l e t o s a t i s f y o n e ’ s o w n c o n v e n i e n c e s , e . g . , t h e o n e s b e i n g l e a s t h a z a r d o u s , e x p e n s i v e , p o i s o n o u s o r p o l l u t i n g . T h e g r o w t h m i x t u r e s i n v e s t i g a t e d i n t h e s t u d y w e r e C H 4 - C O Z , C s z - C O Z , C 2 H 4 - C 0 2 a n d C s z - C O Z , w h o s e r e p r e s e n t a t i v e l i n e s i n t e r s e c t t h e a s s u m e d d i a m o n d d o m a i n i n fi g u r e 2 . 1 9 . T h e s e m i x t u r e s a r e n o n - c o n v e n t i o n a l i n t h a t t h e y c o n t a i n n e i t h e r m o l e c u l a r h y d r o g e n n o r m o l e c u l a r o x y g e n . T h e r e s u l t s w e r e t h a t t h e q u a l i t a t i v e a s p e c t s o f B a c h - m a n n ’ s m o d e l w e r e c o n fi r m e d , m e a n i n g t h a t a d i a m o n d d o m a i n w a s f o u n d t o e x i s t i n t h e C - H - O d i a g r a m . Q u a n t i t a t i v e l y t h o u g h , t h e d o m a i n h a d a d i f f e r e n t s i z e a n d s h a p e ( fi g u r e 2 . 2 0 ) . T h e w i d t h o f t h e d o m a i n s h r i n k s w h i l e m o v i n g a w a y f r o m t h e H v e r t e x . A l s o , t h e C Z H z - C O Z m i x t u r e h a d a s i n g l e c o m p o s i t i o n ( C Z H Z 6 7 . 3 % , C 0 2 3 7 . 7 % ) w h i c h r e s u l t s i n d i a m o n d d e p o s i t i o n . S l i g h t v a r i a n c e s i n t h e C s z - C O Z m i x t u r e a s l i t t l e a s 1 % r e s u l t i n d e p o s i t i o n o f n o n - d i a m o n d c a r b o n . 2 . 3 . 2 T h e e f f e c t o f O x y g e n i n M i c r o w a v e D i a m o n d D e p o s i t i o n Y . L o u e t . a l . a t P e n n . S t a t e f o u n d t h a t t h e a d d i t i o n o f o x y g e n c a n i m p r o v e t h e d e p - o s i t i o n p r o c e s s m ] . W h e n 0 2 i s a d d e d t o a m e t h a n e , h y d r o g e n p l a s m a i n t h e B e l l J a r R e a c - t o r a n i n c r e a s e i n g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y c a n o c c u r . T h e y r e p o r t e d t h a t f o r s u b s t r a t e s a b o v e 9 5 0 C a n o x y g e n t o c a r b o n r a t i o o f < 1 % i m p r o v e s t h e d e p o s i t i o n r a t e a n d R a m a n 5 3 n o n — d i a m o n d c a r b o n g r o w t h r e g i o n D i a m o n d G r o w t h R e g i o n F i g u r e 2 . 2 0 M o d i fi e d C — H - O t e r n a r y g a s p h a s e d i a g r a m t o r s p e c t r a t h e t i e r i t e d a t i T h o s e l l i g h t i n i m p r o v t T h e y c a b y O H i n e c k s f 0 f o r l H C o r S l l a t e d e ‘ u s i n g m g L i O i l e d a t S p e c k s c “ t h a n F l 0 f S u r f a C e 5 4 s p e c t r a f o r d e p o s i t e d fi l m s . A t t e m p e r a t u r e s b e l o w 7 0 0 C t h e a d d i t i o n o f o x y g e n d e c r e a s e s t h e d e p o s i t i o n r a t e , b u t d r a m a t i c a l l y i m p r o v e s t h e q u a l i t y o f d e p o s i t e d fi l m s . F i l m s d e p o s - 1 ' t e d a t l o w t e m p e r a t u r e w i t h o u t o x y g e n w e r e t r a n s l u c e n t a m o r p h o u s c a r b o n m a t e r i a l . T h o s e d e p o s i t e d w i t h o x y g e n w e r e d e s c r i b e d a s o p t i c a l l y s m o o t h , t r a n s p a r e n t fi l m s w i t h a l i g h t i n t e r f e r e n c e p a t t e r n . H a r r i s a n d W e i n e r c o n c l u d e d t h a t a t l o w s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s o x y g e n m a y i m p r o v e t h e q u a l i t y o f d i a m o n d t h r o u g h s e l e c t i v e e t c h i n g o f n o n - d i a m o n d c a r b o n m ] . T h e ) ! c a l c u l a t e d t h a t t h e r e m o v a l r a t e s b y 0 2 a n d O a r e r e l a t i v e l y l o w , b u t t h e r e m o v a l r a t e b y O H i s a b o u t 0 . 2 5 t u n / h r . 2 - 3 - 3 H a r r i s - G o o d w i n M o d e l A t l o w s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s a n d l o w p r e s s u r e s , t h e r e a r e t w o p o t e n t i a l b o t t l e - n e e k s f o r g r o w t h . F i r s t , l o w e r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s r e s u l t i n f e w e r , a v a i l a b l e s u r f a c e s i t e s f o l ‘ i n c o r p o r a t i o n o f n e w c a r b o n . S e c o n d , t h e fl u x o f c a r b o n c o n t a i n i n g s p e c i e s t o t h e s u b - s t r a t e d e c r e a s e s a s t h e p r e s s u r e a n d p o w e r a r e r e d u c e d . T h e l a t t e r c a n b e i n c r e a s e d b y u s i n g h i g h m i c r o w a v e i n p u t p o w e r s a n d h i g h e r p r e s s u r e s w i t h s u b s t r a t e c o o l i n g a s m e n - t i ( > t l e d a b o v e . I n f o r m a t i o n a b o u t t h e r e l a t i v e r o l e s o f s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d p l a s m a S p e c i e s c o n c e n t r a t i o n i s o b t a i n e d b y c o n s i d e r i n g t h e p a t h w a y t o d i a m o n d g r o w t h , f o l l o w - i n g I - I a r r i s l 4 4 ] a n d G o o d w i n l 4 5 ] . F i r s t , c o n s i d e r i n g t h e i n t e r a c t i o n o f h y d r o g e n w i t h a d i a m o n d s u r f a c e , a b s t r a c t i o n o f S u d a c e h y d r o g e n , S z H , b y a t o m i c H a t o m s p r o c e e d s a s i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 6 ] . T h e r a t e s t e a d y 5 r a t e o f c i n t q u a t T h e c o n 5 5 S : H + H E — K s * + H 2 e q ( 2 . 6 ) E q u a t i o n [ 2 . 7 ] r e p r e s e n t s fi l l i n g o f a r a d i c a l s u r f a c e s i t e b y a t o m i c H . . K s + H 3 ; S : H e q ( 2 . 7 ) T h e r a t e c o n s t a n t f o r t h e r e v e r s e r e a c t i o n i n e q u a t i o n [ 2 . 7 ] , K _ 2 , i s n e g l i g i b l y s m a l l . I n s t e a d y s t a t e , t h e r a t e o f p r o d u c t i o n o f 8 * b y t h e r e a c t i o n i n e q u a t i o n [ 2 . 6 ] w i l l e q u a l t h e r a t e o f d e s t r u c t i o n o f S " . b y t h e r e a c t i o n s i n e q u a t i o n [ 2 . 6 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 7 ] a s i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 8 ] . K , [ S : H ] [ H ] = K _ I [ S . ] [ H ] + K 2 [ S ‘ ] [ H 2 ] e q ( 2 . 8 ) T h e c o n c e n t r a t i o n o f s u r f a c e s i t e s i s t h e n d e t e r m i n e d t o b e t h a t s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 9 ] . K , [ H ] [ S : H ] 1 ( _ , [ H 2 ] + K 2 [ H 2 ] e q ( 2 ' 9 ) [ 5 ‘ ] = T h e f r a c t i o n o f c o v e r e d s u r f a c e s i t e s i s g i v e n i n e q u a t i o n [ 2 . 1 0 ] a n d t h e f r a c t i o n o f u n c o v e r e d s u r f a c e s i t e s i s g i v e n i n e q u a t i o n [ 2 . 1 1 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 1 2 ] . T h e m o l a r f r a c t i o n o f a t o m i c h y d r o g e n [ H ] / [ H 2 ] i s e x p r e s s e d a s X “ . 9 = _ ‘ _ S H _ _ _ e q ( 2 . 1 0 ) [ s ] + [ S : H ] m l E m e r i t o f A t u r b o t h e r e i s b u n S p e i t h e d i m a d s o r b a i T h e r a t S l a t e t h e d i g s / s . ) = K 3 r c h ] [ s ' ] _ K _ 3 [ S : A ] — K 4 [ S : A ] [ H ] — K 5 [ S : A ] [ H ] e q ( 2 - 1 6 ) 5 6 K . t H 1 1 7 9 ‘ K I [ H ] + K 2 [ H ] + K _ , [ H 2 ] e q ( 2 ' 1 1 ) 1 - 9 “ H e q ( 2 . 1 2 ) = ( 1 ( 1 + 1 ( 2 ) x H + K _ , I n c o r p o r a t i o n o f n e w c a r b o n a t t h e u n c o v e r e d s u r f a c e s i t e s p r o c e e d s a s t h e a t t a c h - m e n t o f a h y d r o c a r b o n s p e c i e s a s s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 1 3 ] . s ‘ + c u m l § S : A e q ( 2 . 1 3 ) K 3 A c a r b o n c o n t a i n i n g s p e c i e s t h a t i s a t t a c h e d t o t h e s u r f a c e i s r e p r e s e n t e d a s S : A . N e x t , t h e r e i s a c o m p e t i t i o n b e t w e e n a r e a c t i o n t h a t e t c h e s t h e n e w l y p l a c e d n o n - d i a m o n d c a r - b o n s p e c i e s , s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 1 4 ] a n d a r e a c t i o n t h a t i n c o r p o r a t e s t h e a d s o r b a t e i n t o t h e d i a m o n d l a t t i c e . T h e l a t t e r i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 1 5 ] . I t i n c l u d e s t h e a b s t r a c t i o n o f a d s o r b a t e h y d r o g e n f r o m t h e s u r f a c e . K ; . S : A + q H - — > S + p r o d u c t s e q ( 2 . 1 4 ) S : A - t - ( m - 1 ) H I : S ) S : H + ( m - 1 ) H 2 e q ( 2 . 1 5 ) T h e r a t e o f i n c o r p o r a t i o n a n d e t c h i n g o f S : A i s e x p r e s s e d i n e q u a t i o n [ 2 . 1 6 ] . I n t h e s t e a d y s t a t e t h e t i m e d e r i v a t i v e i s z e r o . E q u a t i o n [ 2 . 1 7 ] s h o w s t h e s t e a d y s t a t e s o l u t i o n f o r S : A . t e r m : h e c ; S u b s e n n g d o n t 5 7 K 3 [ C H m ] [ s ' ] S : A = l ] K _ 3 + ( K 4 + K 5 ) [ H ] e q ( 2 . 1 7 ) T h e r a t e o f i n c o r p o r a t i o n o f n e w d i a m o n d i n t o t h e l a t t i c e R C c a n b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f K 5 , [ S : A ] a n d [ H ] . T h e n , t h e g r o w t h r a t e o f d i a m o n d , G , i s s i m p l y R C d i v i d e d b y t h e c a r b o n a t o m d e n s i t y i n d i a m o n d n C . R C = x s t s m m ] e q ( 2 . 1 8 ) e q ( 2 . 1 9 ) O l l : 1 ' ” 0 0 S u b s t i t u t i n g e q u a t i o n [ 2 . 1 7 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 1 8 ] i n t o e q u a t i o n [ 2 . 1 9 ] , G i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f r a t e c o n s t a n t s a n d m o l e c u l a r c o n c e n t r a t i o n s . T h i s i s e s s e n t i a l l y G o o d w i n ’ s e q u a - t i o n ( 2 O ) [ 4 5 ] . _ K s K s t C H m t t s ‘ i t h _ “ C { K - 3 + ( K . + 1 ( 5 ) a n e q ( 2 . 2 0 ) _ K s K l e H m l r m n ' o t I - e ) e q ( 2 2 1 ) ’ n C { K _ 3 + ( K 4 + K 5 ) [ H ] } T h e s u r f a c e c o n c e n t r a t i o n o f c a r b o n a t o m s f o r d i a m o n d i s n o ’ . A m o r e d e t a i l e d m o d e l , p r o p o s e d b y H a r r i s a n d W e i n e r , r e q u i r e s t h a t r a d i c a l s u r - f a c e s i t e s m u s t b e p r e s e n t i n p a i r s f o r c a r b o n t o b e i n c o r p o r a t e d i n t h e d i a m o n d l a t t i c e . T h e C O D C E s i o n 1 H a r r i 5 8 c o n c e n t r a t i o n o f p a i r e d s u r f a c e r a d i c a l s i s e x p r e s s e d a s n o ’ ( 1 - 6 ) 2 . T h e i r m o d i fi e d e x p r e s — s i o n f o r t h e g r o w t h r a t e , G * , o f t h e d i a m o n d l a t t i c e i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 2 . 2 2 ] . . _ K 5 K 3 [ C H m ] [ H ] n ' o ( 1 - O ) 2 " n C { K _ 3 + ( K 4 + K 5 ) [ H ] } e q ( 2 . 2 2 ) H a r r i s p r e s e n t s t h e r a t e c o n s t a n t s a s t h e f o l l o w i n g . K , = ( 4 . 1 5 x 1 0 4 0 ) e x p ( - O . 3 1 6 / k T ) c m 3 / s e c K _ , = ( 4 . 1 5 x 1 0 “ " ) e x p ( - 1 . 1 7 / k T ) c m 3 / s e c K 2 = 1 . 6 6 x 1 0 ' 1 0 c m 3 / s e c K 3 = 1 . 6 6 x 1 0 ' 1 1 c m 3 / s e c K _ 3 = 1 . 6 6 x 1 0 ‘ 1 0 e x p ( - 1 . 0 l / k T ) s e c ' l T h e a c t i v a t i o n e n e r g i e s i n t h e e x p o n e n t i a l t e r m s a r e i n e l e c t r o n v o l t s a n d k i s B o l t z m a n n ’ s c o n s t a n t , 8 . 6 2 x 1 0 ' 5 e V / K . I f i t i s n o t e d t h a t o v e r t h e t e m p e r a t u r e r a n g e o f i n t e r e s t K 3 i s v e r y s m a l l , a n d i f , f o l l o w i n g G o o d w i n , t h e e t c h r a t e c o n s t a n t K 4 i s a l s o c o n s i d e r e d t o b e n e g l i g i b l e , t h e n t h e e x p r e s s i o n f o r G , “ c a n b e s i m p l i fi e d . 0 . _ 1 ( 3 [ C H m ] n ' o ( l — ( - 9 ) i 2 e q ( 2 . 2 3 ) n c F m d h 1 5 7 1 q m m h u h c h t m a m a h y m n : s n e w ' m u n : t e m p e r ; 1 4 h o o p W h m a m e m o l l ] : m a m a 5 9 F o r d i a m o n d t h e a t o m d e n s i t y i s m e = 1 . 7 9 x 1 0 2 3 c m " 3 a n d f o r t h e ( 1 0 0 ) s u r f a c e , n o ’ = 1 . 5 7 x 1 0 1 5 c m ’ z . T h e c o n c e n t r a t i o n o f s p e c i e s , [ C H m ] , i s e x p r e s s e d i n c m ' 3 . C o n s e - q u e n t l y , t h e u n i t s o f g r o w t h i n e q u a t i o n [ 2 . 2 3 ] a r e c m / s e c . I n e q u a t i o n [ 2 . 2 3 ] t h e t e r m s n o n o ’ a n d K 3 a r e c o n s t a n t s . T h e t w o v a r i a b l e s a r e 8 , w h i c h d e p e n d s p r i m a r i l y o n t e m p e r a t u r e , a n d [ C H m ] , w h i c h d e p e n d s o f t h e p r e s s u r e o f t h e p l a s m a a n d t h e d e g r e e o f d i s s o c i a t i o n o f t h e p l a s m a . T h e q u a n t i t y [ C H m ] c a n b e i n c r e a s e d b y i n c r e a s i n g t h e p o w e r , w h i c h i n c r e a s e s t h e d i s s o c i a t i o n r a t e , a n d b y i n c r e a s i n g t h e p r e s - s u r e , w h i c h i n c r e a s e s t h e c o n c e n t r a t i o n o f s p e c i e s t o b e d i s s o c i a t e d . B y i n c r e a s i n g t h e p o w e r a n d p r e s s u r e , c o o l i n g o f t h e s u b s t r a t e i s r e q u i r e d i n o r d e r t o m a i n t a i n l o w s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s . 2 . 4 M e t h o d s o f L o w T e m p e r a t u r e D i a m o n d D e p o s i t i o n A s m e n t i o n e d e a r l i e r , s u b s t r a t e s t h a t a r e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e c a n n o t b e e x p o s e d t o a t y p i c a l h i g h t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . T h r e e t e c h n i q u e s f o r a d a p t i n g a p l a s m a C V D p r o c e s s f o r d e p o s i t i o n o n a t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e a r e ( 1 ) l o w e r i n g t h e p r e s s u r e , ( 2 ) c o n t r o l l i n g t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d ( 3 ) u s i n g p u l s e m o d u l a t e d m i c r o w a v e p o w e r . 2 . 4 . 1 L o w P r e s s u r e P l a s m a C V D P r o c e s s i n g I n a p l a s m a C V D p r o c e s s t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s h i g h l y d e p e n d e n t o n t h e g a s p r e s s u r e . H e n c e , a m e t h o d o f a d a p t i n g a p l a s m a C V D p r o c e s s t o d e p o s i t a d i a m o n d fi l m o n a t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e i s t o l o w e r t h e g a s p r e s s u r e o f t h e p l a s m a . A t l o w e r p r e s s u r e s , t h e m e a n f r e e p a t h i n c r e a s e s a n d t h e p l a s m a e x p a n d s d e c r e a s i n g t h e p o w e r d e n - 6 O s i t y i n t h e p l a s m a . H e n c e , l o w e r i n g t h e p l a s m a p r e s s u r e i s o n e m e t h o d f o r l o w e r i n g t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . I t i s a l s o b e l i e v e d t h a t a l o w e r p l a s m a p r e s s u r e m a y c r e a t e a m o r e r a d i a l l y u n i f o r m p l a s m a d e n s i t y , t h u s i m p r o v i n g d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . U n f o r t u n a t e l y , l o w e r i n g t h e g a s p r e s s u r e a l s o r e d u c e s t h e a v a i l a b l e c a r b o n p r e c u r s o r s i n t h e p l a s m a . T h i s i n t u r n m e a n s t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e o f l o w p r e s s u r e p r o c e s s w i l l b e m u c h l o w e r t h a n t h e h i g h p r e s s u r e h i g h t e m p e r a t u r e p r o c e s s f o r a g i v e n i n p u t p o w e r . 2 . 4 . 2 M a n i p u l a t i o n o f S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e I n a p l a s m a p r o c e s s , i t i s a l s o p o s s i b l e t o h e a t o r c o o l t h e s u b s t r a t e . I f a l o w p r e s - s u r e p r o c e s s p r o v i d e s a d e s i r e d d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y t h a t a h i g h e r p r e s s u r e p r o c e s s c a n n o t a c h i e v e t h e s u b s t r a t e c a n b e h e a t e d t o m a i n t a i n t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o f t h e h i g h p r e s s u r e p r o c e s s . H e a t i n g t h e s u b s t r a t e i n t h i s c a s e c o u l d r e d u c e t h e d i m i n i s h e d d e p o s i t i o n r a t e e f f e c t . A n o t h e r w a y t o a c h i e v e a p r o c e s s w i t h a l o w e r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s t o c o o l t h e s u b s t r a t e i n a h i g h p r e s s u r e p r o c e s s t o t h e d e s i r e d t e m p e r a t u r e . B y e m p l o y i n g a s u b - s t r a t e c o o l e r i n t h i s m a n n e r t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e c a n b e c o n t r o l l e d w i t h o u t r e d u c i n g t h e c a r b o n r a d i c a l d e n s i t y i n t h e p l a s m a . H o w e v e r , t h i s a p p r o a c h m a y h a v e l i m i t e d v a l u e f o r t h i c k s u b s t r a t e s w i t h l o w t h e r m a l c o n d u c t i v i t y . 2 . 4 . 3 P u l s e M o d u l a t e d M i c r o w a v e P o w e r A p u l s e - m o d u l a t e d — m i c r o w a v e - p o w e r s u p p l y p r o v i d e s a d i f f e r e n t m e a n s t o c r e a t e a l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . T h e r a t i o n a l e i s t h a t t h e h i g h v a l u e s o f t h e 6 1 e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d m a g n i t u d e i n a p u l s e d d i s c h a r g e m a y p r o v i d e m o r e e f fi c i e n t d i s s o c i - a t i o n o f g a s e s f o r a g i v e n a v e r a g e p o w e r l o a d t o t h e s u b s t r a t e . [ 4 6 ] R i n g a n d M a n t e i h a v e r e p o r t e d t h a t t h i s t e c h n i q u e p r o d u c e s a n o r d e r o f m a g n i t u d e i n c r e a s e i n t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e o f t h e M A P C V D s y s t e m l 2 6 ] . T h e i r e x p e r i m e n t s h a d a n a v e r a g e m i c r o w a v e p o w e r o f 3 0 0 W ( 2 . 4 5 G H z ) ; g e n e r a t e d b y a s o u r c e o p e r a t i n g a t 0 . 8 m s p u l s e w i d t h , 1 2 0 H z r e p e t i t i o n f r e q u e n c y a n d 3 k W p e a k p o w e r . T y p i c a l M A P o p e r a t i n g c o n d i t i o n s w e r e u s e d ; p r e s s u r e a t 1 - 3 t o r r , m i x t u r e s o f C H 4 — H 2 - O z , a n d s u b - s t r a t e t e m p e r a t u r e b e t w e e n 3 0 0 C a n d 6 0 0 C . H a t t a e t . a l . a d v a n c e d t h e i d e a f u r t h e r b y i n v e s t i g a t i n g t h e d e p e n d e n c e o f g r o w t h r a t e o n r e p e t i t i o n f r e q u e n c y i n a p u l s e - m o d u l a t e d - m i c r o w a v e - p o w e r C V D d i a m o n d d e p o - s i t i o n s y s t e m l ‘ m . U s i n g a n M M P A C V D s y s t e m , t h e y g e n e r a t e d p u l s e - m i c r o w a v e - p o w e r w i t h 2 k W p e a k a n d a 5 0 % d u t y c y c l e ( 2 . 4 5 G H z ) . T h e r e p e t i t i o n f r e q u e n c y w a s v a r i e d f r o m 5 0 0 H z t o 2 0 k H z : y i e l d i n g a n a v e r a g e p o w e r o f a b o u t 9 0 0 W . T h e m a x i m u m d e p o s i - t i o n r a t e o c c u r r e d a t 5 0 0 H z a n d w a s t w i c e a s l a r g e a s t h a t f o r d i a m o n d g r o w n i n a c o n t i n - u o u s d i s c h a r g e . M a t s u m o t o a n d c o l l e a g u e s a l s o i n v e s t i g a t e d t h e i d e a o f i n c r e a s i n g d e p o s i t i o n r a t e s b y u s i n g p u l s e d - m i c r o w a v e - p o w e r w i t h a n a v e r a g e e q u a l t o t h e C W p o w e r ( 2 . 4 5 G H z ) [ 4 8 ] . T h e r a n g e o f r e p e t i t i o n r a t e s w a s w i t h i n t h a t o f H a t t a , b u t t h e p e a k p o w e r w a s m u c h l e s s t h a n b o t h R i n g a n d H a t t a ( 4 0 0 W ) . T h e r e s u l t w a s t h a t t h e r e w a s o n l y a s l i g h t i n c r e a s e i n d e p o s i t i o n r a t e o v e r t h a t o f t h e C W p r o c e s s . O n e m i g h t c o n c l u d e f r o m t h i s t h a t p u l s e d - m o d u l a t e d — m i c r o w a v e - p o w e r c a n b e s u c c e s s f u l i n m a n y t y p e s o f C V D s y s t e m s a s l o n g t h e p e a k p o w e r i s h i g h e n o u g h . F u r t h e r - m o r e , c o m p a r i n g t h e r e s u l t s o f R i n g a n d M a n t e i w i t h t h o s e o f H a t t a a n d c o l l e a g u e s i t i s 1 1 0 M t i o n 1 m o s t o f d i e t w o t e e s s 2 s u r f a t t u n i c n u c l e ; P r o s e : fi l m i t m e t h o a b l a t l e S l l r f a c i l e f t G o d l ' d m m H o w e y . ” G a t h e r 6 2 n o t e d t h a t i n c r e a s i n g t h e p e a k p o w e r i n a p u l s e - m o d u l a t e d p r o c e s s i n c r e a s e s t h e d e p o s i - t i o n r a t e . 2 . 5 D i a m o n d N u c l e a t i o n W h i l e C V D d i a m o n d d o e s n u c l e a t e o n d i a m o n d s u b s t r a t e s i t d o e s n o t n u c l e a t e o n m o s t n o n - d i a m o n d s u b s t r a t e s . A n u c l e a t i o n e n h a n c e m e n t s t e p i s r e q u i r e d f o r d e p o s i t i o n o f d i a m o n d f r o m t h e g a s p h a s e o n m i r r o r p o l i s h e d s i l i c o n o r b o r o - s i l i c a t e g l a s s . T h e r e a r e t w o t y p e s o f e n h a n c e m e n t p r o c e s s e s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e ; s u b s t r a t e s e e d i n g a n d p r o - c e s s a s s i s t e d n u c l e a t i o n . S u b s t r a t e s e e d i n g i s a p r e - d e p o s i t i o n p r o c e s s w h e r e t h e s u b s t r a t e s u r f a c e i s e i t h e r p o l i s h e d o r s e e d e d w i t h d i a m o n d p a r t i c l e s . P r o c e s s a s s i s t e d n u c l e a t i o n i s a u n i q u e C V D p r o c e s s s e p a r a t e f r o m t h e a c t u a l d e p o s i t i o n p r o c e s s s u c h a s b i a s a s s i s t e d n u c l e a t i o n o f s i l i c o n . F o r s o m e C V D a p p l i c a t i o n s , s u c h a s o p t i c a l c o a t i n g s , t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s i s p r o p o r t i o n a l t o t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y . T r a n s m i s s i o n t h r o u g h a t h i n d i a m o n d fi l m i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g n u c l e a t i o n d e n s i t y . T h e r e f o r e , i t i s n e c e s s a r y f o r n u c l e a t i o n m e t h o d s t o y i e l d h i g h d e n s i t i e s . I t i s n o t y e t c o m p l e t e l y u n d e r s t o o d w h y d i a m o n d n u c l e a t e s o n s u b s t r a t e s t h a t a r e a b r a d e d w i t h d i a m o n d p o w d e r . T w o o b v i o u s p o t e n t i a l r e a s o n s f o r n u c l e a t i o n a r e t h a t t h e s u r f a c e t o p o g r a p h y i s m o d i fi e d d u r i n g t h e s c r a t c h i n g a n d t h a t t i n y a m o u n t s o f d i a m o n d a r e 1 6 f t o n t h e s u r f a c e f r o m t h e d i a m o n d p o w d e r . I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t n u c l e a t i o n o f d i a m o n d i s p o s s i b l e o n s u b s t r a t e s t h a t a r e s c r a t c h e d w i t h n o n - d i a m o n d a b r a s i v e p o w d e r s . H o w e v e r , t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y i s h i g h e r w h e n d i a m o n d a b r a s i v e s a r e u s e d t h a n w h e n n o n - d i a m o n d a b r a s i v e s a r e u s e d . P a u l A . D e n n i g a n d D a v i d A . S t e v e n s o n c o n d u c t e d f u r - t h e t e x p o o f t h e s i l s h a r p c o t u r e s i n d e p o s i t i o f t h e s 1 a c u t e i l l d e s c r i l W e s t h e s u 1 1 0 1 E ( I Q R p m 3 1 0 1 1 1 P 0 3 1 1 [ C p l S u n 6 3 t h e r e x p e r i m e n t s t o i n v e s t i g a t e w h e t h e r d i a m o n d n u c l e a t i o n c a n b e l i n k e d t o m o d i fi c a t i o n s o f t h e s i l i c o n s u r f a c e . T h e c o n c l u s i o n w a s t h a t d i a m o n d n u c l e a t e s o n s i l i c o n w i t h s m a l l , s h a r p c o n v e x f e a t u r e s l 4 9 ] . T h e i r e x p e r i m e n t s i n v o l v e d e t c h i n g V g r o o v e s a n d o t h e r f e a - t u r e s i n m i r r o r p o l i s h e d s i l i c o n w i t h K O H a n d t h e n p r o c e s s i n g t h e s i l i c o n i n a d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . F r o m t h i s t h e y c o n c l u d e d t h a t i t i s p o s s i b l e t o n u c l e a t e d i a m o n d o n t o p o f t h e s m a l l f e a t u r e s , a n d t h a t f r e q u e n c y o f n u c l e a t i o n i s g r e a t e r o n f e a t u r e s w i t h m o r e a c u t e a n g l e s . 2 . 5 . 1 A b r a s i o n S e e d i n g A t e c h n i q u e o f s c r a t c h i n g t h e s u b s t r a t e a s a p r o c e s s o f a b r a s i o n s e e d i n g i s d e s c r i b e d b y H . W i n d i s c h m a n n l s z ] a n d R . E r z e t . a 1 . ” 3 1 . W i n d i s c h r n a n n d e s c r i b e s a s i m p l e p r o c e s s . F i r s t , a s m a l l a m o u n t o f 1 1 1 m d i a m o n d p o w d e r i s s p r i n k l e d o n t h e s u b s t r a t e . T h e n t h e s u b s t r a t e i s p o l i s h e d b y h a n d w i t h a w i p e . T h e e x c e s s p o w d e r i s r e m o v e d w i t h m e t h a - n o l . E r z d i l u t e s t h e d i a m o n d p o w d e r i n a q u e o u s m e d i a a n d p o l i s h e s t h e s u b s t r a t e b y h a n d u s i n g t w o s h e e t s o f s i l i c o n . T h e s u b s t r a t e i s t h e n c l e a n e d i n a c e t o n e w i t h u l t r a s o u n d . E r z r e p o r t s t h a t t h e i r p r o c e s s y i e l d s i n c r e a s i n g n u c l e a t i o n d e n s i t y f o r d e c r e a s i n g d i a m e t e r d i a - m o n d p o w d e r . R e p o r t e d l y , 0 . 1 u m d i a m o n d p o w d e r y i e l d s 1 0 9 o u r 2 a n d 0 . 0 1 p m d i a m o n d p o w d e r y i e l d s 1 0 1 0 c m ‘ 2 s e e d i n g d e n s i t y . 2 . 5 . 2 U l t r a - S o n i c S e e d i n g U l t r a s o n i c s e e d i n g i s s i m i l a r t o a b r a s i o n s e e d i n g e x c e p t t h a t h a n d p o l i s h i n g i s r e p l a c e d b y u l t r a s o n i c a g i t a t i o n . M u r a n a k a e t . a l . d e s c r i b e a p r o c e s s w h e r e t h e s u b s t r a t e S u r f a c e i s s u p e r s o n i c a l l y s c r a t c h e d i n a m e t h a n o l - d i a m o n d s l u r r y a n d t h e n c l e a n e d w i t h o r g a n n o n e i n a n N u c l 9 0 0 [ E p i n c 6 4 o r g a n i c s o l v e n t s l s ‘ ” . W i l d a n d h i s c o l l e a g u e s d e s c r i b e a s i m i l a r p r o c e s s w h e r e t h e d i a - m o n d p o w d e r i s m i x e d w i t h e t h a n o l m ] . T h e e t h a n o l s o l u t i o n a n d t h e s u b s t r a t e a r e p l a c e d i n a n u l t r a s o n i c b a t h . A f t e r w a r d s , t h e s u b s t r a t e i s c l e a n e d w i t h m e t h a n o l i n u l t r a s o u n d . N u c l e a t i o n d e n s i t y w i t h t h i s p r o c e s s c a n b e a s h i g h a s 1 0 1 0 c m ' z . 2 . 5 . 3 B i a s E n h a n c e d N u c l e a t i o n D i a m o n d n u c l e i c a n a l s o b e g e n e r a t e d o n m i r r o r p o l i s h e d s i l i c o n b y a p p l y i n g a n e g a t i v e b i a s t o t h e s u b s t r a t e . S . Y u g o e t . a l . r e p o r t a 1 0 m i n u t e C V D n u c l e a t i o n m e t h o d w h e r e a n e g a t i v e b i a s i s a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e I S S ] . F o r d i a m o n d d e p o s i t i o n t h e p e r c e n t o f m e t h a n e i n h y d r o g e n i s 0 . 5 % . D u r i n g t h e n u c l e a t i o n p r o c e s s t h e p e r c e n t a g e o f m e t h a n e i n h y d r o g e n i s a s h i g h a s 4 0 % . T h e m i n i m u m v o l t a g e a n d m e t h a n e f r a c t i o n f o r g e n e r a t i o n o f d i a m o n d n u c l e i i n t h i s p r o c e s s i s - 7 0 V a n d 5 % . T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s t y p i c a l l y 9 0 0 C . T h i s p r o c e s s c a n y i e l d s u b s t r a t e n u c l e a t i o n d e n s i t y a s 1 0 1 0 c m ' z . B . S h e l d o n e t . a l . r e p o r t a t h a t n u c l e a t i o n d o e s o c c u r a t m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n s a s l o w a s 1 . 6 % i f t h e b i a s i s i n c r e a s e d t o — 2 0 0 V 5 6 ] . 2 . 5 . 4 P h o t o - R e s i s t D i a m o n d S e e d i n g P h o t o - r e s i s t d i a m o n d s e e d i n g ( D P R ) w a s d e v e l o p e d a t M S U a n d F o r d a s m e a n s o f p a t t e r n i n g o r s e l e c t i v e l y s e e d i n g d e s i r e d a r e a s o f t h e s u b s t r a t e w i t h d i a m o n d p o w d e r l s o ] . T h i s p r o c e s s i n v o l v e s t h e f o l l o w i n g : d i a m o n d p o w d e r i s m i x e d i n a s o l u t i o n o f p h o t o - r e s i s t a n d p h o t o r e s i s t t h i n n e r , t h e s o l u t i o n i s s p u n o n t h e s u b s t r a t e u s i n g a w a f e r s p i n n e r , a n d t h e s u b s t r a t e i s b a k e d i n a n o v e n . A f t e r w a r d s , t h e p h o t o - r e s i s t c a n b e p a t t e r e d w i t h n o r m a l l i t h o g r a p h i c m a s k i n g t e c h n i q u e s t o s e l e c t i v e l y r e m o v e d i a m o n d s e e d s f r o m a r e a s w h e r e d e p o s a s h i g e n h a r r e n t [ t r o l o p a n i c o f t h e i n g a 1 1 1 g . ( p h o t t 5 ‘ : t h l u t i o 6 5 w h e r e d i a m o n d d e p o s i t i o n i s n o t d e s i r e d . I f p a t t e r n i n g i s n o t d e s i r e d d i a m o n d c a n b e d e p o s i t e d w i t h o u t a n y f u r t h e r p r o c e s s i n g a f t e r t h e p h o t o - r e s i s t i s d r y . N u c l e a t i o n d e n s i t i e s a s h i g h a s 1 0 9 c m ' 2 h a v e b e e n r e p o r t e d . A l t h o u g h t e c h n i q u e s s u c h a s a b r a s i o n s e e d i n g , u l t r a s o n i c s e e d i n g a n d b i a s e n h a n c e d s e e d i n g h a v e t h e c a p a b i l i t y o f p r o d u c i n g h i g h e r s e e d i n g d e n s i t i e s t h a n t h e c u r - r e n t D P R m e t h o d , D P R i s r e p o r t e d t o h a v e a n a d v a n t a g e o v e r t h o s e m e t h o d s o f e a s i e r c o n - t r o l o f n u c l e a t i o n d e n s i t y a n d g r a i n s i z e . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t o n l y t h e d i a m o n d s e e d p a r t i c l e s f o r m t h e a c t i v e n u c l e a t i o n s i t e s . F u r t h e r m o r e , D P R d o e s n o t d a m a g e t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . M a s o o d r e p o r t s t h a t t h e o p t i m u m D P R p r o c e d u r e f o r o b t a i n i n g a u n i f o r m l y s e e d - i n g a s u b s t r a t e w i t h a n u c l e a t i o n d e n s i t y o f 1 0 8 c m ‘ 2 i s a s f o l l o w s [ 5 I ] . A q u a n t i t y o f 1 4 2 . 6 m g . o f 1 m m d i a m o n d p o w d e r s h o u l d b e m i x e d w i t h 4 2 m l o f p h o t o r e s i s t a n d 1 6 m l o f p h o t o r e s i s t t h i n n e r . W h e n s p i n n i n g t h e D P R m i x t u r e o n t o t h e s u b s t r a t e t h e f o l l o w i n g s p i n s c h e d u l e s h o u l d b e u s e d . T h e s p i n n e r s h o u l d b e s p u n i n t h r e e s u c c i n c t i v e s t e p s w i t h r e v o - l u t i o n s o f R a m p - u p - 4 0 0 0 r p m - 5 0 0 r p m , f o r d u r a t i o n s o f 1 0 s e c - 3 0 s e c — 5 s e c . E x p 3 . 1 l w a s u s e 3 1 1 d m e t m e n t a l S t r u c t e c S e c t i o n T h e e x P I E - I r e t e m i s 1 1 0 1 1 g } C h t ‘ t p t t [ 5 1 1 2 1 1 1 fi l m t l fi l m q i [ 1 ’ 0 1 “ C h a p t e r 3 E x p e r i m e n t a l S y s t e m , E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e s , a n d M e a s u r e m e n t M e t h o d s 3 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e s c o p e o f t h i s c h a p t e r i s t o d e s c r i b e i n d e t a i l t h e g e n e r a l e x p e r i m e n t a l s e t u p t h a t w a s u s e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n , t h e p r o c e d u r e s f o r d e p o s i t i n g d i a m o n d o n a s u b s t r a t e , a n d m e t h o d s f o r c h a r a c t e r i z i n g d e p o s i t e d d i a m o n d fi l m s . T h e d e s c r i p t i o n o f t h e e x p e r i - m e n t a l s e t u p g i v e s s p e c i fi c d e t a i l a b o u t t h e c o m p u t e r c o n t r o l l e d a p p a r a t u s t h a t w a s c o n - s t r u c t e d f o r d e p o s i t i n g d i a m o n d fi l m s w i t h a M C P R p l a s m a s o u r c e . I t i s d i v i d e d i n t o t w o s e c t i o n s t h a t c o v e r t h e h a r d w a r e i n t h e d e p o s i t i o n s y s t e m a n d t h e s o f t w a r e t h a t c o n t r o l s i t . T h e e x p e r i m e n t a l p r o c e d u r e s s e c t i o n p r o v i d e s t h e s p e c i fi c d e t a i l s o f h o w s u b s t r a t e s a r e p r e — t r e a t e d p r i o r t o d i a m o n d d e p o s i t i o n . I t a l s o i n c l u d e s d e t a i l s o f h o w t h e d e p o s i t i o n s y s - t e m i s o p e r a t e d f o r a g e n e r a l d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t . S o m e m i s c e l l a n e o u s d e p o s i - t i o n s y s t e m m a i n t e n a n c e p r o c e d u r e s a r e a l s o o u t l i n e d h e r e . T h e fi n a l s e c t i o n o f t h i s C h a p t e r d e s c r i b e s t h e m e t h o d s u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e d e p o s i t e d fi l m s . I t i n c l u d e s c h a r a c - t e r i z a t i o n t e c h n i q u e s f o r e v a l u a t i n g t h e p r o p e r t i e s o f “ a s - d e p o s i t e d ” d i a m o n d fi l m s s u c h a s fi l m t h i c k n e s s , d e p o s i t i o n r a t e , d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y , s u r f a c e r o u g h n e s s , a d h e s i o n , a n d fi l m q u a l i t y . T h e r e i s a l s o a d i s c u s s i o n d e t a i l i n g t h e m e t h o d o f m e a s u r i n g t h e t r a n s m i s s i v - i t y o f d i a m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s . 6 6 MC ? I ( E 3 . 2 m a t e d s o u r c e h o u r s d e t a i l : a s t h e s e e t i o n o n t o f t h e 3 . 2 . 1 ( 1 8 t h O n e I P R C S l l t e 6 7 3 . 2 T h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m O n e o f t h e c h i e f t a s k s r e q u i r e d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w a s t o c o n s t r u c t a s e m i - a u t o - m a t e d m a c h i n e t h a t d e p o s i t s t h i n d i a m o n d fi l m s o n s u b s t r a t e s u s i n g a M C P R p l a s m a s o u r c e . T h i s w a s n e c e s s a r y b e c a u s e t h e g r o w t h e x p e r i m e n t t y p i c a l l y r e q u i r e d 1 0 t o 4 0 h o u r s o f c o n t i n u o u s o p e r a t i o n u n d e r p r e c i s e a n d r e p e a t a b l e c o n d i t i o n s . T h i s s e c t i o n g i v e s d e t a i l e d i n f o r m a t i o n c o n c e r n i n g b o t h t h e h a r d w a r e u s e d t o c o n s t r u c t t h e m a c h i n e , a s w e l l a s t h e d e s i g n o f t h e w i n d o w s b a s e d p r o g r a m t h a t w a s w r i t t e n t o c o n t r o l i t . T h e h a r d w a r e s e c t i o n i n c l u d e s i n f o r m a t i o n r e g a r d i n g t h e c o n fi g u r a t i o n o f c o m p o n e n t s t h a t w e r e c o m - m o n t o m o s t d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . S p e c i fi c d e t a i l s c o n c e r n i n g t h e e x a c t s e t u p o f t h e M C P R a r e e x c l u d e d a s t h e y a r e c o v e r e d i n l a t e r c h a p t e r s a s r e q u i r e d . 3 . 2 . 1 H a r d w a r e i n t h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m A s w a s m e n t i o n e d e a r l i e r , a M C P R p l a s m a s o u r c e w a s u s e d f o r a l l t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a t a r e d i s c u s s e d i n l a t e r c h a p t e r s . H o w e v e r , t h e M C P R i s o n l y o n e c o m p o n e n t o f t h e w h o l e s y s t e m t h a t w a s u s e d . O t h e r e s s e n t i a l c o m p o n e n t s i n c l u d e a p r e c i s i o n g a s fl o w s y s t e m , a v a c u u m s y s t e m , a m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y , a p r e s s u r e m e a - s u r e m e n t s y s t e m , a n d o t h e r s . F i g u r e 3 . 1 i s a n s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e c o m p l e t e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m t h a t w a s c o n s t r u c t e d f o r t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e f o l l o w - i n g s e c t i o n s p r o v i d e d e t a i l s c o n c e r n i n g e a c h o f t h e h a r d w a r e s u b s y s t e m s i n fi g u r e 3 . 1 . 3 . 2 . 1 . 1 V a c u u m a n d G a s F l o w S y s t e m s I n o r d e r t o h a v e a c l e a n , s u b - a t m o s p h e r i c C V D p r o c e s s i n t h e M C P R , a s u p p l y o f g a s s e s m u s t b e c o n t i n u o u s l y p u m p e d t h r o u g h t h e p r o c e s s c h a m b e r o f t h e M C P R a t a p r e s - 6 8 P o w e r M e t e r s ) - — — — — — — — — 1 | I l I 1 M i c r o w a v e l M C P R P o w e r _ _ _ ' — " | S u p p l y ' I M a s s I 1 F l o w I l C ( E t r o l l e r s ' | l . — | I — — 1 V a c u u m l — — _ l I C h a m b e r — — I : P r o c e s s I l I G a s e s l l I | I I | I I I I I l I l T h r o t t l e l _ L I I — — — — — — — — — ' 1 V a l v e - : P r e s s u r e | : : | T r a n s d u c e r s - - I I l I I - I l . 1 - L — — — — — — — — — — — I D a t a A c q u i s i t i o n E x h a u s t I _ _ _ _ C a r d s I _ _ _ _ _ _ I M e c h a n i c a l N 2 R o u g h i n g p m - C o m u t e r p g e P F i g u r e 3 . 1 T h e d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m . 6 9 s u r e b e l o w a t m o s p h e r e . T h i s w a s a c h i e v e d b y m o u n t i n g t h e M C P R o n t o p o f a l a r g e s t a i n - l e s s s t e e l v a c u u m c h a m b e r a n d r o u t i n g t h e g a s fl o w i n t o t h e M C P R b a s e p l a t e ( 2 4 ) , t h r o u g h i t s p r o c e s s c h a m b e r ( 2 7 ) a n d o u t t o t h e v a c u u m c h a m b e r ( 6 ) a s s h o w n i n fi g u r e 3 . 2 . T h e v a c u u m c h a m b e r ( 6 ) w a s c o n s t r u c t e d f r o m a s t a i n l e s s s t e e l t u b e w i t h a d i a m e - t e r o f 1 8 i n c h e s a n d a n o v e r a l l l e n g t h o f 1 6 i n c h e s . I t h a s a r o u n d 8 - i n c h d i a m e t e r v a c u u m t i g h t a c c e s s d o o r i n t h e f r o n t t h a t a l l o w s e a s y a c c e s s t o t h e c h a m b e r w h e n i t i s n o t u n d e r v a c u u m . O n t h e s i d e s t h e r e a r e t w o r o u n d 6 - i n c h d i a m e t e r v i e w i n g w i n d o w s . I n t h e r e a r t h e r e a r e f o u r 2 3 / 4 i n c h c o n fi a t f e e d - t h r o u g h p o r t s w h i c h a r e c o n n e c t e d t o p r e s s u r e t r a n s - d u c e r s ( 2 6 ) . T h e v a c u u m c h a m b e r i s p l a c e d o n t o p o f t h e v a c u u m c h a m b e r b a s e p l a t e ( 2 8 ) . O n t o p o f t h e v a c u u m c h a m b e r i s t h e c h a m b e r t o p p l a t e ( 2 9 ) w h e r e t h e M C P R c o n n e c t s t o . T h e c h a m b e r b a s e p l a t e h a s a l O - i n c h A S A f e e d t h r o u g h p o r t i n t h e c e n t e r , a n d 6 s m a l l 1 - 1 / 3 i n c h c o n fi a t f e e d - t h r o u g h p o r t s o n a r a d i u s o f 1 5 c m s u r r o u n d i n g t h e c e n t e r p o r t . O n e o f t h e 1 1 / 3 i n c h f e e d - t h r o u g h s i s u s e d f o r v e n t i n g t h e c h a m b e r t o a t m o s p h e r i c p r e s s u r e . T h i s p o r t i s c o n n e c t e d t o a n i t r o g e n c y l i n d e r ( 2 2 ) t h r o u g h a m a n u a l t y p e N u p r o v a l v e ( 2 3 ) . T h e m a n u a l v a l v e i s c o n n e c t e d t o t h e f e e d - t h r o u g h b y s t a i n l e s s s t e e l t u b i n g ( 1 1 ) ; t h e n i t r o - g e n t a n k i s c o n n e c t e d t o t h e m a n u a l v a l v e b y fl e x i b l e p l a s t i c t u b i n g ( 3 0 ) . T h e v a c u u m i s s e a l e d b e t w e e n t h e v a c u u m c h a m b e r a n d i t s t o p a n d b a s e p l a t e s b y v a c u u m s e a l o - r i n g s . T h e o - r i n g s a r e l o c a t e d i n o - r i n g g r o o v e s l o c a t e d a t e a c h e n d o f t h e c h a m b e r . T h e t o p a n d b a s e p l a t e a r e 1 i n c h t h i c k , a n d w e r e f a b r i c a t e d f r o m s t a i n l e s s s t e e l p l a t e s . T h e r e i s a l s o a n o - r i n g b e t w e e n t h e M C P R a n d t h e v a c u u m c h a m b e r t o p p l a t e . T h e o - r i n g g r o o v e f o r t h i s s e a l w a s c u t i n t o t h e v a c u u m c h a m b e r t o p p l a t e . T h e v a c u u m c h a m b e r p r e s s u r e i s m a i n t a i n e d b y a n A l c a t e l M o d e l 2 0 3 3 C P + T o p P l a t D o o r C h a r V e n t N t : 7 0 ( 2 5 ) M C P R M F C D i s p l a y ( 3 3 ) ( 5 ) M a s s F l o w P r o c e s s M C P R C o n t r o l l e r s G a s e s B a s e U D i s c h a r g e 1 ' _ _ : _ - 0 P l a t e ( 2 4 ) C h a m b e r ( 2 7 ) ' T o P 1 0 0 0 t o r r ( 1 5 ) I 5 " ” P l a t e ( 2 9 ) ' 0 : - 1 D o o r ( 2 7 ) ‘ ‘ ' . - — — — — — — | A — — - — - — I A L - _ m 2 . g . ( 6 ) V a c u u m a , “ . 1 0 0 [ 0 ” ( 1 6 ) ( 4 ) 0 2 C h a m b e r ' r / 1 0 t o r r ( l 7 ) ( 3 ) C 0 2 ( 2 8 ) C h a m b e r B a s e P l a t e / 1 t o r r ( 1 8 ) ( 2 ) 3 1 4 ( 1 ) 1 1 2 — — “ _ P r e s s u r e D i s p l a y ( 1 9 ) - « t o L \ - l T h r o t t l e l _ _ _ 1 G 3 ) T h r o t t l e V a l v e ( 7 ) V a l v e C o n t r o l l e r P u m p ( 8 ) G a t e E x h a u s t ( 2 0 ) V a l v e \ M e c h a n i c a l R o u g h i n g P u m p ( 9 ) I I I S g ( 1 0 ) K F - 4 0 F l e x i b l e S t a i n l e s s S t e e l T u b i n g [ I ( 1 1 ) 1 / 4 i n c h r i g i d S t a i n l e s s S t e e l T u b i n g g ( 1 2 ) P n e u m a t i c V a l v e 5 4 2 $ ( 2 3 ) M a n u a l V a l v e 1 : . ( 2 6 ) P r e s s u r e T r a n s d u c e r I ( 3 0 ) 1 / 4 i n c h fl e x i b l e P l a s t i c T u b i n g N 2 P u r g e ( 2 1 ) A ( 3 1 ) M a s s F l o w C o n t r o l l e r I ( 3 2 ) 1 / 4 i n c h fl e x i b l e S t a i n l e s s S t e e l T u b i n g F i g u r e 3 . 2 T h e v a c u u m a n d g a s fl o w s y s t e m . 7 l m e c h a n i c a l v a c u u m p u m p ( 9 ) w o r k i n g i n c o n j u n c t i o n w i t h a M K S T y p e 2 5 3 T h r o t t l i n g V a l v e . T h e t h r o t t l i n g v a l v e i s c o n n e c t e d i n s e r i e s w i t h a m e c h a n i c a l g a t e v a l v e ( 8 ) i n t h e fl o w p a t h b e t w e e n t h e v a c u u m c h a m b e r a n d t h e m e c h a n i c a l p u m p b y fl e x i b l e s t a i n l e s s s t e e l t u b i n g ( 1 0 ) . C o n t r o l o f t h e t h r o t t l i n g v a l v e i s m a i n t a i n e d b y a M K S T y p e 1 5 2 A E x h a u s t V a l v e C o n t r o l l e r ( 1 3 ) . T h i s c o n t r o l l e r o p e r a t e s t h e t h r o t t l e v a l v e b y c o m p a r i n g t h e a c t u a l v a c u u m c h a m b e r p r e s s u r e w i t h t h e d e s i r e d c h a m b e r p r e s s u r e a n d a d j u s t i n g t h e p o s i - t i o n o f t h e t h r o t t l e v a l v e a s n e e d e d . P r e s s u r e i n t h e v a c u u m c h a m b e r i s m e a s u r e d b y f o u r i n d e p e n d e n t p r e s s u r e t r a n s - d u c e r s ( 2 6 ) a n d d i s p l a y e d b y a M K S T y p e P D R - S B P o w e r S u p p l y D i g i t a l R e a d - O u t ( 1 9 ) . T h e p r e s s u r e r a n g e o f e a c h p r e s s u r e t r a n s d u c e r i s d i f f e r e n t . T h e r a n g e s a r e 1 0 0 0 t o r r ( 1 5 ) , 1 0 0 t o r r ( 1 6 ) , 1 0 t o r r ( l 7 ) a n d l t o r r ( 1 8 ) . S i n c e t h e m a x i m u m r e a d i n g o f t h e l a s t t h r e e p r e s s u r e t r a n s d u c e r s i s b e l o w a t m o s p h e r e , a n o r m a l l y - c l o s e d 1 / 2 i n c h V C R N u p r o p n e u - m a t i c i s o l a t i o n v a l v e ( 1 2 ) i s c o n n e c t e d i n s e r i e s b e t w e e n e a c h t r a n s d u c e r a n d t h e v a c u u m c h a m b e r . W h e n e v e r t h e p r e s s u r e r i s e s a b o v e t h a t o f t h e m a x i m u m r a n g e o f a p a r t i c u l a r p r e s s u r e t r a n s d u c e r , t h e c o r r e s p o n d i n g p n e u m a t i c i s o l a t i o n v a l v e i s a u t o m a t i c a l l y c l o s e d . T h e r a n g e o p e r a t i n g p r e s s u r e o f t h e p n e u m a t i c i s o l a t i o n v a l v e s ( 1 2 ) i s 6 0 t o 9 0 p s i . T h e y a r e c o n n e c t e d v i a fl e x i b l e s t a i n l e s s s t e e l t u b i n g ( 3 0 ) t o a n i t r o g e n g a s c y l i n d e r ( 1 4 ) w i t h a r e g u l a t o r t h a t i s a d j u s t e d t o 9 0 p s i . T h e 1 t o r r t r a n s d u c e r i s u s e d t o m o n i t o r t h e b a s e p r e s s u r e o f t h e v a c u u m s y s t e m a n d t o c h e c k f o r v a c u u m l e a k s . T h e 1 0 t o r r a n d 1 0 0 t o r r p r e s s u r e t r a n s d u c e r s a r e u s e d t o m o n i t o r t h e s y s t e m ’ s p r e s s u r e d u r i n g d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . O n e i s a l w a y s c o n n e c t e d t o t h e t h r o t t l e v a l v e c o n t r o l l e r f o r p r e s s u r e c o n t r o l . T h e 1 0 0 0 t o r r t r a n s d u c e r i s u s e d a s a s a f e t y f e a t u r e t o v a l i d a t e t h e r e a d i n g o f t h e 1 0 t o r r a n d 1 0 0 t o r r t r a n s d u c e r s d u r i n g e x p e r i - 7 2 m e n t s . I f a p n e u m a t i c i s o l a t i o n v a l v e w e r e t o f a i l a n d c l o s e d u r i n g a d e p o s i t i o n e x p e r i - m e n t , i t w o u l d i s o l a t e t h e c h a m b e r f r o m o n e o f t h e l o w p r e s s u r e v a l v e s . T h i s w o u l d c a u s e a n O p e n 1 0 0 p i n t h e t h r o t t l e v a l v e c o n t r o l . F o r t h i s r e a s o n , t h e r e a d i n g o f t h e 1 0 0 0 t o r r t r a n s d u c e r , w h i c h d o e s n o t h a v e a n i s o l a t i o n v a l v e , i s c o m p a r e d t o t h o s e o f l o w e r p r e s s u r e t r a n s d u c e r s . M o r e d e t a i l s o f s a f e t y a n d o t h e r f e a t u r e o f s y s t e m o p e r a t i o n a r e d i s c u s s e d i n l a t e r s e c t i o n s . T h e r e a r e s i x p r o c e s s g a s fl o w c h a n n e l s i n t h e M C P R s y s t e m . E a c h o f t h e m r o u t e s g a s e s f r o m a g a s c y l i n d e r t h r o u g h a m a s s fl o w c o n t r o l l e r ( M F C ) ( 3 1 ) a n d i n t o t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r . P r o c e s s g a s e s a r e c o n n e c t e d t o t h e M F C s b y r i g i d s t a i n l e s s s t e e l t u b - i n g ( 1 l ) a n d 1 / 4 i n c h s w a g l o k c o n n e c t o r s . T h e o u t p u t s o f t h e M F C s a r e t i e d t o g e t h e r t h r o u g h fl e x i b l e s t a i n l e s s s t e e l t u b i n g ( 3 2 ) a n d 1 / 4 i n c h V C R c o n n e c t o r s , a n d r o u t e d t o t h e b a s e p l a t e o f t h e M C P R ( 2 4 ) t h r o u g h a n o r m a l l y c l o s e d 1 / 4 i n c h V C R N u p r o p n e u m a t i c v a l v e ( 1 2 ) . T h e p n e u m a t i c v a l v e i s o l a t e s t h e M F C s f r o m t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r w h e n i t i s v e n t e d t o a t m o s p h e r e . T h e M F C s a r e M K S T y p e 1 1 5 9 B M a s s F l o w C o n t r o l l e r s . T h e m a x i m u m fl o w r a t e o f t h e l a r g e s t M F C i s 1 0 0 0 s c c m , a n d i s c a l i b r a t e d t o h y d r o g e n . T h i s c h a n n e l i s a l w a y s c o n n e c t e d t o a h y d r o g e n g a s c y l i n d e r ( 1 ) . T h e o t h e r fi v e M F C s a r e c a l i b r a t e d t o n i t r o g e n a n d h a v e t h e f o l l o w i n g m a x i m u m fl o w r a t e s : 2 0 0 s c c m , 1 0 0 s c c m , 1 0 0 s c c m , 5 0 s c c m , a n d 2 0 s c c m . O x y g e n ( 4 ) , C a r b o n D i o x i d e ( 3 ) a n d M e t h a n e ( 2 ) a r e c o n n e c t e d t o t h r e e o f t h e s e M F C s . A c t u a l fl o w i n e a c h M F C i s c o n t r o l l e d b y M K S t y p e 2 4 7 C 4 C h a n n e l R e a d O u t M a s s F l o w C o n t r o l l e r 1 1 0 0 S e r i e s ( 3 3 ) . T h e r e a r e t w o o f t h e s e u n i t s i n t h e M C P R s y s t e m . S i n c e t h e l a s t fi v e M F C s a r e c a l i b r a t e d t o n i t r o g e n , t h e y m u s t b e a d j u s t e d t o a c c u r a t e l y fl o w o t h e r g a s e s . E a c h M F C i s r e — c a l i b r a t e d f o r t h e p a r t i c u l a r g a s i t i s fl o w i n g b y a s c a l i n g c o n t r o l s e t t i n g a d j u s t m e n t o n t h e b a c k o f M K S 2 4 7 C . S i n c e e a c h 7 3 M K S 2 4 7 C c a n c o n t r o l u p t o f o u r M F C s s i m u l t a n e o u s l y , t h e r e a r e f o u r s c a l i n g c o n t r o l s e t - t i n g a d j u s t m e n t s o n t h e b a c k o f e a c h u n i t . T h e a d j u s t m e n t i s a r o t a r y k n o b w i t h a r a n g e o f 0 t o 1 0 0 0 . T o s e t t i n g v a l u e o f t h e s c a l i n g c o n t r o l k n o b i s d e t e r m i n e d b y t h e g a s c o r r e c t i o n f a c t o r a n d t h e g a u g e f a c t o r a s s h o w n i s e q u a t i o n [ 3 . 1 ] [ 5 8 ] . T h e g a s c o r r e c t i o n f a c t o r s f o r m a n y t y p e s o f g a s e s a r e p u b l i s h e d b y M K S i n t h e b a c k o f t h e m a n u a l f o r t h e 2 4 7 C s e r i e s . S c a l i n g c o n t r o l s e t t i n g = G a u g e F a c t o r x G a s C o r r e c t i o n F a c t o r e q ( 3 . 1 ) T a b l e 3 . 1 : M K S M F C G a u g e F a c t o r s l s g ] M F C N 2 C a l i b r a t e d M a x i m u m F l o w G a u g e F a c t o r R a t e 1 , 1 0 , 1 0 0 , 1 0 0 0 , 1 0 K 1 0 0 2 , 2 0 , 2 0 0 , 2 0 0 0 , 2 0 K 2 0 0 5 , 5 0 , 5 0 0 , 5 0 0 0 , 5 0 K 5 0 3 . 2 . 1 . 2 V a c u u m M e a s u r e m e n t S y s t e m A s w a s m e n t i o n e d i n s e c t i o n [ 3 . 2 . 1 . 1 ] t h e p r e s s u r e o f t h e v a c u u m c h a m b e r ( 6 ) i s m e a s u r e d b y f o u r p r e s s u r e t r a n s d u c e r s ( 2 6 ) . T h e s e t r a n s d u c e r s a r e M K S v a r i a b l e - c a p a c i - t a n c e s e n s o r s . F i g u r e 3 . 3 i s a d i a g r a m o f t h e p r e s s u r e m e a s u r e m e n t s y s t e m o f t h e M C P R m o d e r a t e p r e s s u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m . T h e 1 0 0 0 t o r r p r e s s u r e t r a n s d u c e r ( 1 5 ) i s a M K S t y p e 2 2 4 H A p r e s s u r e t r a n s d u c e r , w h i c h h a s t w o t r i g g e r s e t p o i n t s . T h e s e s e t p o i n t s a r e u s e d t o o p e n a n d c l o s e t h e p n e u m a t i c v a l v e s ( 1 2 ) t h a t p r o t e c t t h e 1 0 0 t o r r ( l 6 ) a n d 1 0 t o r r ( 1 7 ) t r a n s d u c e r s w h e n t h e p r e s s u r e i n t h e v a c u u m c h a m b e r ( 6 ) e x c e e d s t h e m a x i m u m - - - - - - - - ( 5 4 ) S e t p o i n t W i r e L o o m 7 4 : - — — — — — — C o m p u t e r ( 4 9 ) 4 C h a n n e l I ( 2 5 ) M C P R . . D i g i t a l R e a d - O u t ( 5 0 ) 1 P r e s s u r e I I I I ' D i s p l a y s ( 1 9 ) I I ' . I l O O O t o r r ( 1 5 ) 0 0 I . F I I l I . ' o I l I l | ' ' I I I ' l | | | 1 C h a n n e l I : : _ : : . — ' . ' " | | I D i g i t a l R e a d - O u t ( 5 1 ) | ( 6 ) V a c u u m _ _ : ; _ . 1 | I | C h a m b e r : _ _ I | | I I ~ — - " _ J 1 0 0 t o r r ( 1 6 ) I ' I I " ‘ — — — — — 1 0 t o r r ( 1 7 ) | 1 t o r r ( 1 8 ) : I " _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . l o t t e _ o t t e V a l v e ( 7 ) V a l v e C o n t r o l l e r 9 0 p s i P n e u m a t i c V a l u e N 2 ( 1 4 ) : ( 1 2 ) P n e u m a t i c V a l v e I I ( 2 6 ) P r e s s u r e T r a n s d u c e r I ( 3 0 ) 1 / 4 i n c h fl e x i b l e _ _ _ - ( 5 3 ) M K S T y p e 1 2 2 A P r e s s u r e T r a n s d u c e r W i r e H a r n e s s F i g u r e 3 . 3 T h e v a c u u m m e a s u r e m e n t s y s t e m . 7 5 r e a d i n g o f e i t h e r t r a n s d u c e r . T h e 1 0 0 t o r r t r a n s d u c e r i s a M K S T y p e 1 2 2 A A p r e s s u r e t r a n s d u c e r a n d h a s n o t r i g g e r s e t p o i n t s . L i k e t h e 1 0 0 0 t o r r t r a n s d u c e r , t h e 1 0 t o r r t r a n s - d u c e r i s a M K S m o d e l 2 2 4 H A w i t h t w o s e t p o i n t s . O n e o f t h e s e t p o i n t s i n t h e 1 0 t r a n s - d u c e r i s u s e d t o o p e n a n d c l o s e t h e p n e u m a t i c i s o l a t i o n v a l v e t h a t p r o t e c t s t h e 1 t o r r p r e s s u r e t r a n s d u c e r . A l l t h r e e o f t h e a b o v e m e n t i o n e d > 1 t o r r p r e s s u r e t r a n s d u c e r s a r e c o n n e c t e d t o a M K S T y p e P D R - S B P o w e r S u p p l y D i g i t a l R e a d - O u t ( 1 9 ) . T h i s u n i t s u p - p l i e s + / - 1 5 V t o e a c h t r a n s d u c e r a n d d i s p l a y s t h e p r e s s u r e r e a d i n g o f e a c h . T h e 1 t o r r t r a n s d u c e r ( 1 8 ) , i s c o n n e c t e d t o a s e p a r a t e d i s p l a y ( 5 1 ) , a M K S T y p e 2 7 0 S i g n a l C o n t r o l - l e r . 3 . 2 . 1 . 3 M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y S y s t e m I n t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n M C P R , m i c r o w a v e e n e r g y a t 2 . 4 5 G H z i s f o c u s e d i n t o a T M O I n m o d e ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 1 ] ) . T h e e l e c t r i c a n d m a g n e t i c fi e l d s o f t h e T M m n m o d e a r e s u c h t h a t a h e m i s p h e r i c a l - s h a p e d , o r t h i c k d i s c - s h a p e d - d e p e n d i n g o n p r e s s u r e , p l a s m a i s f o r m e d a b o v e t h e d e p o s i t i o n s u b s t r a t e . F i g u r e 3 . 4 i s a d i a g r a m o f t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y s y s t e m t h a t w a s a s s e m b l e d f o r t h e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s o f t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e m i c r o w a v e p o w e r c i r c u i t i n fi g u r e 3 . 4 w a s c o n s t r u c t e d t o s a f e l y d e l i v e r m i c r o - w a v e e n e r g y u p t o 1 K W t o t h e M C P R w h i l e p r o t e c t i n g t h e p o w e r s u p p l y ( 4 0 ) f r o m a n y e n e r g y t h a t i s r e fl e c t e d b a c k f r o m t h e M C P R . F o r m o s t o f t h e e x p e r i m e n t s d i s c u s s e d i n l a t e r c h a p t e r s , t h e p o w e r s u p p l y ( 4 0 ) w a s a G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 m i c r o w a v e p o w e r s u p - p l y . T h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 i s a 3 K W 2 . 4 5 G H z w a t e r c o o l e d p o w e r s u p p l y . T h e p o w e r fl o w i n fi g u r e 3 . 4 i s a s f o l l o w s . M i c r o w a v e p o w e r i s t r a n s p o r t e d f r o m t h e G e r l i n g t o 7 6 A / D C a r d ( 4 3 ) C o m p u t e r ( 4 9 ) b _ _ _ _ A I D P o r t ’ _ \ \ \ I A / D P o r t * " \ \ \ \ l \ \ I I I I g L D / A C a r d ( 4 2 ) Q Q o I o l O O 9 0 O ? D i g i t a l I / O ~ \ . . \ D t g r t a l I / O K \ \ \ \ I I . g . I I ’ | l I I I I M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y ( 4 0 ) C o a x i a l ( 2 . 4 5 G H z ) W a v e g u i d e ( 4 1 ) fl ( 4 4 ) D i r e c t i o n a l C o u p l e r ( 4 5 ) C i r c u l a t o r @ I ( 4 6 ) P o w e r M e t e r T . " ' " ‘ ° ° ° , M C P R ( 2 5 ) ( 4 7 ) R e c t a n g u l a r W a v e g u i d e L o a d H ( 4 8 ) 5 0 n - 3 0 0 w L o a d F i g u r e 3 . 4 T h e C W m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y s y s t e m 7 7 t h e M C P R t h r o u g h s e c t i o n s o f r e c t a n g u l a r ( 4 7 ) a n d c o a x i a l w a v e g u i d e ( 4 1 ) . T h e r e c t a n g u - l a r w a v e g u i d e i s s i n g l e m o d e T E I O w a v e g u i d e w i t h a m a x i m u m p o w e r r a t i n g o f 1 0 K W . S p l i c e d i n b e t w e e n t h e s e c t i o n s o f r e c t a n g u l a r w a v e g u i d e , a r e t w o c i r c u l a t o r s ( 4 5 ) a n d o n e d i r e c t i o n a l c o u p l e r ( 4 4 ) . T h e c i r c u l a t o r s h a v e t h r e e w a v e g u i d e p o r t s , a n d s e r v e t o g u i d e r e fl e c t e d p o w e r a w a y f r o m t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y , t h u s p r o t e c t i n g i t f r o m r e fl e c t e d m i c r o w a v e e n e r g y . T h e r e i s a m a t c h e d i m p e d a n c e 7 5 Q l o a d ( 4 8 ) a t t a c h e d t o e a c h C i r c u l a t o r . T h i s l o a d i s w a t e r c o o l e d a n d s e r v e s t o a b s o r b a n y m i c r o w a v e e n e r g y t h a t i s d i r e c t e d t o w a r d s i t . T o g e t h e r , t h e t w o c i r c u l a t o r s a n d m a t c h e d i m p e d a n c e l o a d s w o r k t o p r o t e c t t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y f r o m m i c r o w a v e e n e r g y t h a t i s r e fl e c t e d b y t h e M C P R . T h e d i r e c t i o n a l c o u p l e r ( 4 4 ) d i v e r t s a h i g h l y a t t e n u a t e d a m o u n t o f t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d m i c r o w a v e e n e r g y f r o m t h e w a v e g u i d e t o t w o H P 4 3 2 A p o w e r m e t e r s ( 4 6 ) . T h e s e m e t e r s c o n v e r t t h e m i l l i - w a t t l e v e l p o w e r t h a t t h e y r e c e i v e f r o m t h e d i r e c t i o n a l c o u - p l e r t o a v o l t a g e s i g n a l . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e H P 4 3 2 A p o w e r m e t e r s m o n i t o r C W m i c r o w a v e p o w e r a n d n o t p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r . F o r e x p e r i m e n t s u s i n g p u l s e d m i c r o - w a v e p o w e r , t h e p o w e r l e v e l i s m e a s u r e d w i t h a p o w e r d i o d e a n d a n o s c i l l o s c o p e ( r e f e r t o s e c t i o n [ 5 . 5 ] ) . T h e r e i s a v a r i a b l e s c a l e a n a l o g d i s p l a y i n e a c h p o w e r m e t e r t h a t i n d i c a t e s t h e a m o u n t o f m i l l i - w a t t m i c r o w a v e e n e r g y t h e m e t e r i s s e e i n g . O n t h e b a c k o f e a c h p o w e r m e t e r t h e r e i s a 0 - 1 V a c p o r t f o r e l e c t r o n i c s e n s i n g o f t h e p o w e r m e t e r r e a d i n g . F r o m t h e d i r e c t i o n a l c o u p l e r t o t h e M C P R , m i c r o w a v e e n e r g y i s t r a n s p o r t e d i n a T E M m o d e a l o n g fl e x i b l e c i r c u l a r c o a x i a l w a v e g u i d e ( 4 1 ) . T h i s w a v e g u i d e i s d i e l e c t r i c fi l l e d a n d i s r a t e d t o 1 K W . T h i s i s t h e l o w e s t r a t e d m i c r o w a v e c o m p o n e n t i n t h e M C P R m i c r o w a v e s y s t e m . H e n c e i t l i m i t s t h e a m o u n t o f m i c r o w a v e e n e r g y t h a t c a n b e t r a n s - p o r t e d t o t h e M C P R t o a C W m a x i m u m o f l K W . 7 8 S i n c e t h e m a t c h e d i m p e d a n c e l o a d s d i s s i p a t e m i c r o w a v e e n e r g y , t h e y a l o n g w i t h o t h e r c o m p o n e n t s i n t h e M C P R m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y s y s t e m m u s t b e l i q u i d c o o l e d . I n t h i s c o n fi g u r a t i o n , t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 , t h e c i r c u l a t o r s , a n d t h e m a t c h e d i m p e d a n c e l o a d s a r e a l l w a t e r c o o l e d . T h e c o o l i n g r e q u i r e m e n t f o r t h e G e r l i n g G L 1 1 9 i s a m i n i m u m o f 0 . 5 g a l l o n s p e r m i n u t e . A s i s i n d i c a t e d i n fi g u r e 3 . 4 , t h e m i c r o w a v e s y s t e m i s c o n n e c t e d t o t h e c o m p u t e r ( 4 9 ) t h a t c o n t r o l s t h e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m i n t w o p l a c e s . F i r s t , t h e a n a l o g o u t p u t s o f t h e m i c r o w a v e p o w e r m e t e r s a r e r o u t e d t o t h e i n p u t c h a n n e l s o f a n a n a l o g t o d i g i t a l c a r d i n t h e P C . T h i s a l l o w s t h e P C t o m o n i t o r t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r t o a n d f r o m t h e M C P R . S e c o n d l y , t h e r e a r e t w o c o n n e c t i o n s f r o m d i g i t a l I / O p o r t s i n t h e P C t o t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y . T h i s g i v e s t h e c o m p u t e r o n - o f f c o n t r o l o v e r t h e m i c r o - w a v e p o w e r s u p p l y . F u r t h e r d e t a i l s c o n c e r n i n g t h e e x a c t w i r i n g b e t w e e n t h e P C a n d t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y c i r c u i t a r e p r o v i d e d i n l a t e r s e c t i o n s . R e f e r t o s e c t i o n [ 3 . 3 . 1 . 3 ] f o r d e t a i l e d i n s t r u c t i o n s f o r o p e r a t i o n o f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 m i c r o w a v e p o w e r s u p - p l y - 3 . 2 . 1 . 4 C o m p u t e r H a r d w a r e T h e m o d e r a t e p r e s s u r e , l o w t e m p e r a t u r e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m t h a t w a s c o n s t r u c t e d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n i s a s e m i — a u t o m a t e d e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s . I t w a s d e s i g n e d s u c h t h a t a c o m p u t e r c o u l d s t a r t a n d fi n i s h t h e d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . T h e c o m - p u t e r a l s o s e r v e s t o m e a s u r e a n d r e c o r d v a r i o u s s y s t e m p a r a m e t e r s d u r i n g e a c h e x p e r i - m e n t . T h i s i s a l l n e c e s s a r y f o r s a f e t y s i n c e d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t y p i c a l l y l a s t f r o m j u s t a f e w h o u r s t o s e v e r a l d a y s . D u r i n g t h i s t i m e t h e c o m p u t e r i s a b l e t o r e l i a b l y 7 9 w a t c h o v e r t h e s y s t e m a n d s t o p a n e x p e r i m e n t i m m e d i a t e l y i f a c r i t i c a l s u b s y s t e m i s f u n c - t i o n i n g o u t o f t o l e r a n c e . T o a c c o m p l i s h t h i s t a s k o f a u t o m a t i n g t h e M C P R d i a m o n d d e p o - s i t i o n e x p e r i m e n t , a c o m p u t e r w i t h c o n n e c t i o n s t o s y s t e m s h a r d w a r e a n d a u n i q u e s o f t w a r e p r o g r a m w e r e r e q u i r e d . T h e c o m p u t e r i n t h e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t i s a n I n t e l 3 8 6 b a s e d P C . T o m a k e t h e c o n n e c t i o n s t o t h e v a r i o u s s u b s y s t e m s , f o u r I S A s l o t d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s w e r e i n s e r t e d i n t o t h e P C . I n a d d i t i o n , o n e e x p a n s i o n c a r d t h a t r e m a i n s e x t e r n a l t o t h e P C w a s a d d e d . T a b l e 3 . 2 h a s t h e p a r t s n u m b e r s a n d I / O d e t a i l s o f e a c h c a r d . F o r s i m - p l i c i t y a n d a r e d u c t i o n i n c o s t , a l l t h e c a r d s w e r e p u r c h a s e d f r o m C o m p u t e r B o a r d s I n c o r - p o r a t e d . T h e d i g i t a l I / O c h a n n e l s c a n b e c o n fi g u r e d e i t h e r a s i n p u t o r o u t p u t p o r t s . T a b l e 3 . 2 : D a t a A c q u i s i t i o n C a r d s K - t y p e P a r t N u m b e r I S A O S a ’ d A I D D / A D i g i t a l I I O T h e r m - . C h a n n e l s C h a n n e l s C h a n n e l s 0 E x p a n s r o n c o u p l e C I O - D D A 0 6 I S A 2 4 C I S - D A C 0 2 I S A C I O - D A S O 8 I S A 2 4 C I O - D A S l 6 / J r I S A 4 C I O — E X P 3 2 / 1 6 E x p a n s i o n 1 6 C o l l e c t i v e l y , t h e r e a r e t h r e e f u n c t i o n s t h a t t h e s e c a r d s s e r v e . F i r s t , s y s t e m p a r a m e - t e r s m u s t b e m o n i t o r e d s u c h a s i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r a n d s y s t e m p r e s s u r e . F o r t h i s , a n a l o g v o l t a g e s m u s t b e c o n v e r t e d i n t o 1 2 b i t d i g i t a l w o r d s . T h e C I O - D A S 0 8 a n d C I O - D A S 1 6 / J r a r e u s e d t o p e r f o r m t h i s f u n c t i o n . S e c o n d , e q u i p m e n t s e t p o i n t s m u s t b e c o n - t r o l l e d , e . g . g a s fl o w r a t e s a n d s y s t e m o p e r a t i n g p r e s s u r e . T h e C I O - D D A 0 6 a n d C I S - 8 0 D A C 0 2 a r e D / A c a r d s t h a t p e r f o r m t h i s f u n c t i o n . T h i r d , m o s t e q u i p m e n t i n t h e M C P R d i a - m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m i s t u r n e d o n a n o f f b y d i g i t a l 0 a n d 5 v o l t s i g n a l s . D i g i t a l I / O p o r t s f r o m s e v e r a l o f t h e a b o v e m e n t i o n e d c a r d s a r e u s e d t o p e r f o r m t h i s f u n c t i o n . I n a d d i - t i o n s o m e e x p e r i m e n t s r e q u i r e d t h e r m o c o u p l e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s . F o r t h i s t h e C I O - E X P 3 2 / 1 6 c a r d i s c o n n e c t e d e x t e r n a l t o t h e P C t o o n e o f t h e A / D c h a n n e l s o f t h e C I O - D A S 1 6 ] r . T h e e x p a n s i o n c a r d i s u s e d t o p r e c o n d i t i o n t h e s i g n a l s f r o m t h e k - t y p e t h e r m a l c o n d u c t o r s . H e n c e t h e s i g n a l r e a d b y t h e c o m p u t e r i s t h e c o r r e c t e d t e m p e r a t u r e . W i t h t h i s c a r d t h e P C c a n m a k e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s d i r e c t l y f r o m t h e t h e r m o c o u - p l e s . F u r t h e r i n f o r m a t i o n r e g a r d i n g t h e u s e o f t h e s e d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s i s p r o v i d e d i n t h e s y s t e m ’ s s o f t w a r e s e c t i o n ( s e c t i o n [ 3 . 2 . 2 ] ) . S y s t e m l e v e l c o n n e c t i o n s f r o m t h e s e c a r d s t o s y s t e m h a r d w a r e i s d e t a i l e d i n t h e n e x t s e c t i o n . 3 . 2 . 1 . 5 C o m p u t e r I n t e r f a c e o f t h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m T h i s s e c t i o n h a s b e e n i n c l u d e d t o p r o v i d e a n o v e r v i e w o f h o w t h e c o m p u t e r i n t e r - f a c e s t o t h e s y s t e m h a r d w a r e t h r o u g h t h e d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s . A f e w s y s t e m l e v e l s k e t c h e s o f t h e c o n n e c t i o n s b e t w e e n t h e c o m p u t e r a n d t h e s y s t e m h a r d w a r e a r e i n c l u d e d ; h o w e v e r , t h e e x a c t c i r c u i t r y o f t h e s e a n d o t h e r c i r c u i t s i n t h e l o w t e m p e r a t u r e M C P R a p p a r a t u s o f t h i s d i s s e r t a t i o n a r e o m i t t e d . 3 . 2 . 1 . 5 . ] C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y S y s t e m I n o r d e r f o r t h e c o m p u t e r t o s a f e l y o p e r a t e t h e M C P R s y s t e m , i t i s i m p e r a t i v e t h a t i t b e a b l e t o c o n t r o l b o t h t h e o n a n d o f f f u n c t i o n i n g o f t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y . I n t h i s 8 1 M C P R s y s t e m , t h e c o m p u t e r c o n t r o l s o n l y t h e s e f u n c t i o n s . T h e a d j u s t m e n t o f t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r l e v e l i s a m a n u a l o p e r a t i o n p e r f o r m e d b y t h e u s e r . F i g u r e 3 . 5 i s a d i a g r a m o f t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e c o m p u t e r ’ s d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s a n d t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y ( 4 0 ) a n d p o w e r m e t e r s ( 4 6 ) . T h e o n - o f f o p e r a t i o n o f t h e p o w e r s u p p l y i s c o n t r o l l e d v i a d i g i t a l I / O p o r t s i n t h e C I O - D D A O 6 ( 6 1 ) D / A c a r d . W h e n 5 v o l t s i s a p p l i e d t o b o t h t h e r e l a y s ( 6 0 ) f r o m t h e d i g i t a l p o r t s o f ( 6 1 ) , t h e p o w e r s u p p l y i s t u r n e d o n . O t h e r w i s e i t i s o f f . T h e a n a l o g o u t p u t o f t h e p o w e r m e t e r s ( 4 6 ) i s s e n s e d b y t h e A I D c h a n n e l s o f t h e C I O - D A S l 6 / J r ( 6 2 ) . 3 . 2 . 1 . 5 . 2 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e V a c u u m a n d G a s F l o w S y s t e m T h e c o m p u t e r ’ s i n t e r f a c e t o t h e v a c u u m a n d g a s fl o w s y s t e m a c t s t o c o n t r o l w h a t q u a n t i t i e s o f i n p u t g a s e s a r e fl o w e d i n t o t h e s y s t e m d u r i n g a n e x p e r i m e n t , a n d t o s e t a n d m o n i t o r t h e s y s t e m s p r e s s u r e . F i g u r e 3 . 6 i s a d i a g r a m o f t h e c o n n e c t i o n s b e t w e e n t h e c o m - p u t e r ’ s d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s a n d t h e p r e s s u r e d i s p l a y h a r d w a r e o f t h e l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m . I n t h e fi g u r e , t h e s i g n a l o u t p u t o f t h e t h r e e h i g h e s t r a n g e p r e s - s u r e t r a n s d u c e r s ( 1 0 0 0 t o r r , 1 0 0 t o r r , a n d 1 0 t o r r ) a r e c o n n e c t e d t o t h e M K S T y p e P D R - S B P o w e r S u p p l y D i g i t a l R e a d - O u t ( 5 0 ) . T h e s e s a m e s i g n a l s a r e a l s o r o u t e d t o s e p a r a t e A I D i n p u t s i n t h e C I O - D A S O 8 ( 6 3 ) . T h i s a l l o w s t h e c o m p u t e r t o m o n i t o r t h e s y s t e m s v a c u u m c h a m b e r ( 6 ) p r e s s u r e i n t r i p l i c a t e . B e s i d e s m e a s u r i n g t h e s y s t e m s v a c u u m p r e s s u r e , t h e c o m p u t e r a l s o c o n t r o l s t h e s e t p o i n t o f t h i s p a r a m e t e r . T h e c o m p u t e r s C I S - D A C 0 2 ( 6 5 ) D / A c a r d i s c o n n e c t e d t o a t h r o t t l i n g v a l v e c o n t r o l l e r ( 1 3 ) f o r t h i s p u r p o s e . T h e r e i s a l s o a c i r c u i t i n fi g u r e 3 . 6 t h a t c o n n e c t s a d i g i t a l I / O p o r t o f t h e C I O - D D A O 6 ( 6 1 ) t o t h e p n e u - m a t i c v a l v e o f t h e m e c h a n i c a l p u m p n i t r o g e n p u r g e . T h i s c i r c u i t i s u s e d b y t h e c o m p u t e r 8 2 C o m p u t e r ( 4 9 ) L _ _ _ _ _ _ C I O - A D 1 6 J r . ( 6 2 ) | N D P o r t ‘ — — — — — — ' 1 | N D P o r t L - - 1 l l I l C I O - D D A O 6 ( 6 1 ) | ' | l D i g i t a l I / O — — — — — 1 I E D i g i t a l I / O - 1 : Q Q l . . ° 1 . . ° l ' l I ' - - - - - - - - J I : R e l a y ( 6 0 ) R e l a y ( 6 0 ) | l I . a i r - I “ a n . | - l — . - J — / — q A — / 1 l l | | l I I r — " ' ' J I | ' I | I ' L L “ M i c r o w a v e I L _ _ _ _ _ : 1 P o w e r I . — — — — — — — — — — 1 s u p p l y ( 4 0 ) ( 2 . 4 5 G H z ) Q : ( 4 6 ) P o w e r M e t e r . , . I 0 | . . . \ . - ' A ' J . ‘ A M C P R ( 2 5 ) F i g u r e 3 . 5 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y . " — “ ‘ A I D C h a n n e l | r - J A I D C h a n n e l I r - A I D C h a n n e l ( 2 5 ) M C P R 5 C h a n n e l ' I D i g i t a l R e a d - O u t ( 5 0 ) l | I U l ! . C I O - D D A O 6 ( 6 1 ) 1 0 0 0 t o r r ( 1 5 ) . . ° ‘ D i g i t a l I I O ' I l D i g i t a l I I O - ' I I _ _ J l I C I S - D A C 0 2 ( 6 4 ) - _ : : . . . . . . . I I ( 6 ) V a c u u m _ _ : . _ C h a m b e r - - — — _ , : D / A C h a n n e l - : l " " " J 1 0 0 t o r r ( 1 6 ) I I 1 0 t o r r ( 1 7 ) I | 1 t o r r ( 1 8 ) I I - _ - — _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ J V a l v e ( 7 ) V a l v e C o n t r o l l e r 9 0 p s i P n e u m a t i c V a l u e N 2 ( 1 4 ) _ — — ‘ l 8 3 C o m p u t e r ( 4 9 ) - — — — ‘ C I O - D A S O S ( 6 3 ) : ( 1 2 ) P n e u m a t i c V a l v e - ‘ ( 2 6 ) P r e s s u r e T r a n s d u c e r F i g u r e 3 . 6 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e P r e s s u r e T r a n s d u c e r s . 8 4 t o d i l u t e t h e e x h a u s t o f t h e p u m p , w h i c h g e n e r a l l y h a s a h i g h c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o g e n , w i t h n i t r o g e n . F i g u r e 3 . 7 i s a d i a g r a m o f t h e c o n n e c t i o n s f r o m t h e C I O - D D A 0 6 ( 6 4 ) t o t h e M K S T y p e 2 4 7 C 4 C h a n n e l R e a d O u t ( 3 3 ) , w h i c h c o n t r o l s t h e fl o w o f g a s e s t h r o u g h t h e M K S T y p e 1 1 5 9 B M a s s F l o w C o n t r o l l e r s ( 5 ) . I n t h e fi g u r e , t h e B I A c h a n n e l s t r a n s m i t t h e s e t p o i n t v a l u e s t o t h e M F C T y p e 2 4 7 C ( 3 3 ) , a n d t h e d i g i t a l I I O p o r t s c o n t r o l t h e o n - o f f f u n c t i o n i n g o f t h e M F C s . 3 . 2 . 2 S o f t w a r e f o r t h e M C P R D i a m o n d D e p o s i t i o n S y s t e m T h e s o f t w a r e p r o g r a m t h a t c o n t r o l s t h e s e m i - a u t o m a t e d l o w t e m p e r a t u r e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m w a s c r e a t e d u s i n g M i c r o s o f t V i s u a l C + + V e r s i o n 1 . 5 1 . T h e u n - c o m p l i e d C + + c o d e t h a t m a k e s u p t h e p l a s m a s o f t w a r e i s a p p r o x i m a t e l y 5 , 0 0 0 l i n e s l o n g . V i s u a l C + + p r o g r a m s c o n t a i n a g r e a t d e a l o f C + + c o d e w h i c h i s n e c e s s a r y t o c r e a t e a n d m a n a g e t h e p r o g r a m ’ s u s e r f r i e n d l y i n t e r f a c e w h i c h i s p r e s e n t e d i n e a c h p r o g r a m s w i n d o w f r a m e s a n d d o c u m e n t v i e w s . T h e d e t a i l s c o n c e r n i n g t h e s e o p e r a t i o n s n e e d n o t b e d i s - c u s s e d w h e n p r e s e n t i n g t h e M C P R s y s t e m ’ s h a r d w a r e c o n t r o l a l g o r i t h m t h a t i s e x e c u t e d b y t h e p r o g r a m , n a m e d p l a s m a . e x e . W h a t i s p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n i n a fl o w c h a r t f o r m a t i s w h a t i s n e c e s s a r y t o u n d e r s t a n d t h e a l g o r i t h m t h a t i s e x e c u t e d e a c h t i m e a d i a m o n d d e p - o s i t i o n e x p e r i m e n t i s r u n . T h e d e t a i l s h a v e b e e n s i m p l i fi e d t o r e d u c e t h e c o m p l e x i t y o f s e v e r a l t h o u s a n d l i n e s o f c o d e d o w n t o a f o u r p a g e fl o w c h a r t . F i g u r e 3 . 8 t h r o u g h fi g u r e 3 . 1 1 s h o w s t h e fl o w o f t h e s o f t w a r e a l g o r i t h m f o r a t y p i - c a l d i a m o n d d e p o s i t i o n r u n . T h e r e m a y b e a s l i g h t v a r i a t i o n i n t h i s p r o c e d u r e b a s e d o n w h a t h a r d w a r e c o n t r o l f e a t u r e s t h e s y s t e m s a d m i n i s t r a t o r h a s i n s t a l l e d . T h e s h a d e d c o l - 8 5 C o m p u t e r ( 4 9 ) " “ — ‘ C I O - D D A 0 6 ( 6 1 ) , - — — D i g i t a l I I O A I D C h a n n e l - - - 1 I I ' - D i g i t a l I I O A I D C h a n n e l - - 1 | I I I - - D i g i t a l I I O A I D C h a n n e l - 1 | I I I l I — D i g i t a l I I O A I D C h a n n e l — 1 I I I I I ' I I ' I l I L _ _ _ _ _ _ _ , I I I | L _ _ _ _ M K S Z 4 7 C ( 3 3 ) . _ _ _ _ , | I I . _ _ _ _ _ _ I — — - _ J L . _ _ _ _ _ I — — — _ . _ . l ( 2 5 ) M C P R M K S C a b l e s ( 5 ) M a s s F l o w U C o n t r o l l e r s " _ ' I ( 6 ) V a c u u m _ : ( 4 ) 0 2 C h a m b e r ( 3 ) C 0 2 . ' ( 2 ) C H 4 . 1 ( 1 ) H 2 P r o c e s s G a s e s o t t e _ o 6 V a l v e ( 7 ) V a l v e C o n t r o l l e r F i g u r e 3 . 7 C o m p u t e r I n t e r f a c e t o t h e M F C s . 8 6 u m n o n t h e l e f t o f e a c h fi g u r e s h o w s t h e p o i n t s i n t h e a l g o r i t h m w h e r e u s e r i n p u t i s r e q u i r e d . W h i l e t h e s e fi g u r e s d o n o t c o v e r e v e r y f e a t u r e i n t h e p l a s m a . e x e s o f t w a r e , t h e y d o p r o v i d e a c o m p l e t e s y s t e m s l e v e l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e s t e p s t h a t a r e e x e c u t e d w h e n e v e r a d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t i s r u n . T h e r e a r e t w o l e v e l s o f u s e r s i n t h e p l a s m a . e x e p r o g r a m , t h e b a s i c u s e r a n d t h e m a s t e r u s e r . T h e m a s t e r u s e r h a s a c c e s s t o e v e r y f e a t u r e o f t h e p r o g r a m . P e r s o n s w i t h m a s - t e r u s e r a c c e s s c a n a d d a n d d e l e t e u s e r s t o t h e p a s s w o r d l i s t , c o n fi g u r e t h e s y s t e m s h a r d — w a r e i n t e r f a c e , a n d e x e c u t e a u t o m a t e d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . T h e b a s i c u s e r ’ s p a s s w o r d d o e s n o t a l l o w a c c e s s t o t h e s y s t e m ’ s p a s s w o r d l i s t o r t h e h a r d w a r e i n t e r f a c e c o n fi g u r a - t i o n ; h o w e v e r , t h e y c a n r u n a u t o m a t e d e x p e r i m e n t s . A s w a s m e n t i o n e d i n s e c t i o n [ 3 . 2 . 1 . 5 ] t h e c o m p u t e r i n t e r f a c e s t o s e v e r a l c o m p o - n e n t s o f t h e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n s y s t e m t h r o u g h d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s . W h e n e v e r t h e s o f t w a r e r e q u e s t s a m e a s u r e m e n t f r o m o n e o f t h e s e c a r d s i t m u s t p r o v i d e a l i s t o f p a r a m e t e r s s u c h a s b o a r d n u m b e r , c h a n n e l n u m b e r , v o l t a g e r a n g e , a n d o t h e r s . T h i s i n f o r - m a t i o n i s s t o r e d b y t h e p l a s m a . e x e p r o g r a m i n a g r o u p o f fi l e s o n t h e c o m p u t e r ’ s h a r d d r i v e . T h i s a l l o w s t h e v e r s a t i l i t y o f c h a n g i n g t h e c o n fi g u r a t i o n o f t h e h a r d w a r e , i . e . i n s t a l l - i n g n e w d a t a a c q u i s i t i o n c a r d s , w i t h o u t r e v i s i n g t h e s o f t w a r e . T h e m a i n w i n d o w f r a m e o f p l a s m a . e x e h a s s i x b u t t o n s i n a g r o u p l a b e l e d s y s t e m s c o n fi g u r a t i o n t h a t t h e m a s t e r u s e r s c a n s e l e c t t h e m t o c h a n g e t h e h a r d w a r e i n t e r f a c e c o n fi g u r a t i o n w h e n e v e r t h e s y s t e m ’ s h a r d w a r e i s a l t e r e d . T h e s e h a r d w a r e i n t e r f a c e c o n fi g u r a t i o n m e n u s a l l o w s o m e f u n c t i o n s s u c h a s s u b s t r a t e t h e r m o c o u p l e m e a s u r e m e n t s t o b e d i s a b l e d . T h e fl o w c h a r t i n fi g u r e 3 . 8 t h r o u g h fi g u r e 3 . 1 1 a s s u m e s t h a t a l l t h e s y s t e m ’ s h a r d - w a r e i n t e r f a c e f e a t u r e s o f t h e p l a s m a . e x e p r o g r a m a r e b e i n g e x e c u t e d . I f a f e a t u r e i s n o t 8 7 i n s t a l l e d t h e p r o g r a m w i l l j u s t s k i p t h a t s t e p . I n s t a l l a t i o n o f s o m e h a r d w a r e c o n t r o l f e a - t u r e s i s m a n d a t o r y f o r e x e c u t i o n o f t h e p r o g r a m . I f t h e y , o r a n y o p t i o n a l s o f t w a r e c o n t r o l f e a t u r e s a r e n o t p r o p e r l y c o n fi g u r e d , a h a r d w a r e e r r o r w i l l b e r e l a y e d b y t h e d a t a a c q u i s i - t i o n c a r d s , a n d p r o g r a m e x e c u t i o n w i l l t e r m i n a t e . 3 . 3 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e s 3 . 3 . 1 O p e r a t i o n o f t h e L o w T e m p e r a t u r e M C P R S y s t e m A s w a s s t a t e d e a r l i e r , t h e e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s u s e d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n i s a s e m i - a u t o m a t e d m a c h i n e . D u r i n g a d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t , t h e c o m p u t e r m o n i t o r s , m e a - s u r e s a n d r e c o r d s m a n y o f t h e s y s t e m p a r a m e t e r s . H o w e v e r , t h e s t a r t - u p p r o c e d u r e r e q u i r e s t h a t s o m e s t e p s b e c o m p l e t e d b y t h e s y s t e m ’ s u s e r . T h e n e x t s e c t i o n s o u t l i n e t h e p r o c e d u r e f o r s t a r t - u p , s h u t - d o w n a n d o p e r a t i o n o f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y . 3 . 3 . 1 . 1 T h e S t a r t - U p P r o c e d u r e f o r R u n n i n g a D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t T h e p r o c e d u r e o u t l i n e h e r e f o r s t a r t — u p o f t h e l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n a p p a r a t u s i s l i s t e d i n fi g u r e 3 . 1 2 . T h i s p r o c e d u r e a s s u m e s t h a t t h e a p p a r a t u s i s b e i n g o p e r - a t e d i n t h e s e m i - a u t o m a t e d d e p o s i t i o n m o d e w i t h t h e P l a s m a v e r s i o n 3 . 0 s o f t w a r e o r l a t e r . I t i s f u r t h e r a s s u m e d t h a t p r i o r t o b e g i n n i n g t h e s t a r t - u p p r o c e d u r e , t h e s y s t e m i s i n a v a c - u u m s t a t e w i t h n o s u b s t r a t e i n s i d e t h e M C P R . T h e r e a r e s o m e v a r i a t i o n s t o t h i s p r o c e d u r e f o r e x p e r i m e n t s m e n t i o n e d i n l a t e r s e c t i o n s ; h o w e v e r , f o r m o s t e x p e r i m e n t s t h i s p r o c e d u r e a p p l i e s . S y s t e m U s e r - S t a r t - u p t h e p l a s m a . e x e p r o g r a m . I V - e n t e r u s e r i d . - e n t e r u s e r p a s s w o r d . - s e l e c t e n t e r . V - S e l e c t t h e r u n a n e x p e r i m e n t i c o n . ( t h e b u t t o n w i t h t h e M C P R o n i t ) . L V - s e t t h e i n p u t e x p e r i m e n t a l v a r i a b l e s t o t h e d e s i r e d v a l u e s . - S e l e c t O K o r C a n c e l . 8 8 P l a s m a S o f t w a r e ( v e r s i o n 3 . 0 o r l a t e r ) V - D i s p l a y t h e l o g i n d i a l o g b o x . l < - J I - D i s p l a y m a i n p r o g r a m w i n d o w f r a m e . T j - D i s p l a y t h e C o n fi g u r e E x p e r i m e n t a l P a r a m e t e r s d i a l o g b o x . J N o ( C a n c e l ) F i g u r e 3 . 8 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . S y s t e m U s e r V - e n t e r a fi l e n a m e f o r t h e d a t a l o g fi l e . - s e l e c t O K o r C a n c e l . 8 9 P l a s m a S o f t w a r e ( v e r s i o n 3 . 0 o r l a t e r ) - D i s p l a y t h e S a v e F i l e A s d i a l o g b o x . l N o ( C a n c e l ) — O p e n t h e E x p e r i m e n t S t a t u s d i a l o g b o x . - T u r n o n t h e p r o c e s s g a s e s a n d s e t t h e fl o w r a t e s . - s e t t h e t h r o t t l e v a l v e s e t p o i n t . - W r i t e h e a d e r i n f o r m a t i o n f o r t h e d a t a l o g fi l e . — M e a s u r e t h e p r e s s u r e , m i c r o w a v e p o w e r m e t e r s , a n d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ( o p t i o n a l ) . - D o e s t h e p r e s s u r e e q u a l t h e d e s i r e d o p e r a t i n g p o i n t . F i g u r e 3 . 9 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . S y s t e m U s e r ~ A d j u s t t h e p o s i t i o n o f t h e s l i d i n g s h o r t - A d j u s t t h e l e n g t h o f t h e c o u p l i n g p r o b e . 9 0 P l a s m a S o f t w a r e ( v e r s i o n 3 . 0 o r l a t e r ) - S e t t h e t i m e r . I I - T u r n o n t h e m i c r o w a v e p o w e r . I - C h e c k t h e t i m e r . - m e a s u r e s y s t e m p a r a m e t e r s . 4 — - w r i t e m e a s u r e d d a t a t o t h e d a t a l o g fi l e . I s T i m e r E x p i r e d ? A r e m e a s u r e d s a f e t y p a r a m e - t e r s w i t h i n t o l e r — a n c e ? I s P o s t S e l e c t e d ‘ 7 I i I F i g u r e 3 . 1 0 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . 9 1 S y s t e m U s e r P l a s m a S o f t w a r e ( v e r s i o n 3 . 0 o r l a t e r ) - R e s e t s y s t e m p a r a m e t e r s f o r p o s t - p r o c e s s i n g . — R e s e t t i m e r . — C h e c k t h e t i m e r . - m e a s u r e s y s t e m p a r a m e t e r s . - w r i t e m e a s u r e d d a t a t o t h e d a t a l o g fi l e . I s T i m e r E x p i r e d ? A r e m e a s u r e d s a f e t y p a r a m e - t e r s w i t h i n t o l e r - a n c e ? Y e s - N o t e t h e s a f e t y e r r o r i n A d a t a l o g fi l e . _ I I - S h u t d o w n t h e s y s t e m . - D i s p l a y t h e l o g i n d i a l o g b o x . < — F i g u r e 3 . 1 1 S t e p s t o r u n a n e x p e r i m e n t w i t h p l a s a m . e x e . 9 2 I I n s e r t t h e s u b s t r a t e i n t o t h e M C P R s y s t e m 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 8 ) 9 ) t u r n t h e s w i t c h l a b e l e d M F C B t o C l o s e d . s e t t h e s w i t c h l a b e l e d t h r o t t l e v a l v e M a n u a l C l o s e d . c l o s e t h e m a n u a l g a t e v a l v e ( t u r n k n o b c l o c k w i s e u n t i l t i g h t ) . o p e n t h e v a l v e l a b e l e d N 2 p u r g e ( t u r n c o u n t e r - c l o c k w i s e s l o w l y ) l e t t h e v a c u u m s y s t e m fi l l w i t h N 2 u n t i l t h e 1 0 0 0 t o r r B a r a t r o n r e a d s 7 6 0 t o r r . c l o s e t h e v a l v e l a b e l e d N 2 p u r g e ( t u r n c l o c k w i s e u n t i l t i g h t ) . o p e n t h e v a c u u m d o o r . i n s e r t t h e s u b s t r a t e a n d s u b s t r a t e h o l d e r a s s e m b l y i n t o t h e M C P R b a s e p l a t e a n d t i g h t e n t h e 7 / 1 6 ” r e t a i n i n g n u t s . c l o s e t h e v a c u u m d o o r . t u r n t h e s w i t c h l a b e l e d t h r o t t l e v a l v e t o O p e n . 1 0 ) o p e n t h e m a n u a l g a t e v a l v e f u l l y ( t u r n c o u n t e r c l o c k w i s e s l o w l y ) . I 1 ) l e t t h e s y s t e m p u m p t o v a c u u m u n t i l t h e l t o r r B a r a t r o n r e a d s b e l o w 1 m t o r r . I I S t a r t t h e E x p e r i m e n t 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 8 ) 9 ) s e t t h e t h r o t t l e v a l v e s w i t c h t o a u t o . s e t t h e s w i t c h l a b e l e d M F C B t o O p e n . t u r n o n t h e M C P R a n d m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y l o a d w a t e r c o o l i n g a n d c h e c k fl o w r a t e . t u r n o n t h e M C P R i n t e r n a l a n d e x t e r n a l f o r c e d a i r c o o l i n g . p e r f o r m t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 w a r m - u p p r o c e d u r e ( r e f e r t o s e c t i o n [ 1 . 1 ] ) . o p e n t h e v a l v e s t o a l l t h e g a s c y l i n d e r s c o n n e c t e d t o t h e s y s t e m . - m e c h a n i c a l p u m p N 2 p u r g e ( m i n i m u m o f 6 0 0 p s i ) . - p n e u m a t i c v a l v e N 2 ( r e g u l a t o r s e t t o 6 0 - 9 0 p s i , m i n i m u m o f 3 0 0 p s i ) . - a l l g a s e s c o n n e c t e d t o t h e M F C s t h a t w i l l b e u s e d f o r t h i s e x p e r - i m e n t . l o g i n t o p l a s m a ( v e r s i o n 3 . 0 o r l a t e r ) s o f t w a r e , c o n fi g u r e s y s t e m p a r a m e t e r s a n d b e g i n e x p e r i m e n t ( r e f e r t o s e c t i o n [ 3 . 2 . 2 ] ) . w a i t f o r t h e p l a s m a s o f t w a r e t o t u r n o n t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p - p l y , t h e n a d j u s t t h e o u t p u t m i c r o w a v e p o w e r l e v e l t o t h e d e s i r e d v a l u e ( r e f e r t o s e c t i o n [ I . 2 ] ) . a d j u s t t h e s l i d i n g s h o r t l o c a t i o n i n t h e M C P R a n d t h e l e n g t h o f t h e c o u p l i n g p r o b e u n t i l t h e m e a s u r e d r e fl e c t e d p o w e r i s a t a m i n i m u m a n d t h e p l a s m a h a s t h e d e s i r e d s h a p e . F i g u r e 3 . 1 2 G e n e r i c S y s t e m S t a r t - U p P r o c e d u r e . 9 3 3 . 3 . 1 . 2 T h e S h u t - D o w n P r o c e d u r e f o r a D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t T h e s h u t - d o w n p r o c e d u r e f o r a d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t t h a t i s c o n t r o l l e d b y t h e s y s - t e m s o f t w a r e p l a s m a v e r s i o n 3 . 0 o r l a t e r i s a m o s t l y a u t o m a t i c p r o c e d u r e . T h e f e w s t e p s t h a t m u s t b e c o m p l e t e d b y t h e u s e r i n c l u d e s h u t t i n g o f f c o o l i n g s y s t e m s a n d s y s t e m c o m - p o n e n t s a f t e r t h e s y s t e m h a s h a d t i m e t o c o o l d o w n . T h i s c o o l d o w n t i m e i s c r i t i c a l t o m a n y c o m p o n e n t s o f t h e M C P R b e c a u s e t h e M C P R s y s t e m i s t y p i c a l l y o p e r a t e d a t t e m - p e r a t u r e s a b o v e 2 0 0 ° F . F u r t h e r m o r e , s o m e i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s i n t h e M C P R l o w t e m - p e r a t u r e s y s t e m h a v e a m i n i m u m r e q u i r e d c o o l d o w n p e r i o d a f t e r n o r m a l o p e r a t i o n . T h e m a n u a l M C P R s y s t e m s h u t - d o w n s t e p s a r e l i s t e d i n fi g u r e 3 . 1 3 . F o r a n e m e r g e n c y s y s t e m s h u t - d o w n d u r i n g a d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t , p r e s s t h e r e t u r n ( e n t e r ) k e y o n t h e c o m p u t e r k e y b o a r d , o r c l i c k o n t h e s t o p s i g n o n t h e c o m p u t e r s c r e e n w i t h t h e m o u s e . 3 . 3 . 1 . 3 O p e r a t i o n o f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 T h e p r o c e d u r e s o u t l i n e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s p r o v i d e t h e d e t a i l s o f o p e r a t i n g t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 i n t h e s e m i - a u t o m a t e d m o d e . T h i s i n f o r m a t i o n f o l l o w s t h e s y s - t e m c o n fi g u r a t i o n t h a t w a s o u t l i n e d i n s e c t i o n [ 3 . 2 . 1 ] . T h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 i s a l i q - u i d c o o l e d m a g n i t r o n b a s e d m i c r o w a v e g e n e r a t o r . I t i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g u p t o 3 K W a t t s o f m i c r o w a v e e n e r g y a t a s t a b l e O p e r a t i n g f r e q u e n c y o f 2 . 4 5 G H z . I t c a n b e o p e r - a t e d i n b o t h t h e C W a n d P u l s e d m o d e . I m p o r t a n t d e t a i l s a s t o t h e w a r m - u p p r o c e d u r e , a d j u s t m e n t o f m i c r o w a v e p o w e r l e v e l , a n d s h u t d o w n p r o c e d u r e , a r e c o n t a i n e d i n A p p e n - d i x I . 9 4 1 ) a f t e r t h e c o m p u t e r h a s s t o p p e d t h e e x p e r i m e n t t h e l o g i n d i a l o g b o x w i l l a p p e a r ( r e f e r t o s e c t i o n [ 3 . 2 . 2 ] ) . w a i t a t l e a s t 1 h o u r b e f o r e p r o c e e d i n g f u r t h e r . 2 ) t u r n o f f t h e i n t e r n a l a n d e x t e r n a l f o r c e d a i r c o o l i n g f o r t h e M C P R . 3 ) t u r n o f f t h e w a t e r c o o l i n g f o r t h e M C P R a n d t h e m i c r o w a v e l o a d s . 4 ) t u r n o f f t h e G e r l i n g ’ s N e s l a b c o o l i n g u n i t . 5 ) t u r n o f f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 ( r e f e r t o s e c t i o n [ 1 3 ] ) . 6 ) c l o s e t h e v a l v e s t o t h e g a s c y l i n d e r s c o n n e c t e d t o t h e M F C s . N o t e , t h e s y s t e m c o o l d o w n t i m e m u s t a l w a y s b e a d h e r e d t o o ! F i g u r e 3 . 1 3 G e n e r i c S y s t e m S h u t - D o w n P r o c e d u r e . 9 5 3 . 3 . 2 S u b s t r a t e P r e - t r e a t m e n t M e t h o d s I n s e c t i o n [ 2 . 5 ] , w h i c h w a s t i t l e d D i a m o n d N u c l e a t i o n M e t h o d s , s e v e r a l n u c l e a t i o n t e c h n i q u e s w e r e r e v i e w e d . F r o m t h a t l i s t , t w o m e t h o d s w e r e u t i l i z e d f o r p r e - t r e a t i n g t h e d e p o s i t i o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e c o a t e d w i t h d i a m o n d fi l m s b y t h e m e t h o d s o f c h a p t e r s 5 a n d 6 . T h e fi r s t m e t h o d t h a t w a s u s e d w a s t h e p h o t o - r e s i s t s e e d i n g m e t h o d , w h i c h w a s d e v e l o p e d b y M a s o o d e t . a l . a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y . S i n c e t h i s l o w t e m p e r a t u r e d i a - m o n d d e p o s i t i o n s t u d y w a s a n e x t e n s i o n o f o n - g o i n g h i g h t e m p e r a t u r e M C P R d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n , i t w a s a p p r o p r i a t e t o b e g i n t h e w o r k w i t h t h i s m e t h o d . L a t e r o n , w h e n a h i g h e r s e e d i n g d e n s i t y a n d s m a l l e r g r a i n fi l m s w e r e d e s i r e d a s a m e a n s t o r e d u c e fi l m s u r - f a c e r o u g h n e s s , t h e n u c l e a t i o n m e t h o d w a s s w i t c h e d t o a b r a s i o n s e e d i n g . T h i s w a s i n r e s p o n s e t o a s u g g e s t i o n b y H e n r y W i n d i s h m a n o f N o r t o n D i a m o n d F i l m s I n c . I n t h e f o l - l o w i n g s e c t i o n s t h e p r o c e d u r e f o r p r e - t r e a t i n g t h e s u b s t r a t e w i t h t h e s e m e t h o d s i s o u t l i n e d . R e g a r d l e s s o f w h i c h p r e - t r e a t m e n t m e t h o d w a s u s e d , t h e d i a m o n d p o w d e r t y p e w a s a l w a y s a g r a d e w h e r e t h e p a r t i c l e s h a d a d i a m e t e r o f 0 . 2 5 p m o r l e s s . 3 . 3 . 2 . 1 P r e p a r a t i o n o f s u b s t r a t e s p r i o r t o S e e d i n g B e f o r e a n y s u b s t r a t e w a s s e e d e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n i t w a s fi r s t c l e a n e d a n d w e i g h e d . T h e s u b s t r a t e c l e a n i n g p r o c e d u r e s r e m o v e d d i r t a n d c o n t a m i n a n t s f r o m t h e s u b - s t r a t e s p r i o r t o s e e d i n g . W h e n e v e r c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d s u c h t h a t t h e fi l m c o m p l e t e l y c o v e r s o n e s i d e o f t h e s u b s t r a t e , t h e w e i g h t g a i n o f t h e s u b s t r a t e f r o m b e f o r e t h e d e p o s i t i o n t o a f t e r d e p o s i t i o n w a s u s e d t o a p p r o x i m a t e t h e a v e r a g e t h i c k n e s s o f t h e d e p o s i t e d fi l m . H e n c e e a c h s u b s t r a t e w a s w e i g h e d p r i o r t o b e i n g s e e d e d b y e i t h e r s e e d - i n g p r o c e s s . 9 6 T h e c l e a n i n g p r o c e d u r e f o r s i l i c o n s u b s t r a t e s h a d j u s t t h r e e s t e p s . T o c l e a n a s i l i - c o n s u b s t r a t e i t w a s r i n s e d i n a c e t o n e f o r 2 m i n u t e s , r i n s e d i n m e t h a n o l f o r 2 m i n u t e s , r i n s e d w i t h d e - i o n i z e d w a t e r f o r 3 m i n u t e s , a n d d r i e d w i t h a n i t r o g e n b l o w g u n . T h e c l e a n i n g p r o c e d u r e f o r g l a s s s u b s t r a t e s w a s a t h r e e p a r t p r o c e s s . F i r s t , t h e s u b - s t r a t e s w e r e c l e a n i n g i n a n u l t r a s o n i c b a t h i n a 1 0 0 0 m L b e a k e r fi l l e d w i t h 5 m L o f L i q u i - n o x c l e a n i n g s o l u t i o n a n d 8 0 0 m L o f d e - i o n i z e d w a t e r . A f t e r 1 5 m i n u t e s i n t h e u l t r a s o n i c b a t h t h e s u b s t r a t e s w e r e r i n s e d w i t h d e - i o n i z e d w a t e r f o r 1 m i n u t e . S e c o n d , t h e s u b s t r a t e s w e r e p l a c e d i n b o i l i n g h y d r o g e n p e r o x i d e . A f t e r 2 0 m i n u t e s i n t h e b o i l i n g H 2 0 2 , t h e s u b - s t r a t e s w e r e r i n s e d w i t h d e - i o n i z e d w a t e r f o r 1 m i n u t e . F i n a l l y , t h e s u b s t r a t e s w e r e d r i e d i n a n o v e n f o r 2 0 m i n u t e s a t a s e t t i n g o f 1 2 5 C t o 1 7 0 C . 3 . 3 . 2 . 2 P h o t o - R e s i s t S e e d i n g o f S i l i c o n a n d G l a s s S u b s t r a t e s T h e p r o c e s s f o r s e e d i n g a s u b s t r a t e w i t h t h e D P R s e e d i n g m e t h o d w a s a s f o l l o w s . A f t e r t h e s u b s t r a t e i s c l e a n e d a n d w e i g h e d , t h e d i a m o n d p o w d e r - p h o t o r e s i s t s o l u t i o n i s m i x e d . F i r s t t h e a p p r o p r i a t e a m o u n t o f d i a m o n d p o w d e r i s m e a s u r e d i n t o a 6 0 m L b o t t l e w h i c h i s t h e n p l a c e d i n a n o v e n f o r 1 h o u r w i t h a t e m p e r a t u r e s e t t i n g o f 1 2 5 C t o 1 7 0 C . T h i s s t e p r e m o v e s m o i s t u r e f r o m t h e d i a m o n d fi l m a n d h e l p s t o p r e c l u d e c l u m p i n g l a t e r . S e c o n d 1 6 m L o f M i c r o p o s i t T y p e P t h i n n e r i s a d d e d t o t h e 6 0 m L b o t t l e . T h i r d , t h e b o t t l e c o n t a i n i n g t h e m i x t u r e o f t h i n n e r a n d d i a m o n d - p o w d e r i s p l a c e d i n a n u l t r a s o n i c b a t h f o r 3 0 m i n u t e s . N o t e : t o a v o i d d a m a g i n g t h e u l t r a s o n i c b a t h t h e b o t t l e s h o u l d a l w a y s b e p l a c e d i n t h e b a t h s s u s p e n s i o n b a s k e t , a n d s h o u l d n e v e r b e i n c o n t a c t w i t h t h e w a l l s o r fl o o r o f t h e b a t h . A f t e r a f e w m i n u t e s t h e m i x t u r e w i l l h a v e a m i l k y w h i t e a p p e a r a n c e . F o u r t h , o v e r t h e c o u r s e o f 1 h o u r e q u a l p o r t i o n s o f t h e 4 2 m L o f S h i p l e y 1 8 1 3 p h o t o r e s i s t 9 7 a r e a d d e d t o t h e m i x t u r e i n t h e u l t r a s o n i c b a t h . F i f t h , t h e a p p r o p r i a t e s i z e c h u c k i s i n s e r t e d i n t o t h e s p i n n e r a n d t h e s p i n n e r i s c o n fi g u r e d t o s p i n a t 3 0 0 0 r p m f o r 3 0 s e c o n d s . W i t h t h e D P R s o l u t i o n s t i l l i n t h e u l t r a s o n i c b a t h , a d r o p p e r i s fi l l e d w i t h a q u a n t i t y o f p h o t o r e s i s t t h a t c a n c o m p l e t e l y c o v e r t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . T h e n t h e e n t i r e s u r f a c e o f t h e s u b - s t r a t e i s c o a t e d w i t h t h e s o l u t i o n i n t h e d r o p p e r . A f t e r 1 0 s e c o n d s , t h e s p i n c y c l e i s s t a r t e d . F i n a l l y , t h e c o a t e d s u b s t r a t e i s b a k e d i n t h e o v e n f o r 3 0 m i n u t e s a t a t e m p e r a t u r e s e t t i n g o f 1 2 5 C t o 1 7 0 C . F u r t h e r i n f o r m a t i o n a b o u t s e e d i n g r e s u l t s v s . d i a m o n d p o w d e r c o n c e n t r a - t i o n i s c o n t a i n e d i n A p p e n d i x . 3 . 3 . 2 . 3 A b r a s i o n S e e d i n g o f S i l i c o n a n d G l a s s S u b s t r a t e s T h e p r o c e s s f o r s e e d i n g a s u b s t r a t e w i t h t h e a b r a s i o n s e e d i n g m e t h o d w a s a s f o l - l o w s . A f t e r t h e s u b s t r a t e i s c l e a n e d a n d w e i g h e d i t i s p l a c e d o n a K i m W i p e “ . N e x t , a q u a n t i t y o f d i a m o n d p o w e r i s s p r i n k l e d o n t o t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e i n a u n i f o r m m a n - n e r . W h i l e c a r e f u l l y h o l d i n g t h e s u b s t r a t e i n p l a c e o n t h e K i m W i p e T M w i t h t h e l e f t h a n d , t h e s u b s t r a t e i s p o l i s h e d w i t h t h e r i g h t h a n d i n d e x fi n g e r f o r a b o u t 2 m i n u t e s . F o r t h i s s t e p t h e i n d e x fi n g e r i s w r a p p e d i n a K i m W i p e ” . T h e p o l i s h i n g t e c h n i q u e w a s a c o u n t e r - c l o c k w i s e c i r c u l a r m a n n e r t h a t w a s e v e n l y a p p l i e d t o t h e e n t i r e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . P o l i s h i n g w a s d o n e w i t h a f a i r a m o u n t o f d o w n w a r d f o r c e e x e r t e d o n t h e s u b s t r a t e . W h i l e p o l i s h i n g t h e s u r f a c e w i t h t h e r i g h t h a n d , t h e s u b s t r a t e i s s l o w l y r o t a t e d i n a c l o c k w i s e d i r e c t i o n w i t h t h e l e f t h a n d . T h i s i s d o n e t o a c h i e v e a u n i f o r m s e e d i n g p r o c e s s . A f t e r - w a r d s , t h e r e m a i n i n g d i a m o n d p o w d e r o n t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e i s w i p e d a w a y w i t h a c l e a n K i m W i p e m . N e x t t h e s u b s t r a t e i s b l o w n c l e a n f o r 2 m i n u t e s w i t h a n i t r o g e n g u n . 9 8 T h e n t h e s u b s t r a t e i s r i n s e d w i t h a c e t o n e , m e t h a n o l a n d d e - i o n i z e d w a t e r f o r 2 m i n u t e s f o r e a c h s t e p . F i n a l l y , t h e s u b s t r a t e i s b l o w n d r y w i t h a n i t r o g e n g u n . 3 . 4 C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e D i a m o n d D e p o s i t i o n P r o c e s s a n d D i a m o n d F i l m T h e r e m a i n i n g s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r a r e d e v o t e d t o d e s c r i b i n g t h e m e t h o d s o f c h a r a c t e r i z a t i o n f o r b o t h t h e l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s a n d t h e d e p o s - i t e d fi l m s . A s w a s s t a t e d i n s e c t i o n [ 2 . 3 . 3 ] t h e r a t e o f d e p o s i t i o n o f a d i a m o n d fi l m i n a s u b a t m o s p h e r i c C V D p r o c e s s i s s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e . H e n c e , t h e m e t h o d s t h a t w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e i n — s i t u s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a r e d e s c r i b e d h e r e . A s a m e a n s o f u n d e r s t a n d i n g h o w w e l l a p a r t i c u l a r C V D d i a m o n d d e p o s i - t i o n p r o c e s s w o r k s , o n e m u s t m e a s u r e a g r o u p o f r e l e v a n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d fi l m . T h i s l i s t i n c l u d e s t h e q u a l i t y o f t h e d i a m o n d fi l m , t h e t h i c k n e s s o f t h e fi l m , t h e d e p o s i t i o n r a t e , a n d t h e d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . F u r t h e r m o r e , w h e n d i a m o n d i s d e p o s - i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s a d d i t i o n a l m e a s u r e m e n t s s u c h a s t h e fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s , t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i v i t y o f fi l m s d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s , a n d fi l m t o g l a s s s u b s t r a t e a d h e s i o n a r e r e q u i r e d . T h e s e m e a s u r e m e n t s p r o v i d e f u r t h e r d a t a t h a t i s u s e f u l i n c h a r a c t e r - i z i n g t h e d i a m o n d C V D p r o c e s s a s i t i s a p p l i e d t o g l a s s s u b s t r a t e s . T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s a d d r e s s h o w t h e s e p a r a m e t e r s w e r e m e a s u r e d . 3 . 4 . 1 S u b s t r a t e T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s T h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e d u r i n g m o s t d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w a s m e a s u r e d i n s i t u b y o n e o f t w o m e t h o d s ( 1 ) o p t i c a l p y r o m e t e r , o r ( 2 ) t h e r m o c o u p l e . I n m o s t e x p e r i m e n t s , a n O S 1 2 0 0 - H T S O m e g a s c 0 p e p y r o m e t e r w a s u s e d . T h i s d e v i c e i s s e n - 9 9 s i t i v e t o i n f r a r e d r a d i a t i o n w i t h a w a v e l e n g t h o f 2 . 2 u m , a n d c a n m e a s u r e t e m p e r a t u r e s b e t w e e n 4 0 0 C a n d 1 2 0 0 C . D u r i n g s o m e e x p e r i m e n t s t h e l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e i n t h e M P C R p r e c l u d e d u s e o f a n o p t i c a l p y r o m e t e r . I n t h e s e i n s t a n c e s , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e w a s m e a s u r e d b y a t h e r m o c o u p l e m e a s u r e m e n t . T h e O m e g a s c 0 p e H T S h e a d h a s a s p o t s i z e o f 0 . 1 i n c h e s a n d a f o c a l l e n g t h o f 1 2 i n c h e s . I n t h e M C P R s e t u p , t h e p y r o m e t e r s e n s e s i n f r a r e d e n e r g y f r o m t h e s u b s t r a t e t h a t r a d i a t e s o u t o f t h e c a v i t y t h r o u g h t h e c a v i t y v i e w i n g w i n d o w ( r e f e r t o fi g u r e 3 . 1 4 ) . B e f o r e b e i n g d e t e c t e d b y t h e p y r o m e t e r , t h e s u b s t r a t e ’ s r a d i a t e d i n f r a r e d e n e r g y p a s s e s t h r o u g h t h e p l a s m a , t h e q u a r t z b e l l j a r , a n d t h e s c r e e n o n t h e M C P R v i e w i n g w i n d o w . F o r t h e d i a - m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s o f t h i s d i s s e r t a t i o n t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e r a n g e i s b e t w e e n 4 0 0 C a n d 5 5 0 C , w h i c h i s a t t h e l o w e n d t h e s e n s i t i v i t y s p e c t r u m o f t h e O S 1 2 0 0 O m e g e s c o p e . I t m i g h t a p p e a r t h a t a p y r o m e t e r t h a t m e a s u r e s i n f r a r e d r a d i a t i o n i n t h e r a n g e o f 3 t o 5 u m w o u l d b e m o r e a p p r o p r i a t e ; h o w e v e r , r a d i a t i o n o f t h i s w a v e l e n g t h i s a b s o r b e d b y t h e q u a r t z b e l l j a r a n d w o u l d n o t b e d e t e c t e d . H e n c e , a p y r o m e t e r w i t h a s e n - s i t i v i t y o f r a d i a t i o n b e l o w 3 I . t m i s n e c e s s a r y . W h e n e v e r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s c o u l d n o t b y a c q u i r e d b y O p t i c a l p y r o m e t r y , t h e y w e r e s o m e t i m e s o b t a i n e d w i t h t h e r m o c o u p l e s . T h e t h e r m o c o u p l e s m e a - s u r e d e i t h e r t h e b a c k s i d e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e , o r t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e h o l d e r i n t h e M C P R ( r e f e r t o fi g u r e 3 . 1 4 ) . T h e t h e r m o c o u p l e s w e r e K t y p e a n d c a n m e a - s u r e t e m p e r a t u r e s i n a r a n g e o f 2 0 0 ° F t o 1 0 0 0 ° F . C r o s s - S e c t i o n o f t h e M C P R B e l l J a r P y r o m e t e r P l a s m a \ \ \ \ M C P R W i n d o w ’ o ‘ o ’ o z o z o ’ o ’ o . S u b s t r a t e V v V v V v v V V C ‘ : ° : ‘ : ‘ : ’ : ’ : ’ : ‘ : 3 0 1 9 . 9 5 . 9 3 . 9 1 . . . T h e r m o c o u p l e F i g u r e 3 . 1 4 S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s i n t h e M C P R . 1 0 1 3 . 4 . 2 O p t i c a l T r a n s m i s s i o n M e a s u r e m e n t s T h e s p e c t r a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f l i g h t w i t h w a v e l e n g t h s b e t w e e n 4 0 0 n m a n d 1 6 0 0 n m w a s m e a s u r e d f o r d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s . A n O r i e l M o n o c h r o m a t o r w i t h a 1 2 0 0 l i n e d i f f r a c t i o n g r a t i n g w a s u s e d t o p r o d u c e m o n o c h r o - m a t i c l i g h t w i t h a b a n d w i d t h o f a p p r o x i m a t e l y 2 0 n m f o r t h e s e m e a s u r e m e n t s . A N e w p o r t s i l i c o n d e t e c t o r ( M o d e l 8 1 8 S L ) w a s u s e d t o d e t e c t t r a n s m i t t e d l i g h t w i t h w a v e l e n g t h s f r o m 4 0 0 n m - 1 1 0 0 n m , a n d a N e w p o r t g e r m a n i u m d e t e c t o r ( M o d e l 8 1 8 1 R ) w a s u s e d f o r w a v e l e n g t h s f o r m 8 0 0 n m - 1 6 0 0 n m . A s i s s h o w n i n fi g u r e 3 . 1 5 , t h e o p t i c a l d e t e c t o r w a s l o c a t e d a t a d i s t a n c e o f 2 . 5 c m f r o m t h e d i a m o n d c o a t e d g l a s s . T o r e d u c e t h e e f f e c t s o f s c a t t e r i n g f r o m t h e r o u g h s u r f a c e o f t h e d i a m o n d fi l m , t h e s u b s t r a t e w a s p l a c e d w i t h t h e fi l m c l o s e s t t o t h e d e t e c t o r . T h e d i a m e t e r o f t h e e x i t s l i t w a s a p p r o x i m a t e l y l O n m . A s i s s h o w n i n fi g u r e 3 . 1 5 , m o n o c h r o m a t i c l i g h t i s p r o d u c e d b y fi l t e r i n g i t p r i o r t o e n t r y i n t o t h e m o n o c h r o m a t o r . V a r i o u s fi l t e r s w e r e u s e d a l o n g w i t h t h e m u l t i p l e d e t e c t o r s f o r e a c h s e g - m e n t o f t h e l i g h t s p e c t r u m . T a b l e 3 . 3 l i s t s t h e fi l t e r a n d d e t e c t o r s t h a t w e r e u s e d f o r e a c h w a v e l e n g t h s e g m e n t . T a b l e 3 . 3 : ' I i ‘ a n s m i s s i o n A r r a n g e m e n t s 2 » r a n g e ( n m ) F i l t e r D e t e c t o r 3 6 0 - 4 4 0 c l e a r g l a s s 8 1 8 S L 4 0 0 - 8 0 0 3 - 7 4 8 1 8 S L 7 0 0 - 1 1 0 0 2 - 6 4 8 1 8 8 L 9 0 0 - 1 6 0 0 7 - 5 6 8 1 8 I R T h e m e a s u r e d r a d i a t i o n i s c o n v e r t e d t o a v o l t a g e s i g n a l b y a N e w p o r t M o d e l 8 2 5 O p t i c a l P o w e r M e t e r . T h e a n a l o g o u t p u t o f t h e N e w p o r t M o d e l 8 2 5 s c a l e s t h e d e t e c t e d r a d i a t i o n t o a r e l a t i v e s c a l e o f 0 t o 1 v o l t s a c . T h i s s i g n a l i s m e a s u r e d b y a 3 8 6 P C v i a a 1 0 2 O r i e l M o n o c h r o m a t o r T u n g s t e n L i g h t S o u r c e C E D L e n s S u b s t r a t e \ . D i a m o n d F i l m / ' D e t e c t o r 1 . 2 3 5 I t w a t t I I C C C — P o w e r M e t e r 3 8 6 P C F i g u r e 3 . 1 5 M e a s u r e m e n t o f s p e c t r a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . 1 0 3 C o m p u t e r B o a r d s I n c o r p o r a t e d C I O - D A S l 6 / J r a n a l o g t o d i g i t a l d a t a a c q u i s i t i o n c a r d . T h e s o f t w a r e t h a t a c q u i r e s t h e t r a n s m i s s i o n d a t a i s a w i n d o w s b a s e d p r o g r a m n a m e d O p t i c s v e r s i o n 1 . 0 t h a t w a s w r i t t e n f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w i t h M i c r o s o f t V i s u a l C + + . F o r d e t a i l s r e g a r d i n g t h e o p e r a t i o n o f t h i s s o f t w a r e p r o g r a m r e f e r t o A p p e n d i x . 3 . 4 . 3 F i l m T h i c k n e s s M e a s u r e m e n t s F i l m t h i c k n e s s m e a s u r e m e n t s a r e i m p o r t a n t f o r t w o r e a s o n s ; d e t e r m i n i n g t h e d e p o - s i t i o n r a t e , a n d d e t e r m i n i n g t h e u n i f o r m i t y o f d e p o s i t i o n . F o r t h i s d i s s e r t a t i o n t h e t h i c k - n e s s o f a s - g r o w n fi l m s w a s d e t e r m i n e d b y t h r e e m e t h o d s ( 1 ) w e i g h t g a i n , ( 2 ) o p t i c a l t r a n s m i s s i o n , a n d ( 3 ) s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( S E M ) . T h e u n i f o r m i t y o f t h e a s - g r o w n fi l m w a s d e t e r m i n e d b y S E M . 3 . 4 . 3 . 1 W e i g h t G a i n D e t e r m i n a t i o n o f F i l m T h i c k n e s s T h e p r o c e s s o f fi l m t h i c k n e s s m e a s u r e m e n t s b y w e i g h t g a i n i s a c c o m p l i s h e d b y s i m p l y m e a s u r i n g t h e w e i g h t o f t h e s u b s t r a t e b e f o r e a n d a f t e r d e p o s i t i o n . S u b t r a c t i o n o f t h e f o r m e r f r o m t h e l a t t e r g i v e s t h e a m o u n t o f c a r b o n t h a t w a s d e p o s i t e d b y w e i g h t . T h e r e s u l t i n g fi l m t h i c k n e s s i s t h e n d e t e r m i n e d b y e q u a t i o n [ 3 . 2 ] w h e r e t i s t h e a v e r a g e fi l m t h i c k n e s s i n c m , w i s t h e a m o u n t o f c a r b o n d e p o s i t e d b y w e i g h t i n m g , a n d A i s t h e a r e a o f t h e s u b s t r a t e i n c m . T h e c o e f fi c i e n t 3 . 5 1 5 g / c m 3 i s t h e d e n s i t y o f d i a m o n d . W t : 3 . 5 1 5 x A e q ( 3 . 2 ) 1 0 4 3 . 4 . 3 . 2 S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o s c o p y A n o t h e r m e t h o d o f m e a s u r i n g t h e t h i c k n e s s o f a d i a m o n d fi l m i s t o u s e a s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( S E M ) . I m a g e s o f fi n e g r a i n d i a m o n d fi l m s s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a - t i o n c a n n o t b e o b t a i n e d w i t h a n o p t i c a l m i c r o s c o p e s i n c e t h e g r a i n s i z e a n d t h i c k n e s s o f t h e m a r e i n t h e r a n g e o f 0 . 1 u m t o l u m , a n d t h e u p p e r l i m i t o f t h e m a g n i fi c a t i o n o f a n o p t i c a l m i c r o s c o p e i s a b o u t 2 0 0 0 X . F u r t h e r m o r e , a t i t ’ s h i g h e s t m a g n i fi c a t i o n , t h e d e p t h o f fi e l d i n a n o p t i c a l m i c r o s c o p e i s t o o s m a l l t o e f f e c t i v e l y i m a g e t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e s e fi l m s . E v e n w h e n i m a g i n g w i t h a n S E M i s d o n e w i t h i n t h e r a n g e o f a l i g h t m i c r o s c o p e , a n S E M i s o f t e n p r e f e r r e d b e c a u s e i t h a s a m u c h h i g h e r d e p t h o f fi e l d . T h i s i s b e c a u s e t h e w a v e l e n g t h h e o f t h e e l e c t r o n b e a m i n a S E M i s m u c h s m a l l e r t h a n t h a t o f l i g h t . B e s i d e s b e i n g a u s e f u l t o o l f o r m e a s u r i n g t h e t h i c k n e s s o f a d i a m o n d fi l m , a n S E M i m a g e c a n a l s o b e u s e d t o a n a l y z e t h e m o r p h o l o g y o f a fi l m a n d i t ’ s n u c l e a t i o n d e n s i t y . T h e p r i n c i p l e c o n c e p t o f t h e o p e r a t i o n o f a n S E M i s t h a t i t f o c u s e s a n e l e c t r o n b e a m i n t o a v e r y s m a l l s p o t s i z e o n t h e s u r f a c e o f t h e s a m p l e b e i n g i m a g e d . I n e l a s t i c c o l l i - s i o n s w i t h t h i s e l e c t r o n b e a m g e n e r a t e a v a r i a b l e q u a n t i t y o f s e c o n d a r y e l e c t r o n s f r o m t h e w e a k l y b o n d e d e l e c t r o n s i n t h e c o n d u c t i o n b a n d o f t h e s a m p l e . T h e s e e m i t t e d s e c o n d a r y e l e c t r o n s a r e c o l l e c t e d b y a F a r a d a y c a g e a n d m u l t i p l i e d b y a p h o t o m u l t i p l i e r t u b e . D u r i n g o p e r a t i o n , t h e b e a m o f i n c i d e n t e l e c t r o n s i s s c a n n e d a c r o s s t h e s u r f a c e o f t h e s a m p l e i n t h e s a m e m a n n e r t h a t a C R T r a s t e r s i t s s c r e e n . A s t h e b e a m t r a v e l s a c r o s s p e a k s a n d v a l l e y s o n t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e t h e q u a n t i t y o f e m i t t e d s e c o n d a r y e l e c t r o n s v a r i e s , t h u s c r e a t - i n g l i g h t a n d d a r k r e g i o n s i n t h e S E M i m a g e . T h e s e l i g h t a n d d a r k a r e a s r e s o l v e i n t o c l e a r i m a g e s t h a t s h o w t h e t e x t u r e o f t h e i m a g e b e i n g s c a n n e d . I n t h i s d i s s e r t a t i o n , S E M i m a g e s w e r e u s e d t o s t u d y fi l m t h i c k n e s s , fi l m m o r p h o l - 1 0 5 o g y a n d i n s o m e c a s e s fi l m u n i f o r m i t y . S i n c e t h e S E M g e n e r a t e s i t s i m a g e s b y c r e a t i n g a b e a m o f s e c o n d a r y e l e c t r o n s f r o m t h e c o n d u c t i o n b a n d o f m a t e r i a l s , i t w o r k s b e s t o n c o n - d u c t i n g s a m p l e s . W h e n e v e r a n i n s u l a t o r i s t o b e i m a g e d w i t h a n S E M , a n f e w n a n o m e t e r t h i c k fi l m o f g o l d i s s p u t t e r e d c o a t e d o n t o t h e s a m p l e . T h e g o l d i s t h i c k e n o u g h t o p r e — c l u d e s u r f a c e c h a r g i n g o n i n s u l a t i n g s u b s t r a t e s , b u t t h i n e n o u g h t o a v o i d d i s t o r t i n g t h e t r u e s u r f a c e t e x t u r e o f t h e s a m p l e . S i n c e d i a m o n d fi l m s a r e i n h e r e n t l y e l e c t r i c a l l y i n s u l a t i n g , t h e fi l m s i m a g e d w i t h S E M f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w e r e a l l s p u t t e r c o a t e d w i t h g o l d f o r 3 m i n u t e s i n a n A r g o n p l a s m a . 3 . 4 . 3 . 3 D e t e r m i n a t i o n o f F i l m T h i c k n e s s b y C o h e r e n t I n t e r f e r e n c e A n o t h e r m e t h o d o f m e a s u r i n g t h e t h i c k n e s s o f a d i a m o n d fi l m i s t o d e t e r m i n e i t s t h i c k n e s s f r o m a m e a s u r e m e n t o f t h e t r a n s m i s s i v i t y o f t h e d i a m o n d fi l m . A m e t h o d o f m e a s u r i n g t h e t r a n s m i s s i v i t y o f d i a m o n d fi l m s o n g l a s s s u b s t r a t e s w a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 2 ] . F i g u r e 5 s h o w s a t h e o r e t i c a l t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m o f 1 p m t h i c k d i a m o n d fi l m o n a t h i c k g l a s s s u b s t r a t e t h a t m i g h t r e s u l t f r o m t h e m e a s u r e m e n t s o f s e c t i o n [ 3 . 4 . 2 ] . T h e a s s u m p t i o n s o f t h e p l o t a r e t h a t t h e r e i s n o a b s o r p t i o n i n t h e fi l m o r s c a t t e r i n g a t e i t h e r i n t e r f a c e o f t h e fi l m . T h e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e g l a s s w a s c h o s e n t o b e 1 . 5 a n d t h e r e f r a c - t i v e i n d e x o f t h e d i a m o n d fi l m w a s d e t e r m i n e d b y t h e S e l l m e i e r e q u a t i o n ( r e f e r t o s e c t i o n [ 6 . 4 . 1 . 1 1 ) . A s i s o b s e r v e d i n t h e fi g u r e , s m o o t h t h i n fi l m s w i t h n e g l i g i b l e o p t i c a l a b s o r p t i o n o r o p t i c a l s c a t t e r i n g , e x h i b i t c o h e r e n t i n t e r f e r e n c e i n t h e r a n g e o f l i g h t p r e v i o u s l y m e n t i o n e d . T h e d a t a f r o m t h e l o c a t i o n o f t h e s e p e a k s a n d v a l l e y s c a n b e u s e d t o e x t r a c t t h e a v e r a g e t h i c k n e s s o f t h e fi l m b y t w o m e t h o d s . 1 0 6 g t 7 t r a n s 1 I r r l I T 0 . 9 - 0 . 8 - x , o 7 I x x " ’ Q . l x x ] ' I ‘ 4 . 8 2 " “ ’ 2 0 . 6 ' * 9 : E 2 S 0 5 - I - ‘ E 8 3 0 A » . o . x . x t h I c k n e s s ( n m ) 1 3 4 0 0 . 3 - r r n s s i g m a ( n m ) 3 8 0 . 2 - n ( d i a m o n d ) ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 I - n ( g l a s s ) 1 . 5 3 0 l l 1 l l I 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) T h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f a l u m d i a m o n d fi l m . 1 0 7 O n e m e t h o d o f e x t r a c t i n g t h e t h i c k n e s s o f a d i a m o n d fi l m f r o m i t s t r a n s m i s s i v i t y d a t a i s t o fi t a c u r v e t o t h e m e a s u r e d d a t a t h a t h a s t h e t h i c k n e s s o f t h e fi l m a s i t s o n l y v a r i - a b l e . T h i s c a n b e a c c o m p l i s h e d b y t h e c l a s s i c r e l a t i o n f o r t h e i n t e n s i t y o f t r a n s m i t t e d n o r — m a l l y i n c i d e n t l i g h t t h r o u g h a t h i n fi l m o n a g l a s s s u b s t r a t e a s i s d e fi n e d i n e q u a t i o n [ 3 . 3 1 . 1 6 0 1 2 2 1 - _ T = ( ( r 0 1 ) ) ( 1 ( r 1 2 ) ) e q ( 3 3 ) 2 2 4 1 t n 1 d 1 + ( r m ) ( r 1 2 ) + 2 r 0 1 r 1 2 c o s ( - T ) T h e r " r m t e r m s i n t h e e q u a t i o n a r e t h e f r e s n e l r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t s a t t h e a i r - g l a s s i n t e r - f a c e , t h e g l a s s - d i a m o n d i n t e r f a c e , a n d t h e d i a m o n d - a i r i n t e r f a c e . T h e s u b s c r i p t s 0 , l a n d 2 d e s i g n a t e a i r , d i a m o n d a n d g l a s s r e s p e c t i v e l y . T h e t e r m n 1 i s t h e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e d i a m o n d fi l m , a n d A i s t h e w a v e l e n g t h o f l i g h t i n a i r . T h i s t e c h n i q u e m a y a l s o b e u s e d f o r t h i n n o n - a b s o r b i n g d i a m o n d fi l m s t h a t h a v e a n r m s s u r f a c e r o u g h n e s s b e l o w 4 0 n m . W h i l e t h i s r o u g h n e s s o f t h e s e fi l m s d o e s c r e a t e s c a t t e r i n g a t t h e a i r - d i a m o n d i n t e r f a c e , c o h e r e n t i n t e r f e r e n c e i s s t i l l p r e s e n t i n t h e m e a s u r e d t r a n s m i s s i v i t y d a t a . I n t h i s c a s e t h e r m s s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e fi l m m u s t b e m e a s u r e d p r i o r t o a p p l y i n g t h i s m e t h o d . T o i n c l u d e t h e e f f e c t s o f s u r f a c e r o u g h n e s s , t h e e f f e c t s o f l i g h t s c a t t e r i n g b y t h e r o u g h d i a m o n d s u r f a c e a r e i n c l u d e d i n e q u a t i o n [ 3 . 3 ] a n d t h e r e s u l t i s d e fi n e d i n e q u a t i o n [ 3 . 4 ] . T R = ( 1 — r § 1 ) ( l - r 1 2 0 ) S T e q ( 3 4 ) 4 1 m d 2 2 1 + ( r 2 1 ) ( r 1 0 ) S R + 2 r 2 1 r 1 0 J . S — , Q c o s ( A ] ) T h e t e r m s S n i n e q u a t i o n [ 3 . 4 ] a r e t h e c o r r e c t i o n f a c t o r s f o r t h e t r a n s m i t t e d a n d r e fl e c t e d p o w e r a t t h e d i a m o n d i n t e r f a c e s . T h e y i n c l u d e t h e r r n s s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e fi l m . F o r 1 0 8 f u r t h e r d e v e l o p m e n t o f t h e s e e q u a t i o n s r e f e r t o s e c t i o n [ 6 . 4 . 1 . 2 ] . A p p e n d i x A c o n t a i n s t h e m a t l a b “ . m ” fi l e s f o r a p r o g r a m t h a t w a s u s e d t o g e n e r a t e a l l t h e p l o t s o f t h e o r e t i c a l a n d m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s o n g l a s s s u b s t r a t e s f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . T h e t h i c k n e s s o f a t h i n d i a m o n d fi l m o n a g l a s s s u b s t r a t e c a n a l s o b e e s t i m a t e d f r o m i t ’ s t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m b y t h e s i m p l e f o r m u l a d e s c r i b e d i n e q u a t i o n [ 3 . 5 ] [ 6 ” . H e r e , t h e f r i n g e s o f t h e fi l m ’ s t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m a r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e a p p r o x i - m a t e t h i c k n e s s o f t h e fi l m . = N 2 n d ( u 1 — u 2 ) e q ( 3 . 5 ) I t i s a s s u m e d h o w e v e r , t h a t i t s r e f r a c t i v e i n d e x i s a k n o w n q u a n t i t y r i d w i t h a n a v e r a g e v a l u e t h r o u g h o u t t h e s p e c t r u m . T h e t e r m N i s t h e n u m b e r o f f r i n g e s , d i s t h e t h i c k n e s s o f t h e fi l m a n d ( V I - V 2 ) i s t h e d i f f e r e n c e i n w a v e n u m b e r f r o m t h e fi r s t t o l a s t f r i n g e . 3 . 4 . 4 F i l m Q u a l i t y A n a l y s i s b y R a m a n F o r t h i s d i s s e r t a t i o n , a q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d fi l m s w a s a c c o m p l i s h e d b y e v a l u a t i o n o f t h e R a m a n s p e c t r u m o f t h e a s - d e p o s i t e d fi l m s . R a m a n s p e c t r o s c o p y h a s b e e n w i d e l y u s e d t o c h a r a c t e r i z e d i a m o n d t h i n fi l m s g r o w n b y v a r i o u s d e p o s i t i o n s , a n d t o c o m p a r e C V D d i a m o n d fi l m s t o n a t u r a l d i a m o n d . R a m a n s p e c - t r o s c o p y i s a n i d e a l m e t h o d f o r c h a r a c t e r i z i n g t h e q u a l i t y o f d i a m o n d b e c a u s e i t i s s e n s i - t i v e t o m a n y f o r m s o f c a r b o n b e s i d e s d i a m o n d s u c h a s g r a p h i t e a n d d i a m o n d - l i k e - c a r b o n ( D L C ) . T h e p r i n c i p l e t h e o r y o f R a m a n s p e c t r o s c o p y i s b a s e d o n t h e p h e n o m e n o n o f 1 0 9 i n e l a s t i c s c a t t e r i n g o f r a d i a t i o n b y a m e d i u m . W h e n a b e a m o f m o n o c h r o m a t i c l i g h t w i t h a f r e q u e n c y o f V 0 i s f o c u s e d o n a s a m p l e , r a d i a t i o n i s s c a t t e r e d f r o m t h e s a m p l e t h a t c o n - t a i n s t h r e e f r e q u e n c y c o m p o n e n t s . B e s i d e s c o n t a i n i n g R a y l e i g h s c a t t e r e d l i g h t w i t h t h e e x c i t a t i o n f r e q u e n c y v 0 , t h e r e a r e i n e l a s t i c c o m p o n e n t s o f s c a t t e r e d r a d i a t i o n w h i c h a r e d u e t o p h o n o n i n t e r a c t i o n s , t h a t h a v e f r e q u e n c i e s o f V o + V m a n d v o - v m . T h e s e i n e l a s t i c c o m p o n e n t s a r e r e f e r r e d t o a s S t o k e s s c a t t e r ( v o - v m ) a n d a n t i - S t o k e s s c a t t e r ( v o + v m ) . F o r m o s t R a m a n s y s t e m s , t h e s p e c t r u m o f r a d i a t i o n f r o m t h e a n t i - S t o k e s s c a t t e r i s t a k e n c o l - l e c t i v e l y a s t h e R a m a n s p e c t r u m , a n d i s m e a s u r e d i n w a v e n u m b e r s . A h i g h q u a l i t y d i a - m o n d fi l m s h o w s a s h a r p c h a r a c t e r i s t i c fi r s t o r d e r R a m a n p e a k t h a t i s r e p o r t e d t o b e i n t h e r a n g e o f 1 3 3 2 . 1 c m ' 1 - 1 3 3 2 . 6 c m ' 1 w i t h a w i d t h a t h a l f m a x i m u m ( F W H M ) o n t h e o r d e r o f 1 . 8 c m ‘ l l é z ] . T h i s i s a s s o c i a t e d w i t h t h e s p 3 b o n d s p r e s e n t i n d i a m o n d . T h e r e i s a l s o a s e c o n d o r d e r d i a m o n d p e a k i n t h e R a m a n s p e c t r u m a t 2 4 5 0 c m ’ 1 [ 6 3 ] . I n c o n t r a s t a b r o a d p e a k a r o u n d 1 6 0 0 c m ’ 1 i s a t t r i b u t e d t o w e l l o r d e r e d g r a p h i t e w ’ ] . G r a p h i t i c c a r b o n p h a s e s a l s o p r o d u c e p e a k s a r o u n d 1 3 5 5 c m ‘ 1 ( D b a n d ) a n d 1 5 8 2 c m ’ 1 ( G b a n d ) [ 6 5 ] . A n o t h e r c a r - b o n p h a s e p e a k t h a t i s s o m e t i m e s p r e s e n t i n R a m a n a n a l y s i s i s a t 1 5 5 0 c m ' 1 [ 6 6 ] . T h i s w a s t h o u g h t t o b e a s s o c i a t e d w i t h a g r a p h i t e p h a s e , b u t h a s r e c e n t l y b e e n a t t r i b u t e d t o D L C fi l m s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e r a t i o o f t h e i n t e n s i t i e s o f t h e d i a m o n d p e a k a t 1 3 3 2 c m ’ 1 a n d t h e g r a p h i t e p e a k a t 1 6 0 0 c m ’ 1 i s n o t p r o p o r t i o n a l t o t h e r a t i o o f d i a m o n d t o n o n - d i a - m o n d c o m p o n e n t s p r e s e n t i n t h e fi l m . T h i s i s d u e t o t h e f a c t t h a t R a m a n s c a t t e r i n g i s t y p i - c a l l y a b o u t 5 0 t i m e s m o r e s e n s i t i v e t o s p 2 b o n d e d ( n o n - d i a m o n d ) c a r b o n t h a t s p 3 ( d i a m o n d ) b o n d e d c a r b o n w l . T h e R a m a n a n a l y s i s e x p e r i m e n t u s e d t o c h a r a c t e r i z e d i a - m o n d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n u s e s a n A r g o n l a s e r w i t h a w a v e l e n g t h o f 5 1 4 n m w h i c h i s r e p o r t e d t o b e m o r e s e n s i t i v e t o fi n e g r a i n fi l m t h a n a 6 3 2 . 8 r u n H e l a s e r . T h e c o n fi g u r a t i o n 1 1 0 a n d o p e r a t i o n o f t h i s R a m a n a p p a r a t u s h a s b e e n w e l l d o c u m e n t e d [ 6 8 ] . B e s i d e s a n a l y z i n g t h e q u a l i t y o f C V D d i a m o n d fi l m s , R a m a n a n a l y s i s h a s b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d t o a n a l y z e t h e i n t e r n a l s t r a i n i n t h e m l b z l l é m w l . I t h a s b e e n r e p o r t e d t h a t t h e d i a m o n d R a m a n p e a k s h i f t s l i n e a r l y w i t h fi l m s t r a i n . F r o m t h i s s h i f t o f t h e 1 3 3 2 c m ” 1 R a m a n d i a m o n d p e a k , i n f o r m a t i o n a b o u t t h e s t r a i n t y p e , i . e . t e n s i l e o r c o m p r e s s i v e , a n d s t r a i n m a g n i t u d e m a y b e o b t a i n e d . I f t h e n e t s t a i n i n t h e d i a m o n d fi l m i s c o m p r e s s i v e , t h e p o s i t i o n o f t h e 1 3 3 2 c m ‘ ] R a m a n p e a k s h i f t s t o a h i g h e r w a v e n u m b e r . F o r t e n s i l e s t r a i n , t h e p e a k s h i f t s t o a l o w e r w a v e n u m b e r . R e c e n t p u b l i c a t i o n s i n d i c a t e t h a t i t i s a l s o p o s s i b l e t o m e a s u r e t h e R a m a n s p e c t r u m o f a d i a m o n d fi l m d u r i n g t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s l m m l ] . I n s i t u R a m a n h a s b e e n s h o w n t o w o r k w e l l i n b o t h m i c r o w a v e p l a s m a - a s s i s t e d C V D r e a c t o r s a n d h o t fi l a m e n t s y s t e m s . T h e r e p o r t e d c a p a b i l i t y o f t h e s e i n s i t u R a m a n s y s t e m s a r e ( 1 ) m e a s u r e m e n t s o f t h e a c t u a l fi l m t e m p e r a t u r e , a n d ( 2 ) o n - l i n e c o n t r o l o f fi l m q u a l i t y i n t e r m s o f n o n - d i a m o n d s p e c i e s a n d c r y s t a l l i t e s i z e s . A s w a s s t a t e d e a r l i e r , o n e o f t h e c h i e f g o a l s o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s t o d e v e l o p a p r o - c e s s f o r d e p o s i t i n g v e r y fi n e g r a i n ( ( 0 . 2 5 I t m d i a m e t e r ) d i a m o n d fi l m s [ 6 3 ] . R a m a n a n a l y s i s i s t y p i c a l l y v e r y s e n s i t i v e t o t h e a v e r a g e g r a i n s i z e o f a d i a m o n d fi l m . I t h a s b e e n r e p o r t e d t h a t f o r R a m a n e x c i t a t i o n o f 4 8 8 n m t h e i n t e n s i t y o f t h e p e a k a t 1 3 3 2 c m ” 1 d e c r e a s e s a n d t h e b r o a d e n s a s t h e a v e r a g e g r a i n d i a m e t e r d e c r e a s e s . I t a l s o s h i f t s t o a l o w e r w a v e n u m b e r . T h e s e e f f e c t s h a v e b e e n m i s i n t e r p r e t e d b y s o m e t o i n d i c a t e t h a t fi n e g r a i n fi l m s a r e p o o r i n q u a l i t y a s c o m p a r e d t o t h o s e o f l a r g e r g r a i n s i z e s ( > 1 0 u m ) . F u r t h e r m o r e , t h e s h i f t o f t h e 1 3 3 2 c m ' 1 R a m a n p e a k t o a l o w e r w a v e n u m b e r d o e s n o t m e a n t h e fi l m h a s i n t e r n a l s t r a i n . I n a d d i t i o n t o g r a i n s i z e , R a m a n i s a l s o s e n s i t i v e t o t h e f r e q u e n c y o f e x c i t a t i o n l 6 5 ] . 1 1 1 M o s t R a m a n s t u d i e s u s e a n e x c i t a t i o n i n t h e v i s i b l e a n d n e a r - U V r e g i o n . I t h a s b e e n r e p o r t e d t h a t s h o r t e r w a v e l e n g t h R a m a n i s m o r e s e n s i t i v e t o t h e 1 3 3 2 c m " 1 p e a k t h a t l o n g e r w a v e l e n g t h R a m a n . I n f a c t , t h e i n t e n s i t y o f t h e 1 3 3 2 c m ‘ 1 d i a m o n d p e a k r e l a t i v e t o t h a t o f t h e 1 5 8 0 c m ' 1 n o n - d i a m o n d p e a k d r a m a t i c a l l y i n c r e a s e s w i t h U V e x c i t a t i o n a s c o m p a r e d t o t h e e x c i t a t i o n i n t h e v i s i b l e a n d n e a r - U V r e g i o n . T h e i n t e n s i t y o f t h e r a t i o o f d i a m o n d t o n o n - d i a m o n d c a r b o n p e a k s f o r 2 4 4 n m R a m a n i s a b o u t 2 5 t i m e s g r e a t e r t h a t o f t h e 4 8 8 n m R a m a n r a t i o . 3 . 4 . 4 . 1 D e fi n i t i o n o f R a m a n A s p e c t r a a n d R a m a n B s p e c t r a T h e d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s a n d s u b s e q u e n t fi l m c h a r a c t e r i z a t i o n s t h a t a r e d i s c u s s e d i n t h e l a t e r c h a p t e r s o f t h i s d i s s e r t a t i o n w e r e c a r r i e d o u t o v e r a p e r i o d o f f o u r y e a r s . D u r i n g t h a t t i m e t h e R a m a n s p e c t r o s c o p e m e a s u r e m e n t s e t u p w a s r e - c o n fi g - u r e d t o i n c l u d e n e w m e a s u r e m e n t f e a t u r e s . T h e R a m a n s p e c t r a , w h i c h a r e p r e s e n t e d i n l a t e r c h a p t e r s , w e r e a c q u i r e d w i t h t h e s e d i f f e r e n t R a m a n s p e c t r o s c o p e c o n fi g u r a t i o n s . D i f - f e r e n c e s b e t w e e n R a m a n s p e c t r o s c o p e c o n fi g u r a t i o n s c a u s e c h a n g e s i n t h e a p p e a r a n c e o f t h e R a m a n s p e c t r u m f r o m a p a r t i c u l a r s a m p l e . S p e c i fi c a l l y , t h e s h a p e , p o s i t i o n , h e i g h t a n d w i d t h o f e a c h i n d i v i d u a l p e a k c h a n g e s a s t h e R a m a n s p e c t r o s c o p e s o p e r a t i n g w a v e l e n g t h , s p o t s i z e a n d r e s o l u t i o n a r e a l t e r e d . H e n c e , t h e s p e c t r u m t h a t w a s a c q u i r e d f r o m t h e s e t w o R a m a n c o n fi g u r a t i o n s s h o u l d n o t b e a n a l y z e d c o m p a r a t i v e l y . T o d e n o t e w h a t R a m a n s p e c t r o s c o p e c o n fi g u r a t i o n w a s u s e d f o r t h e a c q u i s i t i o n o f e a c h R a m a n s p e c t r u m t h a t i s r e p o r t i n l a t e r c h a p t e r s o f t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e f o l l o w i n g n o m e n c l a t u r e w a s a d o p t e d . R a r n a n s p e c t r a t h a t w a s a c q u i r e d w i t h t h e e a r l y R a r n a n c o n fi g - u r a t i o n i s l a b e l e d a s t y p e R a m a n A a n d t h e m o r e r e c e n t R a m a n m e a s u r e m e n t s a r e l a b e l e d 1 1 2 a s t y p e R a m a n B . T h e s e t w o R a m a n c o n fi g u r a t i o n s d i f f e r e d i n t h a t t h e y h a d d i f f e r e n t o p t i - c a l a r r a n g e m e n t s a n d d i f f e r e n t o p e r a t i n g w a v e l e n g t h s . T h e w a v e l e n g t h o f R a m a n A w a s 4 8 8 n m , a n d t h e w a v e l e n g t h o f R o m a n B w a s 5 1 4 n m . F o r c o m p a r i s o n , t h e R a m a n A s p e c - t r u m a n d R a m a n B s p e c t r u m f r o m t h e fi l m o n s u b s t r a t e 6 2 - 3 2 a r e s h o w n i n fi g u r e 3 . 1 6 a n d fi g u r e 3 . 1 7 . T h e fi l m o n 6 2 - 3 2 i s fi n e g r a i n e d a n d h a s a n a p p r o x i m a t e t h i c k n e s s o f 5 3 0 n m . I t i s o b s e r v e d f r o m t h e fi g u r e s t h a t t h e R a m a n A s p e c t r u m h a s a h i g h e r s e n s i t i v i t y t o t h e d i a m o n d i n t h e fi l m . 3 . 4 . 5 S u r f a c e R o u g h n e s s M e a s u r e m e n t s b y D e k t a k a n d A F M M e a s u r e m e n t o f t h e r r n s s u r f a c e r o u g h n e s s o f d e p o s i t e d d i a m o n d t h i n fi l m s w a s a c c o m p l i s h e d b y t w o s u r f a c e p r o fi l o m e t r y s y s t e m s . T h e y w e r e t h e S l o a n D e k t a k H a n d a n a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e ( A F M ) . B o t h o f t h e s e s y s t e m s m e a s u r e t h e p r o fi l e o f a m a t e r i a l b y d r a g g i n g a s t y l u s t i p a c r o s s i t s s u r f a c e . T h e D e k t a k m e a s u r e s t h e p r o fi l e o f a m a t e r i a l s s u r f a c e b y u s i n g a l i n e a r v a r i a b l e d i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r t o c o n v e r t t h e v e r t i c a l m o t i o n o f a d i a m o n d s t y l u s t o e l e c t r i c a l s i g - n a l s . D e k t a k s u r f a c e p r o fi l e m e a s u r e m e n t s a r e t w o d i m e n s i o n a l i n t h a t t h e m o v e m e n t o f t h e s t y l u s i s o n l y i n t h e y a n d 2 d i r e c t i o n s i . e . i t s m e a s u r e m e n t s a r e t a k e n i n s u c c e s s i o n a l o n g a s i n g l e l i n e . T o m e a s u r e t h e r m s s u r f a c e r o u g h n e s s o f a d i a m o n d fi l m w i t h t h e D e k - t a k , t h e p r o fi l e o f t h e fi l m i s fi r s t r e c o r d e d b y t h e i n s t r u m e n t a n d t h e n s t o r e d t o a n A S C I I d a t a fi l e . T h e r r n s s u r f a c e r o u g h n e s s i s t h e n c a l c u l a t e d f r o m t h e d a t a i n t h e fi l e . A n o t h e r p o p u l a r m e t h o d f o r i n v e s t i g a t i n g s m a l l f e a t u r e s o f d i a m o n d fi l m s s u c h a s n u c l e a t i o n s i t e s t h a t i s o f t e n u s e d i s a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ( A F M ) [ 7 2 ] [ 7 3 1 . L i k e t h e D e k - t a k , t h e A F M u s e s a d i a m o n d s t y l u s t o m e a s u r e t h e s u r f a c e p r o fi l e o f a m a t e r i a l ; h o w e v e r , 8 6 0 0 - . . 0 0 0 . . . 9 8 6 ~ - I - . . 1 l l 3 8 4 0 0 * - - 8 2 0 0 ' - 7 8 0 0 - ‘ 7 4 m L 1 1 1 l 1 1 2 5 0 1 3 0 0 1 3 5 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 F i g u r e 3 . 1 6 T h e R a m a n A s p e c t r u m f r o m 6 2 - 3 2 , d a t e d 1 7 A p r i l 1 9 9 7 . G 7 - 3 2 1 I T I I I I T ‘ 1 I J . M o s s b r u c k e r 0 . 5 ~ ‘ 0 . 4 l I l l l l l l l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 3 . 1 7 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m 6 2 — 3 2 , d a t e d 1 A p r i l 1 9 9 8 . 1 1 4 t h e r e a r e m a n y d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e m . U n l i k e t h e D e k t a k , t h e A F M a u t o m a t i c a l l y r a s - t e r s i n t h e x - y p l a n e a n d t h e r e b y m e a s u r e s s u r f a c e p r o fi l e s i n t h r e e d i m e n s i o n s . S u r f a c e p r o fi l e i m a g e s c a n b e g e n e r a t e d f r o m t h i s 3 D s u r f a c e d a t a t h a t s h o w t h e e x a c t m o l e c u l a r m a k e - u p o f t h e s u r f a c e . A l s o , A F M s y s t e m s c a l c u l a t e a n d d i s p l a y m a n y q u a n t i t i e s f r o m t h e m e a s u r e d s u r f a c e d a t a i n r e a l t i m e , s u c h a s t h e R a a n d r r n s a v e r a g e s o f t h e s u r f a c e r o u g h n e s s . T h e A F M o p e r a t e s b y s h i n n i n g a l a s e r o n t h e b a c k s i d e o f t h e s t y l u s . T h e r e fl e c t e d l i g h t i s d i r e c t e d t o w a r d s a p a i r o f p h o t o - d i o d e d e t e c t o r s . A s t h e s t y l u s m o v e s v e r - t i c a l l y w h i l e m o v i n g a c r o s s t h e s u r f a c e o f t h e m a t e r i a l t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e r e fl e c t e d l i g h t o n t h e t w o p h o t o - d i o d e s v a r i e s . T h i s c h a n g e i n s i g n a l i n t e n s i t y a t t h e d i o d e s i s u s e d t o f o r m t h e s u r f a c e p r o fi l e i m a g e b y t h e A F M . A t y p i c a l A F M h a s a r e s o l u t i o n d o w n t o a b o u t 0 . 1 n m . 3 . 4 . 6 F i l m t o S u b s t r a t e A d h e s i o n T e s t s T h e l a r g e m i s m a t c h b e t w e e n t h e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t s o f t h e g l a s s s u b - s t r a t e s a n d t h a t o f d i a m o n d w a s e x p e c t e d t o g e n e r a t e a n a p p r e c i a b l e a m o u n t o f c o m p r e s - s i v e s t r e s s i n t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . A s a r e s u l t , fi l m t o g l a s s a d h e s i o n w a s p r e d i c t e d t o b e p r o b l e m a t i c . T h e r e f o r e i t w a s n e c e s s a r y t o t e s t t h e a d h e s i o n o f t h o s e fi l m s . T h i s w a s d o n e b y s u b j e c t i n g t h e fi l m s t o v a r i o u s t h e r - m a l c y c l e s . F u r t h e r t e s t f o r r e s i l i e n c e t o c h e m i c a l a t t a c k b y H F a n d t h e e f f e c t s o f e x p o s u r e t o w a t e r o f v a r i o u s t e m p e r a t u r e s w e r e a l s o c o n d u c t e d o n s e l e c t e d fi l m s . T h e s t e p s o f t h e t h e r m a l c y c l i n g t e s t s w e r e : ( 1 ) p l a c e t h e s a m p l e i n a n o v e n a t t e m - p e r a t u r e T f o r a t i m e t , ( 2 ) r e m o v e t h e s a m p l e a n d o b s e r v e c o o l d o w n , a n d ( 3 ) a p p l y a n d r e m o v e a p i e c e o f 3 M S c o t c h M a g i c t a p e t o t h e fi l m . T h e fi l m w a s o b s e r v e d a f t e r e a c h s t e p C f e e d = ( C m ) X ( 6 0 m i n / h o u r ) x [ 3 2 2 4 0 0 c m 1 1 5 f o r p o s s i b l e d e l a m i n a t i o n . T h e s t e p s o f t h e H F e t c h t e s t w e r e : ( 1 ) c l i p t h e s a m p l e i n t o a n H F t o w a t e r m i x t u r e w i t h a r a t i o o f R ( H 2 0 / H F ) f o r a d u r a t i o n o f t i m e t 1 , a n d ( 2 ) r i n s e t h e s a m p l e i n D I w a t e r a t a t e m p e r a t u r e o f T f o r a d u r a t i o n o f t 2 . T h e fi l m w a s o b s e r v e d a f t e r e a c h s t e p f o r p o s s i b l e d e l a m i n a t i o n . B o t h c o n t i n u o u s a n d p a t t e r n e d d i a m o n d fi l m s w e r e t e s t e d w i t h t h i s m e t h o d . 3 . 4 . 7 C a r b o n C o n v e r s i o n E f fi c i e n c y A n o t h e r m e t h o d o f c h a r a c t e r i z i n g a p a r t i c u l a r d i a m o n d t h i n fi l m C V D p r o c e s s i s t o a n a l y z e i t s c a r b o n c o n v e r s i o n e f fi c i e n c y ( C C E ) . C C E i s t h e p e r c e n t a m o u n t o f c a r b o n t h a t i s p u t i n t o t h e p r o c e s s t h a t i s a c t u a l l y i n c o r p o r a t e d i n t o t h e d i a m o n d fi l m . I t i s c a l c u l a t e d b y d e t e r m i n i n g t h e a m o u n t o f c a r b o n i n t h e fi l m C fi l m ( i n a t o m s p e r h o u r ) , d e t e r m i n i n g t h e a m o u n t o f c a r b o n p r o v i d e d i n t h e f e e d g a s C f e e d , a n d t h e n d i v i d i n g t h e f o r m e r b y t h e l a t t e r ( e q u a t i o n [ 3 8 ] ) . E q u a t i o n [ 3 . 6 ] i s u s e d t o d e t e r m i n e C f c e d ( i n C a r b o n a t o m s s u p p l i e d p e r h o u r ) w h e r e c m i s t h e s c c m o f c a r b o n t h a t i s s u p p l i e d i n t h e f e e d g a s , e . g . 5 s c c m C H 4 . e q ( 3 . 6 ) 6 . 0 2 4 x 1 0 2 3 a t o m s ] 1 1 6 T h e a m o u n t o f c a r b o n C fi l m t h a t i s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e fi l m ( i n a t o m s p e r h o u r ) i s d e t e r m i n e d b y e q u a t i o n [ 3 . 7 ] , w h e r e w g f i s t h e t i m e a v e r a g e d w e i g h t g a i n o f t h e fi l m ( i n g r a m s p e r h o u r ) . 3 2 3 c m 1 . 7 9 x 1 0 a t o m s c m . . . = ‘ W g r l x ( m l x l m 3 l “ “ 3 ” C C C E = fi “ “ % e q ( 3 . 8 ) C f e e d C h a p t e r 4 D e s c r i p t i o n o f R e a c t o r C o n fi g u r a t i o n s 4 . 1 I n t r o d u c t i o n I n p u r s u i t o f t h e g o a l o f t h i s d i s s e r t a t i o n , w h i c h w a s t o d e v e l o p a l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s , m a n y c o n c e p t s w e r e i n v e s t i g a t e d . I n c l u d e d a m o n g t h e m w e r e c o n j e c t u r e s f o r m e t h o d s t h a t m i g h t i m p r o v e p r o c e s s m e a s u r a b l e s s u c h a s d e p o s i t i o n r a t e , q u a l i t y a n d a r e a . W h i l e t h e s e v a r i a b l e s h a v e d e p e n d e n c i e s o n t h e v a r i o u s M C P R i n p u t p a r a m e t e r s , e . g . c h e m i s t r y a n d m i c r o w a v e p o w e r , t h e y a r e a l s o i n fl u e n c e d b y t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a n d i t s l o c a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e p l a s m a . F o r d i a - m o n d d e p o s i t i o n i n t h e M C P R , a s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y o f s o m e k i n d i s a l w a y s u s e d t o p l a c e t h e d e p o s i t i o n s u b s t r a t e i n t h e p r o p e r l o c a t i o n i n s i d e t h e M C P R . B e s i d e s c o n t r o l - l i n g t h e s u b s t r a t e ’ s l o c a t i o n i n t h e M C P R t h e s e a s s e m b l i e s p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n c o n - t r o l l i n g t h e s h a p e o f t h e p l a s m a a n d i n t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n . T h u s m a n y d e s i g n i s s u e s a r i s e d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f a n M C P R s u b s t r a t e r e c e p t o r . A s h a s b e e n p r e v i o u s l y n o t e d , t h i s d i s s e r t a t i o n w a s a n e x p l o r a t i o n a s t o w h e t h e r d i a m o n d c o u l d b e d e p o s i t e d a t t e m p e r a t u r e s b e l o w 5 0 0 C u s i n g M P C R t e c h n o l o g y . P r e v i - o u s l y , M C P R w o r k w a s a i m e d a t h i g h t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n i n t w o d i f f e r e n t M C P R r e a c t o r s ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 2 . 2 . 2 . 5 ] a n d s e c t i o n [ 2 . 2 . 2 . 2 . 6 ] ) . T h e p r i m a r y d i f f e r - e n c e b e t w e e n t h e r e a c t o r s w a s t h e s i z e o f t h e q u a r t z b e l l - j a r , t h e r e s o n a n t m i c r o w a v e t u n - 1 1 7 1 1 8 i n g m o d e s , a n d m a x i m u m a l l o w a b l e a r e a f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n . I n a l l c a s e s h o w e v e r , t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e r a n g e d f r o m 7 0 0 C t o 1 1 0 0 C . A t t h e b e g i n n i n g o f t h i s p r o j e c t i t w a s n o t k n o w n i f e i t h e r o f t h e M P C R d e s i g n s w o u l d y i e l d a b e t t e r l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . S o l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s e s w e r e i n v e s t i g a t e d i n b o t h r e a c t o r s . W h i l e t h e fi r s t g o a l w a s t o s h o w t h a t M C P R t e c h n o l o g y c o u l d b e u s e d t o d e p o s i t d i a m o n d a t s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e s b e l o w 5 0 0 C , t h e r e w a s a l s o a d e s i r e t o i n v e s t i g a t e w a y s t o m a x i m i z e t h e d e p o s i t i o n m e a s u r a b l e s - - n a m e l y r a t e , q u a l i t y , a r e a a n d i n s o m e c a s e s a d h e s i o n . T o i n v e s t i g a t e h o w t h e s e d e p o s i t i o n p r o p e r t i e s a r e i n fl u e n c e d b y v a r i a b l e s s u c h a s i n p u t c h e m i s t r y , g a s p r e s - s u r e , i n p u t m i c r o w a v e p o w e r , s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , a n d s u b s t r a t e l o c a t i o n ; s e v e r a l s u b - s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l i e s , i . e . M C P R c o n fi g u r a t i o n s , w e r e d e v e l o p e d . I n c l u d e d a m o n g t h e m w e r e a s s e m b l i e s w i t h a d c b i a s , l i q u i d s u b s t r a t e c o o l i n g , a n d v a r i a b l e i n d e p e n d e n t s u b s t r a t e h e a t i n g . M a n y i n t e r e s t i n g t r a i t s w e r e n o t e d d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f t h e s e M C P R c o n fi g u r a t i o n s , a n d a r e r e p o r t e d i n l a t e r s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r . T h i s c h a p t e r s u m m a r i z e s t h e r e s u l t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l i e s t h a t w e r e d e v e l o p e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n f o r t h e M C P R ’ s w i t h t h e 4 - i n c h a n d 5 - i n c h b e l l - j a r s . A t o t a l o f n i n e d i f f e r e n t M C P R c o n fi g u r a t i o n s w e r e i n v e s t i g a t e d , e a c h h a v i n g a u n i q u e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y . F o u r o f t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s h a d s u b - s t r a t e a s s e m b l i e s t h a t w e r e d e v e l o p e d f o r t h e 4 - i n c h b e l l - j a r M C P R a n d t h e o t h e r fi v e h a d a s s e m b l i e s t h a t w e r e d e v e l o p e d f o r t h e 5 - i n c h b e l l - j a r M C P R . T h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e v a r i o u s M C P R c o n fi g u r a t i o n s i n c l u d e m a x i m u m d e p o s i t i o n a r e a - - t y p i c a l l y 2 0 - 8 0 c m 2 , i n c l u s i o n o f a d c s u b s t r a t e b i a s , i m p a c t o n m i c r o w a v e t u n i n g « r e fl e c t e d p o w e r v a r i e d b e t w e e n 0 a n d 5 0 % , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y - - v a r i a b l e w h e n l i q u i d c o o l e d , a n d v a r i a b l e 1 1 9 i n d e p e n d e n t h e a t i n g . T h i s c h a p t e r b e g i n s w i t h a n i n t r o d u c t o r y s e c t i o n t h a t p r o v i d e s d e fi n i t i o n s o f M C P R t e r m s t h a t d e fi n e a f e w o f t h e r e l e v a n t c o m p o n e n t s a n d a r e a s i n s i d e t h e M C P R . M o s t o f t h e s e t e r m s a r e c o n u n o n t o a l l n i n e o f t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s , a n d a r e n e c e s - s a r y f o r t h e d e t a i l e d M C P R c o n fi g u r a t i o n d i s c u s s i o n s t h a t a r e c o n t a i n e d i n l a t e r s e c t i o n s . F o l l o w i n g t h e d e fi n i t i o n o f M C P R t e r m s i s a s e c t i o n t i t l e d , M C P R S u b s t r a t e R e c e p t o r D e s i g n C o n s i d e r a t i o n s . I t o u t l i n e s t h e r a t i o n a l e a n d d e s i g n c r i t e r i a t h a t w e r e c o n s i d e r e d d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f t h e n i n e M C P R c o n fi g u r a t i o n s . F o l l o w i n g t h e s e t w o i n t r o d u c - t o r y s e c t i o n s t h e r e a r e n i n e s e c t i o n s t h a t d e s c r i b e t h e r e l e v a n t p h y s i c a l d e t a i l s a n d c h a r a c - t e r i s t i c s o f e a c h M C P R c o n fi g u r a t i o n . T h e y i n c l u d e w h a t c o m p o n e n t s w e r e i n t h e m , h o w t h e y w e r e o p e r a t e d , p e r f o r m a n c e m e a s u r a b l e s ( s u c h a s o b s e r v e d p l a s m a d i s t r i b u t i o n , m i c r o w a v e t u n i n g a n d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ) a n d i n s o m e i n s t a n c e s t h e i r d i a m o n d d e p o s i - t i o n l i m i t a t i o n s . T h e s e c o n d t o l a s t s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r i s a d e s c r i p t i o n o f M C P R m i c r o - w a v e t u n i n g m e t h o d s f o r p l a s m a i g n i t i o n . I t p r o v i d e s a s h o r t d i s c u s s i o n a b o u t t h e t e c h n i q u e s t h a t w e r e u s e d t o t u n e t h e n i n e M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h a t a r e d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r . T h i s i n c l u d e s M C P R r e a c t o r t u n i n g t h a t w a s p e r f o r m e d b e f o r e a n d a f t e r p l a s m a i g n i t i o n - - t h e r e w a s a d i f f e r e n c e . T h e fi n a l s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r i s a s u m m a r y o f t h e p e r - f o r m a n c e m e a s u r a b l e s o f t h e n i n e c o n fi g u r a t i o n s . 4 . 2 D e fi n i t i o n o f M C P R T e r m s F o r d i s c u s s i o n s i n t h i s a n d s u b s e q u e n t c h a p t e r s , s e v e r a l t e r m s t h a t d e s c r i b e r e g i o n s o f i n t e r e s t i n s i d e t h e M P C R a r e d e fi n e d ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 1 ) . T h e y a r e t h e M C P R ’ s ( 1 ) d i s - c h a r g e c h a m b e r , ( 2 ) d i s c h a r g e c h a m b e r w e l l , ( 3 ) d i s c h a r g e c h a m b e r fl o o r , a n d ( 4 ) t h e r e s - 1 2 0 \ J C a v i t y A p p l i c a t o r T y p i c a l o r P l a s m a R e s o n a n t R e s o n a n t R e g i o n C a v i t y ( 5 ) C a v i t y F l o o r ( 4 ) D r s h a D i s c r g e C h a m b e r B e l l - g a r ( 6 ) F l o o r ( 3 ) D i s c i _ - ‘ _ \ _ _ . . _ . _ _ € h a ' " b e _ ( 5 . ) _ : ‘ : ’ : ’ : ’ : ’ : : : 2 : : : : : : : ° : ’ : ’ : 2 5 2 5 2 2 5 3 1 1 2 . D i s c h a r g e 5 5 : 3 . u . . C h a m b e r W e l l ( 2 ) G a s F l o w R e s o n a n t C a v i t y S t e e l P l a t e ( 8 ) B a s e - p l a t e ( 7 ) F i g u r e 4 . 1 D e fi n i t i o n o f r e g i o n s i n s i d e t h e M C P R . 1 2 1 o n a n t - c a v i t y fl o o r . T h e d i s c h a r g e c h a m b e r i s t h e e v a c u a t e d r e g i o n o f t h e M C P R w h e r e p l a s m a p r o c e s s i n g w a s p e r f o r m e d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . I t s t o p h a l f i s i n s i d e t h e c y l i n d r i c a l r e s o n a n t c a v i t y ( 5 ) a n d i s b o r d e r e d b y t h e i n s i d e s u r f a c e o f t h e q u a r t z b e l l - j a r ( 6 ) . T h e l o w e r h a l f o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r i s r e f e r r e d t o a s t h e d i s c h a r g e c h a m b e r w e l l ( 2 ) . T h e c h a m b e r w e l l i s b o r d e r e d o n i t s s i d e s b y t h e i n s i d e s u r f a c e o f t h e i n s i d e s u r f a c e o f t h e q u a r t z b e l l - j a r ( 6 ) a n d b y t h e r e s o n a n t c a v i t y ’ s s t e e l b a s e p l a t e ( 7 ) . T h e b o t t o m o f t h e d i s - c h a r g e c h a m b e r w e l l i s b o r d e r e d b y a s t e e l p l a t e ( 8 ) . T h e t o p s u r f a c e o f t h e s t e e l p l a t e ( 8 ) , w h i c h i s t h e b o t t o m o f d i s c h a r g e c h a m b e r , i s t e r m e d t h e d i s c h a r g e c h a m b e r fl o o r ( 3 ) . S i m - i l a r l y , t h e fl a t s u r f a c e a t t h e b o t t o m o f t h e r e s o n a n t c a v i t y i s t e r m e d t h e c a v i t y fl o o r ( 4 ) . 4 . 3 M C P R S u b s t r a t e R e c e p t o r D e s i g n C o n s i d e r a t i o n s A t p r e s s u r e s o f i n t e r e s t f o r t h i s w o r k , p l a s m a f o r m a t i o n i n a n e m p t y M C P R o p e r - a t e d i n a T a n m o d e ( r e f e r t o fi g u r e 2 . 1 . 2 ) t a k e s p l a c e i n a r e g i o n t h a t i s c l o s e t o t h e t o p i n s i d e s u r f a c e o f t h e q u a r t z b e l l j a r , a n d f a r f r o m t h e fl o o r o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 1 ) . I n m o s t i n s t a n c e s , t h e d i s t a n c e f r o m t h e b o t t o m e d g e o f t h e p l a s m a t o t h e fl o o r o f t h e w e l l i s g r e a t e r t h a n t h e d i f f u s i o n l e n g t h o f t h e m o l e c u l a r s p e c i e s n e c e s s a r y f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n . H e n c e , v e r y l i t t l e o f t h e c h e m i c a l s p e c i e s t h a t a r e c r e a t e d i n t h e p l a s m a r e a c h t h e b o t t o m o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . A d d i t i o n a l l y , t h e c o m p o n e n t s o f t h e M C P R m u s t b e m a i n t a i n e d a t a t e m p e r a t u r e f a r l e s s t h a n t h a t r e q u i r e d f o r l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n t o a v o i d d a m a g i n g t h e m . I n m o s t M C P R s t h e c a v i t y c o m p o n e n t s a r e c o o l e d b y f o r c e d a i r a n d / o r l i q u i d c o o l i n g . S i n c e t h e s u b s t r a t e i s h e a t e d b y t h e p l a s m a t o a t e m p e r a t u r e t h a t w o u l d b e d e t r i m e n t a l t o m o s t o f t h e c o m p o n e n t s o f t h e M C P R , i t i s n e c - e s s a r y t o p r o v i d e e n o u g h t h e r m a l i n s u l a t i o n b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e c o o l e r c o m p o - 1 2 2 n e n t s o f t h e M C P R s u c h t h a t i n t h e s t e a d y - s t a t e t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i s a d e q u a t e f o r d i a m o n d g r o w t h . C o n s i d e r a t i o n o f t h e s e i s s u e s m e a n s t h a t t h e fl o o r o f t h e d i s c h a r g e c h a m - b e r i s n o t a g o o d l o c a t i o n f o r e f fi c i e n t d i a m o n d d e p o s i t i o n . I f o n e w e r e t o p l a c e t h e s u b - s t r a t e o n t h e b o t t o m o f f d i s c h a r g e c h a m b e r w e l l , t h e r e w o u l d b e l i t t l e o r n o d e p o s i t i o n o f d i a m o n d - b o n d e d c a r b o n o n i t . T o d e p o s i t d i a m o n d o n d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s i n a u n i f o r m m a n n e r w i t h t h e h i g h - e s t p o s s i b l e d e p o s i t i o n r a t e , t h e s u b s t r a t e m u s t b e e l e v a t e d a b o v e t h e d i s c h a r g e c h a m b e r fl o o r s u c h t h a t i t i s i n d i r e c t c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a . T h i s p r o b l e m i s o f t e n s o l v e d b y u s i n g a n a p p a r a t u s t h a t p l a c e s t h e s u b s t r a t e i n c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a i n a l o c a t i o n a b o v e t h e b o t t o m o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r , a n d t h e r m a l l y i n s u l a t e s t h e s u b s t r a t e f r o m t h e c o o l e r c o m p o n e n t s o f t h e M C P R . H o w e v e r , t h e a p p a r a t u s m u s t b e d e s i g n e d s u c h t h a t i t d o e s n o t a d v e r s e l y a f f e c t t h e p e r f o r m a n c e o f t h e M C P R . D u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f t h e n i n e M P C R c o n fi g u r a t i o n s , w h i c h a r e d e s c r i b e d i n l a t e r s e c t i o n s , f o u r d e s i g n s p e c i fi c a t i o n s w e r e c o n s i d e r e d . F i r s t , t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y m u s t p l a c e t h e s u b s t r a t e a s c l o s e a s p o s s i b l e t o a l o c a t i o n i n c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a w h e r e t h e fl u x o f c h e m i c a l s p e c i e s a n d t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e p r o fi l e a r e m o s t u n i f o r m . A s w a s s t a t e d e a r l i e r , t h i s i s n e c e s s a r y t o a c h i e v e t h e b e s t p o s s i b l e d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . S e c o n d , t h e p l a c e m e n t o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r i n s i d e t h e d i s c h a r g e c h a m b e r s h o u l d n o t a l t e r t h e r e s o n a t i n g e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s i n a w a y t h a t c a u s e s t h e p l a s m a t o f o r m w i t h a n o n - u n i f o r m s h a p e i n t h e r e g i o n n e a r t h e s u b s t r a t e o r c a u s e s t h e p l a s m a t o s h i f t t o u n d e s i r a b l e l o c a t i o n s i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . A n o n - u n i f o r m p l a s m a s h a p e i s o n e w h e r e t h e p l a s m a i s u n - e v e n l y d i s t r i b u t e d t h r o u g h o u t t h e s p a c e a d j a c e n t t o t h e s u b - s t r a t e . A n u n d e s i r a b l e p l a s m a l o c a t i o n w o u l d b e o n e w h e r e t h e p l a s m a c o m e s i n d i r e c t 1 2 3 c o n t a c t w i t h t h e i n s i d e w a l l s o f t h e q u a r t z b e l l - j a r . W h e n t h i s h a p p e n s , a c o a t i n g o f t h e b e l l - j a r u s u a l l y e n s u e s . T h i r d , t h e r e c e p t o r a s s e m b l y s h o u l d n o t r e d u c e t h e l o a d m a t c h i n g p e r f o r m a n c e o f t h e M C P R . D u e t o t h e p o w e r l i m i t a t i o n s o f t h e c o a x i a l w a v e g u i d e a n d t h e d u m m y l o a d s i n t h e m i c r o w a v e c i r c u i t , t h e i m p e d a n c e m a t c h o f t h e M C P R s h o u l d b e s u c h t h a t t h e a m o u n t o f r e fl e c t e d m i c r o w a v e p o w e r i s a s c l o s e t o z e r o a s p o s s i b l e . F i n a l l y , t h e t h e r m a l r e s i s t a n c e o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r s h o u l d b e h i g h e n o u g h t o p r e c l u d e u n c o n t r o l - l a b l e c o o l i n g o f t h e s u b s t r a t e d u r i n g d e p o s i t i o n . T h i s i s n e c e s s a r y b e c a u s e a s t h e fl o w o f h e a t f r o m t h e s u b s t r a t e i n c r e a s e s t h e s t e a d y — s t a t e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e d e c r e a s e s . 4 . 4 T h e S i d e F e e d 4 ” M C P R I n i t i a l d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w e r e c o n d u c t e d w i t h t h e 4 - i n c h M C P R . T h e n e x t t w o s e c t i o n s d e s c r i b e p l a s m a p e r f o r m a n c e r e s u l t s f o r t w o c o n - fi g u r a t i o n s o f t h e s i d e - f e e d 4 — i n c h M C P R . T h e p r i m a r y a c h i e v e m e n t o f t h e e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d w i t h t h e s e t w o c o n fi g u r a t i o n s w a s t h e d e v e l o p m e n t o f a m e t h o d f o r u n i f o r m l y d e p o s i t i n g d i a m o n d o n c i r c u l a r d i s k - s h a p e d s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r u p t o 2 i n c h e s a t a p r e s s u r e b e l o w 1 6 t o r r . 4 . 4 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 1 T h e fi r s t r e a c t o r c o n fi g u r a t i o n t h a t w a s u s e d f o r e x p l o r a t o r y l o w - t e m p e r a t u r e d i a - m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w a s a s i d e - f e e d v e r s i o n o f t h e 4 - i n c h b e l l j a r M C P R . T h e s u b s t r a t e r e c e p t o r i n t h i s c a s e w a s a s i m p l e d e s i g n t h a t w a s r e p o r t e d t o b e s u c c e s s f u l b y Z h a n g [ 3 6 ] a n d H u a n g [ 3 5 1 . A s i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 2 , t h e s u b s t r a t e s w e r e s e a t e d o n a g r a p h - i t e d i s k w i t h a r e c e s s e d a r e a i n t h e m i d d l e f o r p o s i t i v e l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e . T h e g r a p h - 1 2 4 i t e w a s c e n t e r e d i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r o n a q u a r t z t u b e o f v a r i a b l e h e i g h t . T h e p r i m a r y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e w o r k o f Z h a n g a n d H u a n g a n d t h i s i n v e s t i g a - t i o n w a s t h e p r e s s u r e r e g i m e . T h e y i n v e s t i g a t e d a r e g i m e w h e r e t h e g a s p r e s s u r e w a s b e t w e e n 3 0 a n d 8 0 t o r r . H e r e i t w a s l o w e r e d u n t i l a d e s i r a b l e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s a c h i e v e d . T h e r e s u l t w a s t h a t a t p r e s s u r e s b e l o w 1 5 t o r r , t h i s M C P R c o n fi g u r a t i o n y i e l d s s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s t h a t a r e b e l o w 6 0 0 C . 4 . 4 . 1 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g T h e t h r e e M C P R v a r i a b l e s f o r t h i s c o n fi g u r a t i o n a r e ( 1 ) t h e l e n g t h o f t h e c a v i t y h , ( 2 ) t h e i n s e r t i o n l e n g t h o f t h e p r o b e l , a n d ( 3 ) t h e h e i g h t o f t h e q u a r t z t u b e d . T h e fi r s t t w o , h a n d I , s e r v e t o m a t c h t h e i m p e d a n c e o f t h e p l a s m a a n d t h e s u b s t r a t e l o a d s i n t h e M P C R t o t h a t o f t h e m i c r o w a v e t r a n s m i s s i o n l i n e . T h e t h i r d d , i n fl u e n c e s t h e t u n i n g o f t h e c a v i t y a n d t h e r e s u l t i n g i n d u c e d p l a s m a b y v a r y i n g t h e l o c a t i o n o f t h e l o s s y g r a p h i t e d i s k . A t p r e s s u r e s b e l o w 1 5 t o r r , a u n i f o r m h e m i s p h e r i c a l s h a p e d p l a s m a f o r m s o v e r t h e s u b s t r a t e w h e n h a n d l a r e t u n e d s u c h t h a t a T M O H r e s o n a n t m o d e i s e x c i t e d . T y p i c a l l y , t h i s m o d e i s e x c i t e d w h e n t h e s h o r t i s t u n e d t o a c a v i t y h e i g h t h o f a b o u t 7 c m , a n d t h e i n s e r t i o n l e n g t h i n t o t h e c a v i t y 1 o f t h e c o u p l i n g p r o b e i s t u n e d t o n e a r 2 c m . I n o r d e r f o r t h e s u b s t r a t e t o b e i n c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a t h e h e i g h t d s h o u l d b e a t l e a s t 3 c m . T h e m a x i m u m h e i g h t o f d f o r w h i c h a p l a s m a t h a t u n i f o r m l y c o n t a c t s t h e s u b s t r a t e m a y b e m a i n t a i n e d i s 4 c m . A b o v e t h i s h e i g h t t h e p l a s m a f o r m s i n l o c a t i o n s b e n e a t h t h e s u b s t r a t e a n d n e a r t h e w a l l s o f t h e q u a r t z d o m e b e l l - j a r . I n a l l c a s e s , m i c r o w a v e t u n i n g c a p a b i l i t y w a s e x c e l l e n t , w i t h l e s s t h a n 2 % r e fl e c t e d p o w e r . S l i d i n g S h a r t Q u a r t z B e l l J a r 1 2 5 S l i d i n g S h o r t T u n i n g W a t e r C o o l e d C a v i t y W a l l s 1 W a v e G u i d e I ‘ . 1 ; 1 , 1 ‘ , . . , . l . _ ’ / I Z D / I / [ ] 7 P r b ; % I ! / I I I ] / i ‘ \ i f / / , ‘ , j i g / “ ( l u n g G a s R i n g . ‘ . \ . \ . . . . ' G r a p h i t e R e c e p t o r / E C R M : : : : ; P e r f o r a t e d S c r e e n ( 1 / 8 ” h o l e s ) Q u a r t z T u b e F i g u r e 4 . 2 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 1 . 1 2 6 4 . 4 . 1 . 2 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s T h e m a j o r d i f fi c u l t y o f t h i s c o n fi g u r a t i o n i s t h a t i t i s l i m i t e d t o p r o c e s s i n g s u b - s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s s m a l l e r t h a n 1 . 5 i n c h e s . I f t h e d i a m e t e r o f t h e g r a p h i t e i s i n c r e a s e d t o a c c o m m o d a t e s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r o f 2 i n c h e s , t h e l o c a t i o n o f t h e p l a s m a i s a l t e r e d . W h e n 2 i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e s a r e i n s e r t e d i n t o t h i s c o n fi g u r a t i o n t h e p l a s m a s h i f t s t o a p o s i t i o n b e l o w t h e s u b s t r a t e . I n o r d e r f o r a u s e f u l p l a s m a t o b e i n d u c e d i n t h e c e n t e r o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r i n t h i s c o n fi g u r a t i o n w i t h a 2 i n c h s u b s t r a t e t h e h e i g h t d m u s t b e r e d u c e d t o 1 c m . U n f o r t u n a t e l y , a t t h i s h e i g h t t h e p l a s m a i s s t a b l e b u t i s n o t i n c o n t a c t w i t h t h e s u b s t r a t e . H e n c e , u n i f o r m d e p o s i t i o n o f d i a m o n d o n a 2 i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e w a s n o t p o s s i b l e . 4 . 4 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 2 T o i m p r o v e u p o n t h e s i z e l i m i t a t i o n s o n t h e d i a m e t e r o f t h e s u b s t r a t e t h a t r e s u l t e d f r o m M C P R c o n fi g u r a t i o n 1 a t p r e s s u r e s b e l o w 1 5 t o r r , a s e c o n d M C P R s i d e - f e e d c o n fi g - u r a t i o n w a s c r e a t e d . I n t h i s c o n fi g u r a t i o n , a g r a p h i t e i n s e r t d i s k w a s a d d e d t o t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r b e t w e e n t h e t o p g r a p h i t e r e c e p t o r a n d t h e p e r f o r a t e d p l a t e a t t h e b o t t o m o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 3 ) . A l s o , t h e q u a r t z t u b e w a s d i v i d e d i n t o t w o s e c t i o n s s o t h a t t h e i n s e r t d i s k c o u l d b e p l a c e d b e t w e e n t h e r e c e p t o r a n d t h e b o t t o m o f t h e d i s - c h a r g e c h a m b e r . V a r y i n g t h e h e i g h t s d , a n d d 2 o f t h e q u a r t z t u b e s a l l o w s t h e l o c a t i o n s o f t h e r e c e p t o r a n d t h e g r a p h i t e d i s k t o b e a d j u S t e d i n d e p e n d e n t l y . T h i s a p p r o a c h l e d t o a U S . p a t e n t [ 5 , 7 3 6 , 8 1 8 ] . T h e c r o s s - s e c t i o n o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r t h a t i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 3 h a s t w o d i s - t i n g u i s h i n g f e a t u r e s . O n e i s t h a t t h e r e i s a r e c e s s e d a r e a i n t h e t o p o f t h e r e c e p t o r t h a t p o s - S l i d i n g S h a r t Q u a r t z B e l l J a r l 1 2 7 S l i d i n g S h o r t T u n i n g W a t e r C o o l e d C a v i t y W a l l s L W a v e G u i d e G r a p h i t e R e c e p t o r I _ - é - — - - : ; W W I ? R i s a G a s R i n g \ W a t e r G r a p h i t e D i s k P e r f o r a t e d S c r e e n ( 1 / 8 ” h o l e s ) Q u a r t z T u b e E C R M a g n e t s F i g u r e 4 . 3 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 . 1 2 8 i t i v e l y l o c a t e s t h e s u b s t r a t e . T h e o t h e r i s a s m a l l p r o j e c t i o n f r o m t h e b o t t o m o f t h e r e c e p t o r t h a t l o c k s t h e p a r t i n t o t h e q u a r t z t u b e . T o g e t h e r t h e s e f e a t u r e s w o r k t o p r e v e n t t h e s u b - s t r a t e f r o m s h i f t i n g a w a y f r o m t h e c e n t e r a x i s o f t h e c a v i t y d u r i n g p r o c e s s i n g . T h e i n n e r d i a m e t e r o f t h e s u b s t r a t e r e c e s s e d a r e a i s 2 - 1 / 3 2 i n c h e s . T h e f r a c t i o n a l p a r t i s n e c e s s a r y t o c o m p e n s a t e f o r t h e r m a l e x p a n s i o n o f t h e s u b s t r a t e d u r i n g d e p o s i t i o n . T h e o u t e r d i a m e t e r o f t h e p a r t i s 2 - 5 / 3 2 i n c h e s . T h i s p r o v i d e s a 1 / 8 i n c h w i d e b o r d e r a r o u n d t h e o u t e r e d g e o f t h e p a r t . 4 . 4 . 2 . 1 O p e r a t i o n a n d ' l h n i n g W i t h t h e s e m o d i fi c a t i o n s t h e r e s u l t i n g p l a s m a f o r m s w i t h a n e l l i p t i c a l , c r o s s - s e c - t i o n a l s h a p e t h a t e v e n l y c o v e r s t h e t o p s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . S i m i l a r l y t o M C P R c o n fi g - u r a t i o n l , t h e r e s o n a n t m o d e o f t h e c a v i t y i s t h e T M O H m o d e . T h e c a v i t y t u n i n g f o r t h i s m o d e r e m a i n s a t 7 c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 2 c m f o r t h e p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h l . A c o m b i n e d q u a r t z t u b e h e i g h t o f 4 . 0 c m f o r d , a n d d 2 i s a n a d e q u a t e l o c a t i o n f o r t h e s u b - s t r a t e . T h e s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a a r e n o t g r e a t l y i n fl u e n c e d b y t h e l o c a t i o n o f t h e i n s e r t d i s k . T h i s i s a n i m p o r t a n t f e a t u r e s i n c e i t i s n o t p o s s i b l e f o r q u a r t z t u b e s e c t i o n s t o b e c u t w i t h a h i g h d e g r e e o f a c c u r a c y . A l s o , t h e p l a s m a i s n o t g r e a t l y i n fl u e n c e d b y t h e l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r ; h o w e v e r , d e p o s i t i o n r a t e s c a n b e i n fl u e n c e d b y t h e m a t e - r i a l o f t h e r e c e p t o r . 4 . 4 . 2 . 2 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s F i g u r e 4 . 4 s h o w s t h e d e p e n d e n c e o f t h e m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o n t h e g a s 1 2 9 p r e s s u r e a n d t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . T h e s e m e a s u r e m e n t s w e r e o b s e r v e d w i t h a 2 . 2 p m s i n g l e w a v e l e n g t h o p t i c a l p y r o m e t e r t h r o u g h t h e t u b e i n t h e c e n t e r o f t h e s l i d i n g s h o r t . T h e m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e w i t h a 2 i n c h s i l i c o n w a f e r i n t h e r e c e p t o r , a n d w i t h t h e h e i g h t s o f d , a n d d 2 a t 1 6 m m a n d 2 4 m m r e s p e c t i v e l y . T h e h o r i z o n t a l a x i s o f t h e g r a p h i s t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r i n w a t t s , a n d t h e v e r t i c a l a x i s i s t h e m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m - p e r a t u r e i n d e g r e e s C e l s i u s . T h e t h r e e c u r v e s i n t h e g r a p h s h o w d a t a t h a t w a s m e a s u r e d a t p r e s s u r e s o f 6 , 8 a n d 1 0 t o r r . I t i s o b s e r v e d t h a t u n l i k e t h e h i g h p r e s s u r e m e a s u r e m e n t s o f [ 3 6 ] Z h a n g t h e r e i s a s t r o n g d e p e n d e n c e o f t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o n b o t h t h e m i c r o w a v e p o w e r a n d t h e g a s p r e s s u r e . 4 . 4 . 2 . 3 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s W h i l e M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 i s a n a d e q u a t e s o l u t i o n t o t h e p r o b l e m o f d e p o s i t i n g d i a m o n d o n s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r o f 2 i n c h e s , i t d o e s c r e a t e a n e w c o n c e r n . W h e n c r e a t i n g a p l a s m a t h a t i s l a r g e e n o u g h t o u n i f o r m l y c o v e r a 2 i n c h s u b s t r a t e w i t h t h e s i d e f e e d a n t e n n a , a s m a l l p l a s m a d i s c h a r g e i s a l w a y s f o r m e d i n c o n t a c t w i t h t h e s i d e o f t h e q u a r t z b e l l j a r . I t s l o c a t i o n i s a l w a y s o n t h e s i d e o f t h e b e l l j a r t h a t i s n e a r e s t t o t h e c o u - p l i n g p r o b e . A s w o u l d b e e x p e c t e d , a c o a t i n g o f t h e b e l l j a r o c c u r s a n d i t i s d i f fi c u l t t o r e m o v e . A s t h e a m o u n t o f fi l m d e p o s i t e d o n t h e i n s i d e o f t h e b e l l - j a r i n c r e a s e s t h e s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a b e g i n s t o c h a n g e . I f a s u f fi c i e n t a m o u n t o f fi l m i s p r e s e n t , i t b e c o m e s i m p o s s i b l e t o i n d u c e a n a x i a l l y s y m m e t r i c p l a s m a . A t t h a t p o i n t t h e M C P R c a n n o t u n i f o r m l y d e p o s i t d i a m o n d o n a 2 - i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e . E x c i t a t i o n o f t h i s s m a l l u n w a n t e d d i s c h a r g e i s c a u s e d b y e v a n e s c e n t n e a r - fi e l d s o f t h e p r o b e s i n c e t h e r a d i u s e n d o f t h e p r o b e p r o j e c t s t o w i t h i n 1 c m o f t h e i n s i d e w a l l o f t h e b e l l j a r . B e s i d e s d e p o s i t i n g ) C 0 ( e r u t a r e p m e T e t a r t s b u S 1 3 0 6 6 0 6 5 0 . E 3 ’ O \ b . ) O 6 2 0 . 6 1 0 . 6 0 0 . . j . . . L 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 M i c r o w a v e P o w e r ( W ) F i g u r e 4 . 4 T e m p e r a t u r e v s . p r e s s u r e a n d p o w e r f o r M C P R - C 2 . 1 3 1 c o a t i n g s o n t h e q u a r t z b e l l - j a r , t h e s m a l l d i s c h a r g e a l s o c o n t r i b u t e s t o o v e r h e a t i n g o f t h e b e l l - j a r ’ s v a c u u m o - r i n g . O v e r t i m e , t h i s l e a d s t o v a c u u m l e a k s . A n o t h e r d r a w b a c k o f t h i s c o n fi g u r a t i o n i s t h a t t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r w a s f a b r i c a t e d f r o m g r a p h i t e . S i n c e C V D d i a m o n d p r o c e s s e s w i t h H 2 a n d C H 4 h a v e a s t r o n g t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e , i t i s i m p e r a t i v e t h a t t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e h a v e a u n i f o r m t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n . H e n c e , g r a p h i t e w a s c h o s e n b e c a u s e i t h a s a h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , w h i c h m i g h t h e l p d i s t r i b u t e t h e h e a t i n t h e s u b s t r a t e s o t h a t t h e t e m p e r a t u r e p r o fi l e i s m o r e u n i - f o r m . U n f o r t u n a t e l y , t h e g r a p h i t e i s n o t i c e a b l y e t c h e d d u r i n g d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . T h e s e v e r i t y o f t h e e t c h i n g i s s u c h t h a t t h e o u t e r e d g e s o f t h e r e c e p t o r d i s a p p e a r a f t e r 5 t o 1 0 d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s , o r 1 0 0 t o 2 0 0 h o u r s o f o p e r a t i o n . F u r t h e r m o r e , t h e d a t a p r e s e n t e d i n c h a p t e r 5 i n d i c a t e s t h a t t h e c a r b o n t h a t i s e t c h e d f r o m t h i s r e c e p t o r h a s a p o s i t i v e i n fl u - e n c e o n t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e . T h i s m a k e s i t d i f fi c u l t t o d e t e r m i n e t h e p r e c i s e p e r - c e n t a g e o f c a r b o n c o n t a i n i n g f e e d g a s t h a t i s r e q u i r e d f o r t h e d e s i r e d d i a m o n d fi l m . 4 . 5 T h e E n d - F e e d 4 ” M C P R A p r o c e s s f o r u n i f o r m l y d e p o s i t i n g d i a m o n d o n s u b s t r a t e s w i t h a d i a m e t e r u p t o 2 i n c h e s w a s a c h i e v e d w i t h M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 ; h o w e v e r , i t w a s n e c e s s a r y t o s w i t c h t o a n e n d - f e e d M C P R a r r a n g e m e n t t o p r e c l u d e c o a t i n g o f t h e s i d e s o f t h e b e l l - j a r a n d o v e r h e a t i n g o f t h e b e l l - j a r o - r i n g . T h e n e x t t w o s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r d e s c r i b e t h e r e a c t o r p e r f o r m a n c e o f t w o a d d i t i o n a l 4 - i n c h b e l l - j a r M C P R c o n fi g u r a t i o n s . T h e fi r s t i s a t h e r - m a l l y i s o l a t e d c o n fi g u r a t i o n s i m i l a r t o c o n fi g u r a t i o n 2 ( r e f e r t o s e c t i o n [ 4 . 4 . 2 ] ) . T h e s e c - o n d i s a b i a s e n h a n c e d c o n fi g u r a t i o n - - w h e r e a p o s i t i v e d c b i a s i s a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e . 1 3 2 4 . 5 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 3 T o o v e r c o m e t h e c o n c e r n s t h a t a r o s e f r o m M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 t w o m o r e c h a n g e s w e r e i m p l e m e n t e d . T o a l l e v i a t e t h e i s s u e o f e r o s i o n o f t h e g r a p h i t e r e c e p t o r d u r - i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n t h e m a t e r i a l o f t h e r e c e p t o r w a s c h a n g e d t o s t a i n l e s s s t e e l . T h e d i m e n s i o n s o f t h e p a r t r e m a i n e d t h e s a m e h o w e v e r . S e c o n d , t h e s i d e - f e e d m i c r o w a v e c o u - p l i n g p r o b e w a s r e m o v e d a n d r e p l a c e d w i t h a n e n d f e e d c o u p l i n g p r o b e ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 5 ) . W h i l e t h e c h a n g e o f s u b s t r a t e r e c e p t o r m a t e r i a l a l l e v i a t e d t h e g r a p h i t e e r o s i o n p r o b l e m , a n e w d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y i s s u e d i d a r i s e . S i n c e t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f s t a i n l e s s s t e e l i s v e r y l o w ( ~ 2 1 W / m - 0 K f o r S A E t y p e 3 0 4 a t 4 0 0 ° C ) i t w a s l i k e l y t h a t t h i s s w i t c h w o u l d c a u s e a r e d u c t i o n i n t h e d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . T o o f f s e t t h i s e f f e c t i n s e r t s w e r e u s e d b e t w e e n t h e s t a i n l e s s s t e e l a n d t h e s u b s t r a t e . T h e e f f e c t s t h e s e i n s e r t s h a v e o n d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y a r e r e p o r t e d i n C h a p t e r 5 . T h e a d v a n t a g e o f t h e e n d - f e e d p r o b e i s t h a t t h e e v a n e s c e n t e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s t h a t i t i n d u c e s i n t h e M C P R h a v e a a x i a l l y s y m m e t r i c d i s t r i b u t i o n . T h u s t h e s m a l l , s i d e d i s c h a r g e i s e l i m i n a t e d . U n f o r t u n a t e l y , w i t h t h i s m i c r o w a v e p o w e r c o u p l i n g c o n fi g u r a t i o n s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s c a n n o l o n g e r b e m e a s u r e d t h r o u g h t h e s h o r t a t a n o r m a l l y i n c i d e n t a n g l e . I n s t e a d t h e y w e r e o b s e r v e d t h r o u g h t h e c a v i t y ’ s f r o n t v i e w i n g w i n d o w a s w a s s h o w n i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 1 ] . 4 . 5 . 1 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g S i m i l a r t o M C P R c o n fi g u r a t i o n 1 , t h e r e s o n a n t m o d e o f t h e c a v i t y f o r t h i s c o n fi g u - r a t i o n i s t h e T M 0 1 ] m o d e . T h e c a v i t y t u n i n g r e m a i n s a t 7 c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 2 1 3 3 S l i d i n g S h o r t T u n i n g W a t e r C o o l e d C a v i t y W a l l s S l i d i n g S h o r t I Q u a r t z B e l l J a r P l a s m a h L W a t e r ‘ 1 1 - I — G a s R i n g E C R M a g n e t s S t a i n l e s s S t e e l R e c e p t o r Q u a r t z T u b e P i e c e F i g u r e 4 . 5 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 3 . 1 3 4 c m f o r t h e p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h l . A c o m b i n e d q u a r t z t u b e h e i g h t o f 4 0 c m f o r d , a n d d 2 i s a n a d e q u a t e l o c a t i o n f o r t h e s u b s t r a t e . 4 . 5 . 1 . 2 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s I n c o n fi g u r a t i o n 3 , t h e r e s u l t i n g p l a s m a r e m a i n s t h e s a m e a s i t w a s i n c o n fi g u r a t i o n 2 w i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e s m a l l e v a n e s c e n t d i s c h a r g e . M o v i n g t h e p r o b e f r o m t h e s i d e t o t h e t o p o f t h e c a v i t y p r o v i d e d n o a d d i t i o n a l s e p a r a t i o n b e t w e e n t h e q u a r t z b e l l - j a r a n d t h e r a d i u s e n d o f t h e p r o b e . H e n c e t h e s m a l l d i s c h a r g e m e r e l y s h i f t e d t o a n e w p o s i t i o n t h a t i s c e n t e r e d i n t h e t o p o f t h e b e l l j a r . A s w o u l d b e e x p e c t e d , c o a t i n g o f t h e q u a r t z d u r i n g p r o - c e s s i n g r e m a i n e d a p r o b l e m . T h e a m o u n t o f q u a r t z c o a t i n g w a s r e d u c e d b y i n c r e a s i n g t h e h e i g h t o f t h e b e l l j a r b y 1 c m . I t w o u l d l a t e r b e r e s o l v e d b y c h a n g i n g t h e r e s o n a n t m o d e o f f u t u r e M C P R c o n fi g u r a t i o n s f r o m T M O “ t o T M 0 1 3 . 4 . 5 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 4 - - d c B i a s E n h a n c e d I n p r e v i o u s M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h e s u b s t r a t e w a s t h e r m a l l y a n d e l e c t r i c a l l y i n s u l a t e d f r o m t h e w a l l s o f t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r b y t h e q u a r t z t u b e o n w h i c h t h e r e c e p t o r i s p l a c e d . T h e r e h a v e b e e n s o m e r e p o r t s o f i m p r o v e m e n t s t o d e p o s i t i o n p r o c e s s e s b y c o n t r o l l i n g t h e e l e c t r i c p o t e n t i a l o f t h e s u b s t r a t e . M a n t e i e t . a l . c o n c l u d e d t h a t s o m e l o w p r e s s u r e p l a s m a a s s i s t e d C V D p r o c e s s e s c a n b e i m p r o v e d b y a d d i n g a p o s i t i v e d c b i a s t o t h e s u b s t r a t e . T h r o u g h t h e a d d i t i o n o f a b i a s , t h e q u a l i t y a n d d e p o s i t i o n r a t e o f t h e M a g - n e t o - A c t i v e P l a s m a S y s t e m a r e i m p r o v e d u p o n ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 2 . 2 . 2 . 4 ] ) . A d d i t i o n a l l y , r e c e n t p u b l i c a t i o n s b y o t h e r i n v e s t i g a t o r s a l s o i n d i c a t e t h a t t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y o n s o m e s u b s t r a t e s m a y b e i n c r e a s e d w i t h a d c b i a s ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 5 4 ] ) . S u c h b i a s e n h a n c e d 1 3 5 n u c l e a t i o n i s a c c o m p l i s h e d b y a d d i n g a n a d d i t i o n a l s t e p t o t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o - c e s s . S i n c e t h i s d i s s e r t a t i o n i s a n i n v e s t i g a t i o n s e a r c h i n g f o r t h e b e s t l o w t e m p e r a t u r e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s , t h e i d e a o f i m p r o v i n g t h e q u a l i t y a n d r a t e o f d e p o s i - t i o n b y a p p l y i n g a b i a s w a s i n c l u d e d a m o n g p o s s i b l e s o l u t i o n s . B i a s e n h a n c e d n u c l e a t i o n w a s n o t i n v e s t i g a t e d h o w e v e r . ' l e o b i a s - e n h a n c e d s u b s t r a t e r e c e p t o r s w e r e i n c l u d e d i n t h i s w o r k — - o n e f o r e a c h M C P R . T h e b i a s - e n h a n c e d r e c e p t o r f o r t h e 4 ” b e l l j a r M C P R i s d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . A d i s c u s s i o n o f t h e o t h e r o n e i s d e f e r r e d t o s e c t i o n [ 4 . 6 . 2 ] . T h e b i a s - e n h a n c e d s u b s t r a t e r e c e p t o r t h a t w a s c o n s t r u c t e d f o r t h e 4 ” b e l l j a r r e a c - t o r i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 6 . I t s a p p e a r a n c e i s s i m i l a r t o t h a t o f p r e v i o u s l y d e t a i l e d r e c e p t o r s . I t i n c l u d e s a s t a i n l e s s s t e e l s u b s t r a t e r e c e p t o r t h a t i s a d i m e n s i o n a l r e p l i c a o f p r e v i o u s r e c e p t o r s ; h o w e v e r , t h e r e i s a p o l e i n t h e b o t t o m f o r t h e b i a s c i r c u i t . T h e p o s i t i v e b i a s w i r e e n t e r s t h e d i s c h a r g e c h a m b e r t h r o u g h a c e r a m i c f e e d t h r o u g h a n d c o n n e c t s t o t h e b o t t o m o f a s t a i n l e s s s t e e l s u b s t r a t e r e c e p t o r t h a t i s s e a t e d o n a v a r i a b l e h e i g h t q u a r t z t u b e . T h e n e g a t i v e b i a s w i r e i s c o n n e c t e d t o t h e b a s e p l a t e o f t h e c a v i t y . H e n c e t h e m e t a l l i c w a l l s o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r a r e u s e d t o c o m p l e t e t h e b i a s c i r c u i t . 4 . 5 . 2 . 1 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s A l t h o u g h t h e g r a p h i t e m o d e e n h a n c i n g d i s k i s n o t s h o w n i n fi g u r e 4 . 6 , i t w a s i n c l u d e d f o r p a r t o f t h e i n v e s t i g a t i o n o f b i a s i n g i n t h e 4 ’ b e l l j a r M C P R . W i t h t h e g r a p h i t e d i s k i n t h e s t a g e h o w e v e r , a s u i t a b l e p l a s m a c o u l d n o t b e i n d u c e d w i t h a n y v a r i a t i o n o f q u a r t z t u b e h e i g h t s d , a n d d 2 . T h e o n l y c o n fi g u r a t i o n o f t h e b i a s r e c e p t o r t h a t p r o d u c e d a 1 3 6 — | S l i d i n g S h o r t T u n i n g W a t e r C o o l e d C a v i t y W a l l s S l i d i n g S h o r t Q u a r t z B e l l J a r W a t e r A D / I l l / . [ I n fi l l / ) 4 ( - ) B i a s W I r e ' . " " ( + ) B i a s W i r e E C R M a g n e t s F i g u r e 4 . 6 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 4 . 1 3 7 s y m m e t r i c p l a s m a i n t h e 4 ” b e l l j a r M C P R i s t h e o n e s h o w n i n t h e fi g u r e 4 . 5 . U n f o r t u - n a t e l y , e v e n i n t h i s i n s t a n c e t h e a r r a n g e m e n t i s n o t a u s e f u l o n e . I n o r d e r t h a t a s y m m e t r i c p l a s m a f o r m i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r w i t h t h i s b i a s a s s e m b l y t h e h e i g h t o f t h e q u a r t z t u b e h a d t o b e b e l o w 2 c m . A t t h i s h e i g h t t h e s u b s t r a t e i s v e r y l o w i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r a n d t h e i n d u c e d p l a s m a i s n o t i n c o n t a c t w i t h i t . A s a r e s u l t n o a p p r e c i a b l e d i a m o n d d e p o s i t i o n o c c u r s o n t h e s u b s t r a t e w i t h t h i s c a v i t y c o n fi g u r a t i o n . H e n c e n o d e p o s i t i o n r e s u l t s a r e r e p o r t e d i n l a t e r c h a p t e r s f o r t h i s c o n fi g u r a t i o n . 4 . 6 T h e E n d - F e e d 5 ” M C P R T h e i s s u e s o f l i m i t e d s u b s t r a t e p r o c e s s i n g a r e a a n d p r o c e s s c o a t i n g o f t h e q u a r t z b e l l - j a r i n t h e 4 ” M C P R w e r e r e s o l v e d b y A s m u s s e n a n d Z h a n g b y t h e d e s i g n o f a n e w r e a c t o r - - o n e w i t h a l a r g e r d i a m e t e r b e l l - j a r a n d a l o n g e r l e n g t h c a v i t y s h e l l ( r e f e r t o s e c - t i o n [ 2 . 2 . 2 . 2 . 6 ] ) . T h e n e w b e l l - j a r h a s a n i n s i d e d i a m e t e r o f 4 . 6 i n c h e s , w h i c h a l l o w s p r o - c e s s i n g o f s u b s t r a t e s w i t h a c i r c u l a r d i a m e t e r u p t o 4 i n c h e s . T h e l o n g e r l e n g t h c a v i t y s h e l l p r o v i d e s n e w m o d e s o f t u n i n g s u c h a s t h e T M 0 1 3 . W h e n t u n e d t o t h i s r e s o n a n t e l e c t r o - m a g n e t i c m o d e , t h e s l i d i n g s h o r t i s a p p r o x i m a t e l y 1 4 c m f u r t h e r f r o m t h e i n s i d e s u r f a c e o f t h e q u a r t z b e l l - j a r t h a n t h e T M o “ m o d e , h o w e v e r t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d p a t t e r n i n t h e r e g i o n o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r r e m a i n s t h e s a m e ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 1 . 2 ] . H e n c e , t h e e v a n e s c e n t fi e l d s f r o m t h e p r o b e a r e f u r t h e r a t t e n u a t e d a n d c a n n o l o n g e r d i s t o r t t h e s h a p e o f t h e p l a s m a s u c h t h a t i t i s d r a w n t o w a r d s t h e b e l l - j a r . T h e s h a p e o f t h e p l a s m a t h o u g h , i s s t i l l s y m m e t r i c a n d c a p a b l e o f p r o c e s s i n g l a r g e a r e a s u b s t r a t e s . I n o r d e r t h a t t h i s i n v e s t i g a t i o n o f p l a s m a a s s i s t e d l o w - t e m p e r a t u r e C V D d i a m o n d M C P R p r o c e s s e s b e c o m p l e t e s e v e r a l c o n fi g u r a t i o n s o f t h e 5 ” b e l l - j a r M C P R w e r e 1 3 8 i n c l u d e d i n i t . A m o n g t h e m w e r e e l e c t r i c a l l y a n d t h e r m a l l y i s o l a t e d c o n fi g u r a t i o n s , e l e c - t r i c a l l y b i a s e d c o n fi g u r a t i o n s , a n d t h e r m a l l y c o n t r o l l e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e c o n fi g u r a - t i o n s . T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s d i s c u s s t h e o p e r a t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e 5 ” M C P R c o n fi g u r a t i o n s . A d e s c r i p t i o n o f t h e u n i q u e c o m p o n e n t s t h a t m a k e - u p e a c h c o n fi g u r a t i o n i s p r o v i d e d . I n a d d i t i o n , d e p e n d e n t s y s t e m p a r a m e t e r s s u c h a s s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , p e r - c e n t o f i n c i d e n t a b s o r b e d m i c r o w a v e p o w e r , a n d t h e r e s u l t i n g s i z e , s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a a r e d i s c u s s e d . T h e s l i d i n g s h o r t t h a t w a s u s e d w i t h t h e 5 - i n c h M C P R w a s t h e o n e t h a t w a s u s e d w i t h t h e 4 - i n c h M C P R c o n fi g u r a t i o n s . M e a s u r e m e n t s o f t h e c a v i t y h e i g h t h a r e d e t e r - m i n e d b y a s c a l e o n t h e s h o r t ’ s c o a x i a l f e e d . W h e n t h i s s h o r t i s u s e d w i t h t h e t a l l e r c a v i t y o f t h e 5 - i n c h M C P R t h e a c t u a l c a v i t y h e i g h t h i s a l w a y s 6 . 3 - c m h i g h e r t h a n t h e n u m b e r i n d i c a t e d o n t h e s c a l e . T h e c a v i t y h e i g h t s h r e p o r t e d i n t h e r e m a i n i n g s e c t i o n s o f t h i s c h a p - t e r a r e t h o s e t a k e n f r o m t h e s c a l e o n t h e s h o r t , t h e c o r r e c t i o n f a c t o r i s n o t i n c l u d e d . 4 . 6 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 5 T h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 i s a t h e r m a l l y i s o l a t e d c o n fi g u r a t i o n f o r s u b s t r a t e s w i t h a n o u t s i d e d i a m e t e r o f 4 i n c h e s o r l e s s . I t i s s i m i l a r t o t h a t o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 w i t h t h e e x c e p t i o n t h a t a m e t a l r i n g i s i n c l u d e d a t t h e b o t t o m o f t h e s t a g e . T h e a d d i t i o n o f t h i s n e w p a r t i s n e c e s s a r y t o p r e c l u d e p l a s m a f o r m a t i o n u n d e r t h e s u b s t r a t e , a n d i s s i m i l a r t o t h a t u s e d b y Z h a n g l 3 4 ] . E x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t w i t h o u t i t t h e p l a s m a f o r m s u n d e r t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a n d n e a r t h e t o p o f t h e b e l l - j a r . A t y p i c a l a r r a n g e m e n t f o r l o w - t e m p e r a t u r e , d i a m o n d d e p o s i t i o n o n 2 i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e s i s 1 3 9 s h o w n i n fi g u r e 4 . 7 . T w o a d d i t i o n a l m o d i fi c a t i o n s t h a t w e r e i n c l u d e d i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 a r e t h a t t h e m a t e r i a l o f t h e g r a p h i t e i n s e r t d i s k w a s c h a n g e d t o s t a i n l e s s s t e e l , a n d a n e w q u a r t z t u b e w a s i n c l u d e d . T h e m a t e r i a l o f t h e i n s e r t d i s k w a s c h a n g e d t o s t a i n l e s s s t e e l t o m a k e i t m o r e d u r a b l e a n d l e s s s u s c e p t i b l e t o d a m a g e d u r i n g h a n d l i n g . E x p e r i m e n t s w i t h i n s e r t d i s k s m a d e o f b o t h m a t e r i a l s w e r e c o n d u c t e d a n d n o d i f f e r e n c e i n t h e o p e r a t i o n o f t h e M C P R w a s o b s e r v e d . T h e n e w q u a r t z t u b e , w h i c h i s n a m e d t h e q u a r t z fl o w t u b e ( Q F I ‘ ) , w a s a d d e d t o i m p r o v e t h e fl o w o f g a s i n t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r . T h i s i s n e c e s s a r y b e c a u s e i n t h e 5 ” b e l l - j a r M C P R t h e i n p u t g a s e s e n t e r t h e d i s c h a r g e c h a m b e r a t t h e v e r y b o t t o m . T h e Q F T f o r c e s t h e i n p u t g a s e s t o fl o w u p t o w a r d s t h e s u b s t r a t e b e f o r e e x i t i n g t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . 4 . 6 . 1 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g T h e t y p i c a l p l a s m a t h a t i s i n d u c e d i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 f o r m s a p p r o x i m a t e l y a n e l l i p t i c a l , c r o s s - s e c t i o n a l s h a p e ( a s o p p o s e d t o b a l l - s h a p e d o r h e m i s p h e r i c a l s h a p e d ) a n d e v e n l y c o v e r s t h e t o p s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . T h e t y p i c a l t u n i n g p o i n t s f o r t h i s M C P R c o n fi g u r a t i o n a r e 1 6 c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 3 . 2 c m f o r t h e p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . T h i s c a v i t y l e n g t h c o r r e s p o n d s a p p r o x i m a t e l y t o t h e T M 0 1 3 c a v i t y r e s o n a n t m o d e . A t p r e s - s u r e s b e t w e e n 5 a n d 9 t o r r t h e a m o u n t o f r e fl e c t e d m i c r o w a v e p o w e r i s b e l o w 3 0 % , w h i c h i s m u c h w o r s e t h a n t h e t h a t o f 4 - i n c h M P C R c o n fi g u r a t i o n s . T h e c o m b i n e d h e i g h t s o f t h e q u a r t z t u b e s ( 1 , a n d ( 1 2 c a n b e v a r i e d b e t w e e n 3 . 0 c m a n d 6 . 0 c m w i t h o u t s i g n i fi c a n t l y a l t e r i n g t h e s h a p e o f t h e p l a s m a . D a t a p r e s e n t e d i n c h a p - t e r 5 h o w e v e r , i n d i c a t e s t h a t m o r e u n i f o r m d e p o s i t i o n t a k e s p l a c e w h e n t h e s u b s t r a t e i s 1 4 0 S l i d i n g S h o r t T u n i n g 7 ” I D l i d ' h r t S m g S 0 B r a s s C a v i t y Q u a r t z B e l l J a r C o o l i n g W a t e r ‘ 1 1 d z - F l T u b S t a i n l e s s S t e e l I n s e r t D i s k 0 w e M o d e E n h a n c e r T u b e F i g u r e 4 . 7 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . 1 4 ] p o s i t i o n e d a t a h e i g h t n e a r l y e q u a l t o t h a t o f t h e c a v i t y fl o o r . I n t h i s c o n fi g u r a t i o n , t h e v e r - t i c a l d i s t a n c e b e t w e e n t h e fl o o r o f t h e c a v i t y a n d t h e b o t t o m o f t h e r e c e s s e d a r e a i n t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y w h e r e t h e l o w e r q u a r t z t u b e s i t s w a s a p p r o x i m a t e l y 6 2 - m m . T h e t h i c k n e s s o f t h e i n s e r t d i s k w a s 1 . 5 — m m , a n d t h e t h i c k n e s s o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r b e t w e e n t h e b o t t o m o f t h e s u b s t r a t e a n d t h e u p p e r q u a r t z t u b e w a s 2 - m m . W i t h t h e s e c o m - p o n e n t s , a t o t a l o f h e i g h t s d I a n d d 2 o f 5 8 . 5 - m m w o u l d p l a c e t h e u n d e r s i d e o f t h e s u b s t r a t e i n a l o c a t i o n t h a t w a s l e v e l w i t h t h e fl o o r o f t h e b r a s s - c a v i t y . 4 . 6 . 1 . 2 P r o c e s s i n g L a r g e A r e a S u b s t r a t e s O n e n o t a b l e f e a t u r e o f t h e 5 ” b e l l - j a r M C P R i s t h a t i t s d i s c h a r g e c h a m b e r i s l a r g e e n o u g h t o p r o v i d e p r o c e s s i n g o f s u b s t r a t e s w i t h a c i r c u l a r d i a m e t e r o f u p t o 4 ” . M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 w a s e a s i l y a d a p t e d f o r p r o c e s s i n g l a r g e a r e a s u b s t r a t e s . T h e o n l y c h a n g e s r e q u i r e d w e r e t h a t t h e d i a m e t e r o f t h e s t a i n l e s s s t e e l r e c e p t o r b e i n c r e a s e d a n d t h a t t h e h e i g h t d l o f t h e u p p e r q u a r t z t u b e b e l e n g t h e n e d . S i n c e s u b s t r a t e r e c e p t o r s f o r 3 a n d 4 i n c h s u b s t r a t e s a r e l a r g e r t h a n t h e i n n e r d i a m - e t e r o f t h e m o d e e n h a n c e r t u b e t h e y c a n ’ t b e p l a c e d i n s i d e i t l i k e t h e 2 i n c h o n e s h o w n i n fi g u r e 4 . 7 . T o c o r r e c t f o r t h i s , t h e y w e r e p o s i t i o n e d i n t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r a b o v e i t . T h e w a s e a s i l y d o n e b y i n c r e a s i n g t h e l e n g t h d , o f t h e u p p e r q u a r t z t u b e . T h e t y p i c a l t o t a l h e i g h t f o r t h e q u a r t z t u b e s d I a n d d 2 w a s 4 6 m m , w h i c h p l a c e s t h e b o t t o m o f t h e s u b - s t r a t e r e c e p t o r 2 m m a b o v e t h e m o d e e n h a n c e r t u b e . A t y p i c a l a r r a n g e m e n t f o r 3 i n c h s u b - s t r a t e s i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 8 . S u b s t r a t e r e c e p t o r s w i t h a n o u t e r d i a m e t e r a s l a r g e a s 4 . 2 5 i n c h e s w e r e u t i l i z e d f o r l o w - t e m p e r a t u r e , d i a m o n d d e p o s i t i o n o n s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s a s l a r g e a s 4 i n c h e s . 1 4 2 S l i d i n g S h o r t T u n i n g S l i d i n g S h o r t 7 ” I D B r a s s C a v i t y 3 ” D i a m e t e r Q u a r t z B e l l J a r S u b s t r a t e S u s c e p t o r C o o l i n g W a t e r F i g u r e 4 . 8 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . 1 4 3 T h e u s e o f t h e s e c o m p o n e n t s d i d n o t a l t e r t h e t u n i n g o r t h e s i z e , s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a . T h e t u n i n g i m p r o v e d s l i g h t l y w i t h t h e i r u s e s u c h t h a t t h e a m o u n t o f r e fl e c t e d m i c r o w a v e p o w e r a t 9 t o r r w a s r e d u c e d t o b e l o w 2 5 p e r c e n t . 4 . 6 . 1 . 3 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s F i g u r e 4 . 9 s h o w s t h e d e p e n d e n c e o f t h e m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o n t h e g a s p r e s s u r e a n d t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r f o r M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . T h e s e m e a s u r e m e n t s w e r e o b s e r v e d w i t h a 2 . 2 u m s i n g l e w a v e l e n g t h o p t i c a l p y r o m e t e r t h r o u g h t h e w i n d o w i n t h e f r o n t o f t h e M C P R ( r e f e r t o s e c t i o n [ 3 . 4 . 1 ] . T h e h o r i z o n t a l a x i s o f t h e g r a p h i s t h e g a s p r e s s u r e i n t o r r . T h e v e r t i c a l a x i s i s t h e t e m p e r a t u r e i n d e g r e e s C e l s i u s . T h e t w o c u r v e s i n t h e g r a p h s h o w d a t a t h a t w a s m e a s u r e d a t i n p u t m i c r o w a v e p o w e r s o f 7 5 0 W a t t s a n d 1 0 0 0 W a t t s . A s w a s t h e c a s e w i t h M C P R c o n fi g u r a t i o n 2 , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e i n t h i s c o n fi g u r a t i o n h a s a s t r o n g d e p e n d e n c e o n t h e p r e s s u r e a n d t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . T h e c u r v e s a p p e a r t o d i v e r g e f o r d e c r e a s i n g p r e s s u r e . T h i s m a y b e a n i n d i c a t i o n t h a t a t l o w e r p r e s s u r e s t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i n t h e 5 i n c h b e l l - j a r M C P R b e c o m e s m o r e d e p e n d e n t o n t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . 4 . 6 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 6 - - d c B i a s E n h a n c e d A l t h o u g h d e p o s i t i o n w i t h t h e a i d e o f a d c b i a s c o u l d n o t b e s u c c e s s f u l l y i n v e s t i - g a t e d i n t h e 4 ” M C P R , t h e r e w a s s o m e s u c c e s s i n i n c o r p o r a t i n g i t i n t o t h e 5 ” M C P R . T h e d e s i g n o f t h e b i a s e d - s u b s t r a t e - r e c e p t o r — a s s e m b l y o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 6 w a s a s i m p l e m o d i fi c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r t h a t i s u s e d i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . ) C 0 ( e r u t a r e p m e T 5 2 0 1 4 4 5 1 0 - 5 0 0 - 4 9 0 - 4 8 0 - 4 7 0 - 4 5 0 1 0 0 0 W a t t s 1 l A I F i g u r e 4 . 9 9 1 0 1 1 1 2 1 3 P r e s s u r e ( t o r r ) T e m p e r a t u r e v s . p r e s s u r e a n d p o w e r f o r M C P R - C 5 . 1 4 1 5 1 4 5 T o a p p l y a b i a s t o t h e s u b s t r a t e , a t w o w i r e c e r a m i c f e e d - t h r o u g h w a s a d d e d i n t h e c e n t e r o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r b o t t o m p l a t e . T h e p o s i t i v e w i r e w a s c o n n e c t e d t o t h e s t a i n l e s s s t e e l s u b s t r a t e r e c e p t o r ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 1 0 ) a n d t h e o t h e r t o t h e M C P R c a v i t y a n d t h e o u t e r m e t a l t u b e o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y . A s i s t h e c a s e f o r M C P R c o n - fi g u r a t i o n 5 , t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r i s t h e r m a l l y a n d e l e c t r i c a l l y i s o l a t e d f r o m t h e o t h e r m e t a l l i c c o m p o n e n t s i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r b y t h e q u a r t z t u b e o n w h i c h i t s i t s . I n t h e b i a s - e n h a n c e d c o n fi g u r a t i o n , t h e o u t e r m e t a l t u b e t h a t i s u s e d t o p r e c l u d e p l a s m a f o r m a - t i o n u n d e r t h e s u b s t r a t e d o u b l e s a s t h e c a t h o d e f o r t h e b i a s c i r c u i t . T h e s t a i n l e s s s t e e l s u b - s t r a t e r e c e p t o r i s t h e c i r c u i t a n o d e . 4 . 6 . 2 . 1 O p e r a t i o n a n d T u n i n g O p e r a t i o n o f t h e M C P R w i t h t h e b i a s - e n h a n c e d s u b s t r a t e r e c e p t o r i s u n c h a n g e d f r o m t h a t o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . T h e t u n i n g a n d o t h e r v a r i a b l e s o f t h e M C P R r e m a i n t h e s a m e ; h o w e v e r , a s m a l l a m o u n t o f m i c r o w a v e e n e r g y i s t r a n s p o r t e d o u t o f t h e c a v i t y b y t h e b i a s w i r e s . T h e c a v i t y t u n i n g w a s t y p i c a l l y l 6 - c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 3 . 2 - c m f o r t h e c o u p l i n g p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . F o r m o s t b i a s e x p e r i m e n t s , t h e q u a r t z t u b e h e i g h t s ( 1 , a n d d 2 w e r e 2 . 0 - c m a n d 2 . 4 - c m . W i t h t h e s e h e i g h t s , t h e t o p s u r f a c e o f t h e a n o d e a n d c a t h o d e a r e a t t h e s a m e h e i g h t . S i n c e t h e d i m e n s i o n s o f t h e c o m p o n e n t s o f t h i s a s s e m - b l y w e r e t h e s a m e a s t h o s e o f M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 , q u a r t z t u b e h e i g h t s d l a n d d 2 o f 2 0 - c m a n d 2 . 4 - c m p l a c e d t h e u n d e r s i d e o f t h e s u b s t r a t e 1 . 4 5 - c m b e l o w t h e fl o o r o f t h e c a v i t y . A t 1 5 t o r r a n d i n i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r o f a r o u n d 1 K W t h e m a g n i t u d e o f r e fl e c t e d m i c r o w a v e p o w e r i s b e l o w 2 0 p e r c e n t . 1 4 6 S l i d i n g S h o r t T u n i n g S l i d i n g S h o r t 7 ” I D B r a s s C a v i t y A h Q u a r t z B e l l J a r P l a s m a 1 " _ 5 1 . C o o l i n g : W a t e r v ? i ' A r 7 [ m a n 1 e e l / I \ \ \ \ \ \ \ V r i d z ; ‘ ' [ I I I / 1 1 1 1 5 5 5 4 / 3 / / / / / / / / / / / I ‘ I I I / I l l l l m ‘ “ . , “ w fl a g , W ( - ) B i a s W i r e ( + ) B i a s W i r e F i g u r e 4 . 1 0 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 6 . 1 4 7 4 . 6 . 2 . 2 T h e d c B i a s C i r c u i t T h e d c p o w e r s u p p l y t h a t w a s u s e d f o r a l l t h e b i a s e n h a n c e d d e p o s i t i o n e x p e r i - m e n t s t h a t a r e d i s c u s s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n w a s a N J E M o d e l Q R P - 1 6 0 - 3 . I t s r a t e d m a x i - m u m o u t p u t i s 2 0 0 V a t 3 A m p s . T h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e o u t p u t t e r m i n a l s o f t h e N J E p o w e r s u p p l y a r e c o n n e c t e d t o a t w o - w i r e c e r a m i c f e e d t h r o u g h i n t h e b o t t o m t h e v a c u u m c h a m b e r b y t w o r u b b e r - i n s u l a t e d s t r a n d e d c o p p e r w i r e s . T h e b i a s c i r c u i t i s c o m p l e t e d b y t w o fi b e r - g l a s s - i n s u l a t e d , s t r a n d e d c o p p e r w i r e s t h a t c o n n e c t t h e t e r m i n a l s o f t h e c e r a m i c f e e d - t h r o u g h i n t h e v a c u u m c h a m b e r t o t h e o n e i n t h e b o t t o m o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y . T h e c u r r e n t a n d v o l t a g e t h a t w e r e a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e w e r e m e a s u r e d b y t w o F l u k e M o d e l 7 7 m u l t i - m e t e r s a s i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 1 1 . 4 . 6 . 2 . 3 B i a s C u r r e n t M e a s u r e m e n t s M e a s u r e m e n t s o f t h e m a g n i t u d e o f t h e b i a s c u r r e n t w e r e t a k e n a t v a r i o u s p r e s s u r e s a n d a m o u n t s o f i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . T h e d a t a w a s c o l l e c t e d i n a r a n d o m o r d e r o v e r a p e r i o d o f t w o h o u r s f o r p r e s s u r e s r a n g i n g f r o m 4 t o r r t o 1 5 t o r r . A t e a c h p r e s s u r e d a t a p o i n t , t h e b i a s c u r r e n t w a s m e a s u r e d f o r t h r e e v a l u e s o f i n p u t m i c r o w a v e p o w e r ( 1 0 4 0 W , 8 7 0 W , a n d 7 0 0 W ) . A s e e d e d s i l i c o n s u b s t r a t e w i t h a d i a m e t e r o f 2 i n c h e s w a s p l a c e d i n t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r f o r t h e s e m e a s u r e m e n t s . A t t h e e n d o f t h e m e a s u r e m e n t s t h e r e w a s n o a p p a r e n t d e p o s i t i o n o n t h e w a f e r . T h e l o w e r p r e s s u r e l i m i t o f 4 t o r r w a s t h e l o w e s t p o i n t f o r w h i c h t h e p l a s m a a p p e a r e d t o r e m a i n s t a b l e . A t p r e s s u r e s b e l o w 4 t o r r t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e p l a s m a d o e s n o t a p p e a r t o b e u n i f o r m - - b r i g h t s p o t s b e g i n t o a p p e a r i n r a n d o m l o c a t i o n s i n t h e p l a s m a . D u r i n g v i s u a l o b s e r v a t i o n o f t h e p l a s m a , i t w a s n o t e d t h a t t h e d i a m e t e r o f t h e p l a s m a £ 1 1 r ' w \ \ V \ ] 3 \ \ \ \ \ \ \ o s V B i a s E n h a n c e d S u b s t r a t e R e c e p t o r \ 1 4 8 \ \ / ( - ) B i a s W i r e B o t t o m o f V a c u u m C h a m b e r O 9 ; g o 0 : V v v I 0 Q 3 : O - V d c + / V o l t m e t e r a t - + N J E M o d e l Q R P - I 6 0 - 3 d c P o w e r S u p p l y F i g u r e 4 . 1 1 0 ' 0 . 9 O ' 0 d O o ’ c ’ o ’ O . 5 v v r . V 4 ' 3 ‘ 0 i n 2 - W i r e C e r a m i c F e e d - T h r o u g h ( + ) B i a s W i r e ‘ \ 2 - W i r e C e r a m i c V a c u u m T i g h t F e e d - T h r o u g h + 0 I d c b i a s A m m e t e r E l e c t r i c a l C o n n e c t i o n s o f t h e b i a s - e n h a n c e d M C P R - C 6 . 1 4 9 i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g p r e s s u r e . C o n v e r s e l y , i t s d i a m e t e r d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . T h i s d e p e n d e n c e o f p l a s m a s i z e o n t h e s y s t e m p r e s s u r e i s t h e r e a s o n f o r t h e u p p e r p r e s s u r e l i m i t o f 1 5 t o r r . T h e m a x i m u m i n p u t p o w e r t h a t c a n b e t r a n s p o r t e d b y t h e m i c r o w a v e c o a x i a l w a v e g u i d e i s 1 K W . W i t h t h i s p o w e r l i m i t , t h e m a x i m u m p r e s s u r e w h e r e t h e p l a s m a i s s t i l l i n c o n t a c t w i t h t h e b i a s c a t h o d e i s a p p r o x i m a t e l y 1 5 t o r r . F i g u r e 4 . 1 2 s h o w s a g r a p h i c a l r e p r e s e n t a t i o n o f t h e m e a s u r e d b i a s c u r r e n t v e r s u s g a s p r e s s u r e f o r t h r e e v a l u e s o f i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . T h e x - a x i s o f t h e p l o t i s t h e g a s p r e s s u r e , a n d t h e y - a x i s i s t h e m e a s u r e d b i a s c u r r e n t . T h e b i a s v o l t a g e w a s + 1 0 0 V d c f o r a l l o f t h e s e m e a s u r e m e n t s . T w o t h i n g s t o n o t e a b o u t t h e d a t a i n fi g u r e 4 . 1 2 a r e t h a t ( 1 ) t h e b i a s c u r r e n t d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e , a n d ( 2 ) t h e b i a s c u r r e n t i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . T h e fi r s t c h a r a c t e r i s t i c c o i n c i d e s w i t h t h e e f f e c t t h a t i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e h a s o n t h e s i z e o f t h e p l a s m a . W h e n t h e p r e s s u r e i s i n c r e a s i n g , t h e b i a s c u r r e n t a n d t h e p l a s m a ’ s r a d i a l d i a m e t e r b o t h d e c r e a s e . S i m i l a r l y , w h e n t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r i s i n c r e a s e d t h e b i a s c u r r e n t a n d t h e o b s e r v e d r a d i a l d i a m e t e r o f t h e p l a s m a i n c r e a s e . T h e s e t w o o b s e r v a t i o n s i n d i c a t e t h a t b i a s c u r r e n t i s v e r y s e n s i t i v e t o t h e s i z e o f t h e p l a s m a , a n d p o s s i b l y i t s l o c a t i o n . C o n d i t i o n s t h a t c a u s e t h e p l a s m a t o g r o w a n d s h r i n k i n s i z e c a u s e s i m i l a r c h a n g e s i n t h e b i a s c u r r e n t . T h i s m a y b e a n i n d i c a t i o n t h a t s h r i n k i n g t h e p l a s m a ’ s s i z e c a u s e s i t t o b e c o m e l e s s i n c o n t a c t w i t h t h e a n o d e a n d c a t h o d e o f t h e b i a s c i r c u i t . O n e m i g h t e x p e c t t h a t a t h i g h e r p r e s s u r e s t h e b i a s c u r r e n t s h o u l d i n c r e a s e . T h i s w o u l d c o i n c i d e w i t h t h e h i g h e r p o w e r d e n s i t y o f a h i g h e r p r e s s u r e p l a s m a . S i n c e t h e p l a s m a s i z e d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g p o w e r , t h e p o w e r d e n s i t y , i n W / c m 3 , i n c r e a s e s . F 1 1 5 0 3 r . 1 0 4 0 W a t t s . . _ 8 7 0 W a t t s . . _ . 7 0 0 W a t t s . . _ 2 . 5 E 2 . 7 ‘ 3 1 : : 5 1 5 m 1 . 0 . 5 - . J . . 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 P r e s s u r e ( t o r r ) F i g u r e 4 . 1 2 E l e c t r i c a l C o n n e c t i o n s o f t h e b i a s - e n h a n c e d M C P R - C 6 . 1 5 1 H i g h e r p o w e r d e n s i t i e s c r e a t e l a r g e r d e n s i t i e s o f s p e c i e s i n t h e p l a s m a . T h i s s h o u l d l e a d t o a g r e a t e r fl u x o f e l e c t r o n s t o t h e s u b s t r a t e ; h o w e v e r , t h e l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e i n t h e s e e x p e r i m e n t s m a y h a v e c o n t r i b u t e d t o t h e o v e r a l l t r e n d s o f t h e m e a s u r e d d c b i a s c u r r e n t . T h e d a t a o f fi g u r e 4 . 1 2 w a s m e a s u r e d w i t h a t o t a l q u a r t z t u b e h e i g h t o f 4 4 m . A t t h i s h e i g h t , t h e s u b s t r a t e i s 4 0 m m a b o v e t h e b o t t o m o f t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r . T h i s p l a c e s t h e s u b s t r a t e a b o u t 1 5 m m b e l o w t h e fl o o r l i n e o f t h e M C P R b r a s s c a v i t y . W i t h t h e s u b s t r a t e s o l o w , i t i s p o s s i b l e t h a t o n l y t h e c e n t e r o f t h e s u b s t r a t e i s i n g o o d c o n t a c t w i t h t h e s u b s t r a t e . I f t h a t w e r e t h e c a s e , t h e o u t e r e d g e s o f t h e s u b s t r a t e a n d t h e s u r r o u n d - i n g a n o d e w o u l d n o t b e i n g o o d e l e c t r i c a l c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a . I t i s d i f fi c u l t t o d e t e r m i n e h o w m u c h o f t h e s u b s t r a t e i s i n c o n t a c t w i t h t h e p l a s m a . T h e w i n d o w i n t h e b r a s s - c a v i t y i s t h e o n l y p l a c e a v a i l a b l e f o r v i e w i n g i t e m s i n s i d e t h e M C P R . F r o m t h i s v a n t a g e p o i n t , o n e c a n o n l y o b s e r v e t h e a p p r o x i m a t e s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a . T h e s u b s t r a t e c a n b e s e e n b y l o o k i n g t h o u g h t h e p l a s m a ; h o w e v e r , o n e c a n - n o t d e t e r m i n e h o w m u c h c o n t a c t t h e r e i s b e t w e e n t h e p l a s m a a n d t h e s u b s t r a t e f r o m t h i s v a n t a g e p o i n t . A s t h e p l a s m a ’ s d i a m e t e r i s i n c r e a s e d i t m a y a l s o d e s c e n d d e e p e r i n t o t h e w e l l o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r a n d b e c o m e m o r e i n c o n t a c t w i t h t h e b i a s - s t a g e c o m p o n e n t s . E x p e r i m e n t s w i t h t h e s u b s t r a t e p o s i t i o n e d c l o s e r t o t h e M C P R b r a s s - c a v i t y fl o o r w e r e n o t c o n d u c t e d b e c a u s e o f e x t e n s i v e m a c h i n i n g r e q u i r e m e n t s f o r t h e c a t h o d e t u b e . S o i t i s n o t k n o w n w h a t i n fl u e n c e t h e s u b s t r a t e ’ s l o c a t i o n h a d o n t h e r e s u l t i n g d c b i a s c u r r e n t . 4 . 6 . 2 . 4 I n fl u e n c e o f S e e d i n g O n e q u e s t i o n t h a t a r i s e s r e g a r d i n g t h e b i a s c u r r e n t s o f fi g u r e 4 . 1 0 i s h o w m u c h o f 1 5 2 t h e m e a s u r e d d c b i a s c u r r e n t i s a c t u a l l y c o n d u c t e d t h r o u g h t h e s u b s t r a t e . T h i s q u e s t i o n a r i s e s b e c a u s e t h e s u b s t r a t e d o e s n o t c o n s t i t u t e t h e s o l e p a t h b e t w e e n t h e t w o e l e c t r o d e s . A l s o , t h e r e i s a s h o r t g a p o f a p p r o x i m a t e l y 2 m m b e t w e e n t h e i n n e r a n d o u t e r e d g e s o f t h e c o n c e n t r i c a n o d e a n d c a t h o d e . N o e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o s p e c i fi c a l l y a d d r e s s t h i s i s s u e ; h o w e v e r , s o m e i n s i g h t c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e d a t a a c q u i r e d d u r i n g t h e v a r i o u s b i a s e n h a n c e d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . I t w a s n o t e d t h a t t h e m a g n i t u d e o f t h e b i a s c u r r e n t v a r i e d p r o p o r t i o n a l l y w i t h t h e s e e d i n g n u c l e a t i o n d e n s i t y o f p h o t o - r e s i s t s e e d e d s i l i c o n . I n o n e e x p e r i m e n t w h e r e t h e s e e d i n g d e n s i t y w a s p o o r , t h e r e w a s a n o r d e r o f m a g n i t u d e i n c r e a s e i n t h e b i a s c u r r e n t a t t h e b e g i n n i n g t h a t s l o w l y d e c r e a s e d w i t h t i m e . 4 . 6 . 3 M C P R C o n fi g u r a t i o n 7 - - D e p o s i t i o n o n 3 ” a n d 4 ” S u b s t r a t e s A n o t h e r M C P R c o n fi g u r a t i o n f o r d e p o s i t i n g d i a m o n d o n l a r g e a r e a s u b s t r a t e s i s o n e t h a t w a s d e v e l o p e d b y Z h a n g . M C P R c o n fi g u r a t i o n 7 o f t h i s d i s s e r t a t i o n w a s a n a p p r o x i m a t e r e p l i c a o f t h a t a s s e m b l y . F i g u r e 4 . 1 3 s h o w s a c r o s s - s e c t i o n o f c o n fi g u r a t i o n 7 . T h e c o m p o n e n t s i n t h e a s s e m b l y a r e ( 1 ) t h e s t a i n l e s s s t e e l r e c e p t o r , ( 2 ) t h e q u a r t z fl o w t u b e , ( 3 ) t h e m o d e - e n h a n c e r t u b e , a n d ( 4 ) t h e b a s e - p l a t e . C o m p o n e n t s ( 1 ) a n d ( 2 ) a r e d i m e n s i o n a l l y t h e s a m e a s t h o s e u s e d b y Z h a n g . T h e s t a i n l e s s s t e e l r e c e p t o r ( 1 ) i s a d i s k w i t h a n o u t e r d i a m e t e r o f 4 . 6 i n c h e s . I t s f e a t u r e s i n c l u d e a r i n g o f g a s fl o w h o l e s n e a r t h e o u t e r e d g e , a r e c e s s e d a r e a f o r s u b s t r a t e r e t e n t i o n i n t h e m i d d l e , a n d a g r o o v e o n t h e b a c k s i d e f o r c o n n e c t i o n t o t h e q u a r t z t u b e ( 2 ) . T w o d i f - f e r e n t r e c e p t o r s ( 1 ) w e r e u s e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n . T h e y w e r e d i m e n s i o n a l l y i d e n t i c a l e x c e p t f o r t h e d i a m e t e r o f t h e r e c e s s e d s u b s t r a t e r e t e n t i o n a r e a . O n e w a s c u t f o r r e t e n t i o n o f 3 i n c h s u b s t r a t e s a n d t h e o t h e r f o r 4 i n c h o n e s . L i k e p r e v i o u s M C P R c o n fi g u r a t i o n s , t h e 1 5 3 S l i d i n g S h o r t T u n i n g S l i d i n g S h o r t B r a s s C a v i t y S t a i n l e s s S t e e l S u b s t r a t e S u s c e p t o r ( 1 ) Q u a r t z B e l l J a r C o o l i n g W a t e r \ \ \ \ \ \ \ 1 l J ’ S t a i n l e s s S t e e l Q F T ( 2 ) M o d e E n h a n c e r T u b e ( 3 ) F i g u r e 4 . 1 3 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 7 . q u a r t 1 t h { b e t l o c a 1 1 8 1 ' E Z i a i d e a I I I 1 3 f t T h e s h a p e a n d l o c a t i o n o f t h e p l a s m a i s i n fl u e n c e d b y t h e l e n g t h o f t h e q u a r t z fl o w 1 5 4 q u a r t z fl o w t u b e f o r c e s t h e i n p u t p r o c e s s g a s e s t o fl o w u p t o t h e t o p o f t h e d i s c h a r g e c h a m - b e r b e f o r e e x i t i n g t o t h e v a c u u m c h a m b e r . I t a l s o c r e a t e s a l a r g e t h e r m a l r e s i s t a n c e b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e w a t e r c o o l e d b r a s s - c a v i t y , b a s e p l a t e . I n t h i s c o n fi g u r a t i o n , t h e q u a r t z t u b e i s a l s o u s e d t o l o c a t e t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . T h e l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e i n t h e c h a m b e r c a n b e a d j u s t e d b y v a r y i n g t h e l e n g t h o f ( 1 , . T h e m o d e - e n h a n c e r t u b e ( 3 ) a n d t h e b a s e p l a t e ( 4 ) a r e t h e s a m e c o m p o n e n t s t h a t K w e r e u s e d i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . T h e m o d e - e n h a n c e r t u b e i s s i m i l a r t o t h a t u s e d b y Z h a n g a n d i s n e c e s s a r y t o p r e c l u d e p l a s m a f o r m a t i o n u n d e r t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r . T h e i d e a o f u s i n g s u c h a m e t a l l i c t u b e t o c o n t r o l t h e r e g i o n s o f p l a s m a f o r m a t i o n w a s fi r s t r e p o r t e d b y Z h a n g . T h e b a s e p l a t e i s a t w o p i e c e a s s e m b l y t h a t s u p p o r t s t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r c o m p o n e n t s i n t h e M C P R . I t d i f f e r s f r o m t h e o n e u s e d b y Z h a n g f o r l a r g e a r e a d i a m o n d d e p o s i t i o n i n t h a t g a s fl o w s t o t h e v a c u u m c h a m b e r t h r o u g h c o n c e n t r i c r i n g s o f 1 / 8 i n c h g a s fl o w h o l e s . T h e o n e u s e d b y Z h a n g h a d a s i n g l e 1 i n c h d i a m e t e r h o l e i n t h e C C U I C I ' . 4 . 6 . 3 . 1 O p e r a t i o n a n d T i m i n g T h e t y p i c a l p l a s m a t h a t i s i n d u c e d i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 f o r m s a n e l l i p t i c a l , c r o s s - s e c t i o n a l s h a p e a n d e v e n l y c o v e r s t h e t o p s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . T h e t y p i c a l t u n i n g p o i n t s f o r t h i s M C P R c o n fi g u r a t i o n a r e 1 6 c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 3 . 2 c m f o r t h e p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . T h i s c a v i t y l e n g t h c o r r e s p o n d s a p p r o x i m a t e l y t o t h e T M 0 1 3 c a v i t y r e s o n a n t m o d e . A t p r e s s u r e s b e t w e e n 5 a n d 9 t o r r t h e a m o u n t o f r e fl e c t e d m i c r o w a v e p o w e r i s b e l o w 3 0 % . r m g e m t u b e t c w w l t f a h e a u h o e h d e e m e b a r s n g t r e i j c m a g c h b 5 a ( h e c v c e t 2 5 n s ) b r o o i r . n f - t o t o d m t f y s e D u t s o h m fl - 5 c a u s i c o s t e 8 t t e h o a m e d e u t . h t r c e m e o b i m q n t e o b A u t d i o t a o n t w r a t e s o s e a d t a a t n o t t l b h h z d r o 6 6 u e p m t t e b s s o v v 3 3 b r e e h t i f t - e - e e l o e t h t m n i m s w h e m o m l i l n , e y d h c e o s r c e o a u t w i e e t a x f b h t p f s e e w o c a v e l e p l e v e r r o u c r n t i a n s t s r s o , o m t d e e r t a e o f h n t t h t t a i c s o n f r l w e d h e s h e d s a p u n s i s i l s a t i s e o o t r a w e t b e l t a l h e l s e t u s v n r f e e b e h , m a a l t t s a s r w u p e . e b h b s t r a t n a i g t t s I l e a t h e u a n l d h s b o s s w m s t t o h l t h t e r e r a t c a e e a a t a c s d h e g o o e t fl t r n e i o h c o i n e . n r w l e u p u a h s a e d b p g p s o f f f t I o s n l t a r t r a t t h o t s d ( o h e r 1 m d e b m e e a . l ) e i o r m a n 4 b i 8 n t n o a n t e A r i f s t r g s h m a t t q h h s - n m u u b d r i m c e e c a o e 8 a d r u t i d i v f d - t t o o t i s t m w i n z n e m h c y 6 t t i h 3 . t h u a a h I a r f b e a b a e t t o h v e e u i n o - i n a s g w 1 5 5 d e s c r i b e d i n t h e p r e c e d i n g p a r a g r a p h . 4 . 7 T h e r m a l l y A d j u s t a b l e E n d - F e e d 5 ” M C P R C o n fi g u r a t i o n s T h e H a r r i s - G o o d w i n g r o w t h m o d e l s i n d i c a t e t h a t d i a m o n d d e p o s i t i o n i n a h y d r o g e n - m e t h a n e p l a s m a h a s a s t r o n g d e p e n d e n c e o n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e a s w e l l a s t h e fl u x o f a t o m i c h y d r o g e n a n d m e t h y l r a d i c a l s t o t h e s u b s t r a t e s u r f a c e ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 3 . 3 ] ) . T h e m o d e l p r e d i c t s t h a t i t i s u n l i k e l y t h a t d i a m o n d d e p o s i t i o n w i l l b e u n i f o r m i f t h e t e m p e r a t u r e p r o fi l e o f t h e s u b s t r a t e a n d t h e fl u x o f r e a c t i v e c h e m i c a l s p e c i e s t o t h e s u b - s t r a t e a r e n o t . A t l o w p r e s s u r e s , s u b s t r a t e s i n t h e M C P R a r e h e a t e d b y r e c o m b i n a t i o n o f h y d r o g e n a t o m s o n t h e s u b s t r a t e s u r f a c e . S o t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l h a s t w o d e p e n - d e n c i e s f o r a t o m i c h y d r o g e n fl u x - - s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , a n d s u r f a c e c h e m i s t r y r e a c - t i o n s . O n e m e t h o d f o r i n c r e a s i n g t h e d e p o s i t i o n r a t e i n t h e M P C R i s t o c r e a t e h i g h e r fl u x e s o f r e a c t i v e c h e m i c a l s p e c i e s t o t h e s u b s t r a t e s u r f a c e b y i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e 1 5 6 a n d t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r . T h i s a l s o i n c r e a s e s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e , w h i c h c o n t r i b u t e s t o t h e i n c r e a s i n g g r o w t h r a t e s . A t e c h n i q u e f o r i n c r e a s i n g d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y i n t h e M C P R m a y b e t o m a k e t h e d i s t r i b u t i o n o f h y d r o g e n fl u x t o t h e s u r f a c e m o r e u n i f o r m b y l o w e r i n g t h e g a s p r e s s u r e . G r o w t h r a t e s w o u l d d e c r e a s e t h o u g h a s l o w e r o v e r a l l a t o m i c h y d r o g e n c o n c e n t r a t i o n s w o u l d y i e l d l o w e r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s . T w o t h e r m a l l y a d j u s t a b l e M C P R c o n fi g u r a t i o n s w e r e i n c l u d e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n t o s t u d y t h e e f f e c t s o f s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d c h e m i c a l s p e c i e s fl u x o n t h e u n i f o r m i t y a n d d e p o s i t i o n r a t e o f d i a m o n d . O n e c o n fi g u r a t i o n h a d a i n d e p e n d e n t l y h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y a n d t h e o t h e r h a d a n i n d e p e n d e n t l y c o o l e d o n e . T h e h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a l l o w e d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e t o b e i n c r e a s e d a t l o w p r e s s u r e s w h e r e s u b s t r a t e h e a t i n g d u e t o h y d r o g e n r e c o m b i n a t i o n i s r e d u c e d . T h i s p r o v i d e d a m e a n s b y w h i c h t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e c o u l d b e m a i n t a i n e d a t l e v e l s n e a r t h a t o f h i g h e r p r e s s u r e p l a s m a s . C o n v e r s e l y , t h e c o o l e d s u b s t r a t e r e c e p t o r r e d u c e d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e a t h i g h p r e s s u r e s . T h i s c r e a t e d a d e p o s i t i o n e n v i r o n m e n t w h e r e h i g h e r p r e s s u r e p l a s m a s c o u l d b e u s e d w i t h o u t i n c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e . S u c h a p r o c e s s w a s n e c e s s a r y f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s . W h i l e i t w a s p r e f e r r e d t h a t d e p o s i t i o n p r o c e s s e s b e d e v e l o p e d w i t h o u t t h e a d d e d c o m p l e x i t y o f e x t e r - n a l l y c o n n e c t e d c o m p o n e n t s s u c h a s e l e c t r i c h e a t e r s , i t w a s n e c e s s a r y t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f s u c h a n i t e m s . 4 . 7 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n 8 - - H e a t e d S u b s t r a t e O n e o f t h e c h i e f g o a l s o f t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s t o d e v e l o p a l o w - t e m p e r a t u r e d i a - m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s w i t h t h e b e s t p o s s i b l e d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . I n p u r s u i t o f t h a t 1 5 7 g o a l a n i n v e s t i g a t i o n o f d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y w a s c o n d u c t e d w i t h a n e l e c t r i c a l l y h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r . T h e c o n j e c t u r e w a s t h a t t h e fl u x d i s t r i b u t i o n o f c h e m i c a l s p e c i e s i n c l u d i n g a t o m i c h y d r o g e n h a s a b e t t e r u n i f o r m i t y a t l o w e r p r e s s u r e s . T h i s i m p r o v e m e n t w o u l d c r e a t e a m o r e u n i f o r m t e m p e r a t u r e p r o fi l e a c r o s s t h e s u b s t r a t e a n d i m p r o v e d e p o s i - t i o n u n i f o r m i t y . A h e a t e r i s n e c e s s a r y , b e c a u s e a t l o w e r p r e s s u r e s h e a t i n g o f t h e s u b s t r a t e b y t h e p l a s m a i n t h e M C P R i s r e d u c e d a s a r e s u l t o f a r e d u c t i o n i n c h e m i c a l s p e c i e s fl u x t o t h e s u b s t r a t e . T h i s i n t u r n c a u s e s g r o w t h r a t e s t o d e c r e a s e . T h e h e a t e r i n M C P R c o n fi g u r a - t i o n 8 i s u s e d t o i n d e p e n d e n t l y h e a t t h e s u b s t r a t e . T h e d e s i r e d r e s u l t i s t h a t w i t h t h i s c o n - fi g u r a t i o n a h e a t e r i n c o n j u n c t i o n w i t h l o w e r g a s p r e s s u r e s p r o v i d e b e t t e r u n i f o r m i t y a t e q u i v a l e n t g r o w t h r a t e s t o o t h e r h i g h e r p r e s s u r e c o n fi g u r a t i o n s . T h e r e a r e t w o i s s u e s t h a t a r i s e w h e n a n e l e c t r i c h e a t e r i s i n s e r t e d i n t o t h e M P C R . F i r s t , t h e h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y m u s t b e m a n u f a c t u r e d w i t h m e t a l l i c p a r t s s u c h t h a t m i c r o w a v e e n e r g y i s n o t t r a n s p o r t e d o u t o f t h e M C P R b y t h e h e a t e r w i r e s . T h i s m e t a l l i c a s s e m b l y w i l l u n d o u b t e d l y i n c r e a s e t h e fl o w o f h e a t f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e w a t e r c o o l e d b r a s s - c a v i t y b a s e p l a t e . T h e s e c o n d i s s u e i s t h a t t h e h e a t e r m u s t s u p p l y e n o u g h p o w e r t o o f f s e t t h e i n c r e a s e d h e a t l o s s e s t o t h e s u b s t r a t e b y t h e l o w e r p l a s m a p r e s - s u r e a n d h i g h e r t h e r m a l c o n d u c t i o n t h r o u g h t h e m e t a l l i c c o m p o n e n t s o f t h e s u b s t r a t e a s s e m b l y . A c r o s s s e c t i o n o f M C P R c a v i t y c o n fi g u r a t i o n 8 i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 1 4 . T h e s u b - s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y i s c o n s t r u c t e d e n t i r e l y f r o m s t a i n l e s s s t e e l - - n o q u a r t z t u b e s a r e u s e d . T h e c o m p o n e n t s o f t h e a s s e m b l y a r e ( l ) a h o l l o w s t a i n l e s s s t e e l t u b e , ( 2 ) a s t a i n l e s s s t e e l d i s k , ( 3 ) a s t a i n l e s s s t e e l b a s e p l a t e , a n d ( 4 ) a b o r o n - n i t r i d e h e a t e r . T h e s t a i n l e s s s t e e l d i s k s u p p o r t s b o t h t h e h e a t e r a n d t h e s u b s t r a t e . A s m a l l c i r c u l a r r e c e s s e d a r e a w i t h a d i a m - 1 5 8 S l i d i n g S h o r t T u n i n g S l i d i n g S h o r t B r a s s C a v i t y Q u a r t z B e l l J a r R e c e s s e d A r e a . f o r S u b s t r a t e , C o o l i n g W a t e r ( 1 ) 5 1 0 0 " T e r m i n a l s ( H e a t e r ) B N H e a t e r ( 4 ) F i g u r e 4 . 1 4 C r o s s - s e c t i o n o f M C P R - C 8 . B a s e - P l a t e 1 5 9 e t e r o f 3 i n c h e s w a s m a c h i n e d i n t h e t o p o f t h i s p a r t t o l o c a t e t h e s u b s t r a t e . A p a i r o f s m a l l t a b s w e r e a d d e d t o t h e b o t t o m t h e p a r t t o h o l d t h e B N h e a t e r fi r m l y i n p l a c e . A c i r c u l a r p a t t e r n o f 1 / 1 6 i n c h h o l e s w a s m a c h i n e d a r o u n d t h e o u t e r e d g e o f t h e s t e e l d i s k . T h e s e h o l e s a l l o w t h e p r o c e s s g a s e s t o e x i t t h e d i s c h a r g e c h a m b e r f r o m a n a r e a s u r r o u n d i n g t h e s u b s t r a t e . U n l i k e p r e v i o u s c o n fi g u r a t i o n s , t h e 1 i n c h d i a m e t e r q u a r t z t u b e t h a t s u p p o r t s t h e a s s e m b l y w a s r e p l a c e d b y t h e l a r g e r d i a m e t e r s t a i n l e s s s t e e l o n e . T h i s w a s a d d e d s o t h a t m i c r o w a v e e n e r g y w o u l d n o t c o u p l e o u t o f t h e r e a c t o r v i a t h e t w o w i r e s t h a t c o n n e c t t o t h e h e a t e r . T h i s h a d b e e n s o m e w h a t o f a n i s s u e w i t h t h e b i a s c o n fi g u r a t i o n s a n d i t w a s a n t i c i - p a t e d t h a t i t w o u l d b e e v e n m o r e p r o b l e m a t i c w i t h t h e h e a t e r c o n fi g u r a t i o n . T o g e t h e r t h e s t e e l t u b e , b a s e - p l a t e a n d d i s k f o r m a n e l e c t r i c s h o r t c i r c u i t i n t h e b o t t o m o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r a n d p r e c l u d e m i c r o w a v e l e a k s . T h e j o i n t b e t w e e n t h e t u b e a n d t h e b a s e p l a t e w a s e l e c t r i c a l l y s e a l e d b y c o p p e r fi n g e r s t o c k . T h e fi n g e r s t o c k w a s c o n n e c t e d t o t h e b a s e p l a t e a n d p r e s s e s fi r m l y a g a i n s t t h e i n s i d e o f t h e s t e e l t u b e . T h e j o i n t b e t w e e n t h e d i s k a n d t h e t u b e w a s e l e c t r i c a l l y s e a l e d b y a p r e s s fi t t h a t w a s c r e a t e d b y t h e r m a l e x p a n s i o n o f t h e t w o p a r t s . 4 . 7 . 1 . 1 C a l c u l a t i o n s o f H e a t F l o w T h r o u g h t h e S u b s t r a t e R e c e p t o r I n M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 7 t h e s u b s t r a t e i s p o s i t i o n e d i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r o n t o p o f a q u a r t z t u b e . H e a t i s t r a n s p o r t e d a w a y f r o m t h e s u b s t r a t e b y f o u r m e a n s , ( 1 ) c o n d u c t i o n a n d ( 2 ) c o n v e c t i o n b y t h e n e u t r a l g a s , ( 3 ) r a d i a t i o n l o s s e s a n d ( 4 ) c o n d u c t i o n t h r o u g h t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y . T h e fi r s t t h r e e a r e n e g l i g i b l y a f f e c t e d b y t h e a d d i t i o n o f h e a t e d s u b s t r a t e a s s e m b l y . T h e r m a l c o n d u c t i o n t h r o u g h t h e m e t a l l i c 1 6 0 c o m p o n e n t s d o e s r e q u i r e c o n s i d e r a t i o n h o w e v e r . T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k o f q u a r t z i s ~ 1 W / m - C , w h i c h i s q u i t e l o w c o m p a r e d t o s t a i n l e s s s t e e l ( k 3 0 4 > 2 1 W / m - C a t 4 0 0 C ) . T h e l o w t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f t h e q u a r t z t u b e c r e a t e s a h i g h t h e r m a l r e s i s t a n c e a n d s e r v e s t o r e d u c e t h e a m o u n t o f h e a t t h a t i s c o n - d u c t e d f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e w a t e r c o o l e d b a s e - p l a t e o f t h e M C P R b r a s s - c a v i t y . E s s e n - t i a l l y , t h e s u b s t r a t e i s t h e r m a l l y i s o l a t e d f r o m t h e c o o l e r c o m p o n e n t s o f t h e M P C R . I n t h e s t e a d y s t a t e h e a t c o n d u c t e d t o t h e s u b s t r a t e b y t h e p l a s m a i s e q u a l t o t h a t l o s t b y t h e s u b - s t r a t e t h r o u g h r a d i a t i o n a n d n e u t r a l g a s c o o l i n g . I f t h e q u a r t z t u b e i s r e p l a c e d b y a m a t e r i a l w i t h a h i g h e r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e w i l l d e c r e a s e b e c a u s e o f t h e a d d i t i o n a l h e a t t r a n s f e r t h r o u g h t h a t m a t e r i a l . T h e e q u a t i o n f o r h e a t d i f f u s i o n i n a n i n c o m p r e s s i b l e m e d i u m i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 4 . 1 ] [ 7 4 ] . T h i s r e l a t i o n a s s u m e s t h a t c o n v e c t i o n i s n o t p r e s e n t i n t h e m e d i u m . T h e t e r m T i s t h e t e m p e r a t u r e , a n d q ’ i s t h e v o l u m e t r i c h e a t r e l e a s e W / m 3 . T h e c o n s t a n t s p a n d c a r e t h e d e n s i t y a n d s p e c i fi c h e a t o f t h e m a t e r i a l . V O k V T + q ' = p e g — I T e q ( 4 . 1 ) I f v a r i a t i o n s o f k a n d T a r e s m a l l w i t h r e s p e c t t o s p a c e a n d t i m e , e q u a t i o n [ 4 . 1 ] c a n b e s i m - p l i fi e d t o a n o r d i n a r y — d i f f e r e n t i a l - e q u a t i o n , t h e r e s u l t i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 4 . 2 ] . . . D V 2 1 “ : e q ( 4 . 2 ) W I — — T = 0 e q ( 4 . 5 ) 1 6 1 T h e t e r m V Z T i n e q u a t i o n [ 4 . 2 ] i s a “ L a p a c i a n ” , w h i c h i n C y l i n d r i c a l c o o r d i n a t e s c a n b e e x p r e s s e d a s i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 4 . 3 ] . V Z T = l — ( r - — T ) + — — T + — T e q ( 4 . 3 ) W h e n e q u a t i o n [ 4 . 2 ] i s u s e d i n c o n j u n c t i o n w i t h F o u r i e r ’ s l a w , w h i c h i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 4 . 4 ] f o r h e a t q i n W / m 2 i n t h e z - d i r e c t i o n , t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a n d h e a t fl u x i n o b j e c t s c a n b e d e t e r m i n e d . q = k — T e q ( 4 . 4 ) U s i n g e q u a t i o n [ 4 . 2 ] a n d e q u a t i o n [ 4 . 4 ] o n e c a n a p p r o x i m a t e t h e t e m p e r a t u r e g r a - d i e n t a n d t h e h e a t fl o w f o r t h e q u a r t z t u b e i n M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 7 a s f o l l o w s . F i r s t s i n c e t h e r e i s n o v o l u m e t r i c h e a t r e l e a s e i n s i d e t h e q u a r t z t u b e t h e t e r m q ’ i n e q u a t i o n [ 4 . 2 ] i s z e r o . S e c o n d , a s s u m e t h a t t h e l e n g t h o f a t y p i c a l q u a r t z t u b e i s 4 0 - m m , i t s d i a m e t e r i s 2 5 - m m , a n d i t s w a l l t h i c k n e s s i s 2 - m m . S i n c e t h e w a l l t h i c k n e s s s m a l l a s c o m p a r e d t o t h e l e n g t h , a n d t h e q u a r t z i s h o m o g e n e o u s t h r o u g h o u t , o n e c a n a s s u m e t h a t T d o e s n o t h a v e a g r a d i e n t i n t h e d i r e c t i o n s o f r a n d 6 ) . H e n c e e q u a t i o n [ 4 . 2 ] c a n b e s i m p l i fi e d t o t h e f o r m s h o w n i n . T = C l z + C 2 e q ( 4 . 6 ) 1 6 2 T h e g e n e r a l s o l u t i o n o f e q u a t i o n [ 4 . 5 ] i s s h o w n i n I n t h e s t e a d y s t a t e , t h e t e m p e r a t u r e a t t h e e n d s o f t h e q u a r t z t u b e a r e T ] a n d T 2 . A p p l y i n g t h e s e b o u n d a r y c o n d i t i o n s t o e q u a t i o n [ 4 . 6 ] t h e r e s u l t i n g e x p r e s s i o n f o r t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n , T , f r o m o n e e n d o f t h e t u b e t o t h e o t h e r i s s i m p l y ' I ‘ 2 + ' l ‘ 1 T = T 1 + L z e q ( 4 . 7 ) w h e r e L i s t h e l e n g t h o f t h e t u b e . T o d e t e r m i n e t h e fl u x o f h e a t , q i n W / m z , t h r o u g h t h e t u b e f o r a p a r t i c u l a r t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , T 1 a n d T 2 , e q u a t i o n [ 4 . 4 ] i s s o l v e d f o r q u s i n g t h e e x p r e s s i o n f o r T f r o m e q u a t i o n [ 4 . 7 ] . k d r T 2 + T ‘ 4 8 q - ( — ) 3 2 ( , + L 2 ) a n . ) T h e r e s u l t i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 4 . 9 ] a n d e q u a t i o n [ 4 . 1 0 ] . T - — T q = k ( 2 L 1 ) e q ( 4 9 ) q = k — e q ( 4 . 1 0 ) 1 6 3 I f t h e t o p o f t h e t u b e i s a t T 2 = 5 0 0 C a n d t h e b o t t o m o f t h e t u b e i s a t T 1 = 1 0 0 C , t h e h e a t fl u x t h r o u g h t h e t u b e w o u l d b e q = 1 0 , 0 0 0 W / m z . T h e c i r c u l a r , c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e t u b e i s 1 4 5 . 0 x 1 0 ' 6 a n 2 ( i d . o f 2 1 - m m a n d e d o f 2 5 - m m ) . H e n c e , t h e t o t a l h e a t fl o w , Q , t h r o u g h t h e 4 0 - m m l o n g t u b e w i t h a t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , A T , o f 4 0 0 C i s 1 . 4 5 W a t t s . T h i s i s f a r l e s s t h a n t h e 7 0 0 W o f m i c r o w a v e p o w e r t h a t i s t y p i c a l l y a b s o r b e d b y t h e p l a s m a . I n c o m p a r i s o n t o t h e s m a l l q u a r t z t u b e s o f p r e v i o u s c o n fi g u r a t i o n s , t h e h e a t c o n - d u c t i o n t h r o u g h t h e n e w l a r g e r c r o s s - s e c t i o n s t e e l t u b e i s c o n s i d e r a b l y l a r g e r . I t h a s a d i a m e t e r o f 1 0 - c m , a l e n g t h o f 3 . 8 - c m a n d a w a l l t h i c k n e s s o f 4 - m m . A l l o f t h e s t a i n l e s s s t e e l c o m p o n e n t s u s e d f o r t h i s t h e s i s w e r e m a d e f r o m t y p e 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l . T h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k o f t y p e 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l a t 4 0 0 C i s ~ 2 1 W / m - 0 K . T h i s a l o n g w i t h t h e i n c r e a s e d c r o s s - s e c t i o n o f t h e p a r t r e d u c e s t h e t h e r m a l r e s i s t a n c e b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e w a t e r c o o l e d M P C R b a s e - p l a t e b y a s m u c h a s 2 o r d e r s o f m a g n i t u d e o v e r t h a t o f t h e s m a l l q u a r t z t u b e s . U s i n g e q u a t i o n [ 4 . 1 0 ] , i f t h e t h e r m a l g r a d i e n t , A T , a c r o s s t h e l e n g t h o f t h e s t e e l t u b e i s 4 0 0 C , t h a n t h e h e a t fl u x t h r o u g h i t w o u l d b e a p p r o x i m a t e l y 2 2 1 , 0 5 3 W / m z . T h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e t u b e i s 1 , 2 0 6 x 1 0 ’ 6 m 2 . H e n c e , t h e t o t a l h e a t fl o w , Q , t h r o u g h t h e 3 8 - m m l o n g s t e e l t u b e w i t h a t e m p e r a t u r e g r a d i e n t , A T , o f 4 0 0 C i s 2 6 7 W a t t s , w h i c h i s n e a r l y 2 0 0 t i m e s t h a t t h r o u g h t h e 4 0 - m m q u a r t z t u b e . T o p r o d u c e a t h e r - m a l g r a d i e n t o f 4 0 0 C a c r o s s t h e s t e e l t u b e i n d e p e n d e n t o f p l a s m a h e a t i n g , t h e B N h e a t e r m u s t g e n e r a t e m o r e t h a n 2 0 0 W o f h e a t . 1 6 4 4 . 7 . 1 . 2 T h e H e a t e r C i r c u i t T h e B N h e a t e r ( 4 ) w a s p o w e r e d b y a 6 0 H z a c e l e c t r i c p o w e r s u p p l y t h a t u s e s a v a r i a b l e t r a n s f o r m e r t o a t t e n u a t e 1 2 0 v o l t s r m s f r o m t h e l i n e t o b e t w e e n 0 a n d 1 2 0 V m s . T h e h e a t e r w a s c o n n e c t e d t o t h e a c p o w e r s u p p l y b y a c i r c u i t i d e n t i c a l t o t h a t s h o w n i n fi g - u r e 4 . 1 1 f o r t h e b i a s c i r c u i t . T h e i n p u t v o l t a g e a n d c u r r e n t t o t h e h e a t e r w a s m e a s u r e d b y a F l u k e M o d e l 8 8 m u l t i — m e t e r a s i s s h o w n i n t h e fi g u r e . T h e o n l y d i f f e r e n c e w a s t h a t t h e d c 1 r p o w e r s u p p l y o f t h e b i a s c i r c u i t w a s r e p l a c e d b y t h e a c p o w e r s u p p l y . T a b l e 4 . 1 s h o w s t h e m e a s u r e d p o w e r d e l i v e r e d t o t h e h e a t e r b y t h e a c p o w e r s u p p l y f o r a v o l t a g e r a n g e o f 4 0 t o 7 0 v o l t s . T h e s e a r e r e p r e s e n t a t i v e v a l u e s t h a t w e r e d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e v o l t a g e a n d c u r r e n t t o t h e h e a t e r w i t h a p l a s m a i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . U n d e r s o m e c o n d i t i o n s , t h e c u r r e n t c a n v a r y b y a s m u c h a s 1 0 t o 1 5 p e r c e n t d e p e n d i n g o n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e h e a t e r . F o r e x a m p l e , i f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r i s a t v a c u u m t h e m e a s u r e d c u r r e n t a t 6 0 V a c i s 2 . 6 A . W i t h h y d r o g e n fl o w i n g a t 2 0 0 s c c m a n d n o i n p u t m i c r o w a v e e n e r g y , t h e h e a t e r s t o p s g l o w i n g - - a n i n d i c a t i o n i t i s c o o l e r . A t t h i s p o i n t t h e c u r r e n t d r o p s t o b e l o w 2 . 2 A . W i t h a p l a s m a p r e s e n t a t p r e s s u r e s b e t w e e n 5 a n d 9 t o r r h o w e v e r , t h e v a l u e s i n t h e t a b l e a r e a c l o s e a p p r o x i m a t i o n . 4 . 7 . 1 . 3 O p e r a t i o n a n d T u n i n g I g n i t i n g a p l a s m a i n M P C R c o n fi g u r a t i o n 8 i s s o m e w h a t d i f fi c u l t . A t p r e s s u r e s b e l o w 1 5 t o r r m i c r o w a v e l e a k s f r o m t h e d i s c h a r g e c h a m b e r t o t h e v a c u u m c h a m b e r i n a n y M C P R c o n fi g u r a t i o n c a n o f t e n p r e v e n t p l a s m a f o r m a t i o n . T h i s c o n fi g u r a t i o n i s n o e x c e p - t i o n . W h e n t h e c o m p o n e n t s o f t h e h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y a r e a t r o o m t e m p e r - a t u r e , t h e j o i n t b e t w e e n t h e t u b e ( 1 ) a n d t h e d i s k ( 2 ) i n n o t e l e c t r i c a l l y s e a l e d . T h u s , a t 1 6 5 V o l t a g e C u r r e n t P o w e r ( V a c ) ( A m p s ) ( W a t t s ) 7 0 3 . 0 2 1 0 6 0 2 . 5 1 5 0 5 0 2 . 0 1 0 0 4 0 1 . 5 6 0 T a b l e 4 . 1 : M e a s u r e d v a l u e s o f v o l t a g e , c u r r e n t a n d p o w e r . 1 6 6 r o o m t e m p e r a t u r e m i c r o w a v e l e a k s w e r e d e t e c t e d a n d t h e p l a s m a d i d n o t i g n i t e . T h e s o l u - t i o n t o t h i s i s s u e w a s t h a t t h e B N h e a t e r ( 4 ) w a s u s e d t o h e a t t h e a s s e m b l y a n d s e a l i t f o r m i c r o w a v e l e a k s . P r i o r t o e a c h d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t , t h e B N h e a t e r w a s t u r n e d o n f o r 3 0 t o 4 0 m i n u t e s t o a l l o w t h e a s s e m b l y t o w a r m u p . O n c e t h e a s s e m b l y i s h e a t e d , i g n i t i o n o f t h e p l a s m a i s r o u t i n e . T y p i c a l t u n i n g p o i n t s f o r t h e M C P R a t p r e s s u r e s b e t w e e n 4 a n d 9 t o r r a r e 1 4 . 5 c m f o r t h e s l i d i n g s h o r t l e n g t h h a n d 3 . 3 c m f o r t h e i n s e r t i o n p r o b e l e n g t h l . T h e a m o u n t o f m i c r o w a v e e n e r g y t h a t i s r e fl e c t e d i s h i g h e r i n t h i s c o n fi g u r a t i o n t h a n i n t h e fi r s t s e v e n . I t t y p i c a l l y v a r i e s b e t w e e n 4 0 a n d 5 0 p e r c e n t . C o n s i d e r i n g t h e l i m i t s o f t h e c o a x i a l w a v e g u i d e a n d t h e m a t c h e d l o a d s , t h i s h i g h r e fl e c t i o n p e r c e n t a g e l i m i t s t h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r t o a m a x i m u m o f a b o u t 8 5 0 W a t t s . D u r i n g i n i t i a l o p e r a t i o n a l e x p e r i m e n t s w i t h t h i s a s s e m b l y i t w a s n o t e d t h a t a d e n s e t o r o i d a l p l a s m a w i t h a c r o s s - s e c t i o n o f a f e w m i l l i - m e t e r s a p p e a r e d a r o u n d t h e e d g e o f t h e d i s k ( 2 ) . I t f o r m e d i n a a r e a n e a r t h e e d g e o f t h e p a r t w h e r e t h e t o p o u t e r c o r n e r w a s m a c h i n e d a t a 9 0 d e g r e e a n g l e . T h i s i s s u e w a s r e s o l v e d b y m a c h i n i n g a 2 m m r a d i u s a l l t h e w a y a r o u n d t h e p a r t . L i k e a l l M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h e l o c a t i o n o f t h e s u b s t r a t e w a s a c r i t i c a l v a r i a b l e t h a t c o u l d g r e a t l y i n fl u e n c e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e s a n d u n i f o r m i t y . W i t h t h i s c o n fi g u r a - t i o n t h e m a x i m u m l e n g t h o f t h e s t e e l t u b e ( 1 ) w h e r e a p l a s m a c o u l d s t i l l b e i g n i t e d t h a t h a d a u n i f o r m d i s t r i b u t i o n a b o v e t h e s u b s t r a t e w a s 3 . 4 c m . A b o v e t h i s h e i g h t , t h e p l a s m a u s u a l l y f o r m e d i n t h e b o t t o m o f t h e d i s c h a r g e c h a m b e r b e t w e e n t h e q u a r t z b e l l - j a r a n d t h e s t e e l t u b e ( 2 ) . W i t h a s t e e l t u b e l e n g t h o f 3 . 8 - c m , t h e u n d e r s i d e o f t h e s u b s t r a t e w a s a p p r o x i m a t e l y 1 . 6 - c m b e l o w t h e fl o o r t h e b r a s s - c a v i t y . 1 6 7 4 . 7 . 1 . 4 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s S i n c e t h e s u b s t r a t e i n t h i s c o n fi g u r a t i o n w a s a p p r o x i m a t e l y 2 . 0 - c m b e l o w t h e fl o o r f o r t h e b r a s s - c a v i t y , i t w a s o f t e n n o t p o s s i b l e t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e b y o p t i c a l m e a n s a s w a s o u t l i n e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 2 ] . F u r t h e r m o r e , t h e l o c a t i o n o f t h e 3 i n c h d i a m e t e r B N h e a t e r b e n e a t h t h e s u b s t r a t e p r e c l u d e d m e a s u r e m e n t o f t h e s u b s t r a t e t e m p e r - a t u r e f r o m t h e b a c k - s i d e . T h e o n l y m e a n s a v a i l a b l e f o r t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s w a s t o r e c o r d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e o u t e r e d g e o f t h e d i s k ( 2 ) w i t h a t h e r m o c o u p l e . T o d o t h i s a K - t y p e t h e r m o c o u p l e w a s i n s e r t e d i n t o o n e o f t h e 1 / 1 6 i n c h g a s fl o w h o l e s n e a r t h e e d g e o f t h e d i s k . F i g u r e 4 . 1 5 s h o w s t h e p l a c e m e n t o f a t h e r m o c o u p l e i n t h e d i s k a n d i t s c o n n e c t i o n t o a t e m p e r a t u r e m e t e r o u t s i d e t h e v a c u u m c h a m b e r t h r o u g h a t h e r m o c o u p l e v a c u u m f e e d - t h r o u g h . T h e a c t u a l s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e c o u l d n o t b e d e t e r m i n e d f r o m t h e s e m e a s u r e m e n t s ; h o w e v e r , t h i s d a t a p r o v i d e d i n s i g h t r e g a r d i n g t h e i n fl u e n c e o f t h e p l a s m a a n d t h e B N h e a t e r o n t h e t e m p e r a t u r e o f t h e d i s k . A s c o n d i t i o n s c a u s e d c h a n g e s i n t h e s e m e a s u r e m e n t s , i t w a s a s s u m e d t h a t t h e s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e f o l l o w e d p r o - p o r t i o n a l l y . A c o l l e c t i o n o f t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s w a s a c q u i r e d f o r a r a n g e o f h e a t e r v o l t - a g e s a n d g a s p r e s s u r e s f o r a t y p i c a l h e a t e r c o n fi g u r a t i o n . T h e r e s u l t i n g d a t a i s s h o w n i n g r a p h i c a l f o r m i n fi g u r e 4 . 1 6 . T h e s e d a t a p o i n t s w e r e c o l l e c t e d i n r a n d o m o r d e r f o r p r e s - s u r e s r a n g i n g f r o m 0 t o 9 t o r r , a n d h e a t e r v o l t a g e s r a n g i n g f r o m 0 t o 6 0 v o l t s a c . T h e c h e m i s t r y f o r a l l t h e m e a s u r e m e n t s w a s a m i x t u r e o f h y d r o g e n , c a r b o n d i o x i d e , a n d m e t h - a n e w i t h fl o w r a t e s o f 2 0 0 - 8 - 3 s c c m r e s p e c t i v e l y . A 1 . 1 m m t h i c k g l a s s s u b s t r a t e w i t h a d i a m e t e r o f 1 . 5 i n c h e s w a s i n s e r t e d i n t o t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r . 1 6 8 T h e r m o c o u p l e J o i n t I n s e r t e d i n G a s F l o w H o l e ( t e m p e r a t u r e m e a s u r e d h e r e ) T h e r m o c o u p l e W i r e B o t t o m o f \ \ V a c u u m C h a m b e r \ \ \ \ \ \ \ 1 1 I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 | . - - - - - . - . - - 0 0 9 9 9 0 0 0 0 0 9 0 0 0 9 9 9 9 0 0 9 9 0 ! 9 9 0 0 0 3 1 2 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 : . 3 2 2 2 1 2 3 2 2 3 2 : 2 3 2 3 2 3 2 2 2 2 1 l l r . . . t . t . t . t . t t t t t i t t t t f 9 ‘ 4 ' 0 , y p ; O 4 O O I . ' ’ 4 0 ' ' 9 ‘ ' 9 ’ - . ; . ; ; . a : o o p - 9 1 0 : . 3 2 9 2 4 2 - W i r e C e r a m i c \ V a c u u m T i g h t 1 \ F e e d - T h r o u g h \ \ K I ” e V \ T h e r m o c o u p l e ' d c + + o I I V a c u u m T i g h t / d c b i a s 1 1 F e e d - T h r o u g h V o l t m e t e r ‘ \ A m m e t e r 1 \ \ \ \ \ t i e ‘ ‘ _ + I 4 5 0 . 0 ” F I C ? 9 a c P o w e r S u p p l y T h e r m o c o u p l e D i s p l a y F i g u r e 4 . 1 5 T h e B N - h e a t e r c i r c u i t . r u t a r e p m e T M8 e t a r t s b u S I 6 9 8 0 0 . . . . . . 7 5 0 . 9 t o r r ) o x I » ) ! o e ( O \ 8 ‘ / M M O 4 5 0 . ’ 0 t o r r . 4 0 0 . \ t 3 5 0 . 3 0 0 0 1 b 2 b 3 ? ) 4 ' 0 5 ‘ 0 6 . 0 7 0 H e a t e r V o l t a g e ( V a c ) F i g u r e 4 . 1 6 T e m p e r a t u r e v s . p r e s s u r e a n d h e a t e r v o l t a g e f o r M C P R - C 7 . 1 7 0 M e a s u r e m e n t s l a b e l e d “ 0 t o r r ” w e r e a c q u i r e d w i t h t h e s y s t e m u n d e r v a c u u m . N o g a s s e s w e r e fl o w i n g a n d t h e r e w a s n o p l a s m a p r e s e n t . T h e “ 0 t o r r ” m e a s u r e m e n t s s h o w h e a t i n g o f t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r b y t h e h e a t e r a l o n e . T h e t e m p e r a t u r e d a t a l i n e s w i t h t h e p r e s s u r e g r e a t e r t h a n z e r o w e r e a c q u i r e d w i t h a p l a s m a p r e s e n t i n t h e s y s t e m . T h e r e i s a s i n g l e d a t a p o i n t a t 9 t o r r w h e r e t h e h e a t e r i s t u r n e d o f f ( 0 V a c ) . T h e t e m - p e r a t u r e a t t h i s p o i n t i s 4 5 1 0 F o r 2 3 3 0 C , w h i c h i s s e v e r a l h u n d r e d d e g r e e s b e l o w t h a t o f t h e s u b s t r a t e s i n M C P R c o n fi g u r a t i o n 5 . T h i s i s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e h i g h t h e r m a l c o n - d u c t i v i t y o f t h e s t a i n l e s s s t e e l c o m p o n e n t s r e d u c e s t h e s t e a d y s t a t e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b - s t r a t e . I t s h o u l d a l s o b e n o t e d t h a t n o d i a m o n d i s d e p o s i t e d a t 9 t o r r w i t h t h e h e a t e r t u r n e d o f f . I n c o n t r a s t , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e d i s k a t 9 t o r r r i s e s t o 7 2 7 ° F ( 3 8 6 ° C ) w h e n 6 0 V a c i s a p p l i e d t o t h e h e a t e r . A t t h i s p o i n t d i a m o n d d o e s g r o w h o w e v e r . A c o m p l e t e d i s c u s s i o n o f d i a m o n d d e p o s i t i o n w i t h t h i s M C P R c o n fi g u r a t i o n a t l o w t e m p e r a t u r e s i s p r o v i d e d i n s e c - t i o n [ 6 . 3 . 2 ] o f c h a p t e r 6 . O p e r a t i o n a t v o l t a g e s o f 7 0 V a c a n d h i g h e r a r e n o t r e p o r t e d h e r e b e c a u s e a t t h e s e v a l u e s d i a m o n d fi l m s d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s p e e l , a n i n d i c a t i o n t h e s u b s t r a t e w a s t o o h o t . 4 . 7 . 1 . 5 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s A d r a w b a c k o f t h i s c o n fi g u r a t i o n i s t h a t t h e s t r a n d e d c o p p e r w i r e i n t h e h e a t e r c i r - c u i t b e c o m e s b r i t t l e f r o m e x c e s s i v e h e a t i n g a n d c o o l i n g . M e a s u r e m e n t s o f t h e c u r r e n t d u r - i n g d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t t h i s d o e s n o t r e d u c e t h e c u r r e n t fl o w o v e r t i m e . A f t e r m o s t e x p e r i m e n t s t h o u g h , t h e s e w i r e m u s t b e r e p l a c e d t o p r e v e n t b r e a k a g e . T o d o t h i s t h e h e a t e r m u s t b e r e m o v e d f r o m t h e a s s e m b l y . 1 7 1 4 . 7 . 2 M C P R C o n fi g u r a t i o n 9 - - C o o l e d S u b s t r a t e T h e s e c o n d t h e r m a l l y a d j u s t a b l e M C P R c o n fi g u r a t i o n t h a t w a s i n c l u d e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n w a s o n e w i t h a l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e r e c e p t o r . T h e c o n j e c t u r e f o r t h e c o o l e r w a s t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e c o u l d b e l o w e r e d b y a d j u s t i n g t h e c o n d u c t i v e h e a t l o s s e s f r o m t h e s u b s t r a t e w i t h a l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e r e c e p t o r . I f t h e c o n d u c t i v e fl o w o f h e a t f r o m t h e s u b s t r a t e c o u l d b e c o n t r o l l e d , t h e n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s c o u l d b e p r o c e s s e s i n h i g h e r p r e s s u r e p l a s m a s - - p o s s i b l y r e s u l t i n g i n h i g h e r g r o w t h r a t e s . A t h i g h e r p r e s s u r e s , w i t h t h e s u b s t r a t e h e l d a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e , h i g h e r g r o w t h r a t e s m i g h t b e a c h i e v e d i f t h e b o t t l e n e c k t o d i a m o n d g r o w t h a t l o w e r p r e s s u r e s i s t h e a v a i l a b i l - i t y o f a t o m i c h y d r o g e n a n d d i a m o n d p r e c u r s o r s a n d n o t t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . H e r e t o f o r e , t h e s u b s t r a t e i n M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 7 w a s c o o l e d b y c o n - d u c t i v e a n d c o n v e c t i v e l o s s e s t o t h e n e u t r a l g a s a n d r a d i a t i v e l o s s e s . I n t h o s e c o n fi g u r a - t i o n s t h e s u b s t r a t e w a s t h e r m a l l y i n s u l a t e d f r o m t h e w a t e r c o o l e d c o m p o n e n t s o f t h e M C P R b y t h e q u a r t z t u b e o n w h i c h i t s a t . U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s t h e s t e a d y s t a t e t e m p e r a - t u r e o f t h e s u b s t r a t e v a r i e d a c c o r d i n g l y w i t h t h e r e c o m b i n a t i o n r a t e o f a t o m i c h y d r o g e n o n t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e . I n t h e s e i n s t a n c e s t h e r e w a s n o m e a n s f o r v a r y i n g t h e h e a t l o s s f r o m t h e s u b s t r a t e . I f t h e p r e s s u r e o f p l a s m a w a s i n c r e a s e d s o d i d t h e p o w e r d e n s i t y , a n d t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . T h e l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e a s s e m b l y p r o v i d e s a s u b s t r a t e h e a t l o s s m e c h a n i s m i n a d d i t i o n t o t h a t o f t h e n e u t r a l g a s c o o l i n g a n d r a d i a t i v e l o s s e s . T h e c o o l e r u s e s a l a r g e c a p a c i t y f o r h e a t e x c h a n g e a n d t h e r m a l g a p s i n s p a c e r m a t e r i a l s t o c o n t r o l t h e a m o u n t o f c o n d u c t i v e h e a t fl o w f r o m t h e s u b s t r a t e . A l i q u i d c o o l a n t fl o w s t h r o u g h t h e c o o l e r h o u s i n g a t a c o n t r o l l e d r a t e a n d h a s a c o n t r o l l e d t e m p e r a t u r e . T h i s m a i n t a i n s t h e c o o l e r a t a c o n - 1 7 2 s t a n t a n d c o n t r o l l a b l e t e m p e r a t u r e r e g a r d l e s s o f t h e a m o u n t o f h e a t fl o w i n g f r o m t h e s u b - s t r a t e . F u r t h e r m o r e , l a y e r s o f s p a c e r m a t e r i a l w i t h a h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k a r e p l a c e d b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e c o o l e r . T h e h i g h k o f t h e s p a c e r m a t e r i a l a l l o w s e v e n l a t e r a l h e a t i n g o f e a c h l a y e r , w h i l e t h e s p a c e s b e t w e e n t h e l a y e r s p r o v i d e s t h e v e r t i c a l t h e r m a l r e s i s t a n c e n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e a m o u n t o f h e a t t h a t fl o w s f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e c o o l e r ( s e e fi g u r e 4 . 1 7 ) . T h e h e a t fl u x f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e c o o l a n t c a n b e v a r i e d b y i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f s p a c e r s , o r b y v a r y i n g t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c o o l a n t i n t h e c o o l e r a s s e m b l y . T h e c o o l e r a s s e m b l y u s e d f o r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s i n t h i s d i s s e r t a t i o n w a s m a n - u f a c t u r e d f r o m t y p e 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l , a n d w a s b a s e d o n t h e d e s i g n b y Z h a n g a n d s u g g e s - t i o n s f r o m B r i a n K l e i n a t N o r t o n C o r p o r a t i o n . F o u r n o t a b l e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h i s c o o l e r a n d t h e o n e u s e d b y Z h a n g a r e a c h a n g e i n t h e t h i c k n e s s o f t h e c o o l e r h o u s i n g , t h e w e l d l o c a t i o n s , t h e s i z e o f t h e c o o l a n t l i n e s , a n d t h e i n c l u s i o n o f t h e r m o c o u p l e p r o b e s . T h e fi r s t t w o m o d i fi c a t i o n s w e r e c h a n g e s t o t h e c o o l e r ’ s o u t e r s h e l l . T h e b a s i c o u t e r s h e l l o f t h e c o o l a n t r e s e r v o i r i n t h e c o o l e r a s s e m b l y f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w a s c o m p r i s e d o f t w o c o m p o n e n t s t h a t w e r e w e l d e d t o g e t h e r - - m a k i n g i t w a t e r a n d v a c u u m t i g h t . T h e c o m p o - n e n t s w e r e t h e h o u s i n g ( 1 ) , a n d t h e b a s e p l a t e ( 2 ) . T h e d i f f e r e n c e w a s t h a t Z h a n g ’ s h o u s - i n g w a s i t s e l f c o m p r i s e d o f t w o p a r t s t h a t w e r e w e l d e d t o g e t h e r . O n e f a i l u r e m o d e o f t h e Z h a n g d e s i g n w a s t h a t t h e w e l d b e t w e e n t h o s e t w o c o m p o n e n t s o f t h e c o o l e r h o u s i n g h a d t h e p o t e n t i a l f o r l e a k s a n d d i d c r e a t e c o n c e r n s . T h u s f o r t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e p a r t w a s m a c h i n e d a s a s i n g l e p i e c e i n t h e s h a p e o f a h o l l o w m e t a l t u b e w i t h a fl a t , c l o s e d e n d . A d d i t i o n a l l y , t h e fl a t e n d o f t h e Z h a n g c o o l e r h a d a v a r i a b l e t h i c k n e s s t o a l l o w g r e a t e r c o o l i n g i n t h e m i d d l e t h a n a t t h e e d g e s . S i n c e t h e c o n t r o l o f h e a t fl u x f r o m t h e s u b s t r a t e i s 1 7 3 S u b s t r a t e T h e r m a l S p a c e r s V a r i a b l e C o n d u c t i v e H e a t F l o w Q ( V C o o l a n t F l o w W F i g u r e 4 . 1 7 V a r i a b l e c o n d u c t i v e h e a t fl o w i n a s u b s t r a t e c o o l e r . 1 7 4 c o n t r o l l e d b y t h e g a p s i n t h e s p a c e r m a t e r i a l , t h e fl a t e n d o f t h e c o o l e r h o u s i n g w a s m a c h i n e d w i t h a c o n s t a n t t h i c k n e s s f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . A t h i r d m o d i fi c a t i o n o f t h e Z h a n g d e s i g n w a s t o i n c r e a s e t h e d i a m e t e r o f t h e c o o l a n t fl o w l i n e s f r o m 1 / 4 - i n c h t o 3 / 8 - i n c h d i a m e t e r . T h i s w a s d o n e t o p r e c l u d e o v e r - h e a t i n g o f t h e c o o l e r i t s e l f . F i n a l l y , f o u r t h e r m o - c o u p l e p o r t s ( 3 ) w e r e a d d e d t o t h e d e s i g n t o a l l o w p l a c e m e n t o f t h e r m o c o u p l e p r o b e s i n s i d e t h e c o o l e r . T h e y w e r e u s e d t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e o f t h e t o p s u r f a c e o f t h e c o o l e r . T h i s a l l o w e d t h e s y s t e m ’ s c o m p u t e r t o m o n i t o r t h e c o o l e r a s s e m b l y f o r t h e p o s s i - b i l i t y o f o v e r - h e a t i n g . A t y p i c a l c r o s s - s e c t i o n o f t h e s u b s t r a t e c o o l e r a s s e m b l y a s i t w a s c o n fi g u r e d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n i s s h o w n i n fi g u r e 4 . 1 8 . I n a d d i t i o n t o t h e c o o l e r i t s e l f , t h e r e i s a q u a r t z fl o w t u b e ( Q F T ) ( 4 ) , a m o l y b d e n u m g a s p l a t e ( 5 ) , m o l y b d e n u m s p a c e r s ( 6 ) , a n d B N s u b - s t r a t e r e c e p t o r s ( 7 ) . L i k e o t h e r M C P R c o n fi g u r a t i o n s , t h e Q F T w a s u s e d t o f o r c e t h e p r o - c e s s g a s e s t o fl o w u p t o t h e s u b s t r a t e b e f o r e b e i n g p u m p e d o u t t o t h e v a c u u m c h a m b e r . T h e m o l y b d e n u m g a s p l a t e l o c k s o n t o t h e Q F T w h i c h i s c e n t e r e d i n t h e c h a m b e r b y a g r o o v e i n t h e c o o l e r b a s e - p l a t e . T o a s s u r e t h a t t h e m o l y b d e n u m g a s p l a t e a n d t h e c o o l e r h o u s i n g w e r e i n c o n t a c t t h e h e i g h t o f t h e Q F T w a s l - m m b e l o w t h a t o f t h e c o o l e r ’ s h o u s - i n g . S i n c e t h e t o p o f t h e c o o l e r h a s n o g r o o v e s o r r e c e s s e d a r e a s , t h e g a s p l a t e i s u s e d t o l o c a t e t h e i n t e r l o c k i n g t h e r m a l s p a c e r s a n d s u b s t r a t e r e c e p t o r s . F i g u r e 4 . 1 9 s h o w s a c r o s s - s e c t i o n o f t h e M C P R w i t h t h e c o o l e r a s s e m b l y i n i t . 4 . 7 . 2 . 1 O p e r a t i o n a n d T i m i n g T h e M C P R c o o l e r c o n fi g u r a t i o n w a s o p e r a t e d a s a c l o s e d - l o o p c o o l i n g s y s t e m . I t w a s fi l l e d w i t h a m i x t u r e o f d e - i o n i z e d w a t e r a n d e t h y l e n e - g l y c o l . T h e t e m p e r a t u r e a n d B N S u b s t r a t e e c e p t o r s ( 7 ) M o M l o y l b y d b e d n e u n 1 1 1 D Q u a r t z F C o o o o l l e e r C l m u B l r S p a c e m o w H a o s G u e T a s u P s i b l r P s l ( 6 ) a t e ( 5 ) e a n g t ( e 4 ( ) 1 ( ) 2 ) R 1 / q I I I ] I I I a 7 / g / I 5 5 I j I l t 1 \ / 1 7 5 C o o l a n t I n \ \ T h e r m o c o u p l e P o r t ( 3 ) C o o l a n t R e t u r n F i g u r e 4 . 1 8 C r o s s - s e c t i o n o f t h e c o o l e r a s s e m b l y . 1 7 6 S l i d i n g S h o r t T u n i n g S l i d i n g S h o r t 7 ” I D B r a s s C a v i t y Q u a r t z B e l l J a r B N S p a c e r s C o o l i n g W a t e r M o l y b d e n u m S p a c e r s T h e r m o c o u p l e C o o l a n t I n P o r t F i g u r e 4 . 1 9 C r o s s — s e c t i o n o f M C P R - C 9 . 1 7 7 fl o w o f t h e c o o l a n t m i x t u r e w a s m a i n t a i n e d b y a N e s l a b M o d e l C P I - 7 5 l a b o r a t o r y c h i l l e r . T h i s u n i t h a s a n a d j u s t a b l e t e m p e r a t u r e r a n g e o f - 1 7 C t o 4 7 C a n d a m a x i m u m h e a t c a p a c - i t y o f 2 1 0 0 W a t t s . I t ’ s fl o w r a t e v a r i e s b e t w e e n 4 g p m a t 0 p s i a n d 3 g p m a t 6 0 p s i . T h e t e m p e r a t u r e o f t h e N e s l a b w a s s e t t o 4 5 C f o r a l l d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s r e p o r t e d i n t h i s t h e s i s . B e s i d e s t h e t e m p e r a t u r e a n d fl o w r a t e o f t h e c o o l a n t , t h e r e a r e t w o a d d i t i o n a l o p e r - a t i o n v a r i a b l e s f o r t h e c o o l e r a s s e m b l y - - t h e i n s e r t i o n d e p t h o f t h e c o o l e r i n t h e M C P R , a n d t h e t h i c k n e s s a n d a m o u n t o f m o l y b d e n u m s p a c e r s t h a t w e r e u s e d . T h e h e i g h t o f t h e t o p o f t h e c o o l e r ’ s h o u s i n g w a s a p p r o x i m a t e l y 2 - i n c h e s a b o v e i t s b a s e - p l a t e . S o t h e c o o l e r c o u l d b e i n s e r t e d u p t o 2 - i n c h e s i n t o t h e M C P R . T h e i n s e r t i o n l e n g t h c o u l d b e r e d u c e d b y p l a c i n g l a r g e r i n g w a s h e r s b e t w e e n t h e c o o l e r ’ s b a s e - p l a t e a n d t h a t o f t h e M C P R c a v i t y . T h a t w a s n o t d o n e f o r t h i s d i s s e r t a t i o n h o w e v e r . T h e c o o l e r w a s i n s e r t e d t h e f u l l 2 - i n c h e s s o t h a t t h e s u b s t r a t e c o u l d b e p o s i t i o n e d a s c l o s e t o t h e fl o o r o f t h e c a v i t y a s p o s s i b l e . T h e m o l y b d e n u m s p a c e r s w e r e a l l d i s k s h a p e d a n d h a d a n o u t e r d i a m e t e r o f 3 . 2 5 i n c h e s . T h e y h a d v a r y i n g t h i c k n e s s e s s o t h a t d i f f e r e n t c o n fi g u r a t i o n s c o u l d b e e x p e r i m e n t e d w i t h , a n d w e r e m a c h i n e d s u c h t h a t e a c h s p a c e r c o u l d l o c k i n t o t h e o n e a b o v e i t o r b e l o w i t ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 2 0 ) . T h e m o l y b d e n u m s p a c e r s u s e d f o r t h i s w o r k w e r e p r o v i d e d b y N o r t o n C o r p o r a - t i o n . A s e l e c t i o n o f f o u r p a r t s w e r e p r o v i d e d , w i t h t h i c k n e s s e s o f 6 0 m i l s , 6 0 m i l s , 1 2 0 m i l s , a n d 2 4 0 m i l s . A d d i t i o n a l l y , t w o B N s u b s t r a t e r e c e p t o r s w e r e d o n a t e d - - o n e f o r 3 - i n c h s u b s t r a t e s a n d t h e o t h e r f o r 2 - i n c h o n e s . T h e y w e r e d e s i g n e d s u c h t h a t t h e 3 ” E N r e c e p t o r s i t s fi r m l y i n a n y o f t h e m o l y b d e n u m s p a c e r s . T h e 2 - i n c h o n e t h o u g h w a s s m a l l e r a n d o n l y fi t i n t h e 3 - i n c h r e c e p t o r . S o t o p r o c e s s 2 - i n c h s u b s t r a t e s b o t h B N c o m p o n e n t s 1 7 8 k 3 . 2 5 i n c h d i a m e t e r I n t e r - l o c k i n g C r o s s - s e c t i o n a l S h a p e F i g u r e 4 . 2 0 C r o s s - s e c t i o n o f a m o l y b d e n u m s p a c e r . 1 7 9 w e r e u s e d . T h e i n i t i a l e x p e r i m e n t s w i t h t h e c o o l e r w e r e c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e h o w t h e i n c l u s i o n o f t h e s p a c e r s i n fl u e n c e s f o r m a t i o n o f t h e p l a s m a i n t h e M C P R . I f t h e c o o l e r a s s e m b l y i s i n s e r t e d i n t h e M C P R w i t h o u t t h e m , a p l a s m a c a n b e i n d u c e d w i t h o u t a n y d i f - fi c u l t y . V a r i o u s a r r a n g e m e n t s o f m o l y b d e n u m s p a c e r s w e r e t e s t e d w i t h v a r y i n g d e g r e e s o f s u c c e s s . T a b l e 4 . 2 l i s t s t h e r e s u l t s o f e i g h t d i f f e r e n t a r r a n g e m e n t s t h a t w e r e s e a t e d s e p a - r a t e l y o n t h e c o o l e r . S o m e o f t h e m i n c l u d e d t h e p r e v i o u s l y m e n t i o n e d l a r g e r i n g w a s h e r s t h a t l o w e r t h e c o o l e r a s s e m b l y i n t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r . A s u m m a r y o f t h e r e s u l t s i s a s f o l l o w s . W h e n t h e t o t a l t h i c k n e s s o f t h e s p a c e r s w a s e q u a l t o o r l e s s t h a n 2 4 0 m i l s a u n i f o r m h e m i s p h e r i c a l s h a p e d p l a s m a f o r m e d a b o v e t h e s u b s t r a t e r e t e n t i o n a r e a i n t h e B N r e c e p t o r . T h i s w a s t r u e f o r p l a s m a p r e s s u r e s a t o r b e l o w 3 0 t o r r . I f m o r e t h a n 2 4 0 m i l s o f m o l y b d e n u m w a s i n c l u d e d , t h e n t h e p l a s m a c o u l d n o t b e i n d u c e d a t a n y p r e s s u r e b e l o w 3 0 t o r r . T h i s w a s t r u e e v e n w h e n w a s h e r s w e r e u s e d t o l o w e r t h e l o c a t i o n o f t h e c o o l e r . T h e p r e s s u r e r a n g e f o r t h o s e e x p e r i m e n t s w a s k e p t b e l o w 3 0 t o r r b e c a u s e t h a t w a s t h e m a x i - m u m p r e s s u r e w h e r e t h e d i a m e t e r o f t h e p l a s m a a p p e a r e d t o b e a t l e a s t 2 - i n c h e s . T o a c h i e v e t h i s a t 3 0 t o r r , t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r w a s a p p r o x i m a t e l y 1 . 2 - K W . I n t h e p r e s - s u r e r a n g e o f 2 0 - t o r r t o 3 0 — t o r r t h e r e fl e c t e d p o w e r w a s b e l o w 1 0 p e r c e n t . 4 . 7 . 2 . 2 T e m p e r a t u r e M e a s u r e m e n t s F o r d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s u s i n g t h e c o o l e r a s s e m b l y , t e m p e r a t u r e s w e r e m e a s u r e d i n 5 l o c a t i o n s . F o u r m e a s u r e m e n t s w e r e t a k e n f r o m t h e t h e r m o c o u p l e s i n t h e c o o l e r a n d t h e fi f t h w a s a m e a s u r e m e n t o f t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e b y o p t i c a l m e a n s a s w a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 2 ] . T h e t h e r m o c o u p l e d a t a w a s r e c o r d e d e v e r y m i n u t e b y t h e r e b m u N n o i r r e e c c a a t p p a s s r r e e c c a a p p s s r l l u i i l l g m m i i m m 0 0 6 6 0 0 2 4 1 2 fi n o C r e c a p S . _ . . X X X N l / 3 2 - i n c h w a s h e r 1 / 3 2 - i n c h w a s h e r 1 / 1 6 - i n c h w a s h e r l / 8 - i n c h w a s h e r N o N o N o N o T a b l e 4 . 2 : M C P R c o o l e r a s s e m b l y s p a c e r c o n fi g u r a t i o n s Y e s P l a s m a @ 2 5 - t o r r Y e s Y e s N o N o N o Y e s Y e s Y e s Y e s N o Y e s P l a s m a @ 3 0 - t o r r 1 8 0 1 8 1 s y s t e m ’ s c o m p u t e r , t h e o p t i c a l m e a s u r e m e n t s w e r e r e c o r d e d m a n u a l l y 4 o r 5 t i m e s d u r i n g a t y p i c a l l S - h o u r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t . T h e t h e r m o c o u p l e p r o b e s w e r e l o c a t e d i n t h e c o o l e r s u c h t h a t t h e i r t i p s c o n t a c t e d t h e fl a t , t o p s u r f a c e o f t h e c o o l e r ’ s h o u s i n g ( r e f e r t o fi g u r e 4 . 1 8 ) . T w o w e r e p l a c e d i n l o c a - t i o n s l - i n c h f r o m t h e c e n t e r o f t h e h o u s i n g ’ s fl a t e d g e , a n d t w o w e r e p l a c e d i n l o c a t i o n s 2 - i n c h e s f r o m t h e c e n t e r . T h e t h i c k n e s s o f t h e t o p s u r f a c e o f t h e h o u s i n g w a s r e d u c e d t o l e s s t h a n 3 0 - m i l i n t h e r e g i o n d i r e c t l y a b o v e e a c h t h e r m o c o u p l e s o t h a t m e a s u r e m e n t s c o u l d b e a c q u i r e d n e a r t h e t o p s u r f a c e o f t h e h o u s i n g . D a t a f r o m t h e t h e r m o c o u p l e s w a s u s e d t o m o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c o o l e r ’ s t o p s u r f a c e f o r o v e r - h e a t i n g , a n d t o o b s e r v e i t ’ s t e m p e r a t u r e p r o fi l e . T h e m e a s u r e d d a t a f o r a l l t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h t h e c o o l e r w a s a c o n s i s t e n t p r o fi l e o f 4 5 ° C , t h e s a m e a s t h e o p e r a t i o n s e t p o i n t o n t h e N e s l a b c h i l l e r . T h i s i s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e c h i l l e r w a s a l w a y s a b l e t o m a i n t a i n t h e s u b - s t r a t e c o o l e r a s s e m b l y a t t h e s e t p o i n t t e m p e r a t u r e . T h e 2 4 0 - m i 1 m o l y b d e n u m l i m i t a t i o n f o r p l a s m a e x c i t a t i o n a n d t h e l i m i t e d s e l e c - t i o n o f s p a c e r s m e a n t t h a t t h e m a x i m u m n u m b e r o f t h e r m a l g a p s t h a t c o u l d b e p l a c e d b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e c o o l e r w a s s e v e n . T h e s e v e n g a p s a r e t h o s e b e t w e e n t h e c o o l e r , t h e m o l y b d e n u m g a s p l a t e , t h r e e m o l y b d e n u m s p a c e r s , t w o B N r e c e p t o r s , a n d t h e s u b s t r a t e . W i t h t h i s a r r a n g e m e n t h o w e v e r , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e a t 2 5 t o r r i s b e l o w 4 0 0 ° C , a n d t h e d e p o s i t i o n r a t e i s v e r y l o w . T h e d e s i r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h t h e c o o l e r a s s e m b l y w a s c h o s e n t o b e b e t w e e n 4 5 0 ° C a n d 5 0 0 ° C , w h i c h w a s a d e q u a t e f o r d e p o s i t i o n o f g l a s s s u b s t r a t e s i n o t h e r M C P R c o n - fi g u r a t i o n s . S i n c e t h e e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s w a s p o w e r l i m i t e d t o 1 . 2 - K W f o r t h e c o o l e r a s s e m b l y , t h e p r e s s u r e w a s l i m i t e d b y t h e m i n i m u m a l l o w a b l e p l a s m a s i z e t o 3 0 t o r r . T h i s 1 8 2 m e a n t t h a t i n c r e a s i n g t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e b y r a i s i n g t h e p r e s s u r e w a s n o t a n o p t i o n . A d d i t i o n a l l y , t h e N e s l a b ’ s w a s a l r e a d y o p e r a t i n g a t i t s u p p e r l i m i t o f 4 5 ° C . T h e o n l y m e a n s f o r i n c r e a s i n g t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e w a s t o r e d u c e t h e fl u x o f h e a t f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e c o o l e r b y i n c r e a s i n g t h e t h e r m a l r e s i s t a n c e , w h i c h m e a n t i n c r e a s - i n g t h e n u m b e r o f t h e r m a l g a p s . A d d i t i o n a l g a p s w e r e c r e a t e d b y p l a c i n g p o l i s h e d 1 5 - m i l s i l i c o n w a f e r s i n t h e g a p s b e t w e e n t h e B N r e c e p t o r s a n d t h e s u b s t r a t e . F o r s o m e e x p e r i - m e n t s a s m a n y a s s i x s i l i c o n w a f e r s w e r e u s e d , t h r e e b e t w e e n t h e B N r e c e p t o r s a n d t h r e e b e n e a t h t h e s u b s t r a t e . I n s o m e i n s t a n c e s , g a p s w e r e c r e a t e d b y i n s e r t i n g a 1 . 1 - m m t h i c k C o m i n g 7 0 5 9 o r a g r a p h i t e d i s k b e n e a t h t h e s u b s t r a t e i n s t e a d o f s i l i c o n . T a b l e 4 . 3 i s a l i s t - i n g o f t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s f o r s e v e r a l c o o l e r a r r a n g e m e n t s w h e r e s i l i c o n , g r a p h i t e a n d 7 0 5 9 i n s e r t s w e r e u s e d . T h e d a t a i n d i c a t e s t h a t a s t h e n u m b e r o f t h e r m a l g a p s b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e c o o l e r i n c r e a s e d s o d i d t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . A l l t h e m e a s u r e - m e n t s i n t h e t a b l e w e r e r e c o r d e d u n d e r i d e n t i c a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s w i t h t h e c o o l a n t c h i l l e r s e t a t 4 5 ° C a n d t h e p r e s s u r e a t 2 5 t o r r . N o t e t h a t t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e o f m o l y b d e n u m s p a c e r a r r a n g e m e n t 5 . 1 w a s 4 7 6 0 C . T h e t h e r m a l l y i n s u l a t e d M C P R c o n fi g u r a t i o n s a c h i e v e d t h i s t e m p e r a t u r e a t p r e s - s u r e s b e l o w 1 0 t o r r . H e r e , t h e s u b s t r a t e c o o l e r a s s e m b l y c a n m a i n t a i n t h a t t e m p e r a t u r e a t 3 t i m e s t h a t p r e s s u r e . 4 . 7 . 2 . 3 C o n c e r n s a n d L i m i t a t i o n s I t ’ s o b v i o u s b y t h e n e e d t o i n c l u d e i n s e r t s i n a d d i t i o n t o t h e m o l y b d e n u m a n d B M s p a c e r s t h a t t h e t e m p e r a t u r e o f t h e c o o l a n t i s t o o l o w f o r o p e r a t i o n a t 3 0 t o r r w i t h o n l y 1 . 2 K W o f i n c i d e n t p o w e r . T h e c o o l e r w o u l d p r o b a b l y f u n c t i o n b e t t e r w i t h a h i g h e r t h e r m a l e t a r t s b u s a e n e b e t a r t s b e r u u s e n e b t a r T e t r e a n h h o t t p e a p e s h m G h t e t a f e o i t a r u g fi n r o C s t t b r m e t s r b r e e s n s u n N i c l i a e a u S d p n t t e S o r i o c h T i l i p a r u s a S e ” 2 - 3 G ” 2 - 1 M T a b l e 4 . 3 : S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e v e r s e s t h e r m a l g a p s . 8 . 3 8 . 2 7 . 1 8 . 1 5 . 2 3 - 3 ” S i l i c o n i n s e r t s b e t w e e n t h e B N R e c e p t o r s 1 - 2 ” 7 0 5 9 i n s e r t b e n e a t h t h e s u b s t r a t e 1 2 1 0 1 0 7 l l 5 7 8 5 5 0 C 4 9 2 C 5 0 2 C 4 5 0 C 5 1 1 C 4 6 7 C 1 8 3 0 1 ( 1 8 4 g r a d i e n t b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e c o o l a n t , w h i c h c o u l d b e c r e a t e d b y a h i g h e r o p e r a t — i n g p r e s s u r e r e g i m e . T h e p o w e r l i m i t a t i o n o f t h e s y s t e m p r e c l u d e d o p e r a t i o n a b o v e 3 0 t o r r h o w e v e r . 4 . 8 T i m i n g t h e M C P R f o r P l a s m a I g n i t i o n I n t h e s e v e r a l O p e r a t i o n a n d T u n i n g s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r t h e t u n i n g p o i n t s , c a v - i t y h e i g h t h a n d c o u p l i n g p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h l , o f t h e v a r i o u s M C P R c o n fi g u r a t i o n s a r e r e p o r t e d . T h e s e m e a s u r e d d a t a p o i n t s w e r e a n a v e r a g e o f t h e fi n a l t u n i n g o f t h e M C P R w h e r e t h e r e fl e c t e d p o w e r w a s m i n i m i z e d a f t e r t h e p l a s m a w a s i g n i t e d . F o r g e n e r a l l o w p r e s s u r e o p e r a t i o n h o w e v e r , M C P R t u n i n g h a s a b e g i n n i n g p o i n t p r i o r t o t h e p r e s e n c e o f t h e p l a s m a a n d a n e n d i n g p o i n t a f t e r t h e p l a s m a i s i g n i t e d . A s w a s m e n t i o n e d i n s e c t i o n [ 2 . 1 . 2 ] , t h e i m p e d a n c e o f a n e m p t y c a v i t y a n d a p l a s m a l o a d e d c a v i t y a r e n o t t h e s a m e . T o i g n i t e a p l a s m a i n t h e e m p t y c a v i t y , i t m u s t fi r s t b e t u n e d t o a m a t c h e d r e s o n a n c e l o a d . A f t e r t h e p l a s m a i g n i t e s t h e i m p e d a n c e o f t h e c a v i t y c h a n g e s a n d t h e M C P R l e n g t h h m u s t b e r e - t u n e d t o i m p r o v e t h e l o a d m a t c h a n d i n c r e a s e t h e a m o u n t o f m i c r o w a v e p o w e r t h a t i s a b s o r b e d b y t h e p l a s m a . F o r M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 9 , t h e i n i t i a l t u n i n g o f t h e M C P R c a v i t y l e n g t h h w a s g e n e r a l l y 0 . 5 - c m t o 1 . 0 - c m l o n g e r t h a n t h e fi n a l t u n i n g p o i n t . F o r e x a m p l e , t o e x c i t e t h e T M 0 1 3 m o d e i n t h e 5 - i n c h M P C R t h e i n i t i a l h e i g h t h w a s t y p i - c a l l y 1 5 — c m i n d i c a t e d ( 2 3 . 3 - c m a c t u a l ) . A f t e r t h e p l a s m a w a s i g n i t e d a n d t h e c a v i t y w a s r e — t u n e d t h e fi n a l c a v i t y h e i g h t w a s t y p i c a l l y 1 6 * c m i n d i c a t e d ( 2 2 3 - c m a c t u a l ) . W h e n t h e i n i t i a l t u n i n g o f t h e e m p t y M C P R c a v i t y w a s c o r r e c t , a s m a l l d i s c h a r g e i g n i t e d w i t h j u s t 2 0 0 t o 3 0 0 W a t t s o f i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r . 1 8 5 4 . 9 S u m m a r y T h e p r e v i o u s s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r p r o v i d e d d e s c r i p t i v e d e t a i l s r e g a r d i n g p a r a m - e t e r s a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s f o r t h e n i n e M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h a t w e r e d e v e l - o p e d f o r t h i s l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n d i s s e r t a t i o n . D a t a p r e s e n t e d i n l a t e r c h a p t e r s w i l l s h o w t h a t a l l b u t o n e o f t h e s e , c o n fi g u r a t i o n 4 , c o u l d b e u s e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n a t s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s b e l o w 5 5 0 ° C . T h e o t h e r e i g h t c o n fi g u r a t i o n s c o u l d g e n e r a t e p l a s m a s a n d d i a m o n d d e p o s i t i o n e n v i r o n m e n t s s u c h t h a t c i r c u l a r d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s c o u l d b e e v e n l y c o a t e d . I n s o m e c o n fi g u r a t i o n s d i a m e t e r s u p t o 4 - i n c h e s c o u l d b e p r o c e s s e d . T a b l e 4 . 4 s u m m a r i z e s t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s i n g a r e a s , a n d t h e a v a i l a b i l i t y o f a d c b i a s e d o r t h e r m a l l y c o n t r o l l a b l e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y f o r M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 - 9 . I n c o n fi g u r a t i o n s 1 , 2 a n d 3 , w h i c h w e r e t h e t h e r m a l l y a n d e l e c t r i c a l l y i n s u l a t e d c o n fi g - u r a t i o n s o f t h e 4 — i n c h M C P R , t h e d i a m e t e r o f t h e s u b s t r a t e p r o c e s s i n g a r e a w a s l i m i t e d t o 2 - i n c h e s b y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e a c t o r . T h e d i a m e t e r o f t h e p r o c e s s i n g a r e a o f c o n - fi g u r a t i o n 6 , w h i c h w a s a d c b i a s e d c o n fi g u r a t i o n i n t h e 5 - i n c h M C P R , w a s a l s o l i m i t e d t o 2 - i n c h e s b y d e s i g n . T h e t h e r m a l l y i n s u l a t e d a n d t h e r m a l l y a d j u s t a b l e c o n fi g u r a t i o n s o f t h e 5 - i n c h M C P R , w h i c h w e r e n a m e d c o n fi g u r a t i o n s 5 , 7 , 8 a n d 9 , c o u l d a l l p r o c e s s s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s u p t o 3 - i n c h e s . D i a m o n d d e p o s i t i o n o n 4 — i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e s c o u l d o n l y b e a c h i e v e d w i t h m o d i fi e d v e r s i o n s o f c o n fi g u r a t i o n s 5 a n d 7 , n e i t h e r o f w h i c h h a d a b i a s o r a n y t h e r m a l a d j u s t m e n t s . I n s e v e n o f t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h e s u b s t r a t e w a s p l a c e d i n a r e c e p t o r t h a t w a s s e a t e d o n t o p o f a q u a r t z t u b e . T h e q u a r t z t u b e w a s a c r i t i c a l c o m p o n e n t i n t h e s e a s s e m b l i e s f o r t w o r e a s o n s . F i r s t i t s t r a n s p a r e n c y t o m i c r o w a v e s p r e c l u d e d i t f r o m a l t e r i n g n o i t a r u g fi n o C R P C M e c n a t c u s a d i n b c d o C l e a l m b a i r a V r e h T e l b a i r a V T a b l e 4 . 4 : S u m m a r y o f M C P R C o n fi g u r a t i o n s . 1 < 1 . 5 ” 2 ” S u b s t r a t e s 3 ” S u b s t r a t e s 4 ” S u b s t r a t e s V a r i a b l e S u b s t r a t e H e a t i n g 1 8 6 1 8 7 t h e r e s o n a n t e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s i n t h e M C P R c a v i t y . S e c o n d , i t s e x t r e m e l y l o w t h e r m a l c o n d u c t i v i t y k c r e a t e d a l a r g e t h e r m a l r e s i s t a n c e b e t w e e n t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a n d t h e M C P R ’ s w a t e r c o o l e d b a s e p l a t e . I f t h e m a t e r i a l u s e d h a d a h i g h e r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y t h a n t h a t o f q u a r t z , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e m i g h t h a v e b e e n r e d u c e d b e l o w t h a t n e c e s s a r y f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n . I n a d d i t i o n t o t h e s e v e n t h e r m a l l y i n s u l a t e d c o n fi g u r a t i o n s w i t h q u a r t z t u b e s s u p - p o r t i n g t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r , t h e r e w e r e t w o t h e r m a l l y a d j u s t a b l e o n e s . M C P R c o n fi g u r a - t i o n 8 h a d a h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y w h e r e a B N h e a t e r w a s u s e d t o p r o v i d e h e a t t o t h e s u b s t r a t e i n a d d i t i o n t o t h a t p r o v i d e d b y t h e p l a s m a . T h i s c o n fi g u r a t i o n w a s d e s i g n e d w i t h t h e i n t e n t o f a c h i e v i n g t h e a b i l i t y t o m a i n t a i n a c o n s t a n t s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e o v e r a r a n g e o f p r e s s u r e s . I t a l l o w e d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e t o b e c o n t r o l l a - b l e i n d e p e n d e n t o f t h e p r e s s u r e , a f e a t u r e n o t a v a i l a b l e i n t h e s e v e n t h e r m a l l y i n s u l a t e d c o n fi g u r a t i o n s . M C P R c o n fi g u r a t i o n 9 h a d a c l o s e d - l o o p , l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m - b l y t h a t c o u l d v a r y t h e c o n d u c t i v e h e a t fl u x f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e M C P R b a s e - p l a t e . I t w a s c r e a t e d s o t h a t d i a m o n d fi l m s c o u l d b e d e p o s i t e d o n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s , e . g . C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s , a t p r e s s u r e s a b o v e 2 0 t o r r - - a c o n d i t i o n w h e r e t h e s u b s t r a t e w o u l d o v e r h e a t i n c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 8 . F o r l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n w i t h M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 9 , t h e p l a s m a w a s e x c i t e d b y t u n i n g t h e m i c r o w a v e p o w e r i n t h e c a v i t y t o o n e o f t w o T a n m o d e s , t h e T M O H m o d e i n t h e 4 - i n c h M C P R a n d t h e T M 0 1 3 m o d e i n t h e 5 - i n c h M C P R . T h e m e a s u r e d t u n i n g p o i n t s f o r t h e T M O H m o d e w h e r e t h e r e fl e c t e d p o w e r i s m i n i m i z e d w h i l e a p l a s m a i s p r e s e n t w e r e g e n e r a l l y 7 - c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h a n d 2 - c m f o r t h e 1 8 8 c o u p l i n g p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . A t 1 5 t o r r t h e r e fl e c t e d p o w e r f o r t h i s m o d e w a s t y p i - c a l l y 5 p e r c e n t o r l e s s . F o r t h e T M O B m o d e t h e m e a s u r e d M C P R t u n i n g p o i n t s w e r e a p p r o x i m a t e l y 1 6 . 0 - c m i n d i c a t e d ( 2 2 3 — c m a c t u a l ) f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 3 . 2 - c m f o r t h e p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . F o r t h e n o n - t h e r m a l l y a d j u s t a b l e c o n fi g u r a t i o n s i n t h e 5 - i n c h M C P R , w h i c h w e r e o p e r a t e d a t 1 5 t o r r a n d l e s s , t h e r e fl e c t e d p o w e r o f t h e T M 0 1 3 m o d e w a s 3 0 p e r c e n t o r l e s s . F o r t h e h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r c o n fi g u r a t i o n h o w e v e r , t h e r e fl e c t e d p o w e r w a s a s h i g h a s 5 0 p e r c e n t . T h e b e s t t u n i n g m a t c h f o r t h e T M 0 1 3 m o d e i n t h e 5 - i n c h M C P R w a s a c h i e v e d w i t h t h e l i q u i d c o o l e d c o n fi g u r a t i o n - - t h e r e fl e c t e d p o w e r w a s g e n e r a l l y l e s s t h a n 1 0 p e r c e n t . T h e v a r i a t i o n s o f l o a d m a t c h i n g o f t h e T M 0 1 3 m o d e a r e c h a r a c t e r i s t i c o f h o w t h e 5 - i n c h M C P R r e a c t s t o c h a n g e s i n p r e s s u r e . A t l o w e r p r e s - s u r e s t h e r e fl e c t e d p o w e r i s a l w a y s h i g h e r t h a n a t h i g h e r p r e s s u r e s . S i n c e t h e h e a t e d s u b - s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y w a s o p e r a t e d a t p r e s s u r e s s u b s t a n t i a l l y l o w e r t h a n t h a t o f t h e c o o l e d o r t h e r m a l l y i n s u l a t i n g o n e s t h e l o a d m a t c h i n g w a s w o r s t . "IIIIIIIIIIIIIIIII‘“ L c U I h n B i i g v R e a A n r s R S i t t Y y a M i t e W W W H W M W W I I W W W W L 3 1 2 9 3 0 1 1 0 1 4 9 1 1 P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d a t e d u e . M A Y B E R E C A L L E D w i t h e a r l i e r d u e d a t e i f r e q u e s t e d . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E 5 9 . 2 . 3 4 0 3 0 J A N 1 2 2 0 8 4 ‘ I 2 : 5 i o 3 M Y 1 6 7 0 0 5 0 9 2 2 0 9 L O W - T E M P E R A T U R E D E P O S I T I O N O F T R A N S P A R E N T D I A M O N D F I L M S W I T H A M I C R O W A V E C A V I T Y P L A S M A R E A C T O R V O L U M E 1 1 B y M i c h a e l J . U l c z y n s k i A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g 1 9 9 8 C h a p t e r 5 L o w - T e m p e r a t u r e D i a m o n d D e p o s i t i o n R e s u l t s o n S i l i c o n 5 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e g o a l o f t h i s d i s s e r t a t i o n w a s t o e x p l o r e t h e d e v e l o p m e n t o f a u s e f u l l o w - t e m - p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s w i t h e x i s t i n g M C P R t e c h n o l o g y . A u s e f u l p r o c e s s w a s d e fi n e d a s o n e t h a t d e p o s i t s q u a l i t y m a t e r i a l a t a r e a s o n a b l e d e p o s i t i o n r a t e o v e r a r e a s a t l e a s t a s l a r g e a s 2 0 c m 2 . T r a d i t i o n a l l y , C V D d i a m o n d - d e p o s i t i o n - p r o c e s s d e v e l o p m e n t w i t h M C P R a n d o t h e r p l a s m a s o u r c e s i s c a r r i e d o u t w i t h s i l i c o n w a f e r s u b s t r a t e s . L i k e — w i s e , b e n c h m a r k i n g f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w a s c o n d u c t e d w i t h s i l i c o n s u b s t r a t e s . A f t e r - w a r d s , u s e f u l d e p o s i t i o n p r o c e s s e s w e r e a p p l i e d t o t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e t y p i c a l l y C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s . T h e s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e u s e d f o r t h e b e n c h - m a r k , l o w - t e m p e r a t u r e p r o c e s s d e v e l o p m e n t w e r e p - t y p e ( 1 0 0 ) s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e p o l i s h e d o n o n e s i d e . T h e y h a d a t h i c k n e s s o f 8 - 1 7 m i l s a n d d i a m e t e r s o f 2 , 3 , a n d 4 i n c h e s . T h e s c o p e o f t h i s c h a p t e r i s t o r e p o r t t h e b e n c h m a r k r e s u l t s o f d i a m o n d d e p o s i t i o n o n s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h m a n y o f t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n C h a p - t e r 4 . I n c l u d e d i n t h e r e s u l t s a r e m e a s u r e m e n t s o f d e p o s i t i o n r a t e s , m e a s u r e m e n t s o f a p p r o x i m a t e d e p o s i t i o n a r e a s , m e a s u r e m e n t s o f s u r f a c e r o u g h n e s s , S E M p h o t o s , a n d R a m a n s p e c t r u m . A d d i t i o n a l l y , t h e r e a r e s o m e c o m p a r i s o n s o f t h e d e p o s i t i o n r e s u l t s w i t h 1 8 9 n o r t h m o a r a c t e e r i n C r h i z a a p t t e h h c h e l s . t h o o n o f d i d i : d “ e r ( 3 . 3 ? R a w 8 a s w a s n t . ‘ a h g h e r g r a p h i t i c o n l y t h e c a s e . R a a m n d I'd o n t i t a n a l y z e d c o m p a r a t T h e r e m a W s e c t i o n w h i g s s i n : n i e n r i e I n t h r e e t p e a r ) i t S h p s l d s r m . w . g r o w t h are n e c B o a m p o a d r e e m e h m p a e p s t a t e t e m T351135 a r e results o f t h r a t u r e s . g e t r e e s e n t e d i t s e e x p e r i r de ot a s u b s t r a t e l l l fl l l fi l l C e s o t h e n m u m . t n . F a u ) . t h e c e m e m h e r . t h e l A i r m e n “ f o r C h i n a 9 . ] 4 - . . \ fi ) ” 1 1 8 u a r e M a g m a E l l y - Q T h i “ l e a . - [ S ” h s i h m U r e v . , A “ p : . f _ J R ” fi r s t S e e d . 1 9 0 t h e g r o w t h m o d e l s t h a t w e r e s u m m a r i z e d i n c h a p t e r 2 . T h e d e p o s i t i o n r e s u l t s a n d fi l m c h a r a c t e r i z a t i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s a r e p r e s e n t e d l a t e r i n C h a p t e r 6 . R e m e m b e r , t h e R a m a n s p e c t r a i n t h i s d i s s e r t a t i o n a r e l a b e l e d a s t y p e R a m a n A a n d t y p e R a m a n B a s w a s n o t e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 4 ] . I t m a y a p p e a r t h a t a R a m a n B s p e c t r u m h a s a h i g h e r g r a p h i t i c a n d a m o r p h o u s c o n t e n t t h a n a R a m a n A s p e c t r u m , w h i c h i s n o t n e c e s - s a r i l y t h e c a s e . R a m a n o f t h e s e t y p e s w e r e a c q u i r e d w i t h d i f f e r e n t m e t h o d s a n d s h o u l d n o t b e a n a l y z e d c o m p a r a t i v e l y . T h e r e m a i n i n g s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r a r e o r g a n i z e d i n t o f o u r t o p i c s . T h e fi r s t c o n - t a i n s s e c t i o n s w h e r e m e a s u r e d , e x p e r i m e n t a l s u b s t r a t e w e i g h t g a i n s a r e c o m p a r e d t o g r o w t h m o d e l s . I n t h e s e s e c t i o n s , e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r g r o w t h r a t e a n d / o r fi l m q u a l i t y a r e c o m p a r e d w i t h p r e d i c t i o n s b y g r o w t h m o d e l s t h a t w e r e d e v e l o p e d b y H a r r i s - G o o d w i n a n d B a c h m a n n . S p e c i fi c a l l y , c o m p a r i s o n s a r e p r e s e n t e d f o r e x p e r i m e n t s w i t h v a r y i n g s u b - s t r a t e t e m p e r a t u r e s , g a s c o m p o s i t i o n s a n d g a s p r e s s u r e s . I n t h e s e c o n d t o p i c , e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d f o r d e p o s i t i o n s w h e r e a d c b i a s w a s a p p l i e d t o t h e s u b s t r a t e . T h e r e s u l t s o f t h e s e e x p e r i m e n t s a r e e v a l u a t e d i n c o m p a r i s o n w i t h n o n - b i a s e d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s f o r c h a n g e s i n g r o w t h r a t e , fi l m q u a l i t y , a n d m o r p h o l o g y . T h i r d l y , e x p e r i m e n - t a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d f o r d e p o s i t i o n s w h e r e t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s c o n t r o l l e d v i a t h e a i d e o f a s u b s t r a t e c o o l e r . T h i s i s a c o n t i n u a t i o n o f t h e i n v e s t i g a t i o n o f h o w t h e g a s p r e s s u r e i n fl u e n c e s t h e d e p o s i t i o n r a t e . A c o m p a r i s o n t o t h e H a r r i s — G o o d w i n m o d e l i s i n c l u d e d . F i n a l l y , t h e c h a p t e r c o n c l u d e s w i t h a d d i t i o n a l o b s e r v a t i o n s f r o m d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h s i l i c o n s u b s t r a t e s . T h e y i n c l u d e a n i n v e s t i g a t i o n o f n u c l e a t i o n d e n s i t y w i t h p h o t o - r e s i s t s e e d i n g , m e a s u r e m e n t s o f fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s , d e p o s i t i o n o n 3 - i n c h o m p a r i s o n I - o d e l s t o . s t m h e t h - d e c u h i t C t s s e e P p R H a t d . r o n r e c r n p d n n t e n : e e I d o g e m e 5 2 C T 2 . O n e w o h t i o r s i n t e j a d c t s t i r r o a p e g e n o t n h i a n e r f M a 3 2 n d C h p t e r 4 . ' 3 3 * ] C A o m p a r t . s o r I D O d e l f o r 2 n d L i n e h s u b s t r ' d k " 1 9 1 a n d 4 - i n c h s u b s t r a t e s , d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y , a n d d e p o s i t i o n o n s i l i c o n I C s . 5 . 2 C o m p a r i s o n o f D e p o s i t i o n R e s u l t s t o G r o w t h M o d e l s T w o m o d e l s f o r d i a m o n d g r o w t h f r o m C V D p r o c e s s e s w e r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r 2 . O n e w a s t h e H a r r i s - G o o d w i n g r o w t h m o d e l , w h i c h p r e d i c t s d i a m o n d g r o w t h r a t e s f r o m h y d r o g e n - m e t h a n e p r o c e s s e s . T h e o t h e r w a s t h e B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m , w h i c h p r e d i c t s t r e n d s f o r C V D p r o c e s s e s w h e r e g a s e s c o n t a i n i n g h y d r o g e n , c a r b o n a n d o x y g e n a r e u s e d . I n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 ] a n d s e c t i o n [ 5 . 2 . 2 ] d i s c u s s i o n s a r e p r e s e n t e d f o r c o m - p a r i s o n o f t h e p r e d i c t i o n s o f t h e s e m o d e l s w i t h a c t u a l d e p o s i t i o n r e s u l t s t h a t w e r e o b t a i n e d w i t h t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e s t h a t w e r e o u t l i n e d i n C h a p t e r 3 a n d C h a p t e r 4 . 5 . 2 . 1 C o m p a r i s o n t o t h e H a r r i s - G o o d w i n G r o w t h M o d e l A m o d e l f o r d i a m o n d g r o w t h f r o m a t o m i c h y d r o g e n a n d m e t h y l r a d i c a l s , w h i c h w a s d e v e l o p e d b y H a r r i s a n d G o o d w i n , w a s o u t l i n e d i n C h a p t e r 2 ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 3 . 3 ] ) . I t p r e d i c t s t h a t t h e t h r e e v a r i a b l e s t h a t i n fl u e n c e t h e g r o w t h r a t e o f d i a m o n d a r e ( 1 ) t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , ( 2 ) t h e c o n c e n t r a t i o n o f a t o m i c h y d r o g e n a t t h e s u b s t r a t e ’ s s u r f a c e , a n d ( 3 ) t h e c o n c e n t r a t i o n o f m e t h y l r a d i c a l s a t t h e s u b s t r a t e ’ s s u r f a c e . I n t h e M C P R h o w e v e r , t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e a n d t h e c h e m i s t r y a t i t ’ s s u r f a c e a r e i n t e r n a l v a r i a b l e s t h a t a r e t h e m s e l v e s d e p e n d e n t o n t h e i n p u t v a r i a b l e s o f t h e M C P R . T h e y v a r y w i t h t h e i n p u t c h e m i s t r y , t h e g a s p r e s s u r e , t h e m i c r o w a v e p o w e r , t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r , t h e s u b s t r a t e l o c a t i o n i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r , a n d t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e o f t h e M C P R . T a [ 1 3 ] ) h e e q u a t i o n r e r e p e a t e d s h e i n e q u a t i o n c e n t r h e c o o f d i n a m o i n t d y d e n s m t m a l { t t m g h C e l l e m l e n s i t h e a t y o e f o r e n [ H ] i h t c s o t u . ' t o f o f a r t r a e t i m o l e c o u n l l a c e s i t e b y “ D u n c h } I 8 ‘ X 1 9 2 T h e e q u a t i o n s f o r d i a m o n d g r o w t h f r o m t h e m o d e l ( e q u a t i o n [ 2 . 2 3 ] a n d e q u a t i o n [ 2 . 1 2 ] ) a r e r e p e a t e d h e r e a s e q u a t i o n [ 5 . 1 ] a n d e q u a t i o n [ 5 . 2 ] . G . _ K 3 [ C H m ] n ' o ( l — - e - ) ) 2 n C e q ( 5 . 1 ) K I X H ( 1 ’ 9 ) = ( K l “ ( 9 x H + 1 < _ l e q ( 5 . 2 ) T h e t e r m s i n e q u a t i o n [ 5 . 1 ] a r e d e fi n e d a s G * t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e i n c m / s e c , [ C H m ] t h e c o n c e n t r a t i o n o f m e t h y l r a d i c a l a t t h e s u r f a c e o f t h e d i a m o n d , n ’ ( ) t h e s u r f a c e d e n s i t y o f d i a m o n d , ( 1 - 6 ) t h e p e r c e n t o f s u r f a c e s i t e s n o t t e r m i n a t e d b y h y d r o g e n , a n d n C t h e a t o m i c d e n s i t y o f d i a m o n d . T h e t e r m s i n e q u a t i o n [ 5 . 2 ] a r e d e fi n e d a s K ] t h e r e a c t i o n r a t e f o r a b s t r a c t i o n o f s u r f a c e h y d r o g e n b y a t o m i c h y d r o g e n , X H t h e r a t i o o f a t o m i c h y d r o - g e n [ H ] t o m o l e c u l a r h y d r o g e n [ H 2 ] , a n d K 2 t h e r e a c t i o n r a t e f o r fi l l i n g a n a v a i l a b l e s u r - f a c e s i t e b y a t o m i c h y d r o g e n . T h e r a t e c o n s t a n t s w e r e d e fi n e d a s f o l l o w s K l = ( 4 . 1 5 x I O - l o ) e x p ( — O . 3 l 6 e V / k T ) [ c m 3 / s e c ] e q ( 5 . 3 ) K _ l = ( 4 . 1 5 X 1 0 — 1 0 ) e x p ( — l . l 7 e V / k T ) [ c m 3 / s e c ] e q ( 5 . 4 ) K 2 = 1 . 6 6 x 1 0 . 1 0 [ c m 3 / s e c ] e q ( 5 . 5 ) 1 . 6 6 x 1 0 . 1 1 [ c m 3 / s e c ] e q ( 5 . 6 ) i s u w d m m m t f b z m a n n h e r e k i s B o l e g r e e s K e l v i n t . I n t h e n e x t t h r . o o e e r e m e h d m d t n o e n t . l l y s T r h a o f c h a t w e e n o e d a n t f t h e p r e d i c g c t e l a a u s c l t h e m o d i o e c n x i m t c p M . d r e e ;. n : e r t : C a P l n d e h d e l s u r e . a n d m e t h a n e f l o w p a r a t i e t e r s w e r e h e l d L‘t d e l ‘ s p r e d i c t e d g h e h e m m o e P l fi i ‘ o r t i o n a l C h a n g e s t h a n fl o w e c r a d i c a l c t p p r o t i o m n e n t a t e l y r c t e it r i a o a t n . o n s t a n I t 1 r ' 7 a n h M m m o I 9 3 w h e r e k i s B o l t z m a n n ’ s c o n s t a n t ( k = 1 . 3 8 x 1 0 ' 2 3 J / K ) a n d T i s t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e i n d e g r e e s K e l v i n . I n t h e n e x t t h r e e s e c t i o n s , e x p e r i m e n t a l s u b s t r a t e w e i g h t g a i n s , w h i c h a r e a m e a - s u r e m e n t o f t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e , w i l l b e c o m p a r e d w i t h t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l . T h e p r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e m o d e l ’ s v a r i a b l e s , i . c . s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d m e t h y l r a d i c a l c o n c e n t r a t i o n , o n t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e w i l l b e c o m p a r e d t o t h e t r e n d s o f a c t u a l e x p e r i m e n t a l d e p o s i t i o n r a t e s , f o r w h i c h c h a n g e s i n g r o w t h r a t e s a r i s e f r o m c h a n g e s t h e M C P R ’ s i n p u t p a r a m e t e r s . S p e c i fi c a l l y , c o m p a r i s o n s w i l l b e m a d e b e t w e e n t h e m o d e l a n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w h e r e t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , g a s p r e s — s u r e , a n d m e t h a n e fl o w r a t e w e r e v a r i e d i n d e p e n d e n t l y w h i l e t h e o t h e r M C P R i n p u t p a r a m e t e r s w e r e h e l d c o n s t a n t . V a r y i n g t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e h a s a d i r e c t i m p a c t o n t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d g r o w t h r a t e s i n c e i t i s a v a r i a b l e i n t h e m o d e l . T h e g a s p r e s s u r e a n d t h e m e t h a n e fl o w r a t e h o w e v e r , a f f e c t t h e m o d e l i n d i r e c t l y t h r o u g h c h a n g e s i n t h e m e t h y l r a d i c a l c o n c e n t r a t i o n . I n t h e s e i n s t a n c e s t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s m a i n t a i n e d a t a n a p p r o x i m a t e l y c o n s t a n t v a l u e s o t h a t c h a n g e s i n g r o w t h r a t e s w o u l d o n l y b e a s a r e s u l t o f p r o p o r t i o n a l c h a n g e s i n m e t h y l r a d i c a l c o n c e n t r a t i o n s . 5 . 2 . 1 . 1 I n fl u e n c e o f t h e S u b s t r a t e ’ s T e m p e r a t u r e F i g u r e 5 . 1 s h o w s a g r a p h o f t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f o r n i n e e x p e r i m e n t s ( d e n o t e d a s c i r c l e s ) a n d t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n , n g G , ( d e n o t e d a s a s o l i d - l i n e ) f o r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s , T s , r a n g i n g f r o m a p p r o x i m a t e l y 4 4 0 C t o 5 3 0 C . T h e g r a p h s h o w s t h a t f o r t h i s r a n g e o f s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s t h e r a t e o f i n c r e a s e o f t h e d i a m o n d d e p o v s n p M i g h n - t t v a r i a t i o r u n d i n t h e e n c e s s e d r e o f n f o o i m e p e d T e h d m r e d i c t I R 1 9 . l s o n p r r s i t i d e t e r r n i n t p = d u r a t i o n I it e . a e t c 0 T h e n h e m O d e l ' s P l t d r a s c e t i o n [ 3 . 4 . 3 . 1 ] . w i t h p r e d i c t i o n s h § t i n . T h e e t p e r i m e r l t e r s i l i c o n w a f e r s u s i n . i n c i d e n t m i c r o w a v e p . a n d t h e d e p o s i t i o n d u r - w g H G = [ p x 3 F o r . v k . c u l a t m n S o f G . m o r e i n c - . c fi l l - 1 3 1 1 0 1 5 [ C H m l 2 [ C E l 9 4 o f t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e w i t h i n c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e c o r r e s p o n d s w e l l w i t h p r e d i c t i o n s b y t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l . T h e e x p e r i m e n t a l d a t a i n fi g u r e 5 . 1 w a s a c q u i r e d f r o m d e p o s i t i o n o n 2 - i n c h d i a m e - t e r s i l i c o n w a f e r s u s i n g M C P R - C 3 . F o r t h e s e e x p e r i m e n t s t h e g a s p r e s s u r e w a s 7 t o r r , t h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r w a s 3 5 0 W , t h e i n p u t c h e m i s t r y w a s 2 0 0 - 8 - 3 ( H Z - C O z - C H 4 ) a n d t h e d e p o s i t i o n d u r a t i o n w a s 4 0 h o u r s . V a r i a t i o n s i n s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w e r e d u e t o s l i g h t v a r i a t i o n s i n t h e l e n g t h s o f t h e q u a r t z t u b e s i n t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r ( + / - 2 m m ) a n d r u n - t o - r u n d i f f e r e n c e s i n t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e o f t h e M C P R . T h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n , n g G i n m g , w a s d e t e r m i n e d f r o m t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d d e p o s i t i o n r a t e , 6 * , a s f o l l o w s . F i r s t , t h e p r e d i c t e d t h i c k n e s s o f t h e d i a m o n d fi l m , t p , w a s d e t e r m i n e d f r o m G * . t p = d u r a t i o n o f d e p o s i t i o n [ h r s ] x 3 6 0 0 [ - S h £ r 9 ] x G * [ c m / d e p o s i t i o n ] e q ( 5 . 7 ) T h e n t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n , n g G , w a s d e t e r m i n e d f r o m t p a s w a s d e s c r i b e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 3 . 1 ] . n g G = t p x 3 . 5 1 5 x n x r 2 x 1 0 0 0 [ m g ] e q ( 5 . 8 ) F o r c a l c u l a t i o n s o f 6 * , t h e c o n c e n t r a t i o n o f m e t h y l r a d i c a l s [ C H m ] w a s d e t e r m i n e d b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s . [ C H m ] = [ C H 4 ] X p e r c e n t d i s s o c i a t i o n o f m e t h a n e [ c m ' 3 ] e q ( 5 . 9 ) ) g u l ( n i u i ( t h g i r W e t a r t s b u S . 1 1 ! “ l 1 2 4 1 . 2 5 F i g u r e 5 ] 1 9 5 1 0 r r r r r r r r A l ‘ D D 5 v . G 8 O o 0 0 g o 0 “ @ 1 1 6 1 g 1 ° . " 1 l o d H 0 N O 4 1 : : O o m . . . D s F m 1 L l 1 0 ° 1 1 L 1 1 1 1 1 1 . 2 4 1 . 2 6 1 . 2 8 1 . 3 1 . 3 2 1 . 3 4 1 . 3 6 1 . 3 8 1 . 4 l O O O / T ( K ) F i g u r e 5 . ] P r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e T s o n t h e d e p o s i t i o n r a t e . 1 . 4 2 h r a e d e a r t e r m i c a l s . s T [ h e a n d h } t h e g a s p r e C r s H 4 ] a n t e r m s o u g e n . T r e ( i n d s d C h P i i ‘ l e a t i t r d e g r e e s K e l v i n ) . A d d are 1.57110” [cm':] F o r t h e g r a p h to i n by r a p i n g t h e p e r c e n t c figure. t h e m e t h a n e d i v s a c t u a t e l v r e fl e c t t h e a c the h a s c r e a t e d w i t h o u t t o o e x p e r i m e n t s . T h e d A " 1 9 5 8 1 1 1 1 6 3 a Q r O e . 1 £ 3 1 i d o ‘ s . 9 “ ' 1 u g h fi g n u g r e 5 - 6 . a n d 1 [ C 1 1 , ] = a : n : fi _ X l U ’ h ’ n v 1 9 6 C H — — — — C H 4 ' 3 5 1 0 P — 6 - 3 n = E x 1 0 [ a t o m s / c m ] e q ( 5 . 1 1 ) T h e t e r m s [ C H 4 ] a n d [ C H m ] i n e q u a t i o n [ 5 . 9 ] a r e t h e c o n c e n t r a t i o n o f m e t h a n e a n d m e t h y l r a d i c a l s . T h e t e r m s C H 4 a n d H 2 i n e q u a t i o n [ 5 . 1 0 ] a r e t h e g a s fl o w r a t e s , i n s c c m , o f m e t h - a n e a n d h y d r o g e n . T h e t e r m s n , P , k , a n d T i n e q u a t i o n [ 5 . 1 1 ] a r e t h e g a s d e n s i t y ( i n c m ' 3 ) t h e g a s p r e s s u r e ( i n P a ) , B o l t z m a n n ’ s c o n s t a n t ( i n U K ) , a n d t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ( i n d e g r e e s K e l v i n ) . A d d i t i o n a l l y , t h e s u r f a c e s i t e d e n s i t y , n ’ o , a n d t h e d e n s i t y o f d i a m o n d , n C , a r e 1 . 5 7 x 1 0 1 5 [ c m ’ z ] f o r t h e ( 1 0 0 ) s u r f a c e a n d 1 . 7 9 x 1 0 2 3 [ c m ' 3 ] r e s p e c t i v e l y . F o r t h e g r a p h i n fi g u r e 5 . 1 , t h e s o l i d — l i n e w a s a d j u s t e d t o fi t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a b y v a r y i n g t h e p e r c e n t d i s s o c i a t i o n o f m e t h a n e i n e q u a t i o n [ 5 . 9 ] . F o r t h e s o l i d - l i n e i n t h e fi g u r e , t h e m e t h a n e d i s s o c i a t i o n p e r c e n t a g e w a s c h o s e n t o b e 0 . 4 5 % . T h i s v a l u e d o e s n o t a c c u r a t e l y r e fl e c t t h e a c t u a l d i s s o c i a t i o n p e r c e n t a g e o f m e t h a n e b e c a u s e t h e l i n e i n t h e fi g - u r e w a s c r e a t e d w i t h o u t i n c l u d i n g t h e e f f e c t s o f t h e C 0 2 , w h i c h w a s u s e d f o r t h e d e p o s i - t i o n e x p e r i m e n t s . T h e d a t a i n t h e g r a p h i s u s e f u l f o r a n a l y s i s o f s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e h o w e v e r . A m e a s u r e m e n t o f t h e R a m a n s p e c t r u m w a s r e c o r d e d f o r f o u r o f t h e d i a m o n d fi l m s w h o ’ s w e i g h t g a i n s a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 . T h e R a m a n s p e c t r a a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 2 t h r o u g h fi g u r e 5 . 6 , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g , c a l c u l a t e d F W H M s , w h i c h w e r e d e t e r m i n e d f r o m t h e R a m a n d a t a , a r e l i s t e d i n t a b l e 5 . 1 . A l l fi v e o f t h e R a m a n s p e c t r u m i n t h e fi g u r e s h a v e a d i s t i n c t p e a k a t 1 3 3 5 , w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e fi l m s c o n t a i n d i a m o n d . D e - c o n v o l u — t i o n o f a l l t h e s p e c t r a s h o w e d t h a t t h e r e i s a v e r y l o w a m o u n t o f a m o r p h o u s c a r b o n a n d M C P I 1 9 7 C h e m i s t r y S u b s t r a t e M C P R - C n S e e d i n g H z - C o z - C H 4 “ 3 ' r ( 0 c ) F W H M ( m g ) ( s c c m ) S 1 2 3 P R 2 0 0 - 8 - 3 1 4 . 2 5 1 7 8 . 9 S 1 5 3 P R 2 0 0 - 8 - 3 1 3 . 4 5 0 2 1 0 . 1 S 1 6 3 P R 2 0 0 - 8 - 3 6 . 2 4 7 0 9 . 5 S l 8 3 P R 2 0 0 - 8 - 3 6 . 1 4 7 5 9 . 1 S 3 1 3 P R 2 0 0 - 8 - 3 6 . 6 4 7 8 1 0 . 2 T a b l e 5 . 1 : M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B S p e c t r a l F W I - I M . S - 1 2 1 I f T I T I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 r e 0 . 8 - a 0 . 7 - . . 0 . 6 ' - i - 1 0 . 5 - a 0 . 4 e ~ 0 1 1 3 0 0 1 1 . 0 0 1 2 $ 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 1 0 0 1 7 1 0 0 1 8 1 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 I c m S h i f t F i g u r e 5 . 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 2 . 7 J H e s s e - r 9 2 : o ‘ - 3 I u s e | i 0 5 L 1 l a t } ! . . ‘ A m . ) n a g i n ; 1 1 ; F i g u r g j l l r \ J W S R P l 0 i 9 . . | i 0 . 3 - l l 0 7 L 1 S . l l 0 . 6 “ » - a s . C ! A 1 F — " ' " i ‘ L . o _ a ‘ $ 9 ) " — L . - 4 T " l . 5 3 0 3 S N U ) 1 9 8 S - 1 5 1 l l T I I I fi r 1 r J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 r a 0 . 8 - n 0 . 7 - ' a = i a s 0 . 6 - 4 0 . 5 - ' 1 0 . 4 , 0 . 3 1 1 1 I 1 1 I 1 l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i n F i g u r e 5 . 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S I S . S — 1 6 1 1 r I I T I I T I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 - - i 0 . 8 - _ 0 . 3 l 1 L l l l l 1 l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 4 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 6 . r r - - l - 0 0 0 0 . . . . 8 9 6 4 . u . a _ ‘ _ _ _ - 1 9 9 1 I I I r I I I | 7 J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 r - ‘ 0 . 3 J I I l I l 1 L l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 5 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 8 . $ 4 1 1 I I T j I I I I j J . M o s s b m c k e r 0 . 5 r - - 0 . 3 l l I l l l l l l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 t l c m S h i f t F i g u r e 5 . 6 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 3 1 . g r a p h i s h i t n e g i n t h e s e t i l . d i f f e r e n c e n c e w h i l e t h e d i a g H u e 5 2 . 1 . 2 l n fl u e d i n . \ t h e d H e m 1 c 1 n : a u ) . r s h h m G c e n t t h e t m h e t e e e t t a l e i o l h n e f e i o n r a t h e m A m s d o t h y l r a d i e e c i n e n c w h r e a o t t c l o n i s s [ C g m t a a h b p fl t u h t e h l e i s p e a r s c u m fl o n s t n e a d t o w e r a s p n t w e o i n s i a t e o fi l o- c t i t a h t f 3 1 r ' d e l ~ s p r e d . i c t e d w e t e m p e r a t u r e . t h e q u . 1 1 r a t e o f h y d r o g e n F i g u r e 5 . 7 s i x 2 0 0 g r a p h i t e i n t h e s e fi l m s . F r o m t h e d a t a i n t a b l e 5 . 1 i t i s o b s e r v e d t h a t t h e r e a r e n o d i s t i n - g u i s h i n g d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e F W H M o v e r t h e t e m p e r a t u r e r a n g e o f 4 7 0 C t o 5 1 7 C . H e n c e w h i l e t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e i s o b s e r v e d t o d e c r e a s e w i t h d e c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d a p p e a r s t o b e u n c h a n g e d . 5 . 2 . 1 . 2 I n fl u e n c e o f D e p o s i t i o n C h e m i s t r y A s e c o n d M C P R i n p u t v a r i a b l e t h a t c a n b e c o m p a r e d t o t h e H a r r i s - G o o d w i n g r o w t h m o d e l i s t h e d e p o s i t i o n c h e m i s t r y . S i n c e t h e m o d e l h a s a d e p e n d e n c y o n t h e fl u x o f m e t h y l r a d i c a l s ( d e n o t e d a s [ C I - I m D t o t h e s u b s t r a t e ’ s s u r f a c e , a n y M C P R i n p u t p a r a m e t e r s t h a t i n fl u e n c e [ C H m ] w h e t h e r d i r e c t l y o r i n d i r e c t l y s h o u l d b e i n v e s t i g a t e d . O n e s u c h v a r i - a b l e i s t h e c o n c e n t r a t i o n o f m e t h a n e , [ C H 4 ] , i n t h e d i s c h a r g e c h a m b e r . F r o m t h e m o d e l i t a p p e a r s t h a t i f t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d t h e m e t h a n e d i s s o c i a t i o n p e r c e n t a g e a r e h e l d c o n s t a n t w h i l e t h e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n i s i n c r e a s e d , t h e r e w i l l b e a n p r o p o r t i o n a l i n c r e a s e i n t h e m e t h y l r a d i c a l c o n c e n t r a t i o n , [ C H m ] , a n d t h u s a p r o p o r t i o n a l i n c r e a s e i n t h e d e p o s i t i o n r a t e 0 * . O n e w a y t o i n c r e a s e t h e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n i s t o i n c r e a s e t h e fl o w r a t e o f t h e m e t h a n e ( d e n o t e d a s C H 4 i n e q u a t i o n [ 5 . 1 0 ] ) w h i l e m a i n t a i n i n g a c o n s t a n t fl o w r a t e o f h y d r o g e n ( d e n o t e d a s H 2 i n e q u a t i o n [ 5 . 1 0 ] ) . F i g u r e 5 . 7 s h o w s a g r a p h o f t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s ( d e n o t e d a s s h a p e s ) a n d t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n s ( d e n o t e d a s a s o l i d - l i n e ) f o r m e t h a n e fl o w r a t e s r a n g i n g b e t w e e n 3 s c c m a n d 1 0 s c c m w h i l e t h e h y d r o g e n fl o w r a t e , t h e g a s p r e s s u r e a n d t h e s u b - s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e w e r e h e l d c o n s t a n t a t 2 0 0 s c c m , 9 t o r r a n d 4 7 0 C r e s p e c t f u l l y . T h e g r a p h s h o w s t h a t f o r m e t h a n e fl o w r a t e s b e l o w 2 . 5 % ( m e t h a n e i n h y d r o g e n ) t h e m e a s u r e d e x p e r i m e n t a l w e i g h t g a i n s a p p e a r t o c o r r e s p o n d w e l l t o t h e m o d e l s p r e d i c t e d g r o w t h r a t e , ) “ I " ( n i u i ( t h g i “ Y G e W e t a r t s b u S F i g u r e 5 ; 2 0 1 3 5 I I I I I 3 0 ~ - “ / 8 1 1 0 2 5 - 4 ’ 3 0 E v , 1 : 2 0 - ~ { ‘ 5 ’ . ‘ E 5 x O . 9 9 é ) 1 5 » ~ 8 ( U a : . 8 1 0 — - D V ) 5 - _ o l l l l 4 1 o 2 4 6 8 1 o M e t h a n e F l o w R a t e ( s c c m ) F i g u r e 5 . 7 P r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e C H 4 fl o w r a t e o n t h e d e p o - s i t i o n r a t e . 1 2 T h e m e a s m e a t s w h e r e d i a u m r o e d ' n d Deposition w a s c o n d u c :_ 3 4 m m . A l l e x p o t h e shght variations t h a t Seeded with the p h o t o - n 0 c treatment o f the substratt “ODS can h a v e a d r a m “ $ 1 1 0 F o r P e r c e n t “ t h e r e i s n o m o r e d e f w i t h t h e r e s u l t s o f Z t h e f i l m s f r o m fi g u r e a n d I D s e e m r e s p e c t : m o n d ; h o w e v e r . t h e r e r a t e s o f 8 a n d I D s c c r T h e m o d e l ' s p d e t e n n i n e d u s i n g t h e l i n e i n t h e fi g u r e w a s ; t i o n o f m e t h a n e i n e q u d s 1 3 , 3 1 7 1 . - ~ - l T h r e e d i f f e r e n 2 0 2 n g G . F o r p e r c e n t a g e s o f m e t h a n e h i g h e r t h a n 2 . 5 % h o w e v e r , t h e w e i g h t g a i n s a t u r a t e s , t h e r e i s n o m o r e d e p o s i t i o n a t 5 % m e t h a n e t h a n a t 2 . 5 % . T h i s p h e n o m e n o n i s c o n s i s t e n t w i t h t h e r e s u l t s o f Z h a n g l 3 6 ] . F i g u r e 5 . 8 , fi g u r e 5 . 9 a n d fi g u r e 5 . 1 0 s h o w S E M p h o t o s o f t h e fi l m s f r o m fi g u r e 5 . 7 , w h i c h w e r e S 8 3 , S 8 4 , a n d S 8 5 , f o r m e t h a n e fl o w r a t e s o f 5 , 8 , a n d 1 0 s c c m r e s p e c t i v e l y . T h e p h o t o s s h o w t h a t t h e fi l m s c o n s i s t o f p o l y - c r y s t a l l i n e d i a - m o n d ; h o w e v e r , t h e r e a p p e a r s t o b e m o r e t w i n n i n g i n t h e fi l m s g r o w n w i t h a m e t h a n e fl o w r a t e s o f 8 a n d 1 0 s c c m t h a n t h e o n e g r o w n a t 5 s c c m . T h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n , n g G i n m g , t h a t i s s h o w n i n fi g u r e 5 . 7 w a s d e t e r m i n e d u s i n g t h e e q u a t i o n s t h a t w e r e o u t l i n e d i n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 1 ] . A g a i n , t h e s o l i d - l i n e i n t h e fi g u r e w a s a d j u s t e d t o fi t t h e e x p e r i m e n t a l d a t a b y v a r y i n g t h e p e r c e n t d i s s o c i a - t i o n o f m e t h a n e i n e q u a t i o n [ 5 . 1 0 ] , w h i c h w a s c h o s e n t o 0 . 4 5 % f o r t h i s fi g u r e . T h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s i n fi g u r e 5 . 7 w e r e r e c o r d e d f r o m d e p o s i t i o n e x p e r i - m e n t s w h e r e d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h a 2 - i n c h d i a m e t e r . D e p o s i t i o n w a s c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 5 , t h e q u a r t z t u b e l e n g t h s w e r e d 1 = 2 2 m m a n d d 2 = 2 4 m m . A l l t h e e x p e r i m e n t a l fi l m s w e r e g r o w n u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s e x c e p t f o r s l i g h t v a r i a t i o n s t h a t o c c u r r e d d u r i n g p r o — t r e a t m e n t , i . e . s e e d i n g . T h e s u b s t r a t e s w e r e s e e d e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t , d i a m o n d - p o w d e r m e t h o d t h a t w a s o u t l i n e d i n s e c t i o n [ 3 . 3 . 2 . 2 ] . T h r e e d i f f e r e n t q u a n t i t i e s o f d i a m o n d s e e d ( m e a s u r e d i n m g ) w e r e u s e d f o r p r e - t r e a t m e n t o f t h e s u b s t r a t e s t h o u g h . A s w i l l b e d i s c u s s e d i n s e c t i o n [ 5 . 6 . 1 ] s e e d i n g v a r i a - t i o n s c a n h a v e a d r a m a t i c e f f e c t o n t h e w e i g h t g a i n , i . e . d e p o s i t i o n r a t e ; h o w e v e r t h e q u a n - t i t i e s u s e d f o r t h e e x p e r i m e n t s s h o w n i n fi g u r e 5 . 7 c a u s e o n l y s l i g h t v a r i a t i o n s i n d e p o s i t i o n r a t e s . A m e a s u r e m e n t o f t h e R a m a n s p e c t r u m w a s r e c o r d e d f o r t h e d i a m o n d fi l m s o n " V " h . F i g u r e 5 . < ” " I I m I . “ “ F F ' F i g u r e 5 " 2 0 3 F i g u r e 5 . 9 A n S E M p h o t o o f S 8 4 . — ‘ “ ! m ” q H . . . r . Q - 1 F i g u r e 5 . 1 2 0 4 F i g u r e 5 . 1 0 A n S E M p h o t o o f S 7 8 ( 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 1 0 s c c m o f C H 4 ) 2 0 5 s u b s t r a t e s S 7 8 , S 8 3 a n d 8 8 4 . T h e R a m a n s p e c t r a a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 1 t h r o u g h fi g u r e 5 . 1 3 , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g , c a l c u l a t e d F W H M s , w h i c h w e r e d e t e r m i n e d f r o m t h e R a m a n d a t a , a r e l i s t e d i n t a b l e 5 . 2 . A l l t h r e e o f t h e R a m a n s p e c t r u m i n t h e fi g u r e s h a v e a d i s t i n c t p e a k a t 1 3 3 5 , w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e fi l m s c o n t a i n d i a m o n d . D e - c o n v o l u t i o n o f t h e s p e c - t r a s h o w e d t h a t t h e r e i s a v e r y l o w a m o u n t o f a m o r p h o u s c a r b o n a n d g r a p h i t e i n t h e s e fi l m s . F r o m t h e d a t a i n t a b l e 5 . 2 i t i s o b s e r v e d t h a t t h e r e a r e n o d i s t i n g u i s h i n g d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e F W I - I M . I t h a s b e e n s t a t e d t h a t t h e S E M p h o t o s , w h i c h w e r e t a k e n o f t h e fi l m s o n S 7 8 , S 8 3 a n d 8 8 4 , i n d i c a t e t h a t t h e fi l m ’ s m o r p h o l o g y c h a n g e s w i t h i n c r e a s i n g q u a n t i - t i e s o f m e t h a n e g a s fl o w . T h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d h o w e v e r , a p p e a r s t o b e u n c h a n g e d w i t h i n c r e a s i n g m e t h a n e fl o w s . 5 . 2 . 1 . 3 I n fl u e n c e o f D e p o s i t i o n G a s P r e s s u r e A s e c o n d w a y t o i n c r e a s e t h e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n , C H 4 , i s t o i n c r e a s e t h e g a s p r e s s u r e , P i n e q u a t i o n [ 5 . 1 1 ] . A g a i n i f t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d t h e m e t h a n e p e r c e n t d i s s o c i a t i o n r e m a i n t h e s a m e , t h e m o d e l p r e d i c t s t h e r e w i l l b e a n i n c r e a s e i n t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e , 6 “ . F i g u r e 5 . 1 4 s h o w s a g r a p h o f m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f r o m s e v e r a l e x p e r i m e n t s ( i n c l u d i n g t h o s e i n fi g u r e 5 . 1 ) w h e r e t h e g a s p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e w e r e v a r i e d ( d e n o t e d a s s h a p e s ) . T h e s h a p e s i n t h e fi g u r e i n d i c a t e w e i g h t g a i n s f r o m d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h o n e o f f o u r c o n d i t i o n s . D a t a p o i n t s f r o m fi l m s g r o w n a t 7 t o r r w i t h M C P R - C 3 a r e d e n o t e d a s c i r c l e s ( t h e s a m e a s t h o s e i n fi g u r e 5 . 1 ) . T h o s e f r o m fi l m s g r o w n a t 9 t o r r a n d 1 5 t o r r w i t h M C P R - C 5 a r e r e p r e s e n t e d b y x ’ s a n d b o x e s r e s p e c t i v e l y . T h e r e i s o n e a d d i t i o n a l d a t a p o i n t a t 1 5 t o r r f r o m M C P R - C 6 , w h i c h i s r e p r e s e n t e d b y t h e r _ — — - — - — — ' — - — " . ' | i l S u b s t r a t e - 2 0 6 C h e m i s t r y T S u b s t r a t e M C P R - C u S e e d i n g 1 1 2 - 0 0 2 - 0 1 1 4 “ 3 0 F W H M ( m g ) ( C ) ( s c c m ) S 7 8 5 P R ( 8 x ) 2 0 0 - 0 - 1 0 1 7 . 3 4 7 3 9 . 9 S 8 3 5 P R ( 1 6 x ) 2 0 0 - 0 - 5 1 6 . 9 4 7 1 9 . 2 S 8 4 5 P R ( 1 6 x ) 2 0 0 - 0 - 8 1 7 . 8 4 7 0 8 . 7 T a b l e 5 . 2 : M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B S p e c t r a F W H M . 0 . 9 ' - 0 . 8 r 0 . 7 ' - F i g u r e 5 . 1 1 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 7 8 . 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 / c m S h i f t 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 J “ L " S S : ' 1 1 ! 2 0 7 1 I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 ' - 0 . 7 - 8 . 1 . 1 . 0 . 6 p 0 . 5 ' - 0 3 l l l l I l I I l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 / c r n S h i f t 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 F i g u r e 5 . 1 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 8 3 . S - 8 4 1 r F I r r J . M o s s b m c k e r 0 . 3 l I 1 1 1 1 l I l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 / c m S h i f t 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 F i g u r e 5 . 1 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 8 4 . D 8 1 3 f I O l n R 1 3 2 6 . i n v e r t e d t r i a n g l e . . ~ ‘ d i e t e d g r o w t h r a t e l a t e d u s i n g t h e e q t m o d e l ' s v a r i a b l e s a n e d i s s o c i a t i o n r ' . F r o m 1 1 g u r d o n o t c o r r e l a t e t c l i e a r o u n d t h e m e t , p e r c e n t a g e , i . e . d ; S u r e 0 1 t h e fl u x 0 b l e c a u s e f o r a t e r l o w e r e l e c t r o n t e r O f d i a t o m i c a n d 1 ‘ K a s s I f i n c r e a s i r d e c r e a s e i n K 1 1 1 3 . S c T S ] . . 4 T B . “ n h r e s 2 0 8 i n v e r t e d t r i a n g l e . A l s o s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 4 a r e s o l i d - l i n e s , w h i c h d e n o t e t h e m o d e l ’ s p r e - d i c t e d g r o w t h r a t e f o r p r e s s u r e s r a n g i n g f r o m 7 t o r r t o 1 5 t o r r . T h e s o l i d - l i n e s w e r e c a l c u - l a t e d u s i n g t h e e q u a t i o n s f r o m s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 1 ] . F o r t h e c a l c u l a t i o n o f e a c h s o l i d - l i n e , t h e m o d e l ’ s v a r i a b l e s w e r e t h e s a m e e x c e p t f o r t h e p r e s s u r e , P , i n e q u a t i o n [ 5 . 1 1 ] . T h e m e t h - a n e d i s s o c i a t i o n r a t e w a s c h o s e n t o b e 0 . 4 5 % i n e a c h c a s e . F r o m fi g u r e 5 . 1 4 o n e c a n s e e t h a t w i t h t h e s e a s s u m p t i o n s , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s d o n o t c o r r e l a t e t o t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d g r o w t h r a t e s . A l l o f t h e e x p e r i m e n t a l d a t a p o i n t s l i e a r o u n d t h e m o d e l ’ s 7 t o r r l i n e . F r o m t h i s , i t a p p e a r s t h a t e i t h e r t h e m e t h a n e d i s s o c i a t i o n p e r c e n t a g e , i . e . d i s s o c i a t i o n r a t e , i n t h e e x p e r i m e n t s i s d e c r e a s i n g w i t h i n c r e a s i n g p r e s - s u r e , o r t h e fl u x o f s p e c i e s t o t h e s u b s t r a t e i s d e c r e a s i n g w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . A p o s s i - b l e c a u s e f o r a r e d u c t i o n o f t h e d i s s o c i a t i o n r a t e o f m e t h a n e w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e i s l o w e r e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s , T e . S i n c e t h e r a t e c o n s t a n t s f o r d i s s o c i a t i o n p r o c e s s e s , K d i s s , o f d i a t o m i c a n d p o l y a t o m i c g a s e s a r e a f u n c t i o n o f T e , c h a n g e s t h a t a f f e c t T e a l s o i n fl u e n c e K d i s s - I f i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e i n t h e M P C R r e s u l t s i n l o w e r T e , o n e w o u l d e x p e c t a d e c r e a s e i n K d i s s ' T h e r e i s s o m e e v i d e n c e t o s u g g e s t t h a t t h i s m a y i n f a c t b e h a p p e n i n g . D a t a f r o m R a i z e r s h o w s t h a t T 6 i n a h y d r o g e n p l a s m a d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g g a s p r e s - s u r e n s ] . W i t h r e g a r d s t o t h e fl u x o f n e u t r a l s p e c i e s t o t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e , e . g . [ H ] a n d [ C H m ] , i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e w a s o b s e r v e d t o r e d u c e t h e d i m e n s i o n s o f t h e p l a s m a . T h i s m a y c a u s e t h e p l a s m a t o r e t r a c t a w a y f r o m t h e s u b s t r a t e , w h i c h w o u l d a f f e c t t h e d i f - f u s i o n o f n e u t r a l s p e c i e s . A d d i t i o n a l l y , i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e i n h e r e n t l y r e d u c e s t h e m e a n f r e e p a t h o f t h e n e u r a l s p e c i e s , a n d t h e i r d i f f u s i o n l e n g t h . t n . I ‘ l l ] [ I l l l l E A 1 2 : S i l 2 . l . - . : v i l l 2 . 1 0 : . 3 3 . t n b ) l ) 0 l l b l l 2 r 2 . . j r l l . l . . 2 l l b l 2 l 3 I | i b l l l | | l l b l r o i - 1 . 2 6 1 . 2 4 F i g ‘ 4 r e ) g m ( n i a G t h g i e W e t a r t s b u S 2 0 9 1 0 P r r r r I I I I 4 l l i l 1 1 t o r r < l 1 3 t o r r ‘ 1 5 t o r r 1 1 0 ” " l i r 1 l 1 0 ° 1 1 l l 1 1 l 1 1 . 2 4 1 . 2 6 1 . 2 8 1 . 3 1 . 3 2 1 . 3 4 1 . 3 6 1 . 3 8 1 . 4 1 0 0 0 / F ( K ) F i g u r e 5 . 1 4 P r e d i c t e d i n fl u e n c e o f t h e g a s p r e s s u r e o n t h e d e p o s i - t i o n r a t e . 1 . 4 2 g h l b n r z i ” m r y o w t d r o i n e w o r d e g e h h r i e e a t t e r a n r d r o s A a t e t . o n w s r e a a n n d d i t d d s h n o a h e S o n r t u u a h d o - s x m e g a s d b n e fi l n o r t m t t y o n g x o h e r e 1 . c s d - l g n i e ; . w e a r t t n t 3 0 u o i o e e m € g r p 1 l d o n . r 0 o 3 A v . a t 1 G : [ I ] h i y d r o g e n T 5 2 . 2 C o m p a r i s o T h e B a c h m . p r o v i d e s t r e n d s f o r . . E x p e r i m e m m g 9 “ C o m m u n e . 2 1 0 5 . 2 . 2 C o m p a r i s o n t o t h e B a c h m a n n C - H - O G a s P h a s e D i a g r a m T h e B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m , w h i c h w a s o u t l i n e d i n s e c t i o n [ 2 . 3 . 1 ] , p r o v i d e s t r e n d s f o r d i a m o n d C V D . T h e m o d e l q u a l i t a t i v e l y d e s c r i b e s h o w t h e d i a m o n d g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y a r e a f f e c t e d b y v a r i o u s m i x t u r e s o f g a s e s c o n t a i n i n g c a r b o n , h y d r o g e n a n d o x y g e n . S p e c i fi c a l l y , t h e r e i s a r e g i o n i n t h e d i a g r a m s u r r o u n d i n g t h e C O - l i n e w h e r e d i a m o n d - g r o w t h e x i s t s ( r e f e r t o fi g u r e 2 . 1 9 ) . T h e d i a m o n d - g r o w t h r e g i o n i s b o r d e r e d o n t h e o x y g e n n ' c h s i d e b y a n o - g r o w t h r e g i o n , a n d o n t h e c a r b o n r i c h s i d e b y a n o n - d i a m o n d - g r o w t h r e g i o n . A s p r o c e s s g a s c o m p o s i t i o n s v a r y f r o m t h e n o n - d i a m o n d r e g i o n t o w a r d s t h e n o - g r o w t h r e g i o n , t h e g r o w t h r a t e d i m i n i s h e s f r o m a m a x i m u m v a l u e t o z e r o . A t t h e s a m e t i m e h o w e v e r , t h e d i a m o n d q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d m a t e r i a l g e n e r a l l y i m p r o v e s . S u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s w e r e a l s o n o t e d t o h a v e a n a f f e c t o n t h e d i a m o n d g r o w t h r e g i o n . A s t h e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s , t h e w i d t h o f t h e d i a m o n d g r o w t h r e g i o n d i m i n i s h e s u n t i l a t a r o u n d 1 3 0 0 C i t d i s a p p e a r s . E x p e r i m e n t a l d a t a i s p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s f o r d e p o s i t i o n w i t h v a r y - i n g g a s c o m p o s i t i o n p e r c e n t a g e s , w h i c h c o n t a i n i n g m i x t u r e s o f m e t h a n e a n d c a r b o n d i o x - i d e i n h y d r o g e n . T h e r e s u l t i n g g r o w t h r a t e s ( m e a s u r e d i n w e i g h t g a i n ) a n d fi l m q u a l i t y ( m e a s u r e d b y R a m a n ) a r e c o m p a r e d t o t h e p r e d i c t i o n s o f t h e B a c h m a n n m o d e l . T h r e e t y p e s o f e x p e r i m e n t s a r e p r e s e n t e d , ( 1 ) v a r i a b l e C H 4 fl o w r a t e s w i t h c o n s t a n t fl o w r a t e s o f H 2 a n d C 0 2 , ( 2 ) v a r i a b l e C 0 2 fl o w r a t e s w i t h c o n s t a n t fl o w r a t e s o f H 2 a n d C H 4 , a n d ( 3 ) d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h m i x t u r e s o f C H 4 a n d C 0 2 o n l y . $ 0 1 the ' re nearly i d e n t i c a l “ 0 3 5 g r e a t e r a n t h F i g u r e 5 . 1 5 e x p e r i m e n t s “ h m I H ; a n d ( : 0 2 w e r e r r T h e s e e x p e r i m e n t s \ T h e p r e s s u r e w a s 9 1 t r u e r m a p p r o x i m d t T h e d a t a i n t i C H 4 f r o m 3 s e e m t o f r o m 0 . 4 1 t o 0 . 5 0 . T i m a t h r e g i o n t o w a r c i n d i c a t e d q u a l i t a t i v e l ; I t w a s n o t e d 1 1 “ f i g h t g a i n s o f c o m p i n c r e a s e d . T h i s p h e n o 1 0 o r l e s s t h a n 2 . 5 2 1 1 5 . 2 . 2 . 1 V a r i a t i o n s i n t h e F l o w o f M e t h a n e F i g u r e 5 . 1 5 s h o w s a g r a p h o f m e a s u r e d d e p o s i t i o n r a t e s ( i n m g ) f o r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w h e r e t h e C H 4 fl o w r a t e w a s v a r i e d b e t w e e n 3 a n d 8 s c c m w h i l e t h e fl o w o f H 2 a n d C 0 2 w e r e m a i n t a i n e d a t c o n s t a n t fl o w s o f 2 0 0 s c c m a n d 8 s e e m r e s p e c t i v e l y . T h e s e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d u s i n g M C P R - C C S w i t h d 1 = 2 2 - m m a n d d 2 = 2 4 - m m . T h e p r e s s u r e w a s 9 t o r r , t h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r w a s 1 K W , t h e s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e w a s a p p r o x i m a t e l y 4 7 0 C , a n d t h e d u r a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t s w a s 2 5 h o u r s . T h e d a t a i n fi g u r e 5 . 1 5 c o r r e l a t e s w i t h t h e B a c h m a n n m o d e l . I n c r e a s i n g t h e fl o w o f C H 4 f r o m 3 s c c m t o 8 s e e m w h i l e m a i n t a i n i n g c o n s t a n t fl o w o f H 2 a n d C 0 2 c h a n g e s X 0 } ; f r o m 0 . 4 1 t o 0 . 5 0 . T h e m o d e l p r e d i c t s t h a t s u c h a t r a n s i t i o n f r o m a n a r e a n e a r t h e n o - g r o w t h r e g i o n t o w a r d s t h e C O - l i n e s h o u l d r e s u l t i n a n i n c r e a s e i n t h e d e p o s i t i o n r a t e a s i s i n d i c a t e d q u a l i t a t i v e l y i n fi g u r e 5 . 1 5 . I t w a s n o t e d i n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 2 ] t h a t t h e r e w a s a d i s t i n c t i n c r e a s e i n t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s o f c o m p a r a b l e d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w h e n t h e C H 4 fl o w r a t e w a s i n c r e a s e d . T h i s p h e n o m e n o n w a s r e p o r t e d t o h o l d t r u e f o r C H 4 fl o w r a t e s t h a t w e r e e q u a l t o o r l e s s t h a n 2 . 5 % o f t h e fl o w r a t e o f H 2 . F o r h i g h e r m i x t u r e s , t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s w e r e n e a r l y i d e n t i c a l , i n d i c a t i n g t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e s a t u r a t e d a t m e t h a n e c o n c e n t r a - t i o n s g r e a t e r t h a n 2 . 5 % i n H 2 . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t c o n t r a r y t o t h e o b s e r v a t i o n s f r o m fi g u r e 5 . 7 , t h e r e d o e s n o t a p p e a r t o b e a w e i g h t g a i n s a t u r a t i o n w i t h i n c r e a s i n g fl o w r a t e s o f C H 4 w h e n C 0 2 i s u s e d . I n fi g u r e 5 . 1 5 , t h e C H 4 fl o w r a t e s r a n g e f r o m 1 . 5 % t o 4 % o f t h e fl o w o f H 2 , a n d a w e i g h t g a i n s a t u r a t i o n i s n o t o b s e r v e d . T h e r e c o r d e d w e i g h g a i n s i n fi g u r e 5 . 1 5 a r e c o n s i d e r a b l y l e s s t h a n t h o s e i n fi g u r e 5 . 7 . I n a d d i t i o n t o t h e r e p o r t e d t r e n d o f i n c r e a s i n g d e p o s i t i o n r a t e s , B a c h m a n n a l s o l l l - . i 8 - l i i l 7 5 . 3 . : . . : I : - : . . 6 : . . v 2 . 2 . 7 5 I > 1 . - . | l . - . 4 ? » 3 9 . 3 1 . i . l 4 b i 3 . 0 2 I i H m 5 . 1 ) g m ( n i a G t h g i e W d e r u s a e M 1 0 2 1 2 I T l I T j l I I . l l 1 l l l l l L 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 C H 4 F l o w R a t e ( s c c m ) F i g u r e 5 . 1 5 M e a s u r e d w e i g h t g a i n f o r g a s c o m p o s i t i o n s o f C H 4 i n C 0 2 a n d H 2 . 1 0 n o t i o x t y h n e g o W a a T e d t h a t t h e . fi d i l c i s m a : it‘. s r t r a | . X o 0 n 5 d g d R e n . i a m a m n s p e d a t a i n t i C H 4 . b l e 5 . 3 l h a f h i s i s a n i t e a l l o n t h w i t h a n i n c r e e a o s i r n i g g . 9 5 , 2 1 2 V a r i a t i o n F i g u r e 5 . 1 9 s? e x p e r i m e n t s w h e r e tl 4 w e r e m a i n t a i n e d ments w e r e c o n d u c t e . was 9 ton. t h e i n c i d e n t approximately 4 7 0 5.l9conelates w i t h C . a t h e h l h s e e m w h i l e m a i n t . m o d e l p r e d i c t s t h a t me“(*é’IOWIh r e g i o n sh. m i l . " fi E U r e 5 , 1 9 C H 2 1 3 n o t e d t h a t t h e d i a m o n d q u a l i t y w a s r e p o r t e d t o d e c r e a s e w h e n t h e p e r c e n t o f c a r b o n i n o x y g e n , X Q Z , i s i n c r e a s e d . T h e F W H M , w h i c h w a s c a l c u l a t e d f r o m t h e R a m a n s p e c t r a o f t h e d i a m o n d fi l m s t h a t a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 5 , i s l i s t e d i n t a b l e 5 . 3 , a n d t h e c o r r e s p o n d — i n g R a m a n s p e c t r a a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 6 t h r o u g h fi g u r e 5 . 1 8 . I t i s o b s e r v e d f r o m t h e d a t a i n t a b l e 5 . 3 t h a t t h e r e i s n o a p p a r e n t c h a n g e i n t h e F W H M w i t h a n i n c r e a s e i n t h e fl o w o f C H 4 . T h i s i s a n i n d i c a t i o n t h a t i n t h e r a n g e o f m i x t u r e s s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 5 , w h i c h w e r e a l l o n t h e o x y g e n r i c h s i d e o f t h e C O l i n e , t h e d i a m o n d fi l m q u a l i t y d o e s n o t d e c r e a s e w i t h a n i n c r e a s i n g p e r c e n t a g e o f c a r b o n i n o x y g e n , x 0 } : - 5 . 2 . 2 . 2 V a r i a t i o n s i n t h e F l o w o f C a r b o n D i o x i d e F i g u r e 5 . 1 9 s h o w s a g r a p h o f m e a s u r e d d e p o s i t i o n r a t e s ( i n m g ) f o r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w h e r e t h e C 0 2 w a s v a r i e d b e t w e e n 0 a n d 1 6 s c c m w h i l e t h e fl o w o f H 2 a n d C H 4 w e r e m a i n t a i n e d a t c o n s t a n t fl o w s o f 2 0 0 s c c m a n d 3 s c c m r e s p e c t i v e l y . T h e s e e x p e r - i m e n t s w e r e c o n d u c t e d u s i n g M C P R - C C S w i t h d , = 2 2 - m m a n d d 2 = 2 4 - m m . T h e p r e s s u r e w a s 9 t o r r , t h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r w a s 1 K W , t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s a p p r o x i m a t e l y 4 7 0 C , a n d t h e d u r a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t s w a s 4 0 h o u r s . T h e d a t a i n fi g u r e 5 . 1 9 c o r r e l a t e s w i t h t h e B a c h m a n n m o d e l i n t h a t i n c r e a s i n g t h e fl o w o f C 0 2 f r o m 0 s c c m t o 1 6 s c c m w h i l e m a i n t a i n i n g c o n s t a n t fl o w o f H 2 a n d C H 4 c h a n g e s X 0 ) ; f r o m 1 . 0 t o 0 . 3 7 . T h e m o d e l p r e d i c t s t h a t s u c h a t r a n s i t i o n f r o m C - H a x i s , a c r o s s t h e C O - l i n e a n d t o w a r d s t h e n o - g r o w t h r e g i o n s h o u l d r e s u l t i n a d i m i n i s h i n g d e p o s i t i o n r a t e a s i s i n d i c a t e d i n q u a l - i t a t i v e l y fi g u r e 5 . 1 9 . l F i g u r e 5 I ' r ' J S u b s t r a t e 0 l : e r 1 1 . } : ) 2 1 4 C h e m i s t r y T S u b s t r a t e M C P R - C u S e e d i n g H z - C O Z - C H 4 “ 3 o F W H M ( m g ) ( C ) ( s c c m ) 8 8 9 5 s c r a t c h 2 0 0 - 8 - 3 5 . 8 4 7 6 1 0 . 2 8 9 2 5 s c r a t c h 2 0 0 - 8 - 5 6 . 5 4 7 0 9 . 4 S 1 0 0 5 s c r a t c h 2 0 0 - 8 - 8 8 . 4 4 5 7 9 . 5 T a b l e 5 . 3 : M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B S p e c t r a F W H M . 8 4 3 9 1 7 I I I T I I I J . M o s s b m c k e r 0 . 9 - . . o ' i h o o w h o 1 2 1 0 0 1 3 0 0 w h o w h o w h o w h o w h o w h o 2 0 0 0 1 / c m S h 1 1 t F i g u r e 5 . 1 6 R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 8 9 . 2 1 5 S - 9 2 1 r I I I I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 - . ‘ . a 0 . 8 " ‘ i 1 i 5 0 1 - - 0 . 6 L 4 0 . 5 e - 0 . 4 l 1 l 1 1 l I l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 1 7 R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 9 2 . $ 4 0 0 1 I I T I I I r I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 e ‘ . . 0 . 8 - ‘ ~ I 9 0 1 - ~ 0 . 6 - . . 0 . 5 ‘ - 0 4 l 1 l l 1 l 4 l l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 1 8 R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e S 1 0 0 . A u r a - v 3 . . . . . . v 2 . 3 . 9 ) ? 3 . 9 . 3 1 3 9 : 5 d . F i g l l [ ‘ 9 M e a s u r e d W e i g h t G a i n ( m g ) 2 1 6 0 l 1 l l 1 l l O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 C 0 2 F l o w R a t e ( s c c m ) F i g u r e 5 . 1 9 M e a s u r e d w e i g h t g a i n f o r g a s c o m p o s i t i o n s o f C 0 2 i n C H 4 a n d H 2 . 1 6 1 8 i l l - r m d a t a f o r S l Z Z . $ 0 0 [11.331111 C O : w e r e u s e d . 1 ( S h e quartz t u b e d i m e n hi a n d I ( 1 0 1 ’ A m i c r o w a v e p o w e he hrst e x p e r i m e n t . i S-l 5 , 3 , 3 D i a m o n d D e n i n a d d i t i o n t o t h e ' . n o i e l p r e d i c t s t h a t d i a m . d u n g h y d r o g e n . c a r b o n . t e o l s p e e i t i c g a s e s s u c h . : n t a i n h y d r o g e n a n d e a r " 1 r e f e r t o x e n o n [ 2 . 3 . 1 , o d d b e d e p o s i t e d f r o m ( ‘ i t s r a t e t o t h e C H 4 fl o w r F i g u r e 5 . 2 0 . f i g u r e n r ' . . n o o f l z l . A s c a n b e s t : . e ? u n c u r e d u n d e r t h e s e c o n 1 i r r “ 3 0 3 m a n d 6 0 s e e n 2 1 7 5 . 2 . 2 . 3 D i a m o n d D e p o s i t i o n w i t h m i x t u r e s o f C H 4 - C 0 2 I n a d d i t i o n t o t h e t r e n d s o f d i a m o n d g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y t h e B a c h m a n n m o d e l p r e d i c t s t h a t d i a m o n d d e p o s i t i o n c a n b e a c h i e v e d w i t h a n y m i x t u r e o f g a s e s c o n - t a i n i n g h y d r o g e n , c a r b o n , a n d o p t i o n a l l y o x y g e n - - d i a m o n d c a n b e d e p o s i t e d w i t h o u t t h e u s e o f s p e c i fi c g a s e s s u c h a s m o l e c u l a r h y d r o g e n a n d m e t h a n e a s l o n g a s t h e p r o c e s s g a s e s c o n t a i n h y d r o g e n a n d c a r b o n . T h i s c o n c e p t w a s c o n fi r m e d i n p u b l i c a t i o n s b y M o r i n e l l i e t . a 1 . ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 3 . 1 ] ) . T h e y r e p o r t e d t h a t a m o n g m a n y m i x t u r e s o f g a s e s , d i a m o n d c o u l d b e d e p o s i t e d f r o m C H 4 a n d C 0 2 w i t h o u t t h e a d d i t i o n o f H 2 i f t h e r a t i o o f t h e C 0 2 fl o w r a t e t o t h e C H 4 fl o w r a t e w a s 2 : 1 . F i g u r e 5 . 2 0 , fi g u r e 5 . 2 1 a n d fi g u r e 5 . 2 2 s h o w S E M p h o t o s f r o m S 6 0 a n d 8 1 2 2 a n d R a m a n d a t a f o r S 1 2 2 . S 6 0 a n d S 1 2 2 w e r e p r o c e s s e d i n d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w h e r e o n l y C H 4 a n d C 0 2 w e r e u s e d . T h e s e t w o d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 5 . T h e q u a r t z t u b e d i m e n s i o n s w e r e d 1 = 2 2 - m m a n d d 2 = 2 4 - m m , t h e p r e s s u r e w a s 9 t o r r , t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r w a s 1 K W , a n d t h e d u r a t i o n w a s 4 0 h o u r s . T h e g a s fl o w r a t e s f o r t h e fi r s t e x p e r i m e n t , S - 6 0 , w e r e 1 5 s c c m f o r b o t h C H 4 a n d C 0 2 , w h i c h h a s a C O z - C H 4 r a t i o o f 1 : 1 . A s c a n b e s e e n b y t h e S E M p h o t o i n fi g u r e 5 . 2 0 , n o - d i a m o n d a p p e a r s t o b e d e p o s i t e d u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s . F o r t h e s e c o n d e x p e r i m e n t , S - 1 2 2 , t h e g a s fl o w r a t e s w e r e 3 0 s c c m a n d 6 0 s c c m f o r t h e C H 4 a n d t h e C 0 2 r e s p e c t i v e l y . T h i s c o r r e s p o n d s t o t h e M o r i n e l l i r a t i o o f 2 : 1 . F r o m t h e S E M p h o t o i n fi g u r e 5 . 2 1 i t i s o b s e r v e d t h a t d i a m o n d c a n b e d e p o s i t e d w i t h o u t t h e u s e o f h y d r o g e n i n t h e M C P R ; h o w e v e r , fi g u r e 5 . 2 2 a p p e a r s t o i n d i c a t e t h a t t h e q u a l i t y , a s m e a s u r e d b y R a m a n , i s n o t a s g o o d a s t h e b e s t fi l m s t h a t w e r e g r o w n w i t h h y d r o g e n . F u r t h e r m o r e , i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e g r o w t h r a t e o f S - 1 2 2 i s c o m - p a r a b l e t o t h o s e o f e x p e r i m e n t s w h e r e H z w a s u s e d . N o r e a l b e n e fi t w a s o b s e r v e d f o r t h i s a . . A W w 1 o . . \ d \ i t v . i w . 1 $ . ? . 5 . 1 . . . . r - . . v L e s s . ’ . . . . v Q 1 ' . . . . _ \ _ . . ‘ \ r . l c ( Q Q y . 4 r ‘ k . w o . . . N . a a . M i r . ‘ a r . a r m 5 A . . 5 . 3 . . . . V . . t . ‘ . . . _ ‘ a s . m . . a . D . t n 2 1 8 F i g u r e 5 . 2 1 S E M p h o t o s f o r S - 1 2 2 . l a n n t ‘ c c S r - c a [ s l l l l t s ( “ ( F i g “ " ' 5 - 2 2 i { 5 i t h r i l l 0 . 9 5 i 1 0 ' ! 1 " 9 ’ 7 . l l 1 1 ' 1 . “ - r 1 1 1 " z o o \ 1 ; \ 5 0 2 1 9 x 1 0 1 . 2 I I I I I I I I 1 . 1 5 - . ' 2 o 1 . 1 ~ 8 U ) ’ 8 ' . : 9 § 1 0 5 - ~ 0 U 1 - n o . l L I l l l l L 1 2 0 0 1 2 5 0 1 3 0 0 1 3 5 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 S h i f t W a v e N u m b e r ( l l c m ) F i g u r e 5 . 2 2 T h e R a r n a n A s p e c t r u m f r o m S - 1 2 2 . 1 6 5 0 i : n e c t h o a m p o s i t n e a n d i c o n a r o b t o h n e r d i i s t “ t a l l o w - p r e s s u r e s i n t h e M h ‘ e o i t h e m h a d a + 1 0 0 \ ' g a s l'ghias. T h e f l o w i n d C H 4 r e s p e c t i v e l y . The m e a s u r e d r u t t h e s u b s t r a t e 1L T h e results o f t h e ~ t h a t are b e t w e e n h i m .o. The film that w a s w dc: F i g u r e 5 . 2 3 t h r o n e } *1 V i b e s a n d s S1631171101 [ h e fi l m s o n S 4 [ 1 1 5 6 “ . t d t h a t t h e r e is n 0 I 8. . 1 M C P R . 5 . 1 A n I n v e s t i g a t i o n R e p o r t s b y M a n i . w h e n a d c b i a s i s a p p l i e d r e a t o r ( r e f e r t o s e c t i o n [ . l l C P R f C h t o i n v e s t i g a : I I m " 1 ‘ 9 5 1 1 1 0 “ h O W e v e r T h i s ' s K i a t n e r e a t t r a c t e d t o t h e s 2 2 0 g a s c o m p o s i t i o n o t h e r t h a n m o l e c u l a r h y d r o g e n , w h i c h i s u s u a l l y m o r e e x p e n s i v e t h a n m e t h a n e a n d c a r b o n d i o x i d e , i s n o t c r i t i c a l f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n a t l o w p r e s s u r e s i n t h e M C P R . 5 . 3 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n w i t h a d c b i a s R e p o r t s b y M a n t e i e t . a 1 . i n d i c a t e t h a t t h e q u a l i t y a n d d e p o s i t i o n r a t e i m p r o v e w h e n a d c b i a s i s a p p l i e d t o s u b s t r a t e s t h a t a r e p r o c e s s e d i n t h e M a g n e t o - A c t i v e P l a s m a r e a c t o r ( r e f e r t o s e c t i o n [ 2 . 2 . 2 . 2 . 4 ] ) . A c o l l e c t i o n o f e x p e r i m e n t s w a s c o n d u c t e d w i t h M C P R - C C 6 t o i n v e s t i g a t e h o w t h e a p p l i c a t i o n o f a d c b i a s i n fl u e n c e s d i a m o n d d e p o s i t i o n a t l o w - p r e s s u r e s i n t h e M C P R . A t o t a l o f e i g h t s u b s t r a t e b i a s e x p e r i m e n t s w e r e c o m p l e t e d , fi v e o f t h e m h a d a + 1 0 0 d e s u b s t r a t e b i a s , t w o o f t h e m h a d n o b i a s , a n d o n e h a d a - 1 0 0 V d c b i a s . T h e g a s fl o w r a t e s f o r a l l t h e b i a s e x p e r i m e n t s w e r e 2 0 0 - 8 - 3 s c c m f o r H 2 , C 0 2 , a n d C H 4 r e s p e c t i v e l y , t h e p r e s s u r e w a s 1 5 t o r r , a n d t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r w a s l K W . T h e m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s a p p r o x i m a t e l y 5 0 0 C . T h e r e s u l t s o f t h e s u b s t r a t e b i a s e x p e r i m e n t s w e r e t h a t t h e r e w a s n o o b v i o u s d i f f e r - e n c e b e t w e e n fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h a + 1 0 0 V d c b i a s a n d t h o s e t h a t d i d n o t h a v e a b i a s . T h e fi l m t h a t w a s d e p o s i t e d w i t h t h e - 1 0 0 V d c b i a s p e e l e d f r o m t h e s u b s t r a t e d u r i n g d e p o s i t i o n h o w e v e r . T h i s d e s t r u c t i o n o f t h e fi l m m a y b e a r e s u l t o f b o m b a r d m e n t o f i o n s t h a t w e r e a t t r a c t e d t o t h e s u b s t r a t e f r o m t h e p l a s m a b y t h e b i a s . F i g u r e 5 . 2 3 t h r o u g h fi g u r e 5 . 2 8 s h o w S E M p h o t o s f o r s u b s t r a t e s S 4 8 a n d 8 5 2 . S 4 8 h a d a + 1 0 0 V d c b i a s a n d S 5 2 h a d n o b i a s . F i g u r e 5 . 2 9 a n d fi g u r e 5 . 3 0 s h o w t h e R a m a n s p e c t r a f o r t h e fi l m s o n 8 4 8 a n d 8 5 2 . F r o m t h e S E M p h o t o s a n d t h e R a m a n s p e c t r a , i t i s o b s e r v e d t h a t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e i n t h e m o r p h o l o g y o r q u a l i t y o f fi l m s t h a t ! l i v e r " ! ‘ l é ' r o 1 F i g u r e 5 . 2 2 1 F i g u r e 5 . 2 4 S E M p h o t o o f S 5 2 . 1 f . h . ‘ . E H fl F ‘ E ¢ . E r " A “ . . . E 5 - s i n I y e i ' r ! . I r ' l I . l u l l » . I ‘ L . I ‘ m . E F i g u r e 5 . F i g u r e 5 . 2 2 2 : i s n u g x a d ‘ é a 4 % F i g u r e 5 . 2 6 S E M p h o t o s o f S 5 2 t a k e n a t a 6 0 ° a n g l e . F S w i v e l } . . u . 1 . F i g u r e 5 . . I fi ‘ a l i fl i h l l ‘ M i l F i g a r e 5 . 2 2 3 F i g u r e 5 . 2 8 S E M P h o t o o f S 5 2 t a k e n a t a 6 0 ° a n g l e . d 4 ‘ n o c e S r e p s t n u o C d n o c e S r e p s t n u o C F i g u r e 5 . 2 9 2 ~ L ' 2 3 5 i f 5 e 1 i 4 d n o c e S r e p s t n u o C 2 2 4 7 0 0 0 T “ T — m » - ' 8 7 4 0 0 * - . 1 O 8 7 2 0 0 - m H 8 ‘ 7 0 0 0 - U ) a 0 0 0 0 » : 3 8 0 0 0 0 - d 0 4 0 0 - 0 2 0 0 - m l l l L . l l 1 2 5 0 1 3 0 0 1 5 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 S h i f t W a v e N u m b e r ( l / c m ) F i g u r e 5 . 2 9 T h e R a m a n A s p e c t r u m f r o m S 4 8 . : 1 0 . 1 1 1 1 i i 1 2 0 0 1 2 5 0 1 3 0 0 1 3 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 ‘ ” S h i f t W a v e N u m b e r ( l l c m ) F i g u r e 5 . 3 0 T h e R a m a n A s p e c t r u m f r o m S 5 2 . on h e n e g a t i v e r e s u l t s 0 1 experiments w e r e n o t p u 3.4 A n I n v e s t i g a t i o n In section [5.2.1.1 hOdel. Although the m a a r e d e p o s i t e d w i t h a n d a l s o u n i t i e c t e d b y t h e . d e p o s i t e d w i t h a b i a s i s a g e w e i g h t g a i n w a s 1 4 T h e s e b i a s d e p ' f e r e n t r e a c t o r . O n e p O s s t o n i n t h e M a g n e t o - A c : s u b s t r a t e . A l t e m a t i v e l y . M C P R - C h m a y h a v e n e t 3 ‘ 3 1 h a v e b e e n t h a t t h e t i n _ p r e s s u r e s r a n g i n g f r o 2 2 5 a r e d e p o s i t e d w i t h a n d w i t h o u t a b i a s i n t h e M C P R . F u r t h e r m o r e , t h e d e p o s i t i o n r a t e i s a l s o u n a f f e c t e d b y t h e u s e o f a s u b s t r a t e b i a s . T h e a v e r a g e w e i g h t g a i n f o r fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h a b i a s w a s 1 4 . 0 m g , f o r fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h o u t a b i a s , t h e a v e r - a g e w e i g h t g a i n w a s 1 4 . 1 m g . T h e s e b i a s d e p o s i t i o n r e s u l t s a r e i n c o n t r a s t t o t h o s e o b t a i n e d b y M a n t e i i n a d i f - f e r e n t r e a c t o r . O n e p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e d i s p a r i t y i s t h a t t h e b i a s a i d e d t h e d e p o s i - t i o n i n t h e M a g n e t o - A c t i v e p l a s m a r e a c t o r i n w a y s s u c h a s p u l l i n g t h e p l a s m a c l o s e r t o t h e s u b s t r a t e . A l t e r n a t i v e l y , t h e c o n c e n t r i c a n o d e - c a t h o d e c o n fi g u r a t i o n t h a t w a s u s e d i n M C P R - C 6 m a y h a v e n e g a t e d t h e a f f e c t s o f a b i a s . W i t h t h e c o n fi g u r a t i o n i n M C P R - C 6 , i t m a y h a v e b e e n t h a t t h e b i a s c u r r e n t w a s c o n c e n t r a t e d a t t h e e d g e s o f t h e s u b s t r a t e . B a s e d o n t h e n e g a t i v e r e s u l t s o f b i a s - e n h a n c e d d i a m o n d d e p o s i t i o n w i t h M C P R - C 6 , f u r t h e r b i a s e x p e r i m e n t s w e r e n o t p u r s u e d . 5 . 4 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n w i t h a S u b s t r a t e C o o l e r I n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 3 ] d a t a w a s p r e s e n t e d f r o m d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s , w h i c h h a d g a s p r e s s u r e s r a n g i n g f r o m 7 t o r r t o 1 5 t o r r , f o r c o m p a r i s o n t o t h e H a r r i s - G o o d w i n g r o w t h m o d e l . A l t h o u g h t h e m o d e l p r e d i c t s t h a t i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e w h i l e m a i n t a i n i n g a c o n s t a n t s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e c o u l d i n c r e a s e t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e i n a C V D p r o - c e s s , t h e r e s u l t w a s t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e a p p e a r e d t o b e u n a f f e c t e d b y g a s p r e s s u r e . T h i s c o n c e p t w a s f u r t h e r i n v e s t i g a t e d a t h i g h e r p r e s s u r e s , e . g . 1 5 t o 2 5 t o r r w i t h t h e a i d e o f a t h e r m a l l y - a d j u s t a b l e s u b s t r a t e c o o l e r , M C P R - C 9 . T h e s u b s t r a t e c o o l e r a s s e m b l y i n M C P R - C 9 p r o v i d e s c o n t r o l l a b l e s u b s t r a t e c o o l i n g , w h i c h p r o v i d e s a m e a n s t o m a i n t a i n a s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e b e l o w 5 5 0 C a t p r e s s u r e s a b o v e 1 5 t o r r . C Which varied f r o m 4 9 3 between the substrate ant a n d 8.3 ( w h i c h e o n t a .d (refer to table . u. ere 8.2. ' F i g u r e 5 . 3 l s h m m e x p e r i m e n t s w h t n e n t w h e r e M C P R - C 5 t h e p r e d i c t e d w e i g h t E f r o m t o n t o 3 0 t o r r . l s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h l o w r a t e s o f 2 0 0 s e e n . c a l c u l a t e d w i t h t h e c o n . m e t h a n e d i s s o c i a t i o n r a [ 5 3 . 1 . 3 ] , t h e e x p e r i m e : n o i e l . A t p r e s s u r e s u p b e “ ! d e p e n d e n t o n t h e O b t a i n e d a t l o w e r p r e s s u F o r t h e s i l i c o n s u 1 . i s . t o n . a n d t h e t e m p e r a t 2 2 6 F i g u r e 5 . 3 1 s h o w s a g r a p h o f m e a s u r e d w e i g h t g a i n s v s . s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e f o r t h r e e e x p e r i m e n t s w h e r e M C P R - C 9 w a s u s e d ( d e n o t e d a s 0 ’ s ) a n d a c o m p a r a b l e e x p e r i - m e n t w h e r e M C P R - C 5 ( d e n o t e d a s a n x ) w a s u s e d . T h e s o l i d l i n e s i n t h e fi g u r e r e p r e s e n t t h e p r e d i c t e d w e i g h t g a i n s , n g G , f r o m t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l f o r p r e s s u r e s r a n g i n g f r o m 5 t o r r t o 3 0 t o r r . T h e f o u r e x p e r i m e n t a l w e i g h t g a i n s i n t h e fi g u r e w e r e a c q u i r e d f r o m s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s o f 2 - i n c h e s t h a t w e r e p r o c e s s e d f o r 1 5 h o u r s w i t h g a s fl o w r a t e s o f 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 5 s c c m o f C H 4 . T h e p r e d i c t e d w e i g h t g a i n s , n g G , w e r e c a l c u l a t e d w i t h t h e e q u a t i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 1 ] . F o r c o m p a r i s o n , t h e m e t h a n e d i s s o c i a t i o n r a t e w a s a g a i n c h o s e n t o b e 0 . 4 5 % . S i m i l a r t o t h e r e s u l t s o f s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 3 ] , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s d o n o t a p p e a r t o c o i n c i d e w i t h t h e p r e d i c t i o n s o f t h e m o d e l . A t p r e s s u r e s u p t o 2 5 t o r r , d e p o s i t i o n a p p e a r s t o b e i n d e p e n d e n t o f p r e s s u r e , a n d h i g h l y d e p e n d e n t o n t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e . A l s o , t h e y a r e s o m e w h a t l e s s t h a n t h o s e o b t a i n e d a t l o w e r p r e s s u r e s w i t h a n o n - c o o l e d s u b s t r a t e . F o r t h e s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r o c e s s e d i n M C P R - C 9 t h e g a s p r e s s u r e w a s 2 5 t o m a n d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e l i q u i d c o o l a n t w a s 4 5 C . T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e , w h i c h v a r i e d f r o m 4 9 2 C t o 5 5 0 C , w a s a d j u s t e d b y p l a c i n g i n s e r t s o f v a r i o u s m a t e r i a l s b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e B N s u b s t r a t e h o l d e r . M C P R - C 9 s p a c e r c o n fi g u r a t i o n s 8 . 1 , 8 . 2 , a n d 8 . 3 ( w h i c h c o n t a i n i n s e r t s m a d e o f C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s , g r a p h i t e , a n d s i l i c o n ) w e r e u s e d ( r e f e r t o t a b l e 4 . 3 ) . F o r t h e b e n c h m a r k s u b s t r a t e t h a t w a s p r o c e s s e d w i t h M C P R - C 5 , t h e g a s p r e s s u r e w a s 9 t o r r , a n d t h e q u a r t z t u b e l e n g t h w e r e d 1 = 2 2 - m m a n d d 2 = 2 8 - m m . A m e a s u r e m e n t o f t h e R a m a n s p e c t r u m w a s r e c o r d e d f o r t h e d i a m o n d fi l m s o n s u b s t r a t e s 8 1 1 2 , S 1 1 3 a n d 8 1 1 4 w h o s e w e i g h t g a i n s w e r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 3 1 . T h e . . : m v 2 . 1 1 0 ) ) F i g u r e 5 . 3 ] 1 0 S t e m . l \ I \ \ \ \ S 1 i l b r i I ? I f t i t l i : l i b - i i i i l b l i . I i h . h b L b 2 0 1 0 A m - n u v 7 . ! m a s - w h z t n t u - u " ; h u r r a h - 7 4 : 3 2 1 2 ) g m ( s n i a G t h g i e W e t a r t s b u S d e r u s a e M 1 0 2 2 7 3 0 t o r r 1 . 2 1 . 2 5 1 . 3 1 . 3 5 1 . 4 1 0 0 0 / T ( K ) F i g u r e 5 . 3 ] E x p e r i m e n t a l w e i g h t - g a i n s f o r l i q u i d c o o l e d s u b - s t r a t e s . " ”tree o f t h e R a m a n “ P I n v e s t i g a t i o 5 5 A n A S w a s d i s c u s s e t p a t e r i n a m i c r o w a v e - p . i m p r o v e m e n t i n t h e d e p t ‘ u s o m e i n s t a n c e s p u l s e e a i n r e s u l t s s s m ' h i c h Rented for pulsed P O ‘ Zill' and 1.5 s c c m o f C H 4 . For these e x p e r i i ‘Sauem pulsing m t .etledexternally by 3?" tad m o d e l H P 3 3 1 2 t “ a i e w r t h a z l a t . 5 1 R a t t a n s p e c t r a a r e S l i t “ L a e d F W H h - l s . w h i c h . n a t t h e fi l m s c o n t a i n e 5 l o w a m o u n t o f a r n o r p h . i s o b s e r v e d t h a t t h e r e a : s i g h “ . J i n n . T h e g a s fl o w 2 2 8 R a m a n s p e c t r a a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 3 2 t h r o u g h fi g u r e 5 . 3 4 , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g , c a l c u - l a t e d F W H M s , w h i c h w e r e d e t e r m i n e d f r o m t h e R a m a n d a t a , a r e l i s t e d i n t a b l e 5 . 4 . A l l t h r e e o f t h e R a m a n s p e c t r u m i n t h e fi g u r e s h a v e a d i s t i n c t p e a k a t 1 3 3 5 , w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e fi l m s c o n t a i n d i a m o n d . D e - c o n v o l u t i o n o f t h e s p e c t r a s h o w e d t h a t t h e r e i s a v e r y l o w a m o u n t o f a m o r p h o u s c a r b o n a n d g r a p h i t e i n t h e s e fi l m s . F r o m t h e d a t a i n t a b l e 5 . 4 i t i s o b s e r v e d t h a t t h e r e a r e n o d i s t i n g u i s h i n g d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e F W H M . 5 . 5 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n w i t h P u l s e d M i c r o w a v e P o w e r A s w a s d i s c u s s e d p r e v i o u s l y i n s e c t i o n [ 2 . 4 . 3 ] , t h e r e a r e r e p o r t s t h a t u s i n g p u l s e d p o w e r i n a m i c r o w a v e - p l a s m a , d i a m o n d C V D p r o c e s s s o m e t i m e s l e a d s t o a s u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n t i n t h e d e p o s i t i o n r a t e . T h e a d v a n t a g e o f p u l s e d p o w e r o v e r C W p o w e r i s t h a t i n s o m e i n s t a n c e s p u l s e d p o w e r i s r e p o r t e d t o i n c r e a s e t h e d i s s o c i a t i o n r a t e o f p r o c e s s g a s e s , w h i c h r e s u l t s i n a n i n c r e a s e i n t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e . I n t h i s s e c t i o n , d a t a i s p r e s e n t e d f o r p u l s e d p o w e r e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d w i t h M C P R - C C 7 w i t h d 1 = 5 8 m m . T h e g a s fl o w r a t e s f o r a l l t h e p u l s e d p o w e r e x p e r i m e n t s w e r e 1 0 0 s c c m o f H 2 , a n d 1 . 5 s c c m o f C H 4 . F o r t h e s e e x p e r i m e n t s , p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r w a s g e n e r a t e d w i t h a 2 . 4 5 G H z , 2 K W S a i r e m p u l s i n g m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y . T h e p u l s e r a t e o f t h e S a i r e m w a s c o n - t r o l l e d e x t e r n a l l y b y a p p l y i n g a n a n a l o g s q u a r e - w a v e s i g n a l t o t h e S a i r e m w i t h a H e w l e t t P a c k a r d m o d e l H P 3 3 1 2 0 A w a v e g e n e r a t o r . T h e o u t p u t o f t h e w a v e g e n e r a t o r w a s a 5 V p - p s q u a r e - w a v e w i t h a 2 . 5 V d c o f f s e t a n d a f r e q u e n c y o f 6 0 H z . T h e d u t y c y c l e o f t h e w a v e g e n e r a t o r w a s v a r i a b l e b e t w e e n 2 0 % a n d 8 0 % . I t w a s v a r i e d b e t w e e n 5 0 % a n d 6 7 % f o r t h e e x p e r i m e n t s r e p o r t e d h e r e . A l t h o u g h t h e f r e q u e n c y a n d d u t y c y c l e o f t h e S a i r e m w e r e ' S u b s t r a t e 5 K J M e s a ) “ ; 0 9 0 . 5 + : 3 7 0 0 . . 9 8 - ' - . — . ( 2 2 9 C h e m i s t r y T S u b s t r a t e M C P R - C u S e e d i n g H z - C o z ' C H 4 “ 3 F W H M ( m g ) ( 0 C ) ( s c c m ) S l 1 2 9 s c r a t c h 2 0 0 - 0 - 5 9 . 2 S 1 1 3 9 s c r a t c h 2 0 0 - 0 - 5 1 0 . 2 S 1 1 4 9 s c r a t c h 2 0 0 - 0 - 5 9 . 8 T a b l e 5 . 4 : M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B s p e c t r a F W H M . S - 1 1 2 0 0 6 b . 1 0 . 5 ' - 0 . 4 l l L l l l l l l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 3 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e 8 1 1 2 . . 3 e W ' 1 1 % F i g u r e 5 _ 3 “ b 3 5 0 0 1 : l ” i s l r 0 4 . i J M u s e u m 2 3 0 S - 1 1 3 1 I I I I I I j I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 8 - 0 . 5 - 0 . 4 l l L l 1 l 1 J 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 3 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e 8 1 1 3 . S - 1 1 4 1 I I I I I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 8 ' - 0 . 6 - 0 . 5 ‘ - 0 . 4 l l l l l l l I l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 3 4 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e S I 1 4 . F i g m e 5 . 3 7 s c o n t r o l l e d e x t e r n a l “ ? 5 m m o w n c i r c u i t T h e m i c r o w u m e a s u r e C W r n i c r o w d e t e c t o r s w e r e u s e d i . s c o p e . T y p i c a l w a v e 1 u r e 5 . 3 6 . F i g u r e 5 . 3 5 m m a p e a k o f ~ Z K V p o w e r . t h e l o w e r w a n i n c i d e n t a n d r e fi e c t e c d u e t C y c l e o f 5 0 ‘ } . F 5 3 6 1 3 1 6 g r o u n d r e i t b o t h p h o t o s t h a t t h e S a m d o e s n o t g o 1 2 3 ] c o n t r o l l e d e x t e r n a l l y , t h e a c t u a l p e a k p o w e r o u t p u t w a s c o n t r o l l e d i n t e r n a l l y b y t h e S a i r e m ’ s o w n c i r c u i t r y . T h e m i c r o w a v e p o w e r m e t e r s , w h i c h w e r e d e s c r i b e d i n s e c t i o n [ 3 . 2 . 1 . 3 ] , c a n o n l y m e a s u r e C W m i c r o w a v e p o w e r l e v e l s . H e n c e f o r t h e p u l s e d p o w e r e x p e r i m e n t s , d i o d e d e t e c t o r s w e r e u s e d i n s t e a d . T h e o u t p u t o f t h e d i o d e s w a s r e c o r d e d w i t h a n a n a l o g o s c i l l o - s c o p e . T y p i c a l w a v e f o r m s f o r 3 3 % a n d 5 0 % d u t y c y c l e s a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 3 5 a n d fi g - u r e 5 . 3 6 . F i g u r e 5 . 3 5 s h o w s t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r w a v e - f o r m s f o r p u l s e d p o w e r w i t h a p e a k o f ~ 2 K W a n d a d u t y c y c l e o f 3 3 % . T h e u p p e r w a v e - f o r m i s t h e r e fl e c t e d p o w e r , t h e l o w e r w a v e - f o r m i s t h e i n c i d e n t p o w e r . F i g u r e 5 . 3 6 s h o w s a s i m i l a r p i c t u r e o f i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d p o w e r w a v e - f o r m s f o r p u l s e d p o w e r w i t h a p e a k o f ~ 2 K W a n d a d u t y c y c l e o f 5 0 % . F o r a l l t h e w a v e - f o r m s t h a t a r e s h o w n i n t h e fi g u r e 5 . 3 5 a n d fi g u r e 5 . 3 6 , t h e g r o u n d r e f e r e n c e i s t h e c l o s e s t l i n e a b o v e e a c h w a v e f o r m . I t i s o b s e r v e d f r o m b o t h p h o t o s t h a t t h e w a v e - f o r m s a r e n o t s q u a r e - w a v e s a s i s d e s i r e d , a n d t h e o u t p u t o f t h e S a i r e m d o e s n o t g o f u l l y o f f d u r i n g t h e o f f p o r t i o n o f t h e c y c l e . F i g u r e 5 . 3 7 s h o w s a g r a p h o f t h e m e a s u r e d s u b s t r a t e w e i g h t g a i n s f o r e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d a t 1 5 t o r r ( d e n o t e d a s x ’ s ) a n d 2 0 t o r r ( d e n o t e d a s o ’ s ) u s i n g p u l s e d p o w e r w i t h a n a v e r a g e o f l K W . T h e p e a k p o w e r m a g n i t u d e a n d d u t y c y c l e f o r t h e p u l s e d p o w e r e x p e r i m e n t s w e r e 1 . 5 K W w i t h a d u t y o f 6 7 % , a n d 2 . 0 K W w i t h a d u t y o f 5 0 % . T h e x — a x i s i n t h e fi g u r e r e p r e s e n t s t h e p e a k - p o w e r , a n d t h e y - a x i s i s t h e w e i g h t g a i n i n m g . T h e s o l i d - l i n e i n t h e fi g u r e i n d i c a t e s t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n f o r a 2 0 t o r r , l K W , C W d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t t h a t w a s c o n d u c t e d u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s a s t h e p u l s e d p o w e r e x p e r i m e n t s . S i m i l a r l y , t h e d a s h e d l i n e r e p r e s e n t s t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n f o r a 1 5 t o r r , l K W , C W d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t . T h e s e q u a n t i t i e s a r e t h e b e n c h m a r k , C W w e i g h t g a i n s F i g u r e F i g “ r e 2 3 2 F i g u r e 5 . 3 6 P u l s e d p o w e r w a v e - f o r m s f o r a 5 0 % d u t y c y c l e s . A u d i : t t b . 2 1 5 . : [ m l e i . 2 » t I l l : i i i n ~ | P r s t 3 0 1 0 . . . . . 1 3 0 2 . . . 0 F i g u r e 5 ) g m ( n i a G t h g i e W d e r u s a e M 2 3 3 2 5 1 r I 2 0 - \ 2 0 t o r r b e n c h m a r k w g . 1 5 t o r r b e n c h m a r k w g . d 0 1 o 1 0 e X o 5 . - X o I l l l l 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 M W P e a k P o w e r ( K W ) F i g u r e 5 . 3 7 S u b s t r a t e w e i g h t g a i n s f o r p u l s e d — p o w e r e x p e r i - m e n t s . t u r e C W w e a x s p S l i g h t l y 1 0 “ e r i m e n t s . F t m e n t . C \ \ - ' - 1 . V ‘ ¥ 1 g p e a k m i c r o w a s 5 5 0 C . w T a h v i e s 5 p o 5 t d i t“ e n t i r e l y t l 5 . 7 m g . h w o u g h . T h e h i c h i s I t rate o f c h a n g e o f t h e I t h a t t h e p u l s e d - p m A s i s i n d i c a s e e m s t o d i m i n i s h u c o n t r i b u t e d t o t h e i t a d a W a l t o n o f [ h e H t ” 2 3 4 t h a t t h e p u l s e d - p o w e r e x p e r i m e n t s m u s t e x c e e d t o p r o d u c e a h i g h e r d e p o s i t i o n r a t e . A s i s i n d i c a t e d i n fi g u r e 5 . 3 7 , t h e d e p o s i t i o n r a t e w i t h p u l s e d p o w e r i n t h e M C P R s e e m s t o d i m i n i s h w i t h i n c r e a s i n g p e a k p o w e r a t 1 5 a n d 2 0 t o r r . O n e f a c t o r t h a t c o u l d h a v e c o n t r i b u t e d t o t h e l o w e r d e p o s i t i o n r a t e s w i t h p u l s e d p o w e r i s t h a t t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a - t u r e w a s s l i g h t l y l o w e r d u r i n g p u l s e d p o w e r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a n i t w a s d u r i n g t h e C W e x p e r i m e n t s . F o r e x a m p l e , t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e d u r i n g t h e 2 0 t o r r , C W e x p e r i - m e n t , C W - l , w a s 5 5 7 C , d u r i n g t h e 2 0 t o r r p u l s e d p o w e r e x p e r i m e n t , P P - l l , w h i c h h a d p e a k m i c r o w a v e p o w e r o f 2 . 0 K W a n d a d u t y c y c l e o f 6 7 % , t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e w a s 5 5 0 C . T h i s d i f f e r e n c e i n t e m p e r a t u r e d o e s n o t e x p l a i n g r o w t h r a t e d i f f e r e n c e s e n t i r e l y t h o u g h . T h e d i f f e r e n c e i n w e i g h t g a i n s f o r t h e a f o r e m e n t i o n e d e x p e r i m e n t s w a s 1 5 . 7 m g , w h i c h i s m o r e t h a n 3 t i m e s t h e w e i g h t g a i n o f P P - l 1 . I n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 1 ] , a n a d a p t a t i o n o f t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l w a s p r e s e n t e d t h a t h a d a g o o d c o r r e l a t i o n t o t h e r a t e o f c h a n g e o f t h e e x p e r i m e n t a l g r o w t h r a t e s w i t h i n c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . I t i s c l e a r f r o m t h e m o d e l t h a t a n i n c r e a s e i n t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e o f l e s s t h a n 1 0 C d o e s n o t t r i p l e t h e d e p o s i t i o n r a t e . H e n c e , t h e r e w e r e o t h e r f a c t o r s t h a t a f f e c t e d t h e g r o w t h r a t e s . T w o t r e n d s t h a t m a y h a v e c o n t r i b u t e d t o t h e d e c r e a s i n g d e p o s i t i o n r a t e w i t h i n c r e a s i n g p e a k p o w e r w e r e n o t e d b y v i s u a l o b s e r v a t i o n o f t h e p l a s m a d u r i n g t h e p u l s e d p o w e r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . F i r s t , t h e p l a s m a ’ s s i z e i n c r e a s e d a s t h e p e a k p o w e r i n c r e a s e d , w h i c h m i g h t h a v e l o w e r t h e p o w e r d e n s i t y . S e c o n d , t h e p l a s m a a p p e a r e d t o d r i f t e d a w a y f r o m t h e s u b s t r a t e a s t h e p e a k p o w e r i n c r e a s e d . T h e s e c h a n g i n g p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e p l a s m a c o u l d c a u s e a r e d u c t i o n i n t h e fl u x o f n e u t r a l s p e c i e s t o t h e s u b - s t r a t e a s w e l l a s a t e m p e r a t u r e c h a n g e . I n e i t h e r c a s e , t h e h y p o t h e s i z e d i n c r e a s e i n d e p o s i - w o u t i o n r a t e A s t r t r a a s t e s r e a . M r t m o a n i n d . s s F s d b e u p W c H p i e a c u D b p h r a t s c a h i s w n c w h i p o g f h r o t o 5 5 A H r d e a g r d r e t o e w t i o n f n t o a h t o r e d r a t d e n S i i y W i t W 3 W i t 0 “ i ‘ n h 0 g m P w t h h e o l a P - h d s o 1 u 3 w i c h e - n fi g c o n a l r . u n F s e e s e p t i s n o t r e n w v u d r a 3 r e o o d - l , a f e f d ” i t I e g t n p t I i r 3 t 2 3 5 t i o n r a t e w o u l d n o t b e r e a l i z e d i n t h e M C P R . A m e a s u r e m e n t o f t h e R a m a n s p e c t r u m w a s r e c o r d e d f o r t h e d i a m o n d fi l m s o n s u b s t r a t e s P P - l 3 a n d P P - 1 5 w h o ’ s w e i g h t g a i n s w e r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 3 7 . T h e R a m a n s p e c t r a a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 3 8 a n d fi g u r e 5 . 3 9 , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g , c a l c u l a t e d F W H M s , w h i c h w e r e d e t e r m i n e d f r o m t h e R a m a n d a t a , a r e l i s t e d i n t a b l e 5 . 5 . T h e R a m a n s p e c t r a i n t h e fi g u r e s h a v e a d i s t i n c t p e a k a t 1 3 3 5 , w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e fi l m s c o n t a i n d i a m o n d . D e - c o n v o l u t i o n o f t h e s p e c t r a s h o w e d t h a t t h e r e i s a h i g h e r a m o u n t o f a m o r - p h o u s c a r b o n a n d g r a p h i t e i n t h e s e fi l m s t h a n t h o s e t h a t w e r e r e p o r t e d i n e a r l i e r s e c t i o n s o f t h i s c h a p t e r . F r o m t h e d a t a i n t a b l e 5 . 4 i t i s o b s e r v e d t h a t t h e F W H M f o r t h e fi l m s g r o w n w i t h p u l s e d - p o w e r i s a l s o g r e a t e r t h a n t h o s e o f e a r l i e r s e c t i o n s i n t h i s c h a p t e r . 5 . 6 A d d i t i o n a l O b s e r v a t i o n s H e r e t o f o r e , t h e d a t a p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r h a s p r i m a r i l y p e r t a i n e d t o d e p o s i t i o n g r o w t h r a t e s a n d fi l m q u a l i t y , w h i c h w e r e t h e m a j o r e m p h a s i s o f t h i s d i s s e r t a t i o n . I n a d d i - t i o n t o g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y , o b s e r v a t i o n s w e r e r e c o r d e d r e g a r d i n g v a r i a t i o n s i n s e e d i n g d e n s i t y w i t h p h o t o - r e s i s t s e e d i n g , m e a s u r e m e n t s o f fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s , m e a - s u r e m e n t s o f d e p o s i t i o n a r e a a n d u n i f o r m i t y , a n d d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n o n s i l i c o n I C s t h a t c o n t a i n a l u m i n u m . T h e n e x t f o u r s e c t i o n s a r e d e v o t e d t o d i s c u s s i o n s r e g a r d i n g t h e s e t o p i c s . 5 . 6 . 1 V a r i a t i o n s i n P h o t o - R e s i s t S e e d i n g I t w a s r e p o r t e d b y M a s o o d e t . a l . t h a t t h e p h o t o - r e s i s t s e e d i n g m e t h o d c o u l d y i e l d a n u c l e a t i o n d e n s i t y a s h i g h a s 1 0 9 c m ' z l 5 1 ] . T h i s c o r r e s p o n d s t o a d i a m o n d - s e e d s p a c i n g o f F i g u r e 5 3 8 l : S u b s t r a t e s i c ¥ l P P - l 3 l P P ~ l S \ - T a b l e : 0 3 y . 0 . 7 . . 1 1 . 0 . 5 . 0 . 5 L n e w t s w t r . " 0 . 1 M 1 1 3 0 . 0 . 8 2 3 6 C h e m i s t r y T S u b s t r a t e M C P R - C u S e e d i n g H z - C o z - C H 4 “ 3 o F W H M ( m g ) ( C ) ( s c c m ) P P - 1 3 7 s c r a t c h 1 0 0 - 0 - 1 . 5 6 . 8 4 9 6 1 1 . 1 P P - I S 7 s c r a t c h 1 0 0 - 0 - 1 . 5 1 3 . 2 P u l s e 1 3 T a b l e 5 . 5 : M e a s u r e m e n t s o f t h e R a m a n B s p e c t r a F W H M . 0 . 9 - 0 . 8 L 0 . 7 ~ 0 . 5 p - 0 . 4 - l l I ‘ I L l l 0 . 3 1 0 0 0 F i g u r e 5 . 3 8 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e 8 1 1 2 . 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 / c m S h i f t 1 8 0 0 2 0 0 0 J ' O ‘ C ' S S U ' U ' 0 9 > 0 8 L 0 . 7 » 3 ' I 0 6 » 0 5 > t a t , t . W W 0 % 0 3 F i g u r e 5 . 3 9 . u . a 2 3 7 P u l s e 1 5 1 r I r J . M o s s b r u c k e r 0 . 8 L 0 . 7 i 0 . 6 ' - O . 4 ' - 0 . 3 l L l T I I I I I l l l l l l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 5 . 3 9 T h e R a m a n B s p e c t r u m f r o m s u b s t r a t e S I 1 3 . b e t w e e n 2 a n d 1 6 t u s e d f o r t h e s e e x b m m s o o e n n r . l y O d d r i a i q a u c o n t i “ r l i l e c a i n p n m E a u O U r s y e S o f ' F E o M a m r p h 0 t n 0 . 5 I [ h 1 X , 2 X a n d 3 x a p p r o x i m a t e l y 0 . 3 t i o n w i t h s u b s t r a t e o n t h e o r d e r o f l t a n d 1 0 8 c m ' z . T h 1 s i t i e s a s h i g h a s i t T w o p r o c e a m o u n t o f d i a m o n r e p o r t e d t o i n c r e a s t o i n c r e a s e t h e s e e A s e t o f e x l a r g e r t h a n t h o s e 1 1 d i m l y t h a t w o u l d t h i c k n e s s W a s 0 . 5 l p h o t o r e s i s t t h i n n e F t S i s t a n d 1 6 m ] o f 2 3 8 a p p r o x i m a t e l y 0 . 3 u m . E a r l y d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d f o r t h i s d i s s e r t a - t i o n w i t h s u b s t r a t e s t h a t w e r e s e e d e d b y t h i s m e t h o d h a d d i s t a n c e s b e t w e e n d i a m o n d s e e d s o n t h e o r d e r o f 1 t o 1 0 p m , w h i c h c o r r e s p o n d t o n u c l e a t i o n d e n s i t i e s o f b e t w e e n 1 0 6 c m ' 2 a n d 1 0 8 c m ’ z . T h i s w a s a n i n d i c a t i o n t h a t w h i l e t h i s m e t h o d c o u l d a c h i e v e n u c l e a t i o n d e n - s i t i e s a s h i g h a s 1 0 9 c m ’ z , i t w a s s o m e w h a t o p e r a t o r d e p e n d e n t . T w o p r o c e s s v a r i a b l e s t h a t M a s o o d r e p o r t s c a n a f f e c t t h e s e e d i n g d e n s i t y a r e t h e a m o u n t o f d i a m o n d p o w d e r i n t h e s o l u t i o n , a n d t h e s p i n s p e e d . I n c r e a s i n g t h e f o r m e r w a s r e p o r t e d t o i n c r e a s e t h e s e e d i n g d e n s i t y m a x i m u m , a n d d e c r e a s i n g t h e l a t t e r w a s r e p o r t e d t o i n c r e a s e t h e s e e d i n g d e n s i t y u n i f o r m i t y a c r o s s t h e s u b s t r a t e . A s e t o f e x p e r i m e n t s w a s c o n d u c t e d w i t h q u a n t i t i e s o f d i a m o n d p o w d e r t h a t w e r e l a r g e r t h a n t h o s e u s e d b y M a s o o d i n a n e f f o r t t o fi n d a s e e d i n g p r o c e s s w i t h a n u c l e a t i o n d e n s i t y t h a t w o u l d b e h i g h e n o u g h t o f o r m a c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m w h e n t h e fi l m ’ s t h i c k n e s s w a s 0 . 5 u m o r t h i c k e r . F o r t h e s e e x p e r i m e n t s , t h e q u a n t i t i e s o f p h o t o - r e s i s t a n d p h o t o - r e s i s t t h i n n e r w e r e t h e s a m e a s t h o s e u s e d b y M a s o o d , w h i c h w a s 4 2 m l o f p h o t o - r e s i s t a n d 1 6 m l o f p h o t o - r e s i s t t h i n n e r . T h e d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t y w a s i n c r e a s e d t o b e t w e e n 2 a n d 1 6 t i m e s t h a t u s e d b y M a s o o d . T h e S i z e o f t h e d i a m o n d s e e d s t h a t w e r e u s e d f o r t h e s e e x p e r i m e n t s w a s < 0 . 2 5 u m . E a r l y o b s e r v a t i o n o f t h e d i a m o n d fi l m s b y o p t i c a l m i c r o s c o p e w e r e t h a t n e a r l y c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s w i t h a t h i c k n e s s o f a p p r o x i m a t e l y 0 . 5 p m w e r e g r o w n w h e n t h e q u a n t i t y o f d i a m o n d p o w d e r i n t h e p h o t o - r e s i s t s o l u t i o n w a s 3 t i m e s t h a t o f t h e M a s o o d r e c i p e . F o r q u a n t i t i e s l e s s t h a n 3 x , s p a c e s b e t w e e n s e e d s a s l a r g e a s 5 p m w e r e o b s e r v e d . S E M p h o t o s o f d i a m o n d fi l m s o n s u b s t r a t e s S 6 9 , S 7 2 a n d S 7 1 , w h i c h w e r e s e e d e d w i t h 1 x , 2 x a n d 3 x t h e M a s o o d r e c i p e , a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 4 0 t h r o u g h fi g u r e 5 . 4 2 . T h e s e F i g u 2 3 9 F i g u r e 5 . 4 0 S E M p h o t o o f $ 6 9 F i g u r e 5 . 4 1 S E M p h o t o o f S 7 2 F i g u r e 2 4 0 F i g u r e 5 . 4 3 S E M p h o t o o f S 7 3 . large r e g i o n s o n S 7 3 i s s h o w n i n fi g u r e 5 3 a p p e a r t o b e p r e s e n t S E M p h o t o s w h i c h w e r e s e e d e d are s h o w n i n fi g u q u a n t i t i e s o f d i a r m e w 5 o n M C k H E S S . T h e i r r e s p S t o o d t o a v e r a g e t h i . t h r e e fi l m s w e r e g r r a t e s w e r e 2 0 0 s e c : p o w e r w a s 1 K W , a t h e r a n g e o f 4 6 0 C 1 ' m g . w h i c h c o r r e s p t i » o b s e r v e d f r o m t h e S d i a m o n d f i l m o n $ 6 9 3 ? v 0 “ f o f 4 0 h o u r 5 1 2 4 1 t h r e e fi l m s w e r e g r o w n i n 1 0 h o u r s w i t h M C P R - C 5 , a t a p r e s s u r e o f 9 t o r r . T h e g a s fl o w r a t e s w e r e 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 5 s e e m o f C H 4 , t h e m a g n i t u d e o f t h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r w a s 1 K W , a n d t h e m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e f o r t h e t h r e e s u b s t r a t e s w a s i n t h e r a n g e o f 4 6 0 C t o 4 7 0 C . T h e i r r e s p e c t i v e w e i g h t g a i n s w e r e 1 . 2 m g , 1 . 8 m g a n d 3 . 2 m g , w h i c h c o r r e s p o n d t o a v e r a g e fi l m t h i c k n e s s e s i n t h e r a n g e o f 1 6 0 n m t o 4 5 0 n m . I t i s o b s e r v e d f r o m t h e S E M p h o t o i n fi g u r e 5 . 4 0 t h a t t h e r e a r e s p a c e s a s l a r g e a s 3 p m i n t h e d i a m o n d fi l m o n 8 6 9 . S i m i l a r l y , i t i s o b s e r v e d f r o m t h e S E M p h o t o i n fi g u r e 5 . 4 1 t h e r e a r e l a r g e r e g i o n s o n S 7 2 w h e r e d i a m o n d n u c l e a t i o n d i d n o t t a k e p l a c e . T h e fi l m o n S 7 1 , w h i c h i s s h o w n i n fi g u r e 5 . 4 2 , a p p e a r s t o b e n e a r l y c o n t i n u o u s h o w e v e r . O n l y a f e w p i n h o l e s a p p e a r t o b e p r e s e n t i n t h e fi l m , a n d t h e y a r e l e s s t h a t 0 . 5 m m i n d i a m e t e r . S E M p h o t o s f o r d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s u b s t r a t e s S 7 3 , S 7 5 a n d 8 8 3 , w h i c h w e r e s e e d e d w i t h d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s o f 3 x , 4 x , a n d 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e , a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 4 3 t h r o u g h fi g u r e 5 . 4 5 . B e s i d e s h a v i n g b e e n s e e d e d w i t h h i g h e r q u a n t i t i e s o f d i a m o n d p o w d e r t h a n S 6 9 - S 7 2 , t h e s e fi l m s w e r e g r o w n t o a m u c h g r e a t e r t h i c k n e s s . T h e i r r e s p e c t i v e w e i g h t g a i n s w e r e 1 4 . 1 m g , 1 4 . 9 m g a n d 1 6 . 9 m g , w h i c h c o r r e - s p o n d t o a v e r a g e t h i c k n e s s e s o f b e t w e e n a p p r o x i m a t e l y 2 m a n d 2 . 4 u m . T h e y w e r e e a c h g r o w n f o r 4 0 h o u r s w i t h M C P R - C 5 a t a p r e s s u r e o f 9 t o r r . T h e g a s fl o w r a t e s w e r e 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 5 s c c m o f C H 4 , t h e m a g n i t u d e o f t h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r w a s 1 K W , a n d t h e m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s w e r e a p p r o x i m a t e l y 4 7 0 C . I t i s o b s e r v e d f r o m t h e S E M p h o t o o f S 7 3 i n fi g u r e 5 . 4 3 t h a t t h e fi l m o n S 7 3 h a s s m a l l p i n h o l e s i n i t . H e n c e , a t a fi l m t h i c k n e s s o f 2 m , a d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t y o f 3 x t h e M a s o o d r e c i p e s t i l l d o e s n o t y i e l d a c o m p l e t e l y c o n t i n u o u s fi l m . F r o m t h e S E M p h o t o o f S 7 5 i n fi g u r e 5 . 4 4 i t a p p e a r s t h a t t h e fi l m i s c o n t i n u o u s a l t h o u g h t h e r e a r e a f e w d e e p c r e v i c e s i n t h e F i g u r e F 1 8 1 ! r e 2 4 2 ‘ . 1 F i g u r e 5 . 4 5 S E M p h o t o o f 8 8 3 . R o u g t r e s s , W i l l 5 t i l r n . C o n t r a r y t o ‘ 5 . 4 5 . d o e s a p p e a r s i t y o f t h e fi l m o r . F r o m t h e : q u a t e f o r d e p o s i t i w a s o b s e r v e d f r o r g r a i n s i z e d e c r e a ~ o n c e t h e s e e d i n g . i n c r e a s i n g t h e ( 1 1 3 t h i s { E d u c e s [ h e I : D a t a P r e s e f o r d i a m O n d p o w . r e m a i n s t h e q u é s t t h a n 1 6 . x t h e M a g C a l l y , O n e m a y b e s m o o t h a r e t h e fi l 1 6 x ' F o r s o n m o o n . D a t a t h a t ‘ 2 4 3 fi l m . C o n t r a r y t o t h e fi l m s o n S 6 9 t h r o u g h S 7 5 , t h e fi l m o n S 8 3 , w h i c h i s s h o w n i n fi g u r e 5 . 4 5 , d o e s a p p e a r t o b e c o n t i n u o u s . B y t h e m e t h o d o f l i n e a r i n t e r c e p t s , t h e n u c l e a t i o n d e n - s i t y o f t h e fi l m o n 8 8 3 i s o n a v e r a g e a p p r o x i m a t e l y 2 . 7 x 1 0 8 c m ' z . F r o m t h e S E M p h o t o s o f S 6 9 - S 8 3 , i t a p p e a r s t h a t 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e i s a d e - q u a t e f o r d e p o s i t i o n o f c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s w i t h a t h i c k n e s s o f 2 1 1 m . F u r t h e r m o r e , i t w a s o b s e r v e d f r o m t h e S E M p h o t o s i n fi g u r e 5 . 4 3 t h r o u g h fi g u r e 5 . 4 5 t h a t t h e a v e r a g e g r a i n s i z e d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g q u a n t i t i e s o f d i a m o n d p o w d e r . T h i s i s e v i d e n c e t h a t o n c e t h e s e e d i n g d e n s i t y i s s u f fi c i e n t f o r g r t h o f a c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m , f u r t h e r i n c r e a s i n g t h e d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t y c a u s e s i n c r e a s e d c o m p e t i t i o n b e t w e e n g r a i n s a n d t h u s r e d u c e s t h e a v e r a g e g r a i n s i z e . D a t a p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n t h u s f a r h a s S h o w n t h e i n c r e a s e i n n u c l e a t i o n d e n s i t y f o r d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s o f b e t w e e n 1 x a n d 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e ; h o w e v e r , t h e r e r e m a i n s t h e q u e s t i o n o f w h a t i n fl u e n c e i f a n y , w o u l d q u a n t i t i e s o f d i a m o n d p o w d e r g r e a t e r t h a n 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e h a v e o n d i a m o n d n u c l e a t i o n o n s i l i c o n s u b s t r a t e s . S p e c i fi - c a l l y , o n e m a y b e i n t e r e s t e d t o k n o w h o w s m a l l d o t h e g r a i n s i z e s b e c o m e , a n d h o w s m o o t h a r e t h e fi l m s w h e n t h e s u b s t r a t e i s s e e d e d w i t h d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s g r e a t e r t h a n 1 6 x . F o r s o m e a p p l i c a t i o n s , i t i s c r i t i c a l t h a t d i a m o n d fi l m s b e e i t h e r fi n e g r a i n e d o r s m o o t h . D a t a t h a t w i l l b e p r e s e n t e d i n t h e n e x t s e c t i o n , t i t l e d M e a s u r e m e n t s o f F i l m S u r f a c e R o u g h n e s s , w i l l S h o w t h a t t h e p h o t o - r e s i s t , d i a m o n d - p o w d e r s e e d i n g m e t h o d i s n o t t h e p r e f e r r e d m e t h o d o f s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t f o r d e p o s i t i o n o f s m o o t h d i a m o n d fi l m s . F o r s m o o t h d i a m o n d fi l m s , t h e p r e f e r r e d s u b s t r a t e p r o - t r e a t m e n t m e t h o d i s s c r a t c h i n g t h e s u b - s t r a t e w i t h fi n e g r a i n d i a m o n d p o w d e r , b e c a u s e i t p r o d u c e s a m u c h s m o o t h e r d i a m o n d fi l m x a t t h w e e e x c b e s s t s r a i g h t f e s g a i l b t n h s h b e w e e n o t n t t t ( h i a w t . t S i t c r z c r. I u e i a 1 n t r s w w l 8 i c fi t t O r f o r i l i i s t n a m e w m e e s T m s i d g e a c r n e c r h e e r a s e i n a s e g h t f e h a t t h i t f y i d e d u s i c o r 5 e n a . o m e t fi 4 fi l 6 l t O h . n D e i h g h g r e a r s o o e s w e d c - a V e p ’ e r a t t h a n t h e p h o t o r e x m e n t s w e r e c o n d o . 1 6 1 t h e M a s o o d r e S o m e i n s i g 2 4 4 t h a n t h e p h o t o - r e s i s t , d i a m o n d - p o w d e r s e e d i n g m e t h o d d o e s . H e n c e , n o a d d i t i o n a l e x p e r i - m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s g r e a t e r t h a n 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e . S o m e i n s i g h t i n t o t h e q u e s t i o n o f t h e e f f e c t s o f d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s i n e x c e s s o f 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e c a n b e a c q u i r e d f r o m a n a n a l y s i s o f t h e g r o w t h r a t e s o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e s e e d e d w i t h 1 6 x a n d l e s s . F i g u r e 5 . 4 6 s h o w s a g r a p h o f t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f o r d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e s e e d e d w i t h b e t w e e n 1 x a n d 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e . T h e d a t a i n t h e fi g u r e s h o w s t h a t t h e r e i s a l a r g e i n c r e a s e i n w e i g h t g a i n w h e n t h e d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t y i s i n c r e a s e d f r o m 1 x t o 8 x a n d t h e r e i s a s l i g h t i n c r e a s e i n w e i g h t g a i n f r o m 8 x t o 1 6 x . O n e w o u l d e x p e c t a n i n c r e a s e i n w e i g h t g a i n w h e n e v e r t h e a r e a o f t h e g r o w t h s u r f a c e i s i n c r e a s e . S u c h i s t h e c a s e f o r fi l m s g r o w n o n s u b s t r a t e s w i t h i n c r e a s i n g s e e d i n g d e n s i t i e s , w h i c h a r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 4 6 . T h e c o n v e r g e n c e o f w e i g h t g a i n f r o m 1 x t o 1 6 x i n t h e fi g u r e i s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e fi l m s a r e b e c o m i n g c o n t i n u o u s , a n d f u r t h e r i n c r e a s i n g t h e d i a m o n d - p o w d e r q u a n - t i t y i s n o t n e c e s s a r y f o r p r o d u c t i o n o f c o n t i n u o u s fi l m s . A f u r t h e r i n c r e a s e i n t h e q u a n t i t y o f d i a m o n d - p o w d e r i n t h e p h o t o - r e s i s t s o l u t i o n S h o u l d i n c r e a s e t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y a n d r e d u c e t h e a v e r a g e g r a i n s i z e i n t h e fi l m h o w e v e r . S o t h e r e i s t h e p o s s i b i l i t y t h a t d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s g r e a t e r t h a n 1 6 x w o u l d y i e l d e v e r fi n e r g r a i n fi l m s t h a n t h a t o f 8 8 3 ; h o w e v e r , t h e d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h i n g m e t h o d w a s c h o s e n a s a b e t t e r m e t h o d f o r p r o - d u c i n g fi n e g r a i n fi l m s . . ‘ I 5 ) 3 2 I g u r ( ‘ c ‘ I : n 4 i a G t h 5 I g 4 n I i a W e W d I . a e r u s a e M 0 F i g u r e 5 . 2 0 1 8 > - 2 4 5 2 0 I I I I r 1 6 * - i / A 1 4 . . . O D \ 1 6 X 3 . 5 . _ c : ‘ 2 ' 8 x a C D 1 0 — \ H J : . 3 ” g 8 ' 1 x ' 8 6 ‘ B Q 4 - é ’ 2 | - 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 Q u a n t i t y o f D i a m o n d P o w d e r ( m g ) F i g u r e 5 . 4 6 W e i g h t g a i n v s . d i a m o n d p o w d e r c o n c e n t r a t i o n . 5.6.2 M e a s u r e l d n t r o d d n . i d t O i t n o h n i n e . 5 . 6 . 2 . 1 I n a a m o d i t h l m s o m m o e o fi s s s t w a h e s e i n t a n c e s , t h e i n C h i t h a i p n t c e r r e a s r e p r e s e n t a 6 t h a t t l i t n g i n s t u e r n r e s u l t s , a n d t h e a m that a r e d e p o s i t e d ( that c a u s e s l i g h t s o O n e w a y t o n u c l e a t i o n d e n s i t v ' on silicon. A s m o n d e n s i t y w a s 1 o n s i l h a s b e e 2 4 6 5 . 6 . 2 M e a s u r e m e n t s o f F i l m S u r f a c e R o u g h n e s s 5 . 6 . 2 . 1 I n t r o d u c t i o n I n a d d i t i o n t o i n v e s t i g a t i n g d e p o s i t i o n r a t e s a n d fi l m q u a l i t y , i t i s i m p o r t a n t f o r s o m e d i a m o n d t h i n - fi l m a p p l i c a t i o n s t h a t a p r o c e s s b e d e v e l o p e d f o r d e p o s i t i o n o f v e r y s m o o t h fi l m s . O n e s u c h a p p l i c a t i o n i s w h e n d i a m o n d fi l m s a r e u s e d a s o p t i c a l m a t e r i a l s . I n t h e s e i n s t a n c e s , t h e fi l m ’ s s u r f a c e r o u g h n e s s b e c o m e s a c r i t i c a l v a r i a b l e . I t w i l l b e s h o w n i n C h a p t e r 6 t h a t t h e t r a n s m i s s i o n o f l i g h t t h r o u g h a t h i n - fi l m d e c r e a s e s m o n o t o n i c a l l y w i t h i n c r e a s i n g s u r f a c e r o u g h n e s s . T h i s p h e n o m e n o n o c c u r s b e c a u s e w h e n r o u g h s u r f a c e s a r e p r e s e n t a t i n t e r f a c e s b e t w e e n m a t e r i a l s o f v a r y i n g r e f r a c t i v e i n d i c e s s c a t t e r i n g o f l i g h t r e s u l t s , a n d t h e a m o u n t o f l i g h t t h a t i s t r a n s m i t t e d i s r e d u c e d . I n t h e c a s e o f d i a m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s , t h e d i a m o n d fi l m - a i r i n t e r f a c e i s a r o u g h s u r f a c e t h a t c a u s e s l i g h t s c a t t e r i n g . O n e w a y t o r e d u c e t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f a d i a m o n d fi l m i s t o i n c r e a s e t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y ; h o w e v e r , t h e r e a r e s e v e r a l v a r i a b l e s t h a t a f f e c t t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y o n s i l i c o n . A s w a s d i s c u s s e d i n e a r l i e r s e c t i o n s , a d o m i n a n t f a c t o r f o r i n c r e a s i n g t h e n u c l e - a t i o n d e n s i t y o n s i l i c o n s u b s t r a t e s i s t h e s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d . A d d i t i o n a l l y , i t h a s b e e n r e p o r t e d t h a t t h e s u r f a c e s m o o t h n e s s o f d i a m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d o n s i l i - c o n s u b s t r a t e s i s a l s o a f f e c t e d b y s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d g a s c h e m i s t r y n m m ] . H e n c e i t i s i m p o r t a n t t o c o n s i d e r a l l o f t h e s e v a r i a b l e s w h e n d e v e l o p i n g a d e p o s i t i o n p r o c e s s f o r fi n e g r a i n d i a m o n d fi l m s . D a t a i s p r e s e n t e d i n t h e n e x t t w o s e c t i o n s f o r m e a s u r e m e n t s o f fi l m s u r f a c e r o u g h - n e s s c o n s i d e r i n g t w o p r o c e s s v a r i a b l e s , s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d a n d g a s c h e m i s t r y . e v e r y 1 0 0 n m . w } I n t h e fi r s t s e c t i o r g r o w n o n s u b s t r a t e n d s e c t i o n . s u r f a s t r a t e s t h a t w e r e 5 i n c l u d e d i n t h e g e C 0 3 . T h e m e a s t s u r e m e n t s t h a t W e f a c e r o u g h n e s s w . l e n g t h W a s 1 0 0 m 5 5 1 3 1 p e a k s a n d ‘ 2 4 7 I n t h e fi r s t s e c t i o n m e a s u r e m e n t s o f s u r f a c e r o u g h n e s s a r e d i s c u s s e d f o r fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r e - t r e a t e d w i t h t h e p h o t o — r e s i s t s e e d i n g m e t h o d . I n t h e s e c - o n d s e c t i o n , s u r f a c e r o u g h n e s s m e a s u r e m e n t s a r e p r e s e n t e d f o r d i a m o n d fi l m s o n s u b - s t r a t e s t h a t w e r e s c r a t c h s e e d e d . A d d i t i o n a l l y , s u r f a c e r o u g h n e s s m e a s u r e m e n t s a r e i n c l u d e d i n t h e s e c o n d s e c t i o n f o r fi l m s g r o w n w i t h v a r i o u s g a s m i x t u r e s o f H 2 , C H 4 a n d C 0 2 . T h e m e a s u r e d s u r f a c e r o u g h n e s s t h a t a r e p r e s e n t e d h e r e a r e a v e r a g e s o f fi v e m e a - s u r e m e n t s t h a t w e r e t a k e n f r o m t h e c e n t e r o f e a c h p a r t i c u l a r s u b s t r a t e . T h e a c t u a l fi l m s u r - f a c e r o u g h n e s s w e r e m e a s u r e d w i t h a D e k t a k I I A . F o r e a c h D e k t a k m e a s u r e m e n t , t h e s c a n l e n g t h w a s 1 0 0 n m , t h e s c a n s p e e d w a s s l o w , t h e r a n g e w a s s e t t o a u t o , a n d t h e p r o fi l e w a s s e t a t p e a k s a n d v a l l e y s . F o r a s c a n l e n g t h o f 1 0 0 n m , t h e D e k t a k t a k e s a m e a s u r e m e n t e v e r y 1 0 0 n m , w h i c h c o r r e s p o n d s t o 1 0 0 0 m e a s u r e m e n t s p e r s c a n . 5 . 6 . 2 . 1 . ] S u b s t r a t e s P r e - T r e a t e d w i t h t h e P h o t o - R e s i s t M e t h o d I t w a s o b s e r v e d f r o m t h e S E M p h o t o s s h o w n e a r l i e r i n t h i s c h a p t e r t h a t t h e a v e r a g e g r a i n s i z e o f d i a m o n d fi l m s d e c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g q u a n t i t i e s o f d i a m o n d p o w d e r f o r d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r e - t r e a t e d b y t h e p h o t o - r e s i s t m e t h o d . F o r e x a m p l e , t h e fi l m s o n s u b s t r a t e s S 7 3 , S 7 5 , a n d 8 8 3 ( S E M p h o t o s w e r e s h o w n i n fi g u r e 5 . 4 - 4 t h r o u g h fi g u r e 5 . 4 5 ) w e r e s e e d e d w i t h d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t i e s o f 3 x , 4 x a n d 1 6 x t h e M a s o o d r e c i p e . F r o m t h e S E M p h o t o s i t w a s a p p a r e n t t h a t w h i l e t h e y w e r e n e a r l y e q u a l i n t h i c k n e s s t h e fi l m o n 8 8 3 , w h i c h w a s p r e - t r e a t e d w i t h a d i a m o n d q u a n t i t y o f 1 6 x , h a d m u c h fi n e r g r a i n s t h a n S 7 3 a n d S 7 5 . T a b l e 5 . 6 l i s t s t h e a v e r a g e s u r f a c e r o u g h n e s s f o r fi v e fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s u b - o l n d e s s o t b h s e r v a a n t h a t t i o o n f . n o u s fi l m different. t h a t M 5 7 3 “ a $ 8 3 w a s s e e d e d t fi n e r g r a i n fi l m s . s m a l l e r b e t w e e n s u r f a c e F t h e i r d c ; fl o w rate, w h i c h rate, w h i c h w a s 3 l o w e r a v e r a g e s u p r e d i c t s , h i g h e r f s t r a t e s t h a t w e r e o b s e r v a t i o n f r o r . ‘ T h i s i s s i g n i fi c a : o n l y d i f f e r e n c e : r o u g h n e s s i n c r e . g r a i n s . I n C h a p t e m a g n i t u d e i n t a b : 1 1 1 2 4 8 s t r a t e s t h a t w e r e p r e - t r e a t e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t , d i a m o n d p o w d e r m e t h o d . T h e fi r s t o b s e r v a t i o n f r o m t a b l e 5 . 6 i s t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f S 7 3 i s g r e a t e r t h a n t h a t o f S 7 1 . T h i s i s s i g n i fi c a n t b e c a u s e t h e s e t w o fi l m s w e r e g r o w n u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s . T h e o n l y d i f f e r e n c e i s t h a t S 7 3 i s 4 t i m e s a s t h i c k a s S 7 1 . O n e w o u l d e x p e c t t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s i n c r e a s e s a s t h e fi l m s g r o w s t h i c k e r , a s i s t h e c a s e w i t h S 7 1 a n d S 7 3 . T h e s e c - o n d o b s e r v a t i o n f r o m t a b l e 5 . 6 i s t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f S 8 3 i s a p p r o x i m a t e l y 4 0 % l e s s t h a n t h a t o f S 7 3 , w h i c h i s a s l i g h t l y t h i n n e r fi l m . A g a i n , S S 3 a n d S 7 3 a r e b o t h c o n t i n - u o u s fi l m t h a t w e r e g r o w n u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s ; h o w e v e r , t h e i r p r e - t r e a t m e n t w a s d i f f e r e n t . S 7 3 w a s s e e d e d w i t h a d i a m o n d p o w d e r q u a n t i t y o f 3 x t h e M a s o o d r e c i p e , a n d S S 3 w a s s e e d e d w i t h 1 6 x . T h i s s h o w s t h a t h i g h e r q u a n t i t i e s o f d i a m o n d p o w d e r p r o d u c e fi n e r g r a i n fi l m s . T h e fi n a l o b s e r v a t i o n f r o m t a b l e 5 . 6 i s t h a t t h e fi l m s o n S 7 8 a n d S S 4 h a v e s m a l l e r s u r f a c e r o u g h n e s s t h a n S S 3 . T h i s i s s i g n i fi c a n t b e c a u s e t h e p r i m a r y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e i r d e p o s i t i o n p r o c e s s e s w a s t h e fl o w o f m e t h a n e . S 7 8 h a d a h i g h e r m e t h a n e fl o w r a t e , w h i c h w a s 8 s c c m , t h a n 8 8 3 . L i k e w i s e , S S 4 h a d a n e v e n h i g h e r m e t h a n e fl o w r a t e , w h i c h w a s 1 0 s c c m . S o i t a p p e a r s t h a t h i g h e r m e t h a n e fl o w r a t e s r e s u l t i n fi l m s w i t h l o w e r a v e r a g e s u r f a c e r o u g h n e s s . O n e m i g h t e x p e c t t h i s b e c a u s e a s t h e B a c h m a n n m o d e l p r e d i c t s , h i g h e r fl o w r a t e s r e s u l t i n m o r e t w i n n i n g a n d h e n c e t h e a p p e a r a n c e o f s m a l l e r g r a i n s . I n C h a p t e r 6 , d a t a w i l l b e p r e s e n t e d t h a t s h o w s t h a t a fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e m a g n i t u d e i n t a b l e 5 . 6 c a n r e d u c e t h e t r a n s m i s s i o n o f l i g h t t o b e l o w 1 0 % f o r w a v e l e n g t h s a t 1 6 0 0 n m a n d s h o r t e r . H e n c e , t h e d a t a i n t h e t a b l e i n d i c a t e s t h a t fi l m s g r o w n o n s u b s t r a t e s t h a t a r e p r e - t r e a t e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t , d i a m o n d - p o w d e r m e t h o d a r e n o t a d e q u a t e f o r o p t i c a l c o a t i n g s . F fi S u h s t r a t e S 7 1 N b : W t “ S 8 3 S 7 8 3 8 4 T N a b l e 5 1 , . 2 4 9 A v e r a g e , M e a s u r e d I g l e l a s t u r e t d T 1 2 1 ? P r o c e s s G a s M e a s u r e d S u b s t r a t e S u r f a c e 3 , ; 1 : : “ 6 : 8 ' C o m p o s i t i o n S u b s t r a t e R o u g h n e s s G a i n E m ) ( ) H z - C O Z - C H 4 T e m p e r a t u r e o m ( n m ) g u m S 7 1 1 7 9 . 0 3 . 2 0 . 4 5 2 0 0 - 0 - 5 4 6 8 C S 7 3 2 4 2 . 6 1 4 . 1 1 . 9 8 2 0 0 - 0 - 5 4 7 3 C S 8 3 1 5 5 . 6 1 6 . 9 2 . 3 7 2 0 0 - 0 - 5 4 7 1 C 8 7 8 1 2 4 . 2 1 7 . 3 2 . 4 3 2 0 0 - 0 - 1 0 4 7 2 C 8 8 4 1 1 2 . 1 1 7 . 8 2 . 5 0 2 0 0 - 0 - 8 4 7 0 C T a b l e 5 . 6 : M e a s u r e d S u r f a c e R o u g h n e s s f o r P h o t o - R e s i s t S e e d e d S u b s t r a t e s . 5 . 6 . 2 . 1 . 2 T a b I t r e a t e d s e c t i o n W [ i 1 t 5 h ' 5 ' e d 1 ; [ 1 0 1 1 3 1 1 3 3 S E M 5 . 5 0 . C o m p t h a t 5 8 5 h a s ‘ a l ’- b e c a l l 5 € t h d i f f e r e n c e s c r a t c h s e e e b d fi l l ? “ e i t n ‘ g . T o f u i n g . it i s i m p r o t h e n m c h o f e H m i s t r y - 2 a n d 8 C H 4 . w h i c h W h e a r g e s o u g n u h a n a v e r S U r f a c e T h e m s w r n c c m a C f e s O a s \ ; c e s photos in fi g U r e 5 e(11181. 2 5 0 5 . 6 . 2 . 1 . 2 S u b s t r a t e s P r e - T h ‘ e a t e d w i t h D i a m o n d - P o w d e r S c r a t c h S e e d i n g T a b l e 5 . 7 l i s t s t h e a v e r a g e s u r f a c e r o u g h n e s s f o r f o u r s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r e - t r e a t e d w i t h d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h i n g m e t h o d ( r e f e r t o s e c t i o n [ 3 . 3 . 2 ] ) . A s w a s s t a t e d i n s e c t i o n [ 2 . 5 . 1 ] t h i s t e c h n i q u e c a n a c h i e v e n u c l e a t i o n d e n s i t i e s a s h i g h a s 1 0 1 0 c m ’ z . A d d i - t i o n a l l y , S E M p h o t o s f o r t h e fi l m s i n t a b l e 5 . 7 a r e i n c l u d e d i n fi g u r e 5 . 4 7 t h r o u g h fi g u r e 5 . 5 0 . C o m p a r i s o n o f t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f S 8 5 f r o m t a b l e 5 . 3 t o t h a t o f S 7 1 s h o w s t h a t S 8 5 h a s a s u r f a c e r o u g h n e s s t h a t i s 8 0 % l o w e r t h a n t h a t o f S 7 1 . T h i s i s s i g n i fi c a n t b e c a u s e t h e fi l m s o n t h e s e t w o s u b s t r a t e s w e r e g r o w n u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s . T h e o n l y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m w a s t h e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d . H e n c e , i t i s a p p a r e n t t h a t t h e s c r a t c h s e e d i n g m e t h o d c a n p r o d u c e m u c h s m o o t h e r d i a m o n d fi l m s . T o f u r t h e r i n v e s t i g a t e t h e p o t e n t i a l f o r p r o d u c i n g fi n e g r a i n fi l m s w i t h s c r a t c h s e e d - i n g , i t i s i m p o r t a n t t o i n c l u d e t h e e f f e c t s o f g a s c h e m i s t r y . H e n c e , C 0 2 w a s a d d e d t o t h e c h e m i s t r y . T h e t h r e e r e m a i n i n g fi l m s l i s t e d i n t a b l e 5 . 7 w e r e a l l p r o c e s s e s w i t h 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 8 s c c m o f C 0 2 . T h e o n l y p r o c e s s v a r i a b l e b e t w e e n t h e m w a s t h e fl o w r a t e o f C H 4 , w h i c h w a s v a r i e d f r o m 3 s c c m t o 8 s c c m . W h e n C 0 2 w a s a d d e d t o t h e g a s m i x t u r e , o n e p a r t i c u l a r g a s fl o w r a t i o r e s u l t e d i n a n a v e r a g e s u r f a c e r o u g h n e s s t h a t w a s f a r l e s s t h a n t h a t o f o t h e r s . I t w a s a l s o l e s s t h a n t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f fi l m s t h a t w e r e g r o w n w i t h o u t C 0 2 . I t w a s o b s e r v e d f r o m t h e S E M p h o t o s i n fi g u r e 5 . 4 8 t h r o u g h fi g u r e 5 . 5 0 t h a t w h e n t h e f l o w r a t e o f C 0 2 a n d C H 4 w e r e e q u a l , w h i c h w a s t h e c a s e f o r S 1 0 0 , t h e a v e r a g e g r a i n s i z e a p p e a r e d t o b e m u c h s m a l l e r t h a n t h a t o f a n y o t h e r fi l m . T h e m e a s u r e d s u r f a c e r o u g h n e s s o f S 1 0 0 , w h i c h i s l i s t e d i n t a b l e 5 . 7 , w a s a p p r o x i m a t e l y l l - n m . I t i s a l s o i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t S 9 2 h a d a l o w e r a r m s S u b s t r a t e l l e i / 8 8 5 8 8 9 S 9 2 l 2 5 1 A v e r a g e M e a s u r e d F i l m M e a s u r e d S b t t e T h ' k P r o c e s s G a s M e a s u r e d S u b s t r a t e S u r f a c e : V e s i g r ; t “ : 5 ' C o m p o s i t i o n S u b s t r a t e R o u g h n e s s G a i n ( m ) ( ) H Z ' C O Z ' C H 4 T e m p e r a t u r e O m ( n m ) g p m 8 8 5 3 5 . 5 4 . 7 0 . 6 6 2 0 0 - O - 5 4 7 2 C S 8 9 5 6 1 . 5 5 . 8 0 . 8 1 2 0 0 - 8 - 3 4 7 6 C $ 9 2 2 4 . 7 6 . 5 0 . 9 1 2 0 0 - 8 - 5 4 7 0 C 8 1 0 0 1 0 . 9 8 . 4 1 . 1 8 2 0 0 - 8 - 8 4 7 0 C T a b l e 5 . 7 : M e a s u r e d S u r f a c e R o u g h n e s s f o r S c r a t c h S e e d S u b s t r a t e s F i g u r . F l é ’ l l r e F 2 5 2 i g u r e 5 . 4 7 S E M p h o t o o f S 8 5 F i g u r e 5 . 4 8 S E M p h o t o o f S 8 9 . F i g u r e . 8 “ m 8 9 2 a 2 m m e o n 2 : 5 m n N t h a n 5 8 5 e v e n d e p o s i t i o n c o r S 9 2 a n d 0 s c c r e s u l t i n g s u r f ; p r i s i n g l y h i g h A l l o f m e t h o d , S C I ' Z i I t n u c l e a t i o n d c ] r e s u l t i n S m a l l $ 8 9 a n d S 9 2 2 a S t r o n g i n fl u e [ h i s c a s e , t h e l 2 5 4 t h a n S 8 5 e v e n t h o u g h i t w a s t h e t h i c k e r o f t h e t w o fi l m s . T h e o n l y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e d e p o s i t i o n c o n d i t i o n s o f t h e s e t w o fi l m s w a s t h e fl o w r a t e o f C 0 2 , w h i c h w a s 8 s c c m f o r S 9 2 a n d 0 s c c m f o r S 8 5 . T h i s i s a n o t h e r i n d i c a t i o n t h a t t h e a d d i t i o n o f C 0 2 a f f e c t s t h e r e s u l t i n g s u r f a c e r o u g h n e s s . T h e m e a s u r e d s u r f a c e r o u g h n e s s f r o m t h e fi l m o n S 8 9 i s s u r - p r i s i n g l y h i g h a n d i s p e r h a p s a n o m a l o u s A l l o f t h e s u b s t r a t e s l i s t e d i n t a b l e 5 . 7 w e r e p r e - t r e a t e d , i . e . s e e d e d , b y t h e s a m e m e t h o d , s c r a t c h s e e d i n g . H e n c e , o n e m i g h t e x p e c t t h a t t h e y s h o u l d a l l h a v e t h e s a m e n u c l e a t i o n d e n s i t y , a n d t h a t t h e t h i n n e r fi l m s w o u l d h a v e fi n e r g r a i n fi l m s , w h i c h w o u l d r e s u l t i n s m a l l e r s u r f a c e r o u g h n e s s . S i n c e t h e fi l m o n S 1 0 0 i s t h i c k e r t h a n t h e o n e s o n S 8 5 , S 8 9 a n d S 9 2 a n d i t h a s s m a l l e r g r a i n s i z e s , i t i s a p p a r e n t t h a t t h e d e p o s i t i o n c h e m i s t r y h a s a s t r o n g i n fl u e n c e o n t h e r e s u l t i n g s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d fi l m s . I n t h i s c a s e , t h e l o w e r s u r f a c e r o u g h n e s s i s d u e t o t h e a d d i t i o n o f a s p e c i fi c a m o u n t o f C 0 2 t o t h e g a s c h e m i s t r y . 5 . 6 . 2 . 1 . 3 S u m m a r y o f S u r f a c e M e a s u r e m e n t s T h e d a t a p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e n u c l e a t i o n d e n s i t y a n d g r a i n s i z e o f d i a m o n d fi l m s h a s a d e p e n d e n c y o n t h e s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d a s w e l l a s t h e d e p o s i t i o n g a s c o m p o s i t i o n . F u r t h e r m o r e , t h e g a s c o m p o s i t i o n o f 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 a n d 8 s c c m o f C H 4 y i e l d s a v e r y l o w d i a m o n d fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s . A n i n v e s t i g a t i o n o f t h e t r a n s m i s s i o n o f l i g h t f o r fi l m s d e p o s i t e d w i t h t h e g a s c o m p o s i t i o n s m e n t i o n e d h e r e w i l l b e p r o v i d e d l a t e r i n C h a p t e r 6 . I n s o m w a f e r . e F € 5 , 5 m m 8 6 m ‘ O b s e r v e d t h a t ii. cavity. A t 5 a n d 5 . 6 . 3 A n I I n a d v a r i a b l e s o f i d e p o s i t i o n a r 3 " a n d 4 " s i l i t i o n w a s c o m m o n d fi l m s C l d i a m e t e r w i t h 0 - 9 m g / h r a t 4 ' h r a t 4 9 0 C { O c h e m i s t r y w a . a n d 9 I o r r . P r e m o n d P o w d e r O b g e n . d i a m o n d fi l m s . C h a n S e s . A n a r T h e s e O b “ ‘ 1 ' 2 5 5 5 . 6 . 3 A n I n v e s t i g a t i o n o f D e p o s i t i o n a n d U n i f o r m i t y o n 3 ” a n d 4 ” S u b s t r a t e s I n a d d i t i o n t o g r o w t h r a t e , fi l m q u a l i t y , a n d s u r f a c e r o u g h n e s s , t w o o t h e r p r o c e s s v a r i a b l e s o f i n t e r e s t f o r t h e b e n c h m a r k s i l i c o n d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w e r e t h e d e p o s i t i o n a r e a a n d d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . A f e w p i l o t e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h 3 ” a n d 4 ” s i l i c o n s u b s t r a t e s t o i n v e s t i g a t e t h e s e p r o p e r t i e s . F o r t h e s e e x p e r i m e n t s , d e p o s i - t i o n w a s c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 5 a n d M C P R - C 7 . T h e r e s u l t s w e r e t h a t c o n t i n u o u s d i a - m o n d fi l m s c o u l d b e d e p o s i t e d o v e r t h e e n t i r e s u r f a c e o f s u b s t r a t e s a s l a r g e a s 4 i n c h e s i n d i a m e t e r w i t h b o t h M C P R c o n fi g u r a t i o n s . D e p o s i t i o n r a t e s w e r e o b s e r v e d t o b e a s h i g h a s 0 . 9 m g / h r a t 4 7 0 C f o r 4 0 h o u r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h 3 i n c h s u b s t r a t e s , a n d 0 . 7 5 m g / h r a t 4 9 0 C f o r 1 5 h o u r d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h 4 i n c h s u b s t r a t e s . T h e d e p o s i t i o n c h e m i s t r y w a s 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 5 s c c m o f C H 4 a n d t h e p r e s s u r e w a s v a r i e d b e t w e e n 5 a n d 9 t o r r . P r e t r e a t m e n t o f t h e s u b s t r a t e s c o n s i s t e d o f a b r a s i o n s e e d i n g w i t h 0 . 2 5 u m d i a - m o n d p o w d e r . O b s e r v a t i o n s o f fi l m u n i f o r m i t y w e r e m a d e b y v i e w i n g t h e c o l o r s o f t h e d e p o s i t e d d i a m o n d fi l m s . A s t h e t h i c k n e s s o f a t r a n s p a r e n t fi l m c h a n g e s , t h e c o l o r o f t h e fi l m c h a n g e s . A n a r e a o f a fi l m t h a t h a s a s i n g l e c o l o r h a s a u n i f o r m i t y o n t h e o r d e r o f 5 0 n m . I n s o m e c a s e s , 1 5 t o 2 0 c o l o r c h a n g e s w e r e o b s e r v e d o v e r t h e r a d i u s o f a 3 i n c h s i l i c o n w a f e r . F o r fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n 4 i n c h s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h M C P R - C 7 , i t w a s o b s e r v e d t h a t fi l m s c o u l d b e g r o w n t o w i t h i n o n e c o l o r o v e r a n a r e a a s l a r g e a s 3 . 0 i n c h e s a t 7 t o r r i f t h e s u b s t r a t e l o c a t i o n w a s b e t w e e n 0 m m a n d 3 m m a b o v e t h e fl o o r o f t h e b r a s s c a v i t y . A t 5 a n d 9 t o r r , t h e s i n g l e c o l o r a r e a d e c r e a s e s t o a s l i t t l e a s 2 . 1 i n c h e s . T h e s e o b s e r v a t i o n s w e r e l a t e r a p p l i e d t o 2 i n c h s i l i c o n a n d 2 i n c h g l a s s s u b s t r a t e s w i t h e x c e l l e n t r e s u l t s . W i t h M C P R - C 7 a n d a q u a r t z t u b e h e i g h t d 1 = 5 8 m m fi l m s w e r e r o u - deposition o n silig t i n e l v g r o w n 5 . 6 . 4 D e p o s I n a d d b e u s e f u l f o r s o v e r c o a t i n g 0 m i g h t f u n c t i o n S p o t s , o r t h e y r u n d e r l y i n g d e t I n p r e v i 0 n a s i l i c o n W a : P r i n t i n g d e v i c e s l i f e t i m e . T h e s u ? t h e d i a l n o n d P ' d x i j r O ' e l e C U O n i c 6 6 0 C ’ a n d i f 1 1 \ r a g e d T h e l o w I t t h a t d i a m 0 n d m m t i o n a r C V D d ' 1 a m . 2 5 6 t i n e l y g r o w n a s t h i c k a s 1 . 5 u m t h a t h a d a t m o s t t w o c o l o r s f r o m e d g e t o e d g e . 5 . 6 . 4 D e p o s i t i o n o n S i l i c o n I C S u b s t r a t e s I n a d d i t i o n t o i t s m a n y p o t e n t i a l m e c h a n i c a l a p p l i c a t i o n s , d i a m o n d fi l m s m a y a l s o b e u s e f u l f o r s e v e r a l e l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n s . O n e p o s s i b l e e l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n i s a n o v e r - c o a t i n g o n s u b s t r a t e s t h a t c o n t a i n m i c r o - e l e c t r o n i c c i r c u i t s . D i a m o n d o v e r - c o a t i n g s m i g h t f u n c t i o n a s t h e r m a l c o n d u c t o r s , w h i c h w o u l d s p r e a d o u t h e a t f r o m t h e r m a l h o t s p o t s , o r t h e y m a y b e u s e d a s a p a s s i v a t i o n l a y e r , w h i c h c o u l d l e n g t h e n t h e l i f e o f t h e u n d e r l y i n g d e v i c e s . I n p r e v i o u s w o r k , h o t - fi l a m e n t C V D w a s u s e d t o d e p o s i t a 2 p m t h i c k d i a m o n d fi l m o n a s i l i c o n w a f e r t h a t c o n t a i n e d c i r c u i t r y t h a t w a s d e s i g n e d f o r u s e i n t h e r m a l t r a n s f e r p r i n t i n g d e v i c e s [ 9 4 ] . I t w a s n o t e d t h a t t h e s e d i a m o n d c o a t e d d e v i c e s e x h i b i t e d s u p e r i o r l i f e t i m e . T h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s r e p o r t e d t o h a v e b e e n 8 5 0 C d u r i n g d e p o s i t i o n o f t h e d i a m o n d p a s s i v a t i o n l a y e r h o w e v e r . T h i s t e m p e r a t u r e i s t o o h i g h f o r c o n v e n t i o n a l m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e s . S u c h d e v i c e s c o n t a i n a l u m i n u m , w h i c h h a s a m e l t i n g p o i n t o f 6 6 0 C , a n d i f i t w e r e e x p o s e d t o s u c h a n e x t r e m e t e m p e r a t u r e t h e d e v i c e s w o u l d b e d a m - a g e d . T h e l o w m e l t i n g p o i n t o f t h e a l u m i n u m l a y e r s i n m i c r o e l e c t r o n i c c i r c u i t s d i c t a t e s t h a t d i a m o n d fi l m o v e r - c o a t i n g s m u s t b e d e p o s i t e d a t t e m p e r a t u r e s b e l o w t h o s e o f c o n v e n - t i o n a l C V D d i a m o n d p r o c e s s e s . C o n s e q u e n t l y , a p i l o t s t u d y o f l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n o n s i l i c o n i n t e g r a t e d c i r c u i t s w a s i n c l u d e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n “ ) . S i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h a ( 1 0 0 ) o r i e n t a t i o n w e r e p r o c e s s e d t o f a b r i c a t e r e s i s t o r s a n d b i p o l a r j u n c t i o n t r a n s i s t o r s . B o r o n d i f f u s i o n t h r o u g h o x i d e w i n d o w s w a s u s e d t o f o r m d i f - d h l g h e r m a g n l fi c f u s e d r e s i s t o r s i o n w a s u s e . t h e n - t y p e c o l w a s d e p o s i t e d c o n v e n t i o n a l ; p a s s i v a t i o n l a } T h e I C s e e d i n g m e t h o t e d l y d a m a g e t h A c o n t i : l I l e d i a m e t e r 3 ; 5 c m o f C 0 3 , a r t 1 v a a r i d t h e 3 ‘ . ’ r e s u l t j n g fi l m h a . “ 0 ' 6 7 1 1 m . F i g u r e 5 . : b e n e a t h t h e ” a n y 2 5 7 f u s e d r e s i s t o r a n d p - t y p e b a s e r e g i o n s f o r t h e t r a n s i s t o r s . A s u b s e q u e n t p h o s p h o r u s d i f f u - s i o n w a s u s e d t o f o r m t h e n - t y p e e m i t t e r r e g i o n s f o r t h e t r a n s i s t o r s , a n d o h m i c c o n t a c t s t o t h e n - t y p e c o l l e c t o r s . C o n t a c t s c u t s w e r e m a d e t o t h e u n d e r l y i n g s i l i c o n a n d a l u m i n u m w a s d e p o s i t e d b y t h e r m a l e v a p o r a t i o n . T h e a l u m i n u m l a y e r w a s p a t t e r n e d a n d e t c h e d b y c o n v e n t i o n a l p h o t o l i t h o g r a p h y t o f o r m c o n t a c t p a d s f o r d e v i c e t e s t i n g p u r p o s e s . A n o x i d e p a s s i v a t i o n l a y e r w a s n o t u s e d . T h e I C s u b s t r a t e s w e r e p r e - t r e a t e d , i . e . s e e d e d , w i t h t h e p h o t o - r e s i s t d i a m o n d s e e d i n g m e t h o d . T h e a b r a s i v e s e e d i n g t e c h n i q u e s w e r e n o t u s e d s i n c e i t w o u l d u n d o u b t - e d l y d a m a g e t h e d e l i c a t e m e t a l l i z a t i o n p a t t e r n s . A c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m w a s d e p o s i t e d a t 9 t o r r o v e r t h e e n t i r e s u r f a c e o f a 2 i n c h d i a m e t e r s i l i c o n I C w a f e r w i t h M C P R - C 5 . T h e g a s fl o w r a t e s w e r e 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 , a n d 3 s c c m o f C H 4 . T h e p r e s s u r e w a s 9 t o r r t h e i n p u t m i c r o w a v e p o w e r w a s 1 K W , a n d t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s m e a s u r e d b y o p t i c a l p y r o m e t r y t o b e 4 6 5 C . T h e r e s u l t i n g fi l m h a d a w e i g h t g a i n o f 4 . 8 m g , w h i c h c o r r e s p o n d s t o a n a v e r a g e fi l m t h i c k n e s s o f 0 . 6 7 u m . F i g u r e 5 . 5 1 s h o w s a 1 0 0 x o p t i c a l m i c r o g r a p h v i e w o f d e t a i l s o f t h e I C s t r u c t u r e b e n e a t h t h e t r a n s p a r e n t d i a m o n d fi l m . F i g u r e 5 . 5 2 s h o w s a s e c o n d m i c r o g r a p h , w h i c h i s a t a h i g h e r m a g n i fi c a t i o n . F r o m t h e s e p h o t o s i t i s o b s e r v e d t h a t t h e d i a m o n d fi l m i s c o n t i n u - o u s a n d p o l y c r y s t a l l i n e . T h e l i g h t , s q u a r e - s h a p e d f e a t u r e s i n t h e fi g u r e s c o r r e s p o n d t o a l u - m i n u m p a t t e r n s t h a t a r e a p p r o x i m a t e l y Z O O - u m w i d e . T h e o t h e r v a r y i n g p a t t e r n s a r e o x i d e l a y e r s o f v a r y i n g t h i c k n e s s e s . F i g u r e 5 . 5 1 A p h o t o o f d i a m o n d c o a t e d d e v i c e s . F i g u r e 5 . 5 2 A p h o t o o f a d i a m o n d c o a t e d I C . o s i t i o n r e s u 3 8 d e v e s t h a W r C a E t B e t I O O l p c T t s ; e d c u r h e ‘ U - a l i g n . I 5 . 7 S u m ] D a t a M C P R t e c h n s t r a t e s a t t e r m t h e l o w - t e m p t d i s s e r t a t i o n . i s t e r s u p t o 4 - i n t p e r a t u r e a n d t i P r e s e n t 2 5 9 5 . 7 S u m m a r y D a t a h a s b e e n p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r t h a t d e m o n s t r a t e s t h a t t h e M S U d e v e l o p e d M C P R t e c h n o l o g y i s c a p a b l e o f p r o d u c i n g c o n t i n u o u s , t h i n d i a m o n d fi l m s o n s i l i c o n s u b - s t r a t e s a t t e m p e r a t u r e s i n t h e r a n g e o f 4 0 0 C t o 5 5 0 C . F u r t h e r m o r e , i t h a s b e e n s h o w n t h a t t h e l o w - t e m p e r a t u r e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s , w h i c h w a s d e v e l o p e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n , i s c a p a b l e o f d e p o s i t i n g d i a m o n d fi l m s o n d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s w i t h d i a m e - t e r s u p t o 4 - i n c h e s . D e p o s i t i o n r a t e s , w h i c h a r e h i g h l y d e p e n d e n t o n t h e s u b s t r a t e ’ s t e m - p e r a t u r e a n d t h e g a s c h e m i s t r y , w e r e i n t h e r a n g e o f 1 0 n m / h r t o 1 0 0 n m / h r . P r e s e n t e d fi r s t i n t h i s c h a p t e r w e r e c o m p a r i s o n s b e t w e e n a c t u a l e x p e r i m e n t a l d e p - o s i t i o n r e s u l t s a n d t h e p r e d i c t i o n s o f t w o g r o w t h m o d e l s . T h e fi r s t m o d e l w a s t h e o n e t h a t w a s d e v e l o p e d b y H a r r i s a n d G o o d w i n . I t p r e d i c t s c h a n g e s i n d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n r a t e s t h a t o c c u r d u e t o v a r i a t i o n s i n t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d t h e m e t h y l r a d i c a l c o n - c e n t r a t i o n . T h e s e c o n d m o d e l w a s t h e B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m . T h i s m o d e l i s g e n e r i c i n t h a t i t p r e d i c t s t h e t r e n d s o f t h e d e p o s i t i o n r a t e a n d t h e fi l m q u a l i t y i n d e p e n d e n t o f t h e C V D p r o c e s s a n d t h e i n p u t g a s c h e m i s t r y . I t w a s r e p o r t e d t h a t t h e e x p e r i m e n t a l , d i a m o n d - fi l m d e p o s i t i o n - r a t e d i d n o t a l w a y s c o r r e l a t e w i t h t h e p r e d i c t i o n s o f t h e H a r r i s - G o o d w i n g r o w t h m o d e l . F o r d e p o s i t i o n a t v a r y i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s , e x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e m o d e l ; h o w - e v e r , w h e n g a s p r e s s u r e a n d m e t h a n e fl o w r a t e w e r e e x a m i n e d a s i n d e p e n d e n t p r o c e s s v a r i a b l e s t h e d a t a d i d n o t a l w a y s m a t c h t h e p r e d i c t i o n s o f t h e m o d e l . T h e m o d e l ’ s p r e d i c - t i o n o f i n c r e a s e d d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n r a t e , n g G , w i t h i n c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e w a s m a t c h e d v a r y w e l l b y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . W h e n t h e g a s p r e s s u r e i s s i n g l e d o u t a s a p r o c e s s v a r i a b l e , a s i m p l e a p p l i c a t i o n o f B a c h m a n n C H h y d r o g e n , m e l h a t h e m o d e l a t h i s i n s t a n c e p r e s s u r e . i t I l l O n e p o s s i b l e 1 0 1 ' v a r y i n g g t h e d i s t r i b u t i c i l l - t u m c a u s e . 0 f H I N T I S ~ G O O p r e s s u r e p r o d u “ h e n t m i x e d . T h e 3 P 1 W h i l e t h e m e t h ; w i t h i n c m a s i n g o f t h e fl o w r a t e t h e d e P O S t t i o n 1 r a n g e M 1 5 9 7 0 1 r a t e m u t a t e d a h i g h e r t h a n 2 . 5 r e P o r t e d b y Z h ; A C o m l 2 6 0 t h e m o d e l a g a i n p r e d i c t s a n i n c r e a s e i n d e p o s i t i o n r a t e , w g fl g , w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . I n t h i s i n s t a n c e , e x p e r i m e n t a l d a t a d i d n o t s h o w a n i n c r e a s e i n g r o w t h r a t e w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e , i t r e m a i n e d e s s e n t i a l l y t h e s a m e f o r p r e s s u r e s i n t h e r a n g e o f 7 t o r r t o 1 5 t o r r . O n e p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m o d e l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r v a r y i n g g a s p r e s s u r e s w a s t h a t i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e i n t h e M P C R m a y r e d u c e t h e d i s t r i b u t i o n o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s , T e . A r e d u c t i o n i n t h e d i s t r i b u t i o n o f T e w o u l d i n - t u r n c a u s e a r e d u c t i o n i n t h e d i s s o c i a t i o n r a t e o f C H 4 . I t w a s a s s u m e d i n t h e a p p l i c a t i o n o f H a r r i s - G o o d w i n m o d e l t o t h i s r a n g e o f o p e r a t i o n o f t h e M C P R , t h a t i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e p r o d u c e s h i g h e r c o n c e n t r a t i o n s o f m e t h y l r a d i c a l s , [ C H m ] . W h e n t h e m e t h a n e fl o w r a t e w a s s i n g l e d o u t a s a p r o c e s s v a r i a b l e , t h e r e s u l t s w e r e m i x e d . T h e a p p l i e d m o d e l p r e d i c t s t h a t i f t h e m e t h a n e d i s s o c i a t i o n r a t e r e m a i n s t h e s a m e w h i l e t h e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n i s i n c r e a s e d , t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e , n g G , w i l l i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n . A t m e t h a n e fl o w r a t e s e q u a l t o a n d l e s s t h a n 2 . 5 % o f t h e fl o w r a t e o f h y d r o g e n , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e w a s a n i n c r e a s e i n t h e d e p o s i t i o n r a t e , w h i c h c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e m o d e l . F o r m e t h a n e fl o w r a t e s i n t h e r a n g e o f 2 . 5 % t o 5 % o f t h e fl o w r a t e o f h y d r o g e n h o w e v e r , t h e e x p e r i m e n t a l d e p o s i t i o n r a t e s a t u r a t e d a n d n o a d d i t i o n a l i n c r e a s e w a s o b s e r v e d . W h i l e t h e s a t u r a t i o n a t fl o w r a t e s h i g h e r t h a n 2 . 5 % i s n o t p r e d i c t e d b y t h e m o d e l , i t i s s i m i l a r t o t h e r e s u l t s t h a t w e r e r e p o r t e d b y Z h a n g [ 3 6 ] . A c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l d e p o s i t i o n r e s u l t s w i t h t h e p r e d i c t e d t r e n d s o f t h e B a c h m a n n C — H - O g a s p h a s e d i a g r a m w a s a l s o i n c l u d e d i n t h i s c h a p t e r . I n c l u d e d i n t h i s d i s c u s s i o n w e r e e x p e r i m e n t s w h e r e d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d f r o m m i x t u r e s o f h y d r o g e n , m e t h a n e , a n d c a r b o n d i o x i d e . U n l i k e t h e H a r r i s - G o o d w i n m o d e l , t h e q u a l i t a t i v e microwave powe P r e d i c t i o n s 1 m o d e l ’ 5 P I C “ d e p o s i t i o n 5 ‘ a g r e e m e m “ w i t h o u t t h e b D a t a ? p l a s m a C V D a d d e d t o t h e * s t r a t e t e m p e r a e s s e n t i a l l y U H » s t r a t e c o o l e r s t p r e s s u r e s . W h l s w a s m a i n t a i n e r . f r o m t h e s u b s t r . e x c e e d t h e 5 5 0 m e n t s w e r e t h a t o s i t i o n r a t e a t 2 5 p u l s e d m l c r o w a s n o c l e a r a d v a n t a t 2 6 ] p r e d i c t i o n s o f t h e B a c h m a n n m o d e l c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . T h e m o d e l ’ s p r e d i c t i o n t h a t g r o w t h r a t e s d i m i n i s h w i t h d e c r e a s i n g X C I ) : m a t c h e d t h e r e s u l t s o f d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . F u r t h e r m o r e , a p i l o t e x p e r i m e n t t h a t u s e d o n l y C H 4 a n d C 0 2 h a d a g r e e m e n t w i t h t h e m o d e l ’ s p r e d i c t i o n t h a t d i a m o n d c a n b e g r o w n f r o m a C V D p r o c e s s w i t h o u t t h e u s e o f H 2 . D a t a f r o m i n v e s t i g a t i o n s o f t h r e e m e t h o d s f o r i m p r o v i n g t h e d e p o s i t i o n r a t e i n t h e p l a s m a C V D p r o c e s s w a s a l s o p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r . I n t h e fi r s t c a s e , a d c b i a s w a s a d d e d t o t h e s u b s t r a t e t o i n v e s t i g a t e h o w i t m i g h t a f f e c t d i a m o n d d e p o s i t i o n a t l o w s u b - s t r a t e t e m p e r a t u r e s i n t h e M P C R . T h e r e s u l t w a s t h a t t h e g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y w e r e e s s e n t i a l l y u n a f f e c t e d b y t h e a d d i t i o n o f t h e d c b i a s . S e c o n d , a t h e r m a l l y - a d j u s t a b l e s u b - s t r a t e c o o l e r w a s i n v e s t i g a t e d t o d e t e r m i n e i f d e p o s i t i o n r a t e w o u l d i n c r e a s e a t h i g h e r p r e s s u r e s , w h i c h w e r e i n t h e r a n g e o f 1 5 t o r r t o 3 0 t o r r , w h i l e t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e w a s m a i n t a i n e d b e l o w 5 5 0 C . H e r e t h e c o o l e r w a s n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e fl o w o f h e a t f r o m t h e s u b s t r a t e . A t p r e s s u r e s o f 1 5 t o r r a n d a b o v e , t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e w o u l d e x c e e d t h e 5 5 0 C p o i n t w i t h o u t t h e a i d e o f t h e c o o l e r . T h e r e s u l t s f r o m t h e c o o l e r e x p e r i - m e n t s w e r e t h a t t h e r e s e e m e d t o b e n o c l e a r i m p r o v e m e n t t o t h e d e p o s i t i o n r a t e . T h e d e p - o s i t i o n r a t e a t 2 5 t o r r a n d 5 0 0 C w a s t h e s a m e a s t h a t b e l o w 1 0 t o r r . T h i r d , d e p o s i t i o n w i t h p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r w a s i n v e s t i g a t e d f o r i m p r o v e m e n t s t o t h e d e p o s i t i o n r a t e . A g a i n , n o c l e a r a d v a n t a g e w a s o b s e r v e d . I n f a c t t h e d e p o s i t i o n r a t e s f o r e x p e r i m e n t s w i t h p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r w e r e l e s s t h a n t h o s e w i t h C W m i c r o w a v e p o w e r . L a s t l y , d a t a w a s p r e s e n t e d f o r e x p e r i m e n t s t h a t i n v e s t i g a t e d t h e p h o t o - r e s i s t s e e d - i n g m e t h o d , m e a s u r e m e n t s o f s u r f a c e r o u g h n e s s , d e p o s i t i o n o n l a r g e a r e a s u b s t r a t e s , a n d d e p o s i t i o n o n s i l i c o n I C s . T h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e p h o t o - r e s i s t s e e d i n g m e t h o d w a s i n i t i - area d e p o s i t i o n 6 w a s M C P R the d e p o s i t i o n s u f fi . o f a d i a r n e t e r a s l a r g d i a m o n d f ] 1 m “ I a : a l u m i n u m . S E M ] f e r e d n o d a m a g e c a t e d b e c a u s t n u c l e a t i o n d g r e a t e r . T h e m e t h o d w i t h m o n d p o w d c c o n t i n u o u s d ; r e v e a l e d t h r e e d e p o s i t e d o n ~ o r d e r o f 1 0 0 n W a v e l e n g t h s b d E P O S I t e d o n 5 m e t h o d . w e r e 2 o f O p t i c a l a p p l j 1 0 m m w a s d e p t “ 0 “ e s C h e m i s V C T J V S m O O I h ‘ fi n 2 6 2 a t e d b e c a u s e t h e p r o c e d u r e t h a t w a s o u t l i n e d b y M a s o o d d i d n o t y i e l d a h i g h e n o u g h n u c l e a t i o n d e n s i t y t o p r o d u c e a c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m w i t h a t h i c k n e s s o f 0 . 5 u m o r g r e a t e r . T h e r e s u l t w a s t h a t c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d b y t h e M a s o o d m e t h o d w i t h o n l y o n e c h a n g e t o t h e p r o c e s s . I t w a s d e t e r m i n e d t h a t i n c r e a s i n g t h e d i a - m o n d p o w d e r q u a n t i t y t o 1 6 t i m e s t h a t o f t h e M a s o o d r e c i p e w a s s u f fi c i e n t t o p r o d u c e c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s . T h e m e a s u r e m e n t d a t a f o r d i a m o n d fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s r e v e a l e d t h r e e i n t e r e s t i n g f a c t s . F i r s t , t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e p r e t r e a t e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t m e t h o d , i s o n t h e o r d e r o f 1 0 0 n m a n d g r e a t e r . T h i s i s p r e d i c t e d t o b e t o o h i g h f o r o p t i c a l a p p l i c a t i o n s a t w a v e l e n g t h s b e l o w 1 6 0 0 n m . S e c o n d , t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e p r e t r e a t e d w i t h t h e d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h i n g m e t h o d , w e r e a s l o w a s 1 0 n m . T h i s l o w s u r f a c e r o u g h n e s s i s p r e d i c t e d t o m e e t t h e n e e d s o f o p t i c a l a p p l i c a t i o n s a t w a v e l e n g t h s a b o v e 4 0 0 n m . T h i r d , t h e l o w s u r f a c e r o u g h n e s s o f 1 0 n m w a s d e p e n d e n t o n t w o v a r i a b l e s , t h e s u b s t r a t e p r e t r e a t m e n t m e t h o d a n d t h e d e p o s i - t i o n g a s c h e m i s t r y . I t w a s l e a r n e d t h a t w h e n t h e fl o w r a t e s o f C H 4 a n d C 0 2 w e r e e q u a l , a v e r y s m o o t h , fi n e - g r a i n e d fi l m w a s d e p o s i t e d . T h e d a t a t h a t w a s p r e s e n t e d f r o m t h e l a r g e a r e a d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s s h o w e d t h a t t h e d e p o s i t i o n a r e a a t l o w t e m p e r a t u r e s w i t h t h e M C P R w a s s u f fi c i e n t t o c o a t s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s a s l a r g e a s 4 i n c h e s . F u r t h e r m o r e , t h e d e p o s i t i o n o f 1 u m a n d 2 u m fi l m s w i t h a u n i f o r m i t y t o w i t h i n 1 0 0 n m w a s a c h i e v e d t o a d i a m e t e r a s l a r g e a s 3 i n c h e s . F i n a l l y , d a t a w a s p r e s e n t e d f o r a p i l o t e x p e r i m e n t w h e r e a d i a m o n d fi l m w a s d e p o s i t e d o n a 2 i n c h s i l i c o n I C , w h i c h c o n t a i n e d c o m p o n e n t s m a d e o f a l u m i n u m . S E M p h o t o s w e r e p r e s e n t e d t h a t s h o w e d t h a t t h e a l u m i n u m c o m p o n e n t s s u f - f e r e d n o d a m a g e d u r i n g t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . T h i s i n d i c a t e s t h a t d i a m o n d fi l m s C 3 1 1 b e d e p t “ - l d e p o s i t i o n r t e c h n o l o g y . 2 6 3 c a n b e d e p o s i t e d o n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s w i t h t h e l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s t h a t w a s d e v e l o p e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n w i t h t h e c u r r e n t M C P R t e c h n o l o g y . 6.1 “1"" T o th‘t - tow-temperat presentations the benchmm‘l films could b9 M C P R t e c h n O r gas flows of 31. approximately Hence, it transl . observed that th . Influence o n the variations in m l | After it u MCPR technolo: results of these cal o n glass sui C h a p t e r 6 C h a r a c t e r i z a t i o n o f D i a m o n d F i l m s o n G l a s s S u b s t r a t e s 6 . 1 I n t r o d u c t i o n T o t h i s p o i n t , t h e t h r u s t o f t h i s d i s s e r t a t i o n h a s b e e n t o d e s c r i b e t h e i n v e s t i g a t i o n o f l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n i n t h e M C P R . I n c l u d e d i n t h e s e d i s c u s s i o n s w e r e p r e s e n t a t i o n s o f t h e v a r i o u s M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h a t w e r e i n v e s t i g a t e d a n d t h e r e s u l t s o f t h e b e n c h m a r k s i l i c o n e x p e r i m e n t s . I t w a s c o n c l u d e d i n p r e v i o u s c h a p t e r s t h a t d i a m o n d fi l m s c o u l d b e d e p o s i t e d o n fl a t d i s k - s h a p e d s u b s t r a t e s a t t e m p e r a t u r e s b e l o w 5 5 0 C w i t h M C P R t e c h n o l o g y ; h o w e v e r , t h e g r o w t h r a t e s w e r e r a t h e r l o w . F o r e x a m p l e , a t 4 7 0 C a n d g a s fl o w s o f 2 . 5 % C H 4 i n H z t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n o f a 2 i n c h s i l i c o n s u b s t r a t e w a s a p p r o x i m a t e l y 1 7 m g . T h i s w e i g h t g a i n w a s f o r a n e x p e r i m e n t t h a t w a s 4 0 h o u r s l o n g . H e n c e , i t t r a n s l a t e s t o a d e p o s i t i o n r a t e o f a p p r o x i m a t e l y 6 0 r i m / h r . A d d i t i o n a l l y , i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d a n d t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s h a d a s t r o n g i n fl u e n c e o n t h e r e s u l t i n g fi l m m o r p h o l o g y a n d g r a i n s i z e . T h i s w a s n o t e d t o c a u s e l a r g e v a r i a t i o n s i n m e a s u r e d fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s . A f t e r i t w a s c o n c l u d e d t h a t d i a m o n d c o u l d b e g r o w n a t l o w - t e m p e r a t u r e s w i t h M C P R t e c h n o l o g y , t h e d i r e c t i o n o f t h e l a b w o r k w a s s w i t c h e d t o g l a s s s u b s t r a t e s . T h e r e s u l t s o f t h e s e e x p e r i m e n t s a r e w h a t i s p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r . A n a l y s i s o f t h e d i a m o n d fi l m s o n g l a s s s u b s t r a t e s i n t h i s c h a p t e r i s d i v i d e d i n t o t h r e e a r e a s . T h e y a r e ( l ) t h e d e p o s i - 2 6 4 2 6 5 t i o n r e s u l t s , w h i c h i n c l u d e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d fi l m q u a l i t y , ( 2 ) t h e t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s , w h i c h i n c l u d e m e a s u r e m e n t s o f o p t i c a l t r a n s m i s s i o n a n d fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s , a n d ( 3 ) t h e fi l m t o s u b s t r a t e a d h e s i o n , w h i c h i s m o r e r e l e v a n t f o r g l a s s s u b - s t r a t e s t h a n f o r s i l i c o n o n e s . T h e g l a s s s u b s t r a t e s w e r e C o r n i n g c o d e 7 0 5 9 a n d C o m i n g c o d e 7 0 5 0 . T h e f o r m e r i s a b o r o s i l i c a t e g l a s s c o m p o s i t i o n w i t h n e a r z e r o a l k a l i c o n t e n t t h a t w a s o r i g i n a l l y d e v e l - o p e d f o r t h i n fi l m e l e c t r o n i c c i r c u i t s . T h e l a t t e r i s a b o r o s i l i c a t e g l a s s i n w i d e s p r e a d u s e . I t i s c o m m o n l y k n o w n b y t h e t r a d e m a r k P y r e x . A p a r t i c u l a r h i s t o r i c a l a p p l i c a t i o n f o r t h e 7 0 5 9 g l a s s h a s b e e n a s a s u b s t r a t e m a t e r i a l f o r l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y s . T h e o u t l i n e o f t h e c h a p t e r i s a s f o l l o w s . T h e r e m a i n d e r o f t h e c h a p t e r i s c o m p r i s e d o f fi v e t o p i c s . T h e fi r s t t o p i c i s a n o v e r v i e w o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f d i a m o n d , w i t h a n e m p h a s i s o n t h o s e t h a t r e l a t e t o i t s u s e a s a n o p t i c a l c o a t i n g . S p e c i fi c a l l y , d i s c u s s i o n s a d d r e s s d i a m o n d p r o p e r t i e s s u c h i t s o p t i c a l t r a n s m i s s i o n a n d t h e r m a l e x p a n s i o n . S i n c e t h e t h e r m a l e x p a n s i o n o f d i a m o n d d o e s n o t m a t c h t h a t o f m o s t m a t e r i a l s , d e l a r n i n a t i o n o f d i a - m o n d a s a r e s u l t o f t h e r m a l s t r a i n i s o f t e n a c o n c e r n . T e c h n i q u e s f o r i m p r o v i n g t h e d i a - m o n d fi l m a d h e s i o n t o o p t i c a l m a t e r i a l s a r e a l s o i n c l u d e d . T h e s e c o n d t o p i c p r e s e n t s d e p o s i t i o n r e s u l t s f o r d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e g r o w n a t l o w - t e m p e r a t u r e s w i t h t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s o u t l i n e d i n c h a p t e r 4 a n d t h e m e t h o d s d e v e l o p e d i n c h a p t e r 5 . I t i n c l u d e s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s , o b s e r v a t i o n s o f u n i f o r m i t y , a n d o b s e r v a t i o n s o f h o w t h e s e e d i n g m e t h o d a f f e c t s t h e fi h n ’ s o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . T h e t h i r d t o p i c c o m p a r e s t h e m e a s u r e d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s w i t h t h e o r e t i c a l e q u a - t i o n s f o r t r a n s m i s s i o n o f m o n o c h r o m a t i c l i g h t t h r o u g h a t h i n fi l m . T h i s d i s c u s s i o n i n c l u d e s a n i n v e s t i g a t i o n o f h o w t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f a d i a m o n d fi l m e f f e c t s t h e o p t i - 2 6 6 c a l t r a n s m i s s i o n t h r o u g h t h e fi l m f o r w a v e l e n g t h s b e t w e e n 4 0 0 n m a n d 1 6 0 0 n m . T h e f o u r t h t o p i c a d d r e s s e s t h e a d h e s i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b - s t r a t e s . T h e t h e r m a l e x p a n s i o n m i s m a t c h b e t w e e n t h e g l a s s s u b s t r a t e s u s e d h e r e a n d t h a t o f d i a m o n d i n d u c e s s i g n i fi c a n t s t r a i n a t t h e fi l m - s u b s t r a t e i n t e r f a c e . H e n c e , i t i s n e c e s s a r y t o d i s c u s s h o w t h i s a f f e c t s t h e fi l m ’ s a d h e s i o n t o t h e s u b s t r a t e . F i n a l l y , t h e c h a p t e r c o n - c l u d e s w i t h a s u m m a r y o f t h e g l a s s d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s a n d t h e c o r r e s p o n d i n g d i a - m o n d fi l m c h a r a c t e r i z a t i o n m e a s u r e m e n t s . 6 . 2 A n O v e r v i e w o f D i a m o n d a s a n O p t i c a l C o a t i n g D i a m o n d i s p r e d i c t e d t o b e a p r o m i s i n g o p t i c a l m a t e r i a l b e c a u s e o f i t s w i d e s p e c - t r a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n r a n g e , i t s e x t r e m e h a r d n e s s a n d i t s c h e m i c a l i n e r t n e s s . T h e o p t i - c a l t r a n s m i s s i o n r a n g e o f n i t r o g e n - f r e e , p u r e t y p e I I A d i a m o n d s p a n s f r o m U V l i g h t ( ~ 2 3 0 n m ) t o I R l i g h t ( ~ 2 5 p m ) a n d a l s o f r o m 6 . 5 u m t o > 1 0 0 u m i n t h e f a r i n f r a r e d l 8 9 ] . T h e U V e d g e o f t h e s p e c t r u m i s w h e r e p h o t o n a b s o r p t i o n d u e t o b a n d g a p t r a n s i t i o n b e g i n s ( ~ 5 . 4 e V ) . A t t h e I R e d g e o f d i a m o n d ’ s o p t i c a l - t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m , a b s o r p t i o n , w h i c h i s d u e t o C C b o n d v i b r a t i o n s , e x t e n d s f r o m a b o u t 2 . 5 u m t o 6 u m . T h i s a b s o r p t i o n i s w e a k a n d m a y b e n e g l i g i b l e i n fi l m s t h a t a r e t h i n n e r t h a n 0 . 2 5 m m . B e s i d e s i t ’ s g o o d t r a n s m i s s i o n , t h e h a r d n e s s a n d c h e m i c a l i n e r t n e s s o f d i a m o n d m a k e i t a n i d e a l o p t i c a l m a t e r i a l f o r a p p l i c a t i o n s i n h a r s h e n v i r o n m e n t s . C o n s e q u e n t l y , i t i s o f i n t e r e s t a s a p r o t e c t i v e - c o a t i n g m a t e r i a l f o r o p t i c a l m a t e r i a l s t h a t a r e l e s s r e s i l i e n t t o h o s t i l e e n v i r o n m e n t s . O n e o f t h e m o s t c o m m o n o p t i c a l m a t e r i a l s i s s i l i c a b a s e d g l a s s e s . H e n c e , t h e s e g l a s s e s a r e c a n d i d a t e s f o r s u c h p r o t e c t i v e c o a t i n g s . D i a m o n d i s a l s o o f p o t e n - t i a l i n t e r e s t a s a g l a s s c o a t i n g i n t h e f o r m o f fi e l d e m i s s i o n p i x e l s f o r fl a t p a n e l d i s p l a y s . 2 6 7 C V D d i a m o n d h a s b e e n g r o w n b y v a r i o u s g r o u p s i n f r e e s t a n d i n g fi l m s a n d o n o p t i c a l s u b s t r a t e s i n r e c e n t y e a r s . E x p e r i m e n t e r s h a v e d e p o s i t e d t h i n p o l y c r y s t a l l i n e d i a - m o n d fi l m s o n o p t i c a l m a t e r i a l s s u c h a s s a p p h i r e m ] , q u a r t z l 7 9 u 8 0 ] , C o m i n g 7 0 5 9 b o r o - s i l - i c a t e g l a s s m ] a n d I R m a t e r i a l s i n c l u d i n g Z n S , Z n S e a n d G e m ] . B e s i d e s t h e p r e d i c t e d l o w o p t i c a l t r a n s m i s s i o n d u e t o i t s h i g h r e f r a c t i v e i n d e x , f u r t h e r t r a n s m i s s i o n l o s s e s d u e t o s c a t t e r i n g , a n d p h o t o n a n d p h o n o n a b s o r p t i o n a t t h e g r a i n b o u n d a r i e s h a v e b e e n o b s e r v e d [ 5 2 1 1 5 7 ] . 6 . 2 . 1 F i l m t o G l a s s A d h e s i o n A s w i t h m a n y d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s e s , a d h e s i o n o f t h e d i a m o n d fi l m t o t h e u n d e r l y i n g g l a s s c a n s o m e t i m e s b e p r o b l e m a t i c . F i r s t , t h e r e i s a p o t e n t i a l t o i n d u c e s t r a i n a t t h e b o u n d a r y b e t w e e n t h e s u b s t r a t e a n d t h e d e p o s i t e d fi l m w h e n e v e r t h e r e i s a m i s m a t c h i n t h e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t s o f t h e t w o m a t e r i a l s . S e c o n d , t h e p r o b l e m b e c o m e s f u r t h e r c o m p o u n d e d w h e n d e p o s i t i n g o n g l a s s s u b s t r a t e s , b e c a u s e o f t h e p o s s i b i l i t y o f h e a t i n d u c e d s t r a i n i n t h e g l a s s . I n t e r n a l s t r a i n i s g e n e r a l l y n o t i n t r o d u c e d i n t o g l a s s t h a t i s h e a t t r e a t e d a t l e s s t h a n i t s s t r a i n t e m p e r a t u r e . T h e r e f o r e , i t i s d e s i r a b l e t h a t t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e b e l e s s t h a n t h e s t r a i n t e m p e r a t u r e o f t h e g l a s s s u b s t r a t e . D i a m o n d fi l m s t h a t a d h e r e t o q u a r t z a n d f u s e d s i l i c a s u b s t r a t e s h a v e b e e n w i d e l y r e p o r t e d f o r p l a s m a - a s s i s t e d a n d h o t - fi l a m e n t a s s i s t e d C V D p r o c e s s e s . T h e s t r a i n p o i n t t e m p e r a t u r e o f f u s e d s i l i c a ( 9 9 . 9 % S i O z ) i s 9 5 6 C , w h i c h i s c o m p a t i b l e w i t h t h e d e p o s i - t i o n t e m p e r a t u r e r a n g e o f t y p i c a l d i a m o n d d e p o s i t i o n r e p o r t s l 9 6 ] . I t s t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t i s 0 . 5 5 x 1 0 ' 6 , w h i c h i s s o m e w h a t l e s s t h a n t h a t o f d i a m o n d m ] . F o r m o r e c o m - m o n l y u s e d c o m m e r c i a l s i l i c a - b a s e d g l a s s e s , t h e p r o b l e m s o f s t r a i n c a n b e a p p r e c i a b l e 2 6 8 b e c a u s e t h e y h a v e s t a i n p o i n t t e m p e r a t u r e s t h a t a r e s i g n i fi c a n t l y l o w e r t h a n f u s e d s i l i c a . T h e y a l s o h a v e t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t s t h a t a r e s i g n i fi c a n t l y h i g h e r t h a n f u s e d s i l - i c a . F o r e x a m p l e t h e s t r a i n p o i n t t e m p e r a t u r e o f c o m m o n w i n d o w g l a s s , w h i c h i s a p p r o x i - m a t e l y 7 2 . 6 % S i O Z , i s 4 7 3 C a n d i t s t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t i s 9 . 2 x 1 0 ’ 6 l 9 8 ] . D i a m o n d d e p o s i t i o n h a s b e e n r e p o r t e d a t t e m p e r a t u r e s l e s s t h a n t h e s t r a i n p o i n t o f s o d a - l i m e g l a s s ; h o w e v e r , t h e d e p o s i t i o n r a t e s a r e g e n e r a l l y q u i t e l o w . B o r o s i l i c a t e g l a s s e s a r e a f a m i l y o f g l a s s t y p e s t h a t a r e c o m m o n l y u s e d c o m m e r - c i a l l y f o r c h e m i c a l a n d e l e c t r i c a l a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g s u b s t r a t e s f o r l i q u i d c r y s t a l d i s - p l a y s . T h e y h a v e a s t r a i n t e m p e r a t u r e w e l l a b o v e 5 0 0 C , t h u s t h e y a r e c a n d i d a t e s f o r l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n . A p o s s i b l e a p p l i c a t i o n f o r b o r o s i l i c a t e g l a s s a s a d i a - m o n d fi l m s u b s t r a t e i s a s a b a c k - p l a t e f o r a fi e l d - e m i s s i o n , fl a t - p a n e l d i s p l a y . 6 . 2 . 2 M e t h o d s f o r I m p r o v i n g F i l m A d h e s i o n t o O p t i c a l S u b s t r a t e s T h r e e t e c h n i q u e s t h a t h a v e b e e n r e p o r t e d t o i m p r o v e d i a m o n d fi l m a d h e s i o n o n t h e r m a l l y m i s m a t c h e d s u b s t r a t e s a r e ( 1 ) b o n d i n g a f r e e s t a n d i n g fi l m t o t h e o p t i c a l s u b - s t r a t e , ( 2 ) u s e o f i n t e r - l a y e r s a n d ( 3 ) m e c h a n i c a l l y a l t e r i n g t h e i n t e r f a c e . T h e y a r e s u m m a - r i z e d i n t h e n e x t t h r e e s e c t i o n s . 6 . 2 . 2 . 1 A p p l y i n g O p t i c a l C o a t i n g s t o I R w i n d o w s b y O p t i c a l B r a z i n g A p r o c e s s c a l l e d “ o p t i c a l b r a z i n g ” h a s b e e n u s e d b y W i l l i a m D . P a r l o w e t . a l . t o t h e r m a l b o n d d i a m o n d t o i n f r a r e d - t r a n s m i t t i n g w i n d o w s o f Z n S e a n d Z n S l 8 4 ] . B o n d i n g d i a m o n d t o t h e s e s u b s t r a t e s i s n e c e s s a r y b e c a u s e a t o m i c h y d r o g e n e t c h e s t h e s e m a t e r i a l s . I t h a s b e e n s h o w n t h a t t h i s p r o c e s s d o e s p r o v i d e g o o d a d h e s i o n . W i t h t h i s t e c h n i q u e , t h e 2 6 9 d i a m o n d fi l m i s fi r s t g r o w n t o t h e d e s i r e d t h i c k n e s s o n a s i l i c o n s u b s t r a t e . T h e n t h e d i a - m o n d c o a t e d s u b s t r a t e i s p l a c e d i n a s t a c k w h e r e a b o n d i n g g l a s s p r e f o r m i s p l a c e d b e t w e e n t h e d i a m o n d fi l m a n d t h e i n f r a r e d w i n d o w m a t e r i a l . T h e n t h e s t a c k i s h e a t e d t o t h e a p p r o p r i a t e b o n d i n g t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e i s a p p l i e d . M o s t o f t h e p r e f o r m i s s q u e e z e d o u t , l e a v i n g a t h i n fi l m b e t w e e n t h e w i n d o w a n d t h e d i a m o n d . T h e fi n a l s t e p i s t o e t c h a w a y t h e s i l i c o n t o e x p o s e t h e s m o o t h n u c l e a t i o n s i d e o f t h e d i a m o n d fi l m . T h e m e a - s u r e d t r a n s m i s s i o n f o r a b o n d e d s a m p l e i s 7 1 % a t w a v e n u m b e r s b e t w e e n 1 0 0 0 c m ’ 1 a n d 4 0 0 0 c m ‘ l . 6 . 2 . 2 . 2 I m p r o v e d A d h e s i o n P r o v i d e d b y I n t e r - l a y e r s A s e c o n d m e t h o d o f a t t a c h i n g d i a m o n d fi l m s t o Z n S e a n d Z n S t h a t a l s o y i e l d s g o o d a d h e s i o n i s d e p o s i t i o n o f d i a m o n d o n a n o p t i c a l l y t r a n s p a r e n t i n t e r - l a y e r . O f c o u r s e t h i s i s t h e e n d r e s u l t o f t h e “ o p t i c a l b r a z i n g ” . I t h a s b e e n s h o w n b y C o s t e l l o e t . a l . t h a t d i a - m o n d c a n d e p o s i t e d o n I R w i n d o w s t h a t a r e e t c h e d b y a t o m i c h y d r o g e n i f a i n e r t i n t e r - l a y e r i s d e p o s i t e d o n t h e s u b s t r a t e fi r s t l g l ] . T h e r e s u l t i s t r a n s m i s s i o n o f a t l e a s t 6 0 % f o r w a v e n u m b e r s b e t w e e n 1 0 0 0 c m ‘ 1 a n d 4 0 0 0 c m " . 6 . 2 . 2 . 3 I n t e r f a c e s E n g i n e e r e d t o I m p r o v e D i a m o n d A d h e s i o n T h e u s e o f a t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 D ) g r a d e d i n t e r f a c e i s a n o t h e r m e t h o d o f i m p r o v - i n g a d h e s i o n o f t h i n fi l m s t h a t a r e t h e r m a l l y m i s m a t c h e d w i t h t h e d e p o s i t i o n s u b s t r a t e . I t h a s b e e n s h o w n b y S i n g h e t . a t . t h a t a n e n g i n e e r e d 3 D i n t e r f a c e d r a m a t i c a l l y i m p r o v e s a d h e s i o n o f d i a m o n d fi l m s t o s t e e l a n d t u n g s t e n - c a r b i d e [ 9 2 ] . E n g i n e e r i n g t h e i n t e r f a c e m e a n s t h a t t h e s m o o t h s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e i s m o d i fi e d i n t o a s u r f a c e w i t h p e a k s a n d 2 7 0 v a l l e y s . S i n g h u s e s a m u l t i - p u l s e l a s e r t o c r e a t e t h i s s u r f a c e . T h e d e p o s i t e d fi l m c o v e r s t h e e n t i r e s u b s t r a t e a n d fi l l s i n t h e v a l l e y s c r e a t i n g a i n t e r l o c k b e t w e e n t h e m a t e r i a l s . I n t h e c a s e w h e r e t h e s u b s t r a t e c o m p r e s s e s t h e d e p o s i t e d fi l m , t h e m a t e r i a l s a r e l o c k e d t o g e t h e r a s t h e s u b s t r a t e p i n c h e s t h e p o r t i o n o f t h e fi l m i n t h e i n t e r l o c k v a l l e y s . T h i s t e c h n i q u e h a s b e e n a p p l i e d b y P a r l o w t o f u r t h e r e n h a n c e t h e a d h e s i o n o f d i a - m o n d t o t h e i n t e r - l a y e r b e t w e e n t h e fi l m a n d t h e I R w i n d o w . T h e r e s u l t s w e r e t h a t a d h e - s i o n i m p r o v e d a n d t r a n s m i s s i o n a t h i g h w a v e n u m b e r s w a s r e d u c e d d u e t o s c a t t e r i n g a t t h e e n g i n e e r e d i n t e r f a c e . A t 4 0 0 0 c m ‘ 1 w a v e n u m b e r , t h e t r a n s m i s s i o n w e n t f r o m n e a r 6 0 % f o r t h e s m o o t h i n t e r - l a y e r t o l e s s t h a n 2 0 % f o r t h e e n g i n e e r e d i n t e r - l a y e r . 6 . 3 R e s u l t s f o r D i a m o n d D e p o s i t i o n o n G l a s s S u b s t r a t e s A t o t a l o f 6 9 l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h 1 . 1 m m t h i c k , C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s s u b s t r a t e s , w h i c h h a d d i a m e t e r s o f 2 , 3 a n d 4 i n c h e s . F o r t h e m a j o r i t y o f t h e s e e x p e r i m e n t s , d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n t h e 2 i n c h d i a m e t e r 7 0 5 9 s u b s t r a t e s . T h e r e s u l t s o f 5 6 e x p e r i m e n t s , w h i c h d e p o s i t e d d i a m o n d fi l m s o n t h e 2 i n c h s u b s t r a t e s , a r e l i s t e d i n A p p e n d i x E . A p p e n d i x F a n d A p p e n d i x G l i s t t h e d a t a f o r t h e e x p e r i m e n t s w h e r e d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n 3 i n c h a n d 4 i n c h 7 0 5 9 s u b s t r a t e s r e s p e c t i v e l y . A d d i t i o n a l l y , t h e r e w e r e 5 e x p e r i m e n t s w h e r e d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 0 s u b s t r a t e s , w h i c h h a d a d i a m e t e r o f 2 i n c h e s . T h e r e s u l t s o f t h e s e e x p e r i m e n t s a r e l i s t e d i n A p p e n d i x H . T h e o b j e c t i v e o f t h e e x p e r i m e n t s d u r i n g w h i c h d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s w a s t o i n v e s t i g a t e p r o c e s s e s t h a t y i e l d s m o o t h , h i g h q u a l i t y fi l m s t h a t a d h e r e t o g l a s s s u b s t r a t e s . H e n c e , t h e r e w a s n o t a n e m p h a s i s o n d u p l i c a t i n g a l l o f t h e d a t a 2 7 1 t h a t w a s p r e s e n t e d i n C h a p t e r 5 f o r c o m p a r i s o n . I n s t e a d , w h a t w e r e d e e m e d t o b e t h e m o s t p r o m i s i n g p r o c e s s p a r a m e t e r s i n C h a p t e r 5 w e r e a p p l i e d t o g l a s s s u b s t r a t e s . T h e n e x t f o u r s u b s e c t i o n s p r e s e n t a n o v e r v i e w o f s o m e o f t h e o b s e r v a t i o n s r e g a r d i n g t h e g l a s s s u b s t r a t e d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . F i r s t , t h e r e i s a c o m p a r i s o n o f t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f d i a - m o n d d e p o s i t i o n o n g l a s s s u b s t r a t e s t o t h a t o f s i l i c o n s u b s t r a t e s . I n c l u d e d i n t h e d i s c u s s i o n i s a c o m p a r i s o n t o t h e H a m ' s - G o o d w i n m o d e l . S e c o n d , r e s u l t s a r e r e p o r t e d f o r p i l o t e x p e r - i m e n t s w h e r e d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s w i t h M C P R - C 8 , w h i c h h a d a h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r . T h i r d , o b s e r v a t i o n s o f fi l m u n i f o r m i t y a r e p r e s e n t e d . I n t h e fi n a l s e c t i o n , v i s u a l o b s e r v a t i o n s a r e n o t e d r e g a r d i n g t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a - m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r e t r e a t e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t m e t h o d a n d s c r a t c h s e e d i n g m e t h o d . 6 - 3 . 1 C o m p a r i s o n t o t h e H a r r i s - G o o d w i n G r o w t h M o d e l I n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 ] , a n a n a l y s i s w a s p r e s e n t e d t h a t c o m p a r e d t h e p r e d i c t e d w e i g h t g a i n s o f a d i a m o n d g r o w t h m o d e l , n g G , w h i c h w a s p u b l i s h e d b y H a r r i s a n d G o o d w i n , t o m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f r o m d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s i l i c o n s u b s t r a t e s . M e a s u r e d , e x p e r i m e n t a l w e i g h t g a i n s w e r e p r e s e n t e d f r o m e x p e r i m e n t s t h a t h a d v a r y i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s . I t w a s s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 t h a t t h e r e w a s a g o o d c o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e e x p e r i m e n t a l w e i g h t g a i n s a n d t h o s e p r e d i c t e d b y t h e m o d e l . C o n s e q u e n t l y , i t i s i n t e r e s t i n g t o c o m p a r e t h e a n a l y s i s o f d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e s t h a t w e r e o b s e r v e d f r o m s i l i c o n s u b s t r a t e s w i t h t h o s e t h a t w e r e a c q u i r e d f r o m d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s . F i g u r e 6 . 1 s h o w s a r e p l o t o f t h e g r a p h i n fi g u r e 5 . 1 w i t h t h e a d d i t i o n o f t w o m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f r o m 2 i n c h d i a m e t e r 2 7 2 g l a s s s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e G 7 - 2 a n d G 7 - 3 . T h e s i g n i fi c a n c e o f t h e s e t w o s u b s t r a t e s i s t h a t d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n t h e m u n d e r n e a r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s a s w e r e r e c o r d e d f o r t h e s i l i c o n s u b s t r a t e s i n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 ] . T h e c i r c l e s a n d t h e x ’ s i n t h e fi g u r e a r e t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f r o m t h e s i l i c o n s u b s t r a t e s f r o m fi g u r e 5 . 1 a n d f r o m t h e g l a s s s u b s t r a t e s r e s p e c t i v e l y . T h e s o l i d l i n e i s t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n , n g G , w h i c h w a s s h o w n i n fi g u r e 5 . 1 . T h e g r a p h i n t h e fi g u r e s h o w s t h a t t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f r o m t h e g l a s s s u b s t r a t e s c o r r e l a t e s w e l l t o t h e m o d e l ’ s p r e d i c t e d w e i g h t g a i n a n d t h e m e a s u r e d w e i g h t g a i n s f r o m s i l i c o n s u b s t r a t e s i n C h a p t e r 5 . H e n c e , i t a p p e a r s t h e d e p o s i - t i o n r a t e o n g l a s s s u b s t r a t e s i s t h e s a m e a s i t w a s f o r s i l i c o n o n e s . T h e t w o g l a s s e x p e r i m e n t s , G 7 - 2 a n d G 7 - 3 , w h e r e c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 2 , a t a g a s p r e s s u r e o f 7 t o r r . T h e i n c i d e n t m i c r o w a v e p o w e r w a s a p p r o x i m a t e l y 3 5 0 W a t t s , t h e g a s c h e m i s t r y w a s 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 a n d 3 s e e m o f C H 4 , t h e d e p o s i t i o n d u r a t i o n s w e r e 4 0 h o u r s a n d t h e s u b s t r a t e s w e r e s e e d e d p r i o r t o d e p o s i t i o n w i t h p h o t o - r e s i s t d i a m o n d p o w d e r s e e d i n g . A m e a s u r e m e n t o f t h e R a m a n s p e c t r u m w a s r e c o r d e d f o r t h e d i a m o n d fi l m o n G 7 - 2 a n d i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 2 . T h e c o r r e s p o n d i n g , c a l c u l a t e d F W H M f o r t h e R a m a n i s 1 4 . 1 w h i c h i s s o m e w h a t h i g h e r t h a n t h a t o f t h e fi l m ’ s o n t h e s i l i c o n s u b s t r a t e t h a t w e r e d i s - c u s s e d i n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 . 1 ] . D e - c o n v o l u t i o n o f t h e s p e c t r u m s h o w e d t h a t t h e r e w a s v i r t u - a l l y n o g r a p h i t e i n t h e fi l m ; h o w e v e r a m o r p h o u s c a r b o n w a s p r e s e n t . 6 . 3 - 2 D e p o s i t i o n w i t h a S u b s t r a t e H e a t e r - M C P R - C 8 I t w a s o b s e r v e d f r o m e a r l y d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a t s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r o - C e S S e d b e l o w t h e fl o o r o f t h e b r a s s c a v i t y h a d d i a m o n d fi l m s w i t h n o n - u n i f o r m t h i c k n e s s . \ ' I I Y I ( n i a l ( t h g i e W e t a r t s b u S ) g m ( n i a G t h g i e W e t a r t s b u S 2 7 3 1 F F F T I T I o I Z . o . o . O o I 1 1 1 l l l J 1 1 . 2 4 1 . 2 6 1 . 2 8 1 . 3 1 . 3 2 1 . 3 4 1 . 3 6 1 . 3 8 1 . 4 1 . 4 2 1 0 0 0 / T ( K ) F i g u r e 6 . 1 C o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l w e i g h t g a i n s t o t h e H - G m o d e l . 2 7 4 ( 3 7 - 2 1 I I I ' I I fi I j r J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 ~ - 0 . 8 - . . = 3 0 . 7 - - 0 . 6 . . a 0 . 5 - p I 0 4 l l L J l 1 1 1 l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 H o r n S h i f t F i g u r e 6 . 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 — 2 . m e n t s t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e l i g h t r a d i a t i n g f r o m t h e p l a s m a i n t h e r e g i o n a b o v e t h e s u b - 2 7 5 T h i s c o n c e r n w a s l a t e r r e s o l v e d b y m o v i n g t h e s u b s t r a t e t o a l o c a t i o n w h e r e i t w a s l e v e l w i t h t h e fl o o r o f t h e b r a s s c a v i t y ( r e f e r t o s e c t i o n [ 5 . 6 . 3 ] a n d s e c t i o n [ 6 . 3 . 3 ] . P r i o r t o t h i s h o w e v e r , a n a l t e r n a t e t e c h n i q u e f o r i m p r o v i n g t h e t h i c k n e s s u n i f o r m i t y w a s i n v e s t i g a t e d - - o n e t h a t u s e d a s u b s t r a t e h e a t e r . T h e r a t i o n a l e f o r t h i s w a s t h a t a h e a t e r a l l o w s o p e r a t i o n a t l o w e r g a s p r e s s u r e s , w h i c h i n t h e M C P R c o r r e s p o n d s t o l a r g e r p l a s m a v o l u m e s f o r a g i v e n C W m i c r o w a v e p o w e r m a g n i t u d e . C o m p a r i s o n s o f d e p o s i t i o n r e s u l t s w i t h a n a p p l i c a t i o n o f t h e H a m ' s - G o o d w i n m o d e l , w h i c h w e r e p r e s e n t e d i n s e c t i o n [ 5 . 2 . 1 ] , s h o w e d t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e i n t h e o p e r a t i n g r e g i m e o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s h i g h l y d e p e n d e n t o n t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e . F r o m t h i s o n e m i g h t c o n c l u d e t h a t n o n - u n i f o r m d e p o s i t i o n i s a r e s u l t o f a n o n - u n i f o r m t e m p e r a t u r e p r o fi l e a c r o s s t h e s u b s t r a t e . T w o t h i n g s t h a t c a n c a u s e a n o n - u n i f o r m s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e p r o fi l e a r e n o n - u n i f o r m h e a t i n g a n d c o o l i n g . F o r s u b s t r a t e s t h a t h a v e p o o r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , s u c h a s g l a s s , t h e r m a l g r a d i e n t s c a n b e c r e a t e d i n t e r n a l l y . T o p r e - c l u d e t h i s , i t i s n e c e s s a r y t o m a i n t a i n a u n i f o r m e n v i r o n m e n t a d j a c e n t t o t h e s u b s t r a t e . D u r i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n i n t h e M C P R , t h e s u b s t r a t e i s n o r m a l l y h e a t e d b y h y d r o g e n r e c o m b i n a t i o n o n i t s s u r f a c e . C a l c u l a t i o n s o f h e a t fl o w i n s e c t i o n [ 4 . 7 . 1 . 1 ] s h o w e d t h a t v e r y l i t t l e h e a t fl o w s t h r o u g h s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l i e s t h a t s i t a t o p q u a r t z t u b e s . H e n c e , i n t h e s t e a d y - s t a t e , h e a t fl o w s f r o m t h e s u b s t r a t e r a d i a t i v e l y a n d c o n d u c - t i V e l y t h r o u g h t h e n e u t r a l g a s t o t h e q u a r t z b e l l - j a r . I f e i t h e r o f t h e s e h e a t i n g o r c o o l i n g P r o c e s s e s i s n o n - u n i f o r m , i t i s l i k e l y t h a t t h e t e m p e r a t u r e p r o fi l e o f a p o o r l y c o n d u c t i n g m a t e r i a l w o u l d a l s o b e n o n - u n i f o r m . I t w a s o b s e r v e d b y v i s u a l i n s p e c t i o n o f t h e p l a s m a d u r i n g e a r l y d e p o s i t i o n e x p e r i - 2 7 6 s t r a t e w a s n o t u n i f o r m . F r o m t h i s , i t s e e m e d l i k e l y t h a t t h e fl u x o f c h e m i c a l s p e c i e s t r a n s p o r t e d t o t h e s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e w a s n o t u n i f o r m . H e n c e , t h i s m i g h t h a v e e x p l a i n e d w h y t h e t h i c k n e s s o f t h e d e p o s i t e d fi l m s w a s n o n - u n i f o r m . I t w a s h y p o t h e s i z e d t h a t i f t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e p l a s m a i n t h e r e g i o n a b o v e t h e s u b s t r a t e c a u s e d t h e n o n - u n i - f o r m g r o w t h a n d n o t c o n d u c t i v e a n d r a d i a t i v e c o o l i n g , p e r h a p s r e d u c i n g t h e g a s p r e s s u r e o r r e l o c a t i n g t h e s u b s t r a t e m i g h t i m p r o v e d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . T h e l a t t e r t e c h n i q u e l a t e r p r o v e d t o b e a n a d e q u a t e s o l u t i o n , t h e f o r m e r w a s n o t . M C P R c o n fi g u r a t i o n 8 , w h i c h h a d a s u b s t r a t e h e a t e r , w a s d e s i g n e d f o r t w o t y p e s o f d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y e x p e r i m e n t s . O n e a p p l i c a t i o n f o r t h i s c o n fi g u r a t i o n w a s a s a d o w n - s t r e a m s u b s t r a t e r e c e p t o r . T h e i d e a w a s t h a t m o v i n g t h e s u b s t r a t e t o w a r d s t h e d i s - c h a r g e c h a m b e r fl o o r m i g h t i m p r o v e t h e d i s t r i b u t i o n o f c h e m i c a l s p e c i e s t r a n s p o r t e d t o t h e s u b s t r a t e s u r f a c e t h r o u g h d i f f u s i o n o v e r l o n g e r d i s t a n c e s . H e n c e , M C P R - C 8 c o u l d b e u s e d f o r d o w n s t r e a m d i a m o n d d e p o s i t i o n . S e c o n d , M C P R - C 8 c o u l d b e u s e d f o r l o w - p r e s s u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n . A g a i n , t h e d i s t r i b u t i o n o f c h e m i c a l s p e c i e s t r a n s p o r t t h e s u b s t r a t e s u r f a c e m i g h t b e i m p r o v e d t h r o u g h i n c r e a s e d d i f f u s i o n a t l o w e r p r e s s u r e s . I n t h e M C P R , l o w e r i n g t h e g a s p r e s s u r e a n d m o v i n g t h e s u b s t r a t e t o a d o w n - s t r e a m h a v e b e e n o b s e r v e d t o d r a m a t i c a l l y r e d u c e t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s . H e n c e a n e l e c t r i c h e a t e r w a s a d d e d t h e M C P R - C 8 s u c h t h a t d e p o s i t i o n r a t e s w o u l d b e p r o p o r t i o n a l t 0 o t h e r M C P R c o n fi g u r a t i o n s ( r e f e r t o s e c t i o n [ 4 . 7 . 1 ] ) . I n a l l , 2 3 d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 8 a n d C o l ‘ n i n g 7 0 5 9 g l a s s s u b s t r a t e s . T h e s p e c i fi c d e p o s i t i o n r e s u l t s a r e l i s t e d i n A p p e n d i x E f o r S \ l b s t r a t e s G 7 - 1 8 t h r o u g h G 7 - 3 9 a n d G 7 — 4 1 . G e n e r a l l y , a n a l y s i s o f t h e d i a m o n d fi l m s t h a t W e r e d e p o s i t e d d u r i n g t h e s e e x p e r i m e n t s s h o w e d t h a t t h e r e w a s n o i m p r o v e m e n t i n t h e 2 7 7 d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y . B y v i s u a l o b s e r v a t i o n , t h e d i s t r i b u t i o n o f t h e p l a s m a i n t h e d o w n - s t r e a m c o n fi g u r a t i o n a n d a t p r e s s u r e s i n t h e r a n g e o f 3 t o r r t o 9 t o r r a p p e a r e d t o b e u n a f - f e c t e d b y t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n . F u r t h e r m o r e , i t i s l i k e l y t h a t t h e h i g h l y c o n d u c t i v e c o m p o n e n t s , s u c h a s t h e s t a i n l e s s s t e e l t u b e t h a t r e p l a c e d t h e t r a d i t i o n a l q u a r t z t u b e i n M C P R - C 8 , c r e a t e d n o n - u n i f o r m s u b s t r a t e c o o l i n g d u e t o i n c r e a s e d h e a t fl o w t h r o u g h t h e m e t a l l i c s u b s t r a t e r e c e p t o r . M a n y o f t h e d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 8 d i d n o t d e p o s i t d i a m o n d fi l m s f r o m t h e c e n t e r t o t h e e d g e o f s u b s t r a t e . T a b l e 6 . 1 s u m m a r i z e s fi v e o f t h e d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s t h a t w e r e c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 8 . T h e s e 5 s u b s t r a t e s w e r e s e l e c t e d f o r c o m p a r i s o n b e c a u s e t h e y a l l h a d d e p o s i t i o n f r o m t h e c e n t e r t o t h e e d g e a n d t h e y w e r e a l l g r o w n f r o m t h e s a m e g a s c h e m i s t r y . F r o m t h e d a t a i n t h e t a b l e i t i s o b s e r v e d t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e , m e a s u r e d b y w e i g h t g a i n i n m g , i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s - i n g g a s p r e s s u r e a n d h e a t e r v o l t a g e . T h e s e r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e M C P R c h a r a c t e r - i s t i c o f i n c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s w i t h i n c r e a s i n g g a s p r e s s u r e s a n d i n c r e a s i n g a p p l i e d h e a t e r v o l t a g e s . 6 - 3 - 3 O b s e r v a t i o n s o f D i a m o n d F i l m U n i f o r m i t y I n s e c t i o n [ 5 . 6 . 3 ] , i t w a s n o t e d t h a t d i a m o n d fi l m s c o u l d b e d e p o s i t e d t o w i t h i n 2 c o l o r s , w h i c h c o r r e s p o n d s t o a u n i f o r m i t y o n t h e o r d e r o f I O O - n m , o v e r a r e a s a s l a r g e a s 3 - i n C h e s i n d i a m e t e r . T o a c h i e v e t h i s u n i f o r m i t y , i t w a s n o t e d t h a t t h e p r e s s u r e s h o u l d b e 7 t o n ; a n d t h e t o p s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e s h o u l d b e l o c a t e d a t b e t w e e n O - m m a n d 3 - m m a b o v e t h e fl o o r o f t h e b r a s s c a v i t y . F o r M C P R - C 7 , t h i s s u b s t r a t e p l a c e m e n t w a s a c h i e v e d W i t h a q u a r t z t u b e h e i g h t o f d 1 = 5 8 m m . e g a t l o V ) ) a F F G e e ° ° l l ( ( t n i r u u g p p h e e c e a t a V e 0 H 6 r r o o i ) u u c c e g t t o o W m a a m m ( r r e r r e e t d a e e p p e h h r m m i T T e e l p p A T T t s b u S F i g u r e 6 . 3 P h o t o o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 6 0 . T a b l e 6 . 1 : S u m m a r y o f D e p o s i t i o n R e s u l t s w i t h M C P R - C 8 . G 7 - 2 9 G 7 - 2 6 G 7 - 3 2 G 7 - 3 0 G 7 - 2 7 S u b s t r a t e 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 — 8 - 3 C h e m i s t r y H z - C O Z - C H 4 ( s c c m ) 7 9 5 7 9 G a s P r e s s u r e ( T o r r ) A p p l i e d H e a t e r V o l t a g e 5 0 V a c 4 5 9 6 1 6 4 6 3 5 . 2 6 . 7 3 . 2 3 . 3 3 . 8 2 7 8 2 7 9 F o r fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s , s i m i l a r u n i f o r m i t y r e s u l t s w e r e o b s e r v e d . F o r g a s p r e s s u r e s i n t h e r a n g i n g f r o m 5 t o r r t o 9 t o r r , fi l m s w i t h o b s e r v e d u n i f o r - m i t y t o w i t h i n t w o c o l o r s w e r e r o u t i n e l y d e p o s i t e d o n 2 - i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e s . P h o t o s o f t w o s u c h fi l m s a r e s h o w n i n fi g u r e 6 . 3 a n d fi g u r e 6 . 4 . T h e p h o t o i n fi g u r e 6 . 3 w a s t a k e n o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 6 0 , w h i c h h a d a d i a m e t e r o f 2 - i n c h e s . T h i s fi l m w a s d e p o s i t e d a t 9 t o r r w i t h M C P R - C 7 ( d 1 = 5 8 m m ) a n d h y d r o g e n a n d m e t h a n e g a s fl o w s o f 2 0 0 s c c m a n d 5 s c c m r e s p e c t i v e l y . I t s t h i c k n e s s a s d e t e r m i n e d b y i t s o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m w a s 7 7 5 - n m . T h e p h o t o i n fi g u r e 6 . 4 w a s t a k e n o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 6 6 , w h i c h a l s o h a d a d i a m e t e r o f 2 - i n c h e s a n d w a s d e p o s i t e d u n d e r t h e s a m e c o n d i - t i o n s a s 0 7 - 6 0 . T h e d i a m o n d fi l m o n 0 7 - 6 6 h a d a t h i c k n e s s a s d e t e r m i n e d b y i t s o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m o f 1 8 4 0 - n m . E v e n t h o u g h t h e fi l m o n G 7 - 6 6 w a s c o n s i d e r a b l y t h i c k e r t h a n t h e o n e o n 0 7 - 6 0 i t s u n i f o r m i t y w a s s t i l l o b s e r v e d t o b e w i t h i n t w o c o l o r s , o r a p p r o x i m a t e l y l O O - n m . F o r c o m p a r i s o n , a p h o t o o f a v e r y n o n - u n i f o r m fi l m , G 7 - 3 0 , w h i c h h a d m o r e t h a n 2 0 c o l o r c h a n g e s o v e r i t s 2 - i n c h d i a m e t e r , i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 5 . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n G 7 - 3 0 a n d t h e u n i f o r m fi l m s w a s t h a t t h i s fi l m w a s d e p o s i t e d a t a p o s i - t i o n i n t h e M C P R d i s c h a r g e c h a m b e r t h a t w a s 2 - c m l o w e r t h a n t h e o t h e r s . 6 - 3 . 4 O b s e r v a t i o n s o f t h e E f f e c t s o f S e e d i n g M e t h o d I n s e c t i o n [ 5 . 6 . 2 ] i t w a s o b s e r v e d t h a t s u b s t r a t e s t h a t w e r e p r e - t r e a t e d w i t h t h e P h o t o - r e s i s t s e e d i n g m e t h o d h a d a s i g n i fi c a n t l y h i g h e r m e a s u r e d r m s s u r f a c e r o u g h n e s s t h a n t h o s e t h a t w e r e p r e - t r e a t e d w i t h t h e d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h i n g m e t h o d . P h o t o s t h a t W e r e t a k e n o f t w o d i a m o n d c o a t e d g l a s s s u b s t r a t e s a r e s h o w n i n fi g u r e 6 . 6 a n d fi g u r e 6 . 7 . T h e fi l m o n t h e l e f t i n t h e p h o t o s w a s p r e - t r e a t e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t m e t h o d , t h e fi l m o n 2 8 0 F i g u r e 6 . 4 P h o t o o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 — 6 6 . F i g u r e 6 . 5 P h o t o o f t h e d i a m o n d fi l m o n s u b s t r a t e G 7 - 3 0 . 2 8 1 F i g u r e 6 . 6 P h o t o o f d i a m o n d c o a t e d g l a s s s u b s t r a t e s s i t t i n g o n a c o l o r p l a t e . ‘ \ , . i ' e V ) v { ‘ 1 3 . ' . . , . ' ’ * d r > 4 ' F i g u r e 6 . 7 P o t o o f d i a m o n d c o a t e d g l a s s s u b s t r a t e s o n a n o p t i c a l t a b l e . 2 8 2 t h e r i g h t w a s p r e — t r e a t e d w i t h t h e d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h - s e e d i n g m e t h o d . I n b o t h i n s t a n c e s , t h e d i a m o n d p a r t i c l e s u s e d h a d a d i a m e t e r o f 0 . 2 5 u m a n d l e s s . T h e t h i c k n e s s o f t h e t w o fi l m s , a s d e t e r m i n e d b y w e i g h t g a i n , w a s a p p r o x i m a t e l y l u m . F r o m t h e p h o t o s , i t i s o b s e r v e d t h e a p p a r e n t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f t h e s c r a t c h - s e e d e d d i a m o n d fi l m i s m u c h b e t t e r t h a n t h a t o f t h e p h o t o - r e s i s t s e e d e d d i a m o n d fi l m . I n f a c t t h e p h o t o - r e s i s t s e e d e d fi l m s e e n i n t h e p h o t o h a s a f r o s t y w h i t e a p p e a r a n c e . T h i s i s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f a d i a m o n d fi l m , w h i c h i s a f u n c t i o n o f s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d , c a n g r e a t l y r e d u c e t h e t r a n s m i s s i o n o f l i g h t . F o r c o m p a r i s o n , t h e l i g h t - t a b l e m o u n t i n g h o l e s i n fi g u r e 6 . 7 a r e o n l y v i e w a b l e t h r o u g h t h e s c r a t c h - s e e d e d d i a m o n d fi l m . T h e l i g h t - t a b l e h o l e s t h a t a r e s e e n t h r o u g h t h i s fi l m a r e s e v e r a l f e e t b e h i n d t h e g l a s s s u b s t r a t e , w h i c h i s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e r e i s v e r y l i t t l e d i f f u s i o n o f l i g h t t h r o u g h t h i s fi l m . 6 . 4 O p t i c a l T r a n s m i s s i o n o f D i a m o n d F i l m s G r o w n o n G l a s s S u b s t r a t e s 6 . 4 . 1 T h e o r e t i c a l O p t i c a l T r a n s m i s s i o n T h r o u g h a T h i n D i a m o n d F i l m F o r t h e i d e a l c a s e o f a n o p t i c a l l y s m o o t h , p l a n a r d i a m o n d fi l m o f u n i f o r m t h i c k - n e s s , d , o n a g l a s s s u b s t r a t e , t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n i s l i m i t e d o n l y b y s p e c u l a r r e fl e c t i o n . T h e c l a s s i c r e l a t i o n f o r t h e i n t e n s i t y o f t r a n s m i t t e d , n o r m a l l y i n c i d e n t l i g h t t h r o u g h a t h i n fi l m f r o m a i r t o g l a s s , T c , w h i c h i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 8 , i s d e fi n e d i n e q u a t i o n [ 6 . 1 ] [ 8 5 ] . 2 2 T : ( 1 - ( 7 0 ' ) ) ( l - ( 7 1 2 ) ) e q ( 6 . 1 ) 2 2 4 1 t n 1 d 1 + ( r 0 l ) ( r 1 2 ) + 2 r 0 1 r 1 2 c o s ( A ) T h e t e r m s r m m a r e f r e s n e l r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t s . T h e i n d i c e s 0 , 1 a n d 2 c o r r e s p o n d t o a i r , 2 8 3 d i a m o n d a n d g l a s s r e s p e c t i v e l y . H e n c e , t h e t e r m n 1 i s t h e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e d i a m o n d fi l m . T h e t e r m A . i s t h e w a v e l e n g t h o f t h e i n c i d e n t l i g h t i n f r e e s p a c e . I n e q u a t i o n [ 6 . 1 ] , o p t i c a l a b s o r p t i o n i s a s s u m e d t o n o t b e p r e s e n t i n t h e t h i n d i a m o n d fi l m . A b s o r p t i o n d u e t o C - C b o n d v i b r a t i o n s i n t h e f a r i n f r a r e d a n d e l e c t r o n i c t r a n s i t i o n s a c r o s s t h e b a n d g a p i n t h e u l t r a v i o l e t a r e p h e n o m e n o n t h a t o c c u r o u t s i d e t h e w a v e l e n g t h r a n g e c o n s i d e r e d h e r e . F u r - t h e r m o r e , a b s o r p t i o n d u e t o d e f e c t s t a t e s i n t h e d i a m o n d fi l m a r e a l s o c o n s i d e r e d t o b e n e g l i g i b l e . E q u a t i o n [ 6 . 1 ] c a n b e m o d i fi e d f o r l i g h t t h a t o r i g i n a t e s i n g l a s s a n d t r a n s m i t s t o a i r , T , w h i c h i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 8 . T h e r e s u l t i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 6 . 2 ] . ( 1 — ( r . 2 ) 2 ) ( 1 - ( r . 0 ) 2 ) T = 2 2 4 1 m ! d e q ( 6 . 2 ) l + ( r 2 1 ) ( r m ) + 2 r 2 1 r l o c o s ( 3 . ) T h e d i a m o n d t o a i r f r e s n e l r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t r 1 0 i s d e fi n e d a s _ ( " 1 " " o ) r l o - ( " o + ” 1 ) e q ( 6 . 3 ) a n d t h e g l a s s t o d i a m o n d f r e s n e l r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t r 2 , i s d e fi n e d a s ’ 2 1 ( " 2 H 1 1 ) e q ( 6 . 4 ) = ( n , + n 2 ) w h e r e n 0 , n 1 , a n d n 2 a r e t h e r e f r a c t i v e i n d e x f o r a i r , g l a s s a n d d i a m o n d r e s p e c t i v e l y . S i n c e t h e l i g h t i n e q u a t i o n [ 6 . 2 ] o r i g i n a t e s i n t h e g l a s s , t h e e f f e c t s o f l i g h t t r a v e l i n g f r o m a i r i n t o t h e g l a s s a n d m u l t i p l e r e fl e c t i o n s i n t h e g l a s s m u s t b e a d d e d , T o b s , w h i c h i s 2 8 4 T A n o a i r n 1 d i a m o n d n 2 V g l a s s F i g u r e 6 . 8 G r a p h i c a l d e s c r i p t i o n o f T a n d T c . 2 8 5 s h o w n i n fi g u r e 6 . 9 . C o h e r e n t i n t e r f e r e n c e i n t h e g l a s s i s n o t i n c l u d e d s i n c e t h e g l a s s i s o p t i c a l l y t h i c k . T h e o b s e r v e d t r a n s m i s s i o n , T o b s , t h r o u g h t h e g l a s s a n d d i a m o n d f r o m a i r a n d b a c k t o a i r i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 6 . 5 ] [ 8 6 ] . T a b s = m — 2 2 0 ) “ + R 2 0 ( 1 — T ) + [ 2 2 0 ( 1 — T ) ] 2 + h i g h e r . o r d e r s ) e q ( 6 . 5 ) T h e t e r m R 2 0 i s t h e p o w e r r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t a t t h e g l a s s / a i r i n t e r f a c e a n d i s e q u a l t o ( r 2 0 ) 2 . T h e F r e s n e l r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t r 2 0 i s s i m i l a r t o t h o s e i n e q u a t i o n [ 6 . 3 ] a n d e q u a - t i o n [ 6 . 4 ] . T h e h i g h e r o r d e r t e r m s i n e q u a t i o n [ 6 . 5 ] c o n t r i b u t e o n t h e o r d e r o f 0 . 1 % a n d a r e i g n o r e d i n t h i s t r e a t m e n t . T h e i d e a l t r a n s m i s s i o n r e s u l t i n g f r o m a l u m t h i c k d i a m o n d fi l m o n a g l a s s s u b - s t r a t e a s p r e d i c t e d b y e q u a t i o n [ 6 . 5 ] i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 1 0 . T h e r e f r a c t i v e i n d e x v a l u e s f o r a i r , g l a s s , a n d d i a m o n d w e r e c h o s e n t o b e 1 , 1 . 5 , a n d 2 . 4 r e s p e c t i v e l y . A l s o s h o w n i n fi g u r e 6 . 1 0 , f o r c o m p a r i s o n p u r p o s e s , i s t h e t r a n s m i s s i o n f o r a f r e e s t a n d i n g , 1 p m t h i c k d i a m o n d fi l m . N o t e t h a t t h e g l a s s a c t s a s a n a n t i - r e fl e c t i o n l a y e r , i m p r o v i n g t h e a v e r a g e t r a n s m i s s i o n . 6 . 4 . 1 . 1 S e l l m e i e r E q u a t i o n F o r l i g h t w i t h w a v e l e n g t h s r a n g i n g ! f r o m 0 . 2 2 5 u m t h r o u g h t h e i n f r a r e d , t h e r e f r a c - t i v e i n d e x n , o f d i a m o n d i s d e s c r i b e d b y t h e S e l l m e i e r E q u a t i o n m ] 2 4 . 3 3 5 6 2 2 + 0 . 3 3 0 6 2 . 2 n 1 — 1 = e q ( 6 . 6 ) 7 . 2 — ( 0 . 1 0 6 0 ) 2 2 . 2 - ( 0 . 1 7 5 0 ) 2 2 8 6 R 2 0 ( 1 - T ) 2 ( 1 - R 2 0 ) 2 / R 2 0 ( 1 - T ) 2 ( 1 - R 2 0 ) 2 / ( 1 4 3 0 - t h . ) 2 R 2 0 ( 1 - T ) ( 1 - R 2 0 ) R 2 0 ( 1 ' T ) 2 ( 1 ' R 2 0 ) 3 3 “ \ \ x \ \ < \ F i g u r e 6 . 9 G r a p h i c a l d e s c r i p t i o n o f T o b S ' 2 8 7 1 . . A fl ‘ A A A D i a m o n d o n G l a s s 0 . 8 a . U U U . 2 . 8 . E 0 6 U ( 0 C i ‘ . ’ p . . . o \ ° 0 - 4 ‘ F r e e S t a n d i n g ‘ D i a m o n d 0 . 2 - e o l l l l l 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 0 T h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s . 1 6 0 0 2 8 8 T h e w a v e l e n g t h 3 . i n e q u a t i o n [ 6 . 6 ] i s i n m i c r o m e t e r s . A p l o t o f 1 1 1 a s d e s c r i b e d b y e q u a - t i o n [ 6 . 6 ] i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 1 1 f o r w a v e l e n g t h s f r o m 4 0 0 n m t o 1 6 0 0 n m . 6 . 4 . 1 . 2 I n c l u s i o n o f S c a t t e r i n g a t t h e D i a m o n d - A i r I n t e r f a c e A c t u a l C V D d i a m o n d fi l m s o n g l a s s d i f f e r f r o m t h e i d e a l c a s e i n t h a t t h e g r o w t h o f d i a m o n d n u c l e i l e a d s t o p o l y c r y s t a l l i n e fi l m s w i t h r o u g h s u r f a c e s . T h e s e s u r f a c e i r r e g u l a r - i t i e s c a u s e p h a s e d i f f e r e n c e s i n l i g h t a s i t t r a n s m i t s t h r o u g h t h e r o u g h i n t e r f a c e , f r o m t h e d i a m o n d fi l m t o a i r . S u c h p h a s e d i f f e r e n c e s r e s u l t i n i n t e r f e r e n c e t h a t c a n s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t h e a m o u n t o f l i g h t t r a n s m i t t e d t h r o u g h a t h i n d i a m o n d fi l m . F o l l o w i n g F i l i n s k i m ] , a c o r r e c t i o n f a c t o r f o r p o w e r t r a n s m i s s i o n , S T , m a y b e i n c l u d e d i n e q u a t i o n [ 6 . 2 ] t o c o m p e n s a t e f o r t h e r o u g h s u r f a c e o f t h e t h i n fi l m . _ 2 5 T = e x p [ — ( 2 — n 0 ( ; ; : i ) ] e q ( 6 . 7 ) H e r e , 6 i s t h e r o o t - m e a n - s q u a r e o f t h e s u r f a c e r o u g h n e s s , a s s u m i n g a G a u s s i a n d i s t r i b u - t i o n . T h e f r e e - s p a c e w a v e l e n g t h o f l i g h t i s X . T h e p o w e r t r a n s m i s s i o n t h r o u g h t h e r o u g h d i a m o n d s u r f a c e f r o m d i a m o n d t o a i r i s d e fi n e d a s T 1 0 . T 1 0 = ( 1 — r , 2 0 ) s T e q ( 6 . 8 ) T h e t h i n fi l m ’ s r o u g h s u r f a c e a l s o e f f e c t s t h e i n t e r f e r e n c e t e r m s d u e t o m u l t i p l e r e fl e c t i o n s w i t h i n t h e d i a m o n d fi l m . T h e p o w e r r e fl e c t i o n a t a r o u g h s u r f a c e i s m u l t i p l i e d b y a c o r r e c t i o n t e r m S R . d n o m a i D f o x e d n I e v i t c a r f e R 2 8 9 R e f r a c t i v e I n d e x o f D i a m o n d ( S e l l m e i e r E q u a t i o n ) 2 . 4 6 I I I I I 2 . 4 5 ' 3 a 2 . 4 2 2 . 4 1 2 . 4 2 . 3 9 2 3 8 l I I l l 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 1 A p l o t o f 1 1 1 a s d e s c r i b e d b y t h e S e l l m e i e r E q u a t i o n . 2 9 0 S R = e x p | : - ( 4 n : n l ) 2 ] e q ( 6 . 9 ) T h e r e f r a c t i v e i n d e x I n ] i s t h e m e d i u m i n w h i c h t h e l i g h t i s t r a v e l i n g , i n t h i s c a s e d i a m o n d . I f o n e a l s o a s s u m e s t h a t t h e fi e l d a m p l i t u d e r e fl e c t i o n c o e f fi c i e n t i s c o r r e c t e d b y a f a c t o r ( S R ) U 2 , t h e n t h e e x p r e s s i o n f o r T i n e q u a t i o n [ 6 . 2 ] i s m o d i fi e d t o a c c o u n t f o r t h e r o u g h s u r f a c e w i t h t h e t e r m s i n e q . [ 6 . 7 ] , e q . [ 6 . 8 ] a n d e q . [ 6 . 9 ] t o b e c o m e T R I 8 8 H 8 9 H 9 0 ] . ( 1 " % 1 ) ( 1 " 1 2 0 ) S T T R = 4 n n , d ) e q ( 6 . 1 0 ) 2 2 1 + ( r 2 1 ) ( r 1 0 ) S R + 2 r 2 1 r l o f 5 $ c o s ( 3 . T h e o b s e r v e d t r a n s m i s s i o n T 0 1 3 3 f r o m a i r t o a i r t h r o u g h t h e g l a s s a n d t h e d i a m o n d fi l m i s r e d e fi n e d i n e q u a t i o n [ 6 . 1 1 ] a s ( T o b s ) R , f o r t h e c a s e o f a d i a m o n d fi l m w i t h a r o u g h s u r - f a c e . ( T 0 b 5 ) R = T R ( l — R 2 0 ) ( 1 + R 2 0 ( 1 — T R ) + [ R 2 0 ( 1 - T R ) ] 2 + h i g h e r - o r d e r s ) e q ( 6 . 1 1 ) F i g u r e 6 . 1 2 s h o w s g r a p h s o f t h e t h e o r e t i c a l t r a n s m i s s i o n o f t h i n d i a m o n d fi l m s t h a t h a v e s u r f a c e r o u g h n e s s r a n g i n g f r o m 0 n m t o 1 0 0 n m . T h e s e g r a p h s w e r e c r e a t e d w i t h e q u a t i o n [ 6 . 1 1 ] , w h i c h a s s u m e s t h a t a b s o r p t i o n i n t h e d i a m o n d i s n e g l i g i b l e . T h e fi l m s i n t h e fi g u r e a r e a l s o a s s u m e d t o b e a d h e r i n g t o t h i c k g l a s s s u b s t r a t e s . I t i s o b s e r v e d f r o m t h e g r a p h s i n t h e fi g u r e t h a t a t w a v e l e n g t h s o f 4 0 0 n m t h e t r a n s m i s s i o n i s r e d u c e d f r o m n e a r 9 0 % t o n e a r 0 % . T h i s r e d u c t i o n i n t r a n s m i s s i o n i s d u e t o t h e i n c r e a s e i n r r n s s u r f a c e r o u g h n e s s f r o m 0 n m t o 1 0 0 n m r e s p e c t i v e l y . F o r a p p l i c a t i o n s t h a t r e q u i r e t r a n s m i s s i o n o f a t l e a s t 6 0 % a t w a v e l e n g t h s n e a r 4 0 0 n m , t h e d a t a i n t h e fi g u r e i n d i c a t e s t h a t t h e r m s fi l m 0 h fl Q M A ! a ? ! . . i t } ! ! F i l l . . 1 b J I l l ” , I ’ r l l i l i v ' i l v v “ “ 1 4 . P O C a l l h a . M C E L F . 2 9 0 : 0 0 . 4 3 . Figure 6 . 1 2 ' n o i s s i m s n a I 0m r T t n e c r e P 2 9 1 0 . 9 P m I 9 N I P m I 0 . 4 - 0 . 3 e 0 . 2 - 0 . 1 - o I L 1 l l I l 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 2 T h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f r o u g h d i a m o n d fi l m s . s u r f a c e r o u g 1 6 . 4 . 2 M e a s D u r i n fi l m s o n g l a s s fi l m . a t t h e d i t r a n s m i s s i o n d e n c e a n d a r e I n s e c m e m O d . a n d t m o n d fi l m s [ h fi l m s t h a t W a r s c r a t c h i n g h a fi l m s t h a t W e r r e s i s r S e e d i n g O b s e r v e d b y v 2 9 2 s u r f a c e r o u g h n e s s m u s t b e m a i n t a i n e d a t 2 0 n m a n d l e s s . 6 . 4 . 2 M e a s u r e m e n t s o f O p t i c a l T r a n s m i s s i o n T h r o u g h a T h i n D i a m o n d F i l m D u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n e q u a t i o n f o r t h i n d i a m o n d fi l m s o n g l a s s s u b s t r a t e s , e q u a t i o n [ 6 . 1 1 ] , i t w a s s h o w n t h a t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e fi l m , a t t h e d i a m o n d — a i r i n t e r f a c e , c a n s i g n i fi c a n t l y r e d u c e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . T h e s e t r a n s m i s s i o n l o s s e s t h a t r e s u l t f r o m t h e fi l m ’ s s u r f a c e r o u g h n e s s h a v e a w a v e l e n g t h d e p e n - d e n c e a n d a r e fi r s t n o t i c e a b l e a t t h e b l u e e n d o f t h e v i s i b l e s p e c t r u m . I n s e c t i o n [ 5 . 6 . 2 ] , i t w a s n o t e d t h a t t h e s u b s t r a t e p r e t r e a t m e n t m e t h o d , i . e . s e e d i n g m e t h o d , a n d t h e d e p o s i t i o n c h e m i s t r y s i g n i fi c a n t l y a f f e c t t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f d i a - m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d i n t h e M C P R o p e r a t i n g r e g i m e o f t h i s d i s s e r t a t i o n . D i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e p r e t r e a t e d w i t h d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h i n g , h a d m e a s u r e d r m s s u r f a c e r o u g h n e s s , a r m s , t h a t w e r e l o w e r t h a n e q u i v a l e n t fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n p h o t o - r e s i s t s e e d e d s u b s t r a t e s . T h i s p r e s u m p t i o n t h a t p h o t o - r e s i s t s e e d i n g c o u l d n o t y i e l d t r a n s p a r e n t fi l m s w a s c o n fi r m e d i n s e c t i o n [ 6 . 3 . 4 ] . I t w a s o b s e r v e d b y v i s u a l i n s p e c t i o n t h a t p h o t o - r e s i s t s e e d i n g a n d s c r a t c h s e e d i n g r e s u l t e d i n n o t i c e a b l y d i f f e r e n t a m o u n t s o f l i g h t s c a t t e r i n g a n d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . W h e n c o m p a r i n g t h e r m s s u r f a c e r o u g h n e s s o f fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h v a r y i n g c h e m i s t r i e s , i t w a s a l s o o b s e r v e d i n s e c t i o n [ 5 . 6 . 2 ] t h a t t h e l o w e s t m e a s u r e d s u r f a c e r o u g h n e s s r e s u l t e d f r o m g a s fl o w s o f 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 a n d 8 s c c m o f C H 4 . T o f u r t h e r i n v e s t i g a t e t h e s e e f f e c t s , o p t i c a l t r a n s m i s s i o n m e a s u r e m e n t s w e r e t a k e n f r o m fi l m s t h a t w e r e g r o w n u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . F o r t h e s e m e a s u r e m e n t s , d i a m o n d fi l m s w e r e g r o w n o n 2 - i n c h d i a m e t e r C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s s u b s t r a t e s t h a t h a d a t h i c k n e s s o f 1 . 1 m m . P 1 m e n t i o n e c r a t e s w e r e d e p o s i t i o n O p t l i g h t r a n g i r p r e s e n t e d i t o p t i c a l t r a n : O p t i c a l t r a n : n e s s , o n “ 1 m o n d fi l m s . a r e S h O W n i n T h e c i n t h e r a n g e ‘ W a s a l s o d e t e a n d t h e S u r f a t 2 9 3 1 . 1 m m . P r i o r t o d e p o s i t i o n , t h e g l a s s s u b s t r a t e s w e r e p r e - t r e a t e d w i t h o n e o f t h e a b o v e m e n t i o n e d m e t h o d s . I n a l l c a s e s t h e H 2 fl o w r a t e w a s 2 0 0 s c c m . T h e C 0 2 a n d C H 4 fl o w r a t e s w e r e v a r i e d b e t w e e n 0 s c c m a n d 2 0 s c c m . T h e s p e c i fi c p r o c e s s c o n d i t i o n s f o r e a c h d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t a r e l i s t e d i n A p p e n d i x E . O p t i c a l t r a n s m i s s i o n m e a s u r e m e n t s w e r e t a k e n n e a r t h e c e n t e r o f e a c h fi l m f o r l i g h t r a n g i n g f r o m 4 0 0 - n m t o 1 6 0 0 - n m i n i n c r e m e n t s o f 2 0 - n m b y t h e m e t h o d t h a t w a s p r e s e n t e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 3 ] , F i l m T h i c k n e s s M e a s u r e m e n t s . A f t e r w a r d s , t h e t h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n , w h i c h i s d e s c r i b e d b y e q u a t i o n [ 6 . 1 1 ] , w a s fi t t e d t o t h e m e a s u r e d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n b y a d j u s t i n g t h e t h e o r e t i c a l fi l m t h i c k n e s s , d , a n d r r n s s u r f a c e r o u g h - n e s s , e m s . T h e r e s u l t i n g m e a s u r e d a n d t h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s p e c t r a f o r t h e d i a - m o n d fi l m s o n s u b s t r a t e s G 7 - 2 , G 7 - 2 7 , G 7 — 3 0 , G 7 - 5 2 , G 7 - 6 0 , G 7 - 6 3 , G 7 - 6 6 a n d G 7 - 6 7 a r e s h o w n i n fi g u r e 6 . 1 3 t h r o u g h fi g u r e 6 . 2 0 . T h e o p t i c a l l y m e a s u r e d t h i c k n e s s i n t h e c e n t e r o f t h e s e fi l m s w a s d e t e r m i n e d t o b e i n t h e r a n g e o f a p p r o x i m a t e l y 6 0 0 - n m t o n e a r 2 p m . F o r c o m p a r i s o n , t h e fi l m t h i c k n e s s w a s a l s o d e t e r m i n e d f r o m t h e s u b s t r a t e w e i g h t g a i n s a s w a s o u t l i n e d i n s e c t i o n [ 3 . 4 . 3 . 1 ] , a n d t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f s o m e o f t h e fi l m s w a s m e a s u r e d b y D e k t a k . T a b l e 6 . 2 l i s t s t h e m e a s u r e d a n d t h e o r e t i c a l v a l u e s f o r t h e t h i c k n e s s , d , a n d r r n s s u r f a c e r o u g h n e s s , a r m s , f o r t h e fi l m s i n fi g u r e 6 . 1 3 t h r o u g h fi g u r e 6 . 2 0 . F r o m t h e t r a n s m i s s i o n s p e c t r a a n d t h e d a t a i n t a b l e s e v e r a l o b s e r v a t i o n s w e r e m a d e . F i r s t , t h e m e a s u r e d v a l u e s o f s u r f a c e r o u g h n e s s f r o m t h e D e k t a k w e r e s u b s t a n t i a l l y l e s s t h a n t h e fi t t e d s u r f a c e r o u g h n e s s f r o m t h e fi g u r e s . I n t h e f u t u r e , t h e s e m e a s u r e m e n t s s h o u l d b e r e - i n v e s t i g a t e d w i t h a s c a n n i n g f o r c e m i c r o s c o p e . A n a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p e r e q u i r e s c u t t i n g o r b r e a k i n g s m a l l s e c t i o n s f r o m t h e s u b s t r a t e s . W h i c h f o r t h e 1 . 1 - m m F i g r . U c o . e e _ . E m : e fi F e e 0 B R 0 . 1 F ’ Q u r e n o i s s i m s n a 0 | . 0 T r T t n e o r e P 2 9 4 6 2 t r a n s 0 . 9 r . 0 a ) I P N I 9 O I P a I 9 u I . 0 N I 0 . 1 - l I T I l l l I 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 3 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 2 . 9 2 7 t r a n s 1 4 0 0 1 6 0 0 I T I I 0 . 9 ~ ~ 0 . 8 ~ 0 . 7 - S . 3 0 . 6 ' E g 0 5 - t - X i t - n . t h i c k n e s s ( n m ) 1 3 3 0 0 . 3 ~ . . r m s s i g m a ( n m ) 4 0 0 . 2 ' l n ( d i a m o n d ) ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 s n ( g l a s s ) 1 . 5 3 o L l l l l l 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 4 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 2 7 . ( \ c o B E E S E G C E 8 B 0 l F i g z F . - F i g 1 4 r e 2 9 5 g S O t r a n s 1 I I I I I * 1 0 . 9 - _ 0 . 8 e 0 . 7 ~ 8 ' - 0 . 6 - i 8 0 5 - . — E ? E 0 . 4 - a . t h i c k n e s s m n ) 9 9 5 0 . 3 - _ r m s s i g m a ( n m ) 3 5 0 . 2 - a n ( d i a m o n d ) ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 - . l n ( g l a s s ) 1 . 5 3 o 1 I I L 1 l 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 5 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 3 0 . g S Z t r a n s 1 l I I l I I 0 . 9 ~ . 0 . 8 ' - i t 0 . 7 " . x " X 5 X . . _ ‘ . 3 0 6 ' 1 ' — C L t h i c k n e s s m m ) 1 0 7 0 0 . 3 - ‘ r r n s s i g m a ( n m ) 2 4 0 . 2 . . s n ( d i a m o n d ) ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 ~ - 1 1 ( g l a s s ) 1 . 5 3 o 1 l l 1 l l 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 6 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 5 2 . . , 1 1 1 1 1 1 1 1 A F . a - q i . . . : Q C C . O 8 l Q E 6 » 2 2 o L l . e 5 C 0 ” : 0 C 4 l F i g u 2 9 6 g G O t r a n s 1 l l I l 1 ’ l 0 . 9 - _ 0 . 8 ~ 0 . 7 — 8 ’ - 0 . 6 - I ; E ! 0 . 5 - p — m t h i c k n e s s m m ) 7 7 5 0 . 3 - . r m s s i g m a ( n m ) 2 8 0 2 - _ n ( d i a m o n d ) ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 - _ n ( g l a s s ) 1 . 5 3 c l I l I l I 4 0 0 6 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 7 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 6 0 . 1 6 0 0 9 6 3 1 m n s x 1 I I I I l l 0 . 9 - 0 . 8 - 0 . 7 — S ‘ 0 . 6 - - . 3 E g 0 . 5 — _ . — i . . - . a . t h i d t n e s s ( n m ) 5 7 0 0 . 3 ~ - r m s s i g m a ( n m ) 1 2 0 . 2 > _ n ( d i a m o n d ) ( S e l l r n i e r E q . ) 0 . 1 ~ 3 n ( g l a s s ) 1 . 5 3 G l l l l l I 4 0 0 6 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 8 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 6 3 . 1 6 0 0 H O M R I U I S I I M I T t n n u m P F i g m 2 9 7 g 7 6 6 1 r a n s 1 I fi t I I 7 T 0 . 9 ~ ~ 1 ‘ . o . a ~ l ‘ . X X 0 . 7 t - x x x - x : - 0 . 6 b x x " x . x X 0 . 5 - " x " « . - t h i c k n e s s m m ) 1 8 4 0 0 . 3 - 3 m s s i g m a ( n m ) 1 5 0 2 e - 1 n ( d i a m o n d ' l ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 - - n ( g h e e ) 1 . 5 3 o 1 l 1 l 1 1 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 1 9 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 6 6 . g S 7 t r a n s 1 I I — I l I I 0 . 9 - 0 . 8 - 1 0 . 7 ~ . s x ‘ ‘ - 0 . 6 — l t " 4 . 3 ' E 3 0 . 5 . _ g . E 0 . 4 * - . i a . t h i c k n e a m m ) 1 3 5 5 0 . 3 - . r m s s i g m a ( n m ) 2 2 0 . 2 - . l n ( d i a m o n d ) ( S e l l m i e r E q . ) 0 . 1 r - . . n ( g l a s s ) 1 . 5 3 o J 1 l l 1 1 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 W a v e l e n g t h ( n m ) F i g u r e 6 . 2 0 O p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 6 7 e t a r t s b u S I ‘ 0 7 - 2 0 7 - 2 7 ~ 0 7 - 3 0 0 7 - 5 2 0 7 - 6 0 G 1 6 3 2 0 1 G 7 6 6 \ . 1 M 2 0 ( T a b l e ? y r t s n o i s s i m s d n , a i fi 4 m H e C h - C ) m s s l e a n c ) k i z c m n O c s ( o C i t - i z c t n i p h ( O T m y b H l s o p e D i d F e n i m r e t e D T a b l e 6 . 2 : E x p e r i m e n t a l D a t a f o r D i a m o n d F i l m s o n 7 0 5 9 G l a s s S u b s t r a t e s G 7 - 2 7 G 7 - 3 0 G 7 - 5 2 G 7 - 6 0 G 7 — 6 3 G 7 - 6 6 G 7 - 2 S u b s t r a t e G 7 - 6 7 2 0 0 - 0 - 2 0 / 5 2 0 0 - 0 - 2 0 / 5 2 0 0 - 8 - 8 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 - 8 - 3 2 0 0 - 0 - 5 2 0 0 - 0 - 5 1 2 . 0 1 0 . 3 6 . 0 4 . 3 8 . 5 5 . 2 7 . ; 6 . 7 M e a s u r e d W e i g h t G a i n ( m g ) 1 4 5 0 1 6 8 0 l 1 9 0 8 4 0 9 4 0 7 3 0 1 0 4 0 F i l m T h i c k n e s s , d D e t e r m i n e d b y W e i g h t G a i n ( n m ) 1 3 5 5 1 8 4 0 1 0 7 0 7 7 5 5 7 0 1 3 3 0 9 9 0 N / A 1 5 1 0 4 T 2 0 S u r f a c e R o u g h n e s s , e m s M e a s u r e d b y D e k t a k ( M ) 1 5 2 2 1 2 2 4 2 8 3 6 4 o N / A f S u r f a c e R o u g h n e s s , e m s D e t e r m i n e d b y O p t i c a l fi a n s m i s s i o n ( w ) 1 3 . 7 1 4 . 3 1 4 . 1 1 5 . 0 1 3 . 8 1 4 . 1 R a m a n F W H M 2 9 8 t h i c k g l a s s S L r e m a i n d e r o f w i l l b e i n c l u c S e c o n t r a n s m i s s i o n . - W a s d e p o s i t e c fi l m s t h a t d o r “ 3 0 ’ 1 0 W O p t i c f r o s t y - w h i t e a d u e t o s c a t t e r i c o u l d n o t b e I t r o u g h n e s s o f t . a S S U m e d d U I i n T h e o t l i n g a n d o n e o f fi O W s o f 2 0 0 S C d e p o s i t e d W i t h U n i q u e i n t h a t U fl O W S W e r e 2 0 0 r e d u c e d t o 5 s C c 6 b e g i n n i n g 0 1 o n S c r a t c h S E E d e 2 9 9 t h i c k g l a s s s u b s t r a t e s r a n d o m l y c a u s e d t h e fi l m s t o p e e l f r o m s u c h s u b s t r a t e s . F o r t h e r e m a i n d e r o f t h e d i s c u s s i o n i n t h i s s e c t i o n o n l y t h e o p t i c a l l y d e t e r m i n e d s u r f a c e r o u g h n e s s w i l l b e i n c l u d e d . S e c o n d , t h e fi l m w i t h t h e h i g h e s t m e a s u r e d a n d t h e o r e t i c a l ( I n n s a n d t h e l o w e s t t r a n s m i s s i o n a t 4 0 0 — n m w a s G 7 — 2 . I t w a s t h e o n l y o n e o f t h e e i g h t fi l m s i n t h e fi g u r e s t h a t w a s d e p o s i t e d w i t h p h o t o - r e s i s t s e e d i n g . T h i s c o n fi r m s t h e f a c t t h a t p h o t o - r e s i s t s e e d e d fi l m s t h a t d o n o t h a v e a h i g h l y o r i e n t e d t e x t u r e h a v e a s i g n i fi c a n t a m o u n t o f s c a t t e r i n g a n d v e r y l o w o p t i c a l t r a n s m i s s i o n i n t h e s p e c t r u m f r o m 4 0 0 - n m t o l 6 0 0 - n m . T h i s fi l m h a d a f r o s t y - w h i t e a p p e a r a n c e a n d n o b r o w n o r g r e y s h a d e s . H e n c e , i t s t r a n s m i s s i o n l o s s e s a r e d u e t o s c a t t e r i n g n o t a b s o r p t i o n . T h e t h e o r e t i c a l o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f e q u a t i o n [ 6 . 1 1 ] c o u l d n o t b e m a t c h e d t o t h e m e a s u r e d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f G 7 - 2 . P e r h a p s t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e fi l m d i d n o t h a v e a G a u s s i a n d i s t r i b u t i o n a n d a v a l u e < < 3 . a s w a s a s s u m e d d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f e q u a t i o n [ 6 . 1 1 ] . T h e o t h e r d i a m o n d fi l m s , G 7 - 2 7 t h r o u g h G 7 - 6 7 , w e r e d e p o s i t e d w i t h s c r a t c h s e e d - i n g a n d o n e o f f o u r d e p o s i t i o n c h e m i s t r i e s . G 7 - 2 7 a n d G 7 - 3 0 w e r e d e p o s i t e d w i t h g a s fl o w s o f 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 a n d 3 s c c m o f C H 4 . G 7 - 5 2 a n d G 7 - 6 0 w e r e d e p o s i t e d w i t h g a s fl o w s o f 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 5 s c c m o f C H 4 . G 7 - 6 3 a n d G 7 - 6 7 w e r e u n i q u e i n t h a t t h e y w e r e d e p o s i t e d w i t h a t w o s t e p p r o c e s s . F o r t h e fi r s t 3 0 m i n u t e s , t h e g a s fl o w s w e r e 2 0 0 s c c m o f H 2 a n d 2 0 s c c m o f C H 4 . A f t e r w a r d s , t h e C H 4 fl o w r a t e w a s r e d u c e d t o 5 s e e m . I t w a s r e p o r t e d b y W u a n d R a i t h a t a h i g h c o n c e n t r a t i o n o f m e t h a n e a t t h e b e g i n n i n g o f d e p o s i t i o n r e s u l t s i n a n o r d e r o f m a g n i t u d e i n c r e a s e i n n u c l e a t i o n d e n s i t y o n s c r a t c h s e e d e d s i l i c o n w a f e r s m ] . H e n c e , t h i s p r o c e s s w a s i n c l u d e d i n t h i s w o r k . G 7 - 6 6 w a s d e p o s i t e d w i t h g a s f l o w s o f 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 3 c c m o f C 0 2 a n d 8 s e e m o f C H 4 . r a n g e o f 5 0 % t o A s w a s r a n g e o f m e a s u i w a s n o c h e m i s t ] s i o n t h r o u g h o u t o p t i c a l l y d e t e r r r a b s o r p t i o n i n v i a p p a r e n t t h a t i t a p p r o x i m a t e l y ( s o m e a b s o r p t i o l D e a r i n f r a r e d ~ i t : T h e C h e m i s t r y ( w a s “ 3 6 d 0 n G 7 w e r e f r e e o f d e t A “ W a l l a s f o l l o w s _ T h e W h i C h C o n fl a t e R o u g h n e S S _ T h e U n i t , 0 6 a ] - 4 0 * n n w e r e m e % u r e d l i s t g e o f 0 p m 3 0 0 A s w a s p o s t u l a t e d i n e a r l i e r s e c t i o n s , t h e s e c h e m i s t r i e s p r o d u c e d fi l m s w i t h a r a n g e o f m e a s u r e d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n a n d o p t i c a l l y d e t e r m i n e d s u r f a c e r o u g h n e s s . T h e r e w a s n o c h e m i s t r y t h a t p r o v i d e d t h e l o w e s t s u r f a c e r o u g h n e s s a n d t h e b e s t o p t i c a l t r a n s m i s - s i o n t h r o u g h o u t t h e r a n g e o f 4 0 0 - n m t o 1 6 0 0 - u m . T h e c h e m i s t r y t h a t y i e l d e d t h e l o w e s t o p t i c a l l y d e t e r m i n e d a r m s w a s t h a t o f G 7 - 6 6 ; h o w e v e r , t h i s fi l m e x h i b i t e d a 2 . . d e p e n d e n t a b s o r p t i o n i n v i s i b l e r a n g e . F r o m t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s p e c t r u m i n fi g u r e 6 . 1 9 i t i s a p p a r e n t t h a t i t h a s a 3 . d e p e n d e n t a b s o r p t i o n i n t h e w a v e l e n g t h r a n g e f r o m 4 0 0 - n m t o a p p r o x i m a t e l y 6 0 0 — n m . T h i s fi l m h a s a s l i g h t b r o w n i s h c o l o r , w h i c h i n d i c a t e s t h a t i t h a s s o m e a b s o r p t i o n i n i t . S o w h i l e i t s l o w a r m s r e s u l t e d i n a n e a r l y i d e a l t r a n s m i s s i o n i n t h e n e a r i n f r a r e d , i t s a b s o r p t i o n n e g a t e d t h e a c h i e v e m e n t t h r o u g h o u t m o s t o f t h e v i s i b l e r a n g e . T h e c h e m i s t r y w i t h t h e b e s t t r a n s m i s s i o n i n t h e v i s i b l e r a n g e w a s t h e 2 - s t e p p r o c e s s t h a t w a s u s e d o n G 7 - 6 3 a n d G 7 - 6 7 . A l t h o u g h t h e y d i d n o t h a v e a e m s a s l o w a s G 7 - 6 6 , t h e y w e r e f r e e o f d e t e c t a b l e a b s o r p t i o n . A n e v a l u a t i o n o f t h e fi l m s t h a t d i d n o t e x h i b i t d e t e c t a b l e a b s o r p t i o n i s s u m m a r i z e d a s f o l l o w s . T h e fi l m s w i t h t h e l o w e s t t r a n s m i s s i o n a t 4 0 0 - n m w e r e G 7 - 2 7 a n d G 7 - 3 0 , w h i c h c o r r e l a t e s w e l l w i t h t h e r e s u l t s o f s e c t i o n [ 5 . 6 . 2 ] , M e a s u r e m e n t s o f F i l m S u r f a c e R o u g h n e s s . T h e y h a d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s a t 4 0 0 - n m i n t h e r a n g e o f 4 0 % t o 5 0 % a n d e m s n e a r 4 0 - n m . T h e n e x t b e s t r a n g e o f o p t i c a l t r a n s m i s s i o n a t 4 0 0 — n m a n d l o w e s t e m s w e r e m e a s u r e d f r o m G 7 - 5 2 a n d G 7 - 6 0 . T h e y h a d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s a t 4 0 0 - n m i n t h e r a n g e o f 5 0 % t o 6 0 % a n d t h e i r e m s w e r e i n t h e r a n g e o f 2 4 - n m t o 2 8 - n m . T h e fi l m s h i g h - e s t r a n g e o f o p t i c a l t r a n s m i s s i o n a t 4 0 0 - n m w e r e G 7 - 6 3 a n d G 7 - 6 7 . T h e y h a d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s a t 4 0 0 - n m i n t h e r a n g e o f 6 0 % t o > 7 0 % a n d t h e i r e m s w e r e i n t h e r a n g e o f 1 2 - n m t o 2 2 - n m . A g a i n w h a t w a s u n i q u e a b o u t G 7 - 6 3 a n d G 7 - 6 7 w a s t h a t t h e y w e r e s u b s t r a t e s f O r tl S U b s t r a t e s a n m a n y o f t h e d i a g r o w n w i t h a a b l e u n t i l t h e T h e fi l fi l m t h a t e x h i l m i n e i f t h i s a t t i o n i n t h i s fi l i r e p o r t e d t o p n s h o w s t h a t h i t ] 6 0 0 - n m . [ 9 9 ] W h i l e m o n d fi l m s p r : fi l m s h a d a d i e n e a r 1 4 4 0 ‘ C m ‘ F W H M a r e l i s t h r O U g h fi 9 U r e 6 5 O b S e n P r i m a r y m O I l V g 3 0 1 g r o w n w i t h a t w o - s t e p p r o c e s s . T h e fi l m G 7 - 6 3 w a s s o c l e a r t h a t i t w a s n e a r l y u n d e t e c t - a b l e u n t i l t h e s u b s t r a t e ’ s w e i g h t g a i n a n d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n w e r e d o c u m e n t e d . T h e fi l m o n G 7 - 6 6 w a s t h e t h i c k e s t o n e t h a t w a s m e a s u r e d . I t w a s a l s o t h e o n l y fi l m t h a t e x h i b i t e d o b v i o u s a b s o r p t i o n . A f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n o f t h i s i s r e q u i r e d t o d e t e r - m i n e i f t h i s a b s o r p t i o n i s u n i q u e t o t h i s d e p o s i t i o n c h e m i s t r y . P o s s i b l e s o u r c e s f o r a b s o r p - t i o n i n t h i s fi l m a r e a h i g h p e r c e n t a g e o f s p 2 b o n d s a n d i n c l u s i o n o f n i t r o g e n . T h e l a t t e r i s r e p o r t e d t o p r o d u c e y e l l o w t o b r o w n l o o k i n g d i a m o n d . D a t a f r o m C h r e n k o a n d S t r o n g s h o w s t h a t n i t r o g e n c o n t e n t i n d i a m o n d c a n s h i f t t h e a b s o r p t i o n e d g e f r o m 2 3 0 - n m t o n e a r 6 0 0 - n m . [ 9 9 ] W h i l e t h e r e w e r e v a s t d i f f e r e n c e s i n t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n p r o p e r t i e s o f t h e d i a - m o n d fi l m s p r e s e n t e d h e r e , t h e r e w a s v e r y l i t t l e d i f f e r e n c e i n t h a t R a m a n s p e c t r u m . A l l t h e fi l m s h a d a d i a m o n d p e a k n e a r 1 3 3 2 c m ] . T h e i r s p e c t r a , w h i c h d e - c o n v o l v e d i n t o p e a k s n e a r 1 4 4 0 - c m ' l a n d 1 5 2 0 - c m ’ ] , a l s o i n d i c a t e d t h a t a m o r p h o u s c a r b o n w a s p r e s e n t . T h e F W H M a r e l i s t e d i n t a b l e 6 . 2 . T h e i n d i v i d u a l R a m a n s p e c t r a a r e s h o w n i n fi g u r e 6 . 2 1 t h r o u g h fi g u r e 6 . 2 6 . 6 . 5 O b s e r v a t i o n s o f t h e A d h e s i o n o f t h e D i a m o n d F i l m s o n G l a s s S u b s t r a t e s C V D d i a m o n d fi l m d e l a m i n a t i o n i s o f t e n r e p o r t e d t o b e p r o b l e m a t i c , a n d w a s t h e p r i m a r y m o t i v a t i o n f o r m a i n t a i n i n g l o w s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s d u r i n g d e p o s i t i o n o n g l a s s s u b s t r a t e s f o r t h i s d i s s e r t a t i o n . M o r e t h a n 1 0 0 d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d o n s i l i c o n s u b s t r a t e s a n d o n l y o n e o f t h e m s h o w e d a n y s i g n s o f d e l a m i n a t i o n . C o n v e r s e l y h o w e v e r , m a n y o f t h e d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s d i d e v e n t u a l l y d e l a m i - n a t e . D e l a m i n a t i o n o f t h e d i a m o n d fi l m s f r o m t h e g l a s s s u b s t r a t e s h a d a h i g h o c c u r r e n c e O S 0 8 3 0 2 G 7 — 2 7 1 I I f I I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 r - _ 0 . 8 ) - ‘ ' ‘ - 1 1 7 - a j d 0 1 5 ~ - ( 1 5 _ 0 1 1 » - 0 . 3 1 l l l _ 1 1 l L 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 6 . 2 1 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 2 7 . G 7 — 3 0 1 j I I I I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 ~ - 0 . 8 - 4 j _ _ a 0 . 7 0 . 6 - ~ 0 . 5 - 0 4 l l m L l l l l l 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 6 . 2 2 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 3 0 . H U . O i 0 7 E 0 6 0 . 5 ; 0 4 L F i g 1 4 1 0 . 9 % . , I s 3 0 3 G T - 5 2 1 I I I ' I I I I I j J . M o s s b m c k e r 0 . 9 - _ 0 . 8 ~ , 1 s 3 0 . 7 r - 1 0 - 6 + - _ 4 0 . 5 ' ‘ ‘ « 0 . 4 l l l 1 l 1 l I 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 6 . 2 3 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 5 2 . G 7 — 6 0 1 T I r ' I I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 8 - . - 0 . 6 - a 0 . 5 - 0 ‘ 4 1 L I 1 1 l I I L 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 6 . 2 4 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 6 0 . 3 0 4 G 7 - 6 3 1 T I l I I I I I W J . M o s s b m c k e r 0 . 9 - . ' . w _ 0 . 8 - " ~ = 3 0 . 7 - « 0 . 6 e . . . 0 . 5 - 0 . 4 I I I I I I I I I 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 6 . 2 5 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 6 3 . G 7 - 6 6 1 I I I r I I I I I J . M o s s b r u c k e r 0 . 9 - s 0 . 8 e s 0 . 7 - J 3 ‘ « i 0 . 6 - a 0 . 5 a 0 . 4 - p 4 0 . 3 I I I I I I I I I 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 1 / c m S h i f t F i g u r e 6 . 2 6 T h e R a m a n B s p e c t r u m r e c o r d e d f r o m s u b s t r a t e G 7 - 6 6 . m e t h a n e C o n c c a s e i t h e r p w i t h a w e : s t r a t e s d u r m o r e t h a n 6 . 5 . ] I n t T h e g l a s s m a y [ t h e s e t w o 5 1 i n t e r n a l s t r a s u b s t r a t e . I t r e g a r d s t o 5 1 l a r g e r f o r ( h , f o r s i l i c o n S t t h e g l a s s S u b A r e p fi l m s t h a t a r e d e P O S i t i o n [ 6 1 t h e d e p o s i t i o n s i c s t r a i n W a s 3 0 5 a s e i t h e r p a r t i a l o r c o m p l e t e d e l a m i n a t i o n . A t o t a l o f 3 5 p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s w i t h a w e i g h t g a i n o f 5 m g o r m o r e w e r e d e p o s i t e d o n 2 - i n c h d i a m e t e r C o m i n g 7 0 5 9 s u b - s t r a t e s d u r i n g a p e r i o d o f a p p r o x i m a t e l y 5 y e a r s . I n t h e t i m e s i n c e t h e s e fi l m s w e r e g r o w n , m o r e t h a n h a l f o f t h e m h a v e p e e l e d t o s o m e e x t e n t . 6 . 5 . 1 I n t r i n s i c a n d T h e r m a l S t r a i n i n D i a m o n d F i l m s T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e o c c u r r e n c e o f d e l a m i n a t i o n f r o m t h e s i l i c o n a n d t h e g l a s s m a y b e r e l a t e d t o t h e a m o u n t o f s t r a i n t h a t i s p r e s e n t a t t h e i n t e r f a c e o f t h e fi l m f o r t h e s e t w o s u b s t r a t e s . S t r a i n a t t h e d i a m o n d - s u b s t r a t e i n t e r f a c e i s c r e a t e d t w o w a y s , b y i n t e r n a l s t r a i n i n t h e fi l m a n d b y t h e r m a l s t r a i n a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e n t h e fi l m a n d t h e s u b s t r a t e . I t i s u n l i k e l y t h a t t h e r e w a s a l a r g e d i f f e r e n c e i n t h e fi l m ’ s i n t e r n a l s t r a i n w i t h r e g a r d s t o s u b s t r a t e m a t e r i a l u s e d f o r t h i s d i s s e r t a t i o n ; h o w e v e r , t h e t h e r m a l s t r a i n i s m u c h l a r g e r f o r t h e b o r o s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s t h a t w e r e u s e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n t h a n i t i s f o r s i l i c o n s u b s t r a t e s . H e n c e , o n e w o u l d e x p e c t a h i g h e r o c c u r r e n c e o f d e l a m i n a t i o n f r o m t h e g l a s s s u b s t r a t e s . A r e p o r t b y W i n d i s c h m a n n a n d E p p s s h o w e d t h a t t h e i n t e r n a l s t r a i n i n d i a m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d b y m i c r o w a v e p l a s m a C V D i s a f u n c t i o n o f g a s c o m p o s i t i o n a n d d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e n o o l I t w a s r e p o r t e d t h a t t h e fi l m ’ s i n t e r n a l s t r a i n i s t e n s i l e w h e n t h e d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e i s i n t h e r a n g e o f 5 5 0 C t o 9 0 0 C . T h e m a g n i t u d e o f t h i s i n t r i n - s i c s t r a i n w a s n o t e d t o d e c r e a s e w i t h d e c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d i n c r e a s i n g m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n . I t s o r i g i n w a s e x p l a i n e d i n t e r m s o f a g r a i n b o u n d a r y r e l a x a t i o n m o d e l d u e t o a fi n e - g r a i n e d p o r o u s m i c r o - s t r u c t u r e . T h e i n v e r s e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n t r i n s i c s t r a i n a n d t h e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n w a s a t t r i b u t e d t o i m p u r i t i e s s u c h a s s p 2 c a r - 3 0 6 b o n a n d h y d r o g e n . F o r d i a m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d o n g l a s s s u b s t r a t e s , a s i g n i fi c a n t a m o u n t o f t h e r m a l s t r a i n i s c r e a t e d a t t h e fi l m - s u b s t r a t e i n t e r f a c e . T h e t h e r m a l s t r a i n f o r t w o i s o t r o p i c m a t e r i a l s t h a t h a v e d i f f e r i n g t h e r m a l e x p a n s i o n c o e f fi c i e n t s ( C T E ) i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 6 . 1 2 ] . “ ° ” 8 = ( a f - a 5 ) i A T i e q ( 6 . 1 2 ) T h e t e r m 8 i s t h e t h e r m a l s t r a i n a t t h e i n t e r f a c e a n d i s n o t n e c e s s a r i l y t h e s t r a i n i n t h e b u l k m a t e r i a l . T h e t e r m s 0 1 f , a s a n d A T a r e t h e C T E o f d i a m o n d , t h e C T E o f t h e s u b s t r a t e a n d t e m p e r a t u r e r a n g e f o r t h e i t h i n t e r v a l r e s p e c t i v e l y . F o r t h e t h i n d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e g r o w n d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n , t h e s t r e s s t h r o u g h o u t t h e d i a m o n d c a n b e d e s c r i b e d b y H o o k e ’ s L a w o f t h i n p l a n a r s t r a i n , w h i c h i s s h o w n i n e q u a t i o n [ 6 . 1 3 ] . E r ° ‘ = ( 1 - v . ) e q ( 6 . 1 3 ) T h e a s s u m p t i o n i s t h a t t h e fi l m i s v e r y t h i n a n d t h a t t h e s t r a i n i n t h e fi l m i s u n i f o r m t h r o u g h o u t . T h e t e r m E f l ( 1 - v f ) i n e q u a t i o n [ 6 . 1 3 ] i s t h e b i a x i a l Y o u n g ’ s m o d u l u s o f t h e d i a m o n d fi l m , w h i c h c a n b e a p p r o x i m a t e d t o b e t h a t o f b u l k d i a m o n d 1 3 4 5 G P a I l O Z ] . F r o m e q u a t i o n [ 6 . 1 3 ] a n d t h e C T E o f d i a m o n d m m a n d C o r n i n g 7 0 5 9 g l a s s n o ‘ ” , t h e c a l c u l a t e d t h e r m a l s t r e s s i n a d i a m o n d fi l m o n a C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s s u b s t r a t e i s a p p r o x i m a t e l y 1 . 7 G P a c o m p r e s s i v e f o r a t e m p e r a t u r e c h a n g e f r o m 4 7 5 C t o 2 5 C , u s i n g 1 0 0 C i n t e r v a l s . 3 0 7 6 . 5 . 2 O b s e r v a t i o n s o f F i l m A d h e s i o n t o C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s O b s e r v a t i o n s o f fi l m a d h e s i o n t o g l a s s s u b s t r a t e s w e r e v a r i a b l e o v e r t h e y e a r s . F r o m t h e e a r l y e x p e r i m e n t s w i t h p h o t o - r e s i s t s e e d i n g i t w a s o b s e r v e d t h a t a d h e s i o n w a s d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e fi l m t h i c k n e s s a n d d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e . I n m o r e r e c e n t e x p e r i - m e n t s w i t h s c r a t c h s e e d i n g h o w e v e r , t h e r e h a v e b e e n i n c o n s i s t e n c i e s i n r e l a t i n g a d h e s i o n t o t h e fi l m t h i c k n e s s . A n o t h e r v a r i a b l e i n a d h e s i o n o b s e r v a t i o n s w a s t h e t i m e r e q u i r e d f o r a fi l m t o p e e l , w h i c h r a n g e d f r o m a s l i t t l e a s a f e w m i n u t e s t o a s m u c h a s s e v e r a l m o n t h s . I n s o m e c a s e s , s a m p l e s t h a t w e r e g r o w n u n d e r p r e s u m a b l y i d e n t i c a l c o n d i t i o n s h a d v a r y - i n g d e g r e e s o f a d h e s i o n . W h a t w a s c o n s i s t e n t , w a s t h e m a n n e r i n w h i c h t h e fi l m s p e e l e d , w h i c h w a s i n d e p e n d e n t o f t h e t i m e i t t o o k f o r t h e fi l m t o p e e l . T h e d e l a m i n a t i o n b e g a n w i t h fi l m b u b b l i n g a l o n g n a r r o w l i n e s t h a t l o o k l i k e s m a l l m o u n t a i n r a n g e s , s u c h a s t h e o n e s t h a t a r e s h o w n i n fi g u r e 6 . 2 8 . E v e n t u a l l y , l a r g e a r e a s o f t h e fi l m w o u l d p e e l o f f a s i s s h o w n i n fi g u r e 6 . 2 7 . A n o t h e r i n t e r e s t i n g c h a r a c t e r i s t i c w a s t h a t t h e p i e c e s o f t h a t fi l m t h a t p e e l e d a l l h a d a p o t a t o - c h i p s h a p e . T h e y a l l a p p e a r e d t o b e n d d o w n t o w a r d s t h e g l a s s s i d e o f t h e fi l m , w h i c h i n d i c a t e s t h a t t h e i n t r i n s i c s t r a i n i n t h e fi l m w a s m o r e c o m p r e s s i v e o n t h e s u b - s t r a t e s i d e t h a n o n t h e d e p o s i t i o n s i d e . T h e e a r l y o b s e r v a t i o n s o f a d h e s i o n w e r e o f fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e s e e d e d b y t h e p h o t o - r e s i s t m e t h o d . A s u m m a r y o f t h e s e o b s e r v a t i o n i s l i s t e d i n t a b l e 6 . 3 f o r fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n C o m i n g 7 0 5 0 s u b s t r a t e s a n d t a b l e 6 . 4 f o r fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . A l l t h e fi l m s t h a t a r e l i s t e d i n t a b l e 6 . 3 w e r e g r o w n u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s a s a r e l i s t e d i n A p p e n d i x H , a n d t h e i r t e m p e r a t u r e s w e r e a l l n e a r 4 5 0 C . F r o m t h e d a t a i n t h e 3 0 8 F i g u r e 6 . 2 8 A n S E M p h o t o o f l e a d i n g e d g e o f t h e p e e l r e g i o n . S u b s t r a t e G G G 0 7 7 7 7 - - - - 5 6 9 7 S u m b p ( 5 4 4 - - - 0 T 7 4 5 e 6 9 5 0 5 4 4 4 a t t u e r e s e 0 t r C r a ) T h i F ( i l m c t k u n n e ) s s L o 3 A T 1 3 1 e m m n e s 1 9 5 1 0 5 2 2 1 1 . . . . 1 3 1 0 N N Y Y o o e e s s 3 0 9 S u b s t r a t e F i l m T h i c k n e s s L o n g T e r m ( u m ) A d h e s i o n ? G P - l 0 . 6 7 Y e s G P - 4 l . 0 Y e s G P - 2 1 . 7 Y e s G P - 3 2 . 5 N o G P - S 2 . 5 N o T a b l e 6 . 3 : O b s e r v a t i o n s o f A d h e s i o n o n C o m i n g 7 0 5 0 S u b s t r a t e s T a b l e 6 . 4 : O b s e r v a t i o n s o f A d h e s i o n o n C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s 3 1 0 t a b l e i t s c l e a r t h a t t h e a d h e s i o n o f fi l m s t h a t w e r e g r o w n u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s h a s a t h i c k n e s s d e p e n d e n c e . T h e fi l m s w i t h a t h i c k n e s s u n d e r 2 p m s h o w e d l o n g t e r m a d h e s i o n a n d t h o s e w i t h a t h i c k n e s s o v e r 2 m d i d n o t . T h e fi l m s l i s t e d i n t a b l e 6 . 4 w e r e g r o w n w i t h i d e n t i c a l c h e m i s t r i e s a n d v a r y i n g g a s p r e s s u r e s , a s a r e n o t e d i n A p p e n d i x B . T h o s e t h a t w e r e g r o w n a t h i g h e r p r e s s u r e s h a d h i g h e r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s a n d w e r e t h i c k e r . H e r e a g a i n , t h e fi l m s u n d e r 2 p m s h o w e d l o n g t e r m a d h e s i o n a n d t h o s e t h i c k e r t h a n 2 p m d i d n o t . O b s e r v a t i o n s o f m o r e r e c e n t fi l m s a r e l i s t e d i n t a b l e 6 . 5 . T h e s e fi l m s d i f f e r f r o m t h o s e i n t a b l e 6 . 3 a n d t a b l e 6 . 4 i n t w o w a y s . T h e y w e r e g r o w n o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e s c r a t c h s e e d e d w i t h d i a m o n d p o w d e r a n d t h e y h a d v a r y i n g g a s c h e m i s t r i e s . T h e s e fi l m s w e r e a l l g r o w n a t 9 t o r r a n d h a d s i m i l a r s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s i n t h e r a n g e o f 4 6 5 C . T h e d a t a l i s t s t h r e e fi l m s t h a t e x h i b i t e d p a r t i a l o r c o m p e t e d e l a m i n a t i o n , w h i c h h a d a t h i c k n e s s t h a t w a s l e s s t h a n 2 - u m . T h e i n c o n s i s t e n c y i s t h a t t h e t w o t h i c k e s t fi l m s , ( 3 7 - 6 6 a n d G 7 - 6 7 , d i d n o t p e e l . 6 . 6 S u m m a r y I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d i n t h i s c h a p t e r t h a t t r a n s p a r e n t p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s c a n b e d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s w i t h c u r r e n t M C P R t e c h n o l o g y . T h e g r o w t h r a t e o f t h e s e fi l m s i s r e l a t i v e l y l o w , o n t h e o r d e r o f S O - n m / h r t o 8 0 - n m / h r ; h o w e v e r t h e s e r a t e s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e d e p o s i t i o n r a t e s o n s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e r e p o r t e d i n c h a p t e r 5 . T h e u n i f o r m i t y o f t h e s e fi l m s w a s a l s o e q u a l t o t h a t o f t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s i l i c o n s u b s t r a t e s . S i n g l e c o l o r fi l m s w i t h 1 0 % a n d b e t t e r u n i f o r m i t y w e r e r o u t i n e l y d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s o f 2 - i n c h e s . P i l o t 3 l l 0 5 a a w e 2 a a E a G ) g a h E 5 i : E > . E H g 3 3 O 8 g e a , . n E o n " ' a " 3 U I . " n " E " t : . 3 < 3 2 . . n . E E a ‘ 5 U Q G 7 - 5 2 2 0 0 0 - 5 9 1 . 2 X G 7 - 6 0 2 0 0 - 0 - 5 9 0 . 8 4 X G 7 - 6 1 2 0 0 - 0 - 2 0 / 5 9 1 . 1 X G 7 - 6 2 2 0 0 - 0 - 2 0 / 5 9 1 . 0 G 7 - 6 3 2 0 0 - 0 - 2 0 / 5 9 0 . 6 X G 7 — 6 6 2 0 0 - 8 - 8 9 1 . 7 X G 7 - 6 7 2 0 0 - 0 - 2 0 / 5 9 l . 7 X T a b l e 6 . 5 : O b s e r v a t i o n o f A d h e s i o n o f S c r a t c h S e e d e d F i l m s 3 1 2 e x p e r i m e n t s w i t h a s u b s t r a t e h e a t e r i n d i c a t e d t h a t M C P R - C 8 , w h i c h h a d a s u b s t r a t e h e a t e r , o f f e r e d n o d i s t i n g u i s h a b l e a d v a n t a g e i n d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y o v e r t h e o t h e r M C P R c o n fi g u r a t i o n s . O b s e r v a t i o n s a n d m e a s u r e m e n t s o f t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e a d h e r i n g t o C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s d e m o n s t r a t e d t h a t t r a n s m i s s i o n w a s a f u n c t i o n o f s u b s t r a t e p r o - t r e a t m e n t m e t h o d a n d d e p o s i t i o n c h e m i s t r y . I t w a s s h o w n t h a t s c r a t c h s e e d e d fi l m s h a v e a h i g h e r t r a n s m i s s i o n t h a t p h o t o - r e s i s t s e e d e d fi l m s t h r o u g h o u t t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f 4 0 0 - n m t o 1 6 0 0 - u m . T h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f fi l m s t h a t w e r e g r o w n w i t h v a r y i n g c h e m i s t r i e s h a d m i x e d r e s u l t s . T h e c h e m i s t r y w i t h t h e l o w e s t o p t i c a l l y fi t s u r f a c e r o u g h n e s s w a s t h e m i x t u r e o f 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 a n d 8 s c c m o f C H 4 . I n t h e n e a r I R f r o m a p p r o x i m a t e l y 8 0 0 - n m t o 1 6 0 0 - u m t h i s m i x t u r e a l s o h a d t h e b e s t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n . I n t h e v i s i b l e r e g i o n t h o u g h , f r o m 4 0 0 - n m t o 6 0 0 - n m , t h e fi l m g r o w n w i t h t h i s m i x t u r e e x h i b i t e d a b s o r p t i o n , w h i c h n o t a b l y r e d u c e d i t s t r a n s m i s s i o n i n t h i s r a n g e . T h e b e s t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s i n t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f 4 0 0 - n m t o 8 0 0 - n m w e r e t h e fi l m s t h a t w e r e g r o w n w i t h a t w o - s t e p p r o c e s s . T h e t w o - s t e p p r o c e s s h a d a h i g h m e t h - a n e fl o w o f 1 0 % C H 4 f o r t h e fi r s t 3 0 m i n u t e s o f t h e d e p o s i t i o n a n d a C H 4 fl o w o f 2 . 5 % f o r t h e r e m a i n d e r . F i l m s g r o w n w i t h t h i s p r o c e s s h a d a s i g h t l y h i g h e r o p t i c a l l y fi t s u r f a c e r o u g h n e s s t h a t t h o s e g r o w n w i t h t h e m i x t u r e o f 2 0 0 - 8 - 8 ; h o w e v e r , t h e y d i d n o t e x h i b i t a n y d e t e c t a b l e a b s o r p t i o n . H e n c e , t h e t w o - s t e p p r o c e s s h a d t h e b e s t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n i n t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f a p p r o x i m a t e l y 4 0 0 - n m t o 8 0 0 - n m . O b s e r v a t i o n s o f fi l m a d h e s i o n w e r e t h a t m a n y o f t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 a n d 7 0 5 0 b o r o s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s e x h i b i t e d s o m e a m o u n t o f d e l a m i n a - t i o n . F o r t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h p h o t o - r e s i s t s e e d e d w i t h a s i n g l e c h e m i s t r y , 3 1 3 a d h e s i o n a p p e a r e d t o b e a f u n c t i o n o f fi l m t h i c k n e s s a n d d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e . F i l m s t h a t w e r e t h i c k e r t h a n 2 - p . m t e n d e d t o p e e l a n d t h o s e w i t h a t h i c k n e s s o f 2 - u m a n d l e s s t e n d e d t o a d h e r e . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d e p o s i t i o n c h e m i s t r y a n d a d h e s i o n w a s n o t c l e a r . P i l o t e x p e r i m e n t s w i t h v a r y i n g c h e m i s t r i e s r e s u l t e d i n s o m e fi l m s d e l a m i n a t i n g e v e n t h o u g h t h i c k e r fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h t h e s a m e c h e m i s t r y d i d n o t . C h a p t e r 7 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s 7 . 1 C o n t r i b u t i o n s o f t h i s D i s s e r t a t i o n T h e p r i m a r y c o n t r i b u t i o n o f t h i s t h e s i s w a s t h e d e v e l o p m e n t a n d i n v e s t i g a t i o n o f a l a r g e - a r e a , l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s t h a t p r o d u c e s a d h e r e n t , o p t i c a l l y t r a n s p a r e n t fi l m s o n t e m p e r a t u r e - s e n s i t i v e s u b s t r a t e s . A s a r e s u l t o f t h i s w o r k , i t h a s b e e n s h o w n t h a t c u r r e n t M C P R t e c h n o l o g y c a n b e u s e d t o u n i f o r m l y d e p o s i t t h i n d i a m o n d fi l m s o n s i l i c o n a n d g l a s s s u b s t r a t e s . I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t i n t h e l o w - p r e s s u r e r e g i m e o f t h e M C P R , b e l o w 1 5 t o r r , d i a m o n d fi l m s c a n b e d e p o s i t e d o v e r a r e a s a s l a r g e a s 8 0 c m ’ 2 w i t h a u n i f o r m i t y o f n e a r i 1 0 % o v e r a n a r e a a s l a r g e a s 4 6 - c m ’ 2 . F u r t h e r m o r e , fi l m s w i t h o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s i n t h e r a n g e o f 6 0 % t o 7 0 % a t a w a v e l e n g t h o f 4 0 0 — n m h a v e b e e n d e p o s i t e d o n b o r o - s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s w i t h t h i s p r o c e s s . 7 . 2 S u m m a r y o f R e s u l t s 7 . 2 . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n s O v e r t h e l a s t t w o d e c a d e s , s e v e r a l m o d e l s o f t h e M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a R e a c - t o r ( M C P R ) h a v e b e e n d e v e l o p e d a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y f o r p l a s m a p r o c e s s i n g . R e c e n t l y , i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s f o r M C P R t e c h n o l o g y s u c h a s p l a s m a e t c h i n g a n d p l a s m a 3 1 4 3 1 5 c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ( C V D ) h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d . S p e c i fi c a l l y , m i c r o w a v e p l a s m a C V D o f p o l y - c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s h a s r e s u l t e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f t w o d i s t i n c t M C P R d e s i g n s , o n e w i t h a 4 - i n c h q u a r t z b e l l - j a r a n d o n e w i t h a 5 - i n c h q u a r t z b e l l - j a r . A t t h e b e g i n n i n g o f t h i s w o r k i t w a s n o t k n o w n w h i c h o f t h e s e d e s i g n s w o u l d y i e l d t h e b e t t e r l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s , s o t h e t w o m o s t r e c e n t 2 . 4 5 G H z r e a c t o r s w e r e b o t h i n c l u d e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n s . A d d i t i o n a l l y , t h e r e w e r e s e v e r a l c o n fi g u r a t i o n s o f t h e s e r e a c t o r s t h a t h a d t h e p o t e n t i a l t o p r o v i d e a h i g h q u a l i t y l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . A p o r t i o n o f t h i s d i s s e r t a t i o n w a s d e d i c a t e d t o i n v e s t i g a t i n g s e v e r a l o f t h e n u m e r o u s p o s s i b l e M C P R c o n fi g u r a t i o n s . A t o t a l o f n i n e M C P R c o n fi g u r a t i o n s w e r e d e v e l o p e d f o r l o w - t e m p e r a t u r e d i a - m o n d d e p o s i t i o n d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n . D a t a w a s p r e s e n t e d t h a t s h o w e d t h a t a l l b u t o n e o f t h e s e , c o n fi g u r a t i o n 4 , c o u l d b e u s e d f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n a t s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s b e l o w 5 5 0 ° C . T h e o t h e r e i g h t c o n fi g u r a t i o n s c o u l d g e n e r a t e p l a s m a s a n d d i a m o n d d e p o s i - t i o n e n v i r o n m e n t s s u c h t h a t c i r c u l a r d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s c o u l d b e e v e n l y c o a t e d . I n s o m e c o n fi g u r a t i o n s d i a m e t e r s u p t o 4 - i n c h e s c o u l d b e p r o c e s s e d . T a b l e 7 . 1 s u m m a r i z e s t h e d e p o s i t i o n p r o c e s s i n g a r e a s , a n d t h e a v a i l a b i l i t y o f a d c b i a s e d o r t h e r m a l l y c o n t r o l l a b l e s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y f o r M C P R c o n fi g u r a t i o n s l - 9 . I n c o n fi g u r a t i o n s 1 , 2 a n d 3 , w h i c h w e r e t h e t h e r m a l l y a n d e l e c t r i c a l l y i n s u l a t e d c o n fi g - u r a t i o n s o f t h e 4 — i n c h M C P R , t h e d i a m e t e r o f t h e s u b s t r a t e p r o c e s s i n g a r e a w a s l i m i t e d t o 2 - i n c h e s b y t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r e a c t o r . N o d i a m o n d fi l m s w e r e s u c c e s s f u l l y d e p o s - i t e d w i t h c o n fi g u r a t i o n 4 , w h i c h h a d a d c b i a s e d s u b s t r a t e r e c e p t o r . T h e d i a m e t e r o f t h e p r o c e s s i n g a r e a o f c o n fi g u r a t i o n 6 , w h i c h w a s a d c b i a s e d c o n fi g u r a t i o n i n t h e 5 - i n c h M C P R , w a s a l s o l i m i t e d t o 2 - i n c h e s b y d e s i g n . T h e t h e r m a l l y i n s u l a t e d a n d t h e r m a l l y s a i b c d e l b a i r a V g n i t a e H e t a r t s b u S e l b a i r a V T a b l e 7 . 1 : S u m m a r y o f M C P R C o n fi g u r a t i o n s . 1 M C P R C o n fi g u r a t i o n < 1 . 5 ” 2 ” S u b s t r a t e s 3 ” S u b s t r a t e s 4 ” S u b s t r a t e s V a r i a b l e T h e r m a l C o n d u c t a n c e 3 1 6 3 1 7 a d j u s t a b l e c o n fi g u r a t i o n s o f t h e 5 - i n c h M C P R , w h i c h w e r e n a m e d c o n fi g u r a t i o n s 5 , 7 , 8 a n d 9 , c o u l d a l l p r o c e s s s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s u p t o 3 - i n c h e s . D i a m o n d d e p o s i t i o n o n 4 - i n c h d i a m e t e r s u b s t r a t e s c o u l d o n l y b e a c h i e v e d w i t h m o d i fi e d v e r s i o n s o f c o n fi g u r a - t i o n s 5 a n d 7 , n e i t h e r o f w h i c h h a d a b i a s o r a n y t h e r m a l a d j u s t m e n t s . I n s e v e n o f t h e M C P R c o n fi g u r a t i o n s t h e s u b s t r a t e w a s p l a c e d i n a r e c e p t o r t h a t w a s s e a t e d o n t o p o f a q u a r t z t u b e . T h e q u a r t z t u b e w a s a c r i t i c a l c o m p o n e n t i n t h e s e a s s e m b l i e s f o r t w o r e a s o n s . F i r s t i t s t r a n s p a r e n c y t o m i c r o w a v e s p r e c l u d e d i t f r o m a l t e r i n g t h e r e s o n a n t e l e c t r o m a g n e t i c fi e l d s i n t h e M C P R c a v i t y . S e c o n d , i t s e x t r e m e l y l o w t h e r m a l c o n d u c t i v i t y c r e a t e d a l a r g e t h e r m a l r e s i s t a n c e b e t w e e n t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r a n d t h e M C P R ’ s w a t e r c o o l e d b a s e p l a t e . I f t h e m a t e r i a l u s e d h a d a h i g h e r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y t h a n t h a t o f q u a r t z , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e m i g h t h a v e b e e n r e d u c e d b e l o w t h a t n e c e s s a r y f o r d i a m o n d d e p o s i t i o n . I n a d d i t i o n t o t h e s e v e n t h e r m a l l y i n s u l a t e d c o n fi g u r a t i o n s w i t h q u a r t z t u b e s s u p - p o r t i n g t h e s u b s t r a t e r e c e p t o r , t h e r e w e r e t w o t h e r m a l l y a d j u s t a b l e o n e s . M C P R c o n fi g u r a - t i o n 8 h a d a h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y w h e r e a B N h e a t e r w a s u s e d t o p r o v i d e h e a t t o t h e s u b s t r a t e i n a d d i t i o n t o t h a t p r o v i d e d b y t h e p l a s m a . T h i s c o n fi g u r a t i o n w a s d e s i g n e d w i t h t h e i n t e n t o f a c h i e v i n g t h e a b i l i t y t o m a i n t a i n a c o n s t a n t s u b s t r a t e t e m p e r a - t u r e o v e r a r a n g e o f p r e s s u r e s . I t a l l o w e d t h e t e m p e r a t u r e o f t h e s u b s t r a t e t o b e c o n t r o l l a - b l e i n d e p e n d e n t o f t h e p r e s s u r e , a f e a t u r e n o t a v a i l a b l e i n t h e s e v e n t h e r m a l l y i n s u l a t e d c o n fi g u r a t i o n s . M C P R c o n fi g u r a t i o n 9 h a d a c l o s e d - l o o p , l i q u i d c o o l e d s u b s t r a t e r e c e p t o r a s s e m - b l y t h a t c o u l d v a r y t h e c o n d u c t i v e h e a t fl u x f r o m t h e s u b s t r a t e t o t h e M C P R b a s e - p l a t e . I t w a s c r e a t e d s o t h a t d i a m o n d fi l m s c o u l d b e d e p o s i t e d o n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s , 3 1 8 e . g . C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s , a t p r e s s u r e s a b o v e 2 0 t o r r - - a c o n d i t i o n w h e r e t h e s u b s t r a t e w o u l d o v e r h e a t i n c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 8 . F o r l o w t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n w i t h M C P R c o n fi g u r a t i o n s 1 t h r o u g h 9 , t h e p l a s m a w a s e x c i t e d b y t u n i n g t h e m i c r o w a v e p o w e r i n t h e c a v i t y t o o n e o f t w o T a n m o d e s , t h e T M O H m o d e i n t h e 4 - i n c h M C P R a n d t h e T M 0 1 3 m o d e i n t h e 5 - i n c h M C P R . T h e m e a s u r e d t u n i n g p o i n t s f o r t h e T M O H m o d e w h e r e t h e r e fl e c t e d p o w e r i s m i n i m i z e d w h i l e a p l a s m a i s p r e s e n t w e r e g e n e r a l l y 7 - c m f o r t h e c a v i t y h e i g h t h a n d 2 - c m f o r t h e c o u p l i n g p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . A t 1 5 t o r r t h e r e fl e c t e d p o w e r f o r t h i s m o d e w a s t y p i - c a l l y 5 p e r c e n t o r l e s s . F o r t h e m o m m o d e t h e m e a s u r e d M C P R t u n i n g p o i n t s w e r e a p p r o x i m a t e l y 1 6 . 0 — c m i n d i c a t e d ( 2 2 3 - c m a c t u a l ) f o r t h e c a v i t y h e i g h t h , a n d 3 . 2 - c m f o r t h e p r o b e i n s e r t i o n l e n g t h I . F o r t h e n o n - t h e r m a l l y a d j u s t a b l e c o n fi g u r a t i o n s i n t h e 5 - i n c h M C P R , w h i c h w e r e o p e r a t e d a t 1 5 t o r r a n d l e s s , t h e r e fl e c t e d p o w e r o f t h e T M 0 1 3 m o d e w a s 3 0 p e r c e n t o r l e s s . F o r t h e h e a t e d s u b s t r a t e r e c e p t o r c o n fi g u r a t i o n h o w e v e r , t h e r e fl e c t e d p o w e r w a s a s h i g h a s 5 0 p e r c e n t . T h e b e s t t u n i n g m a t c h f o r t h e T M 0 1 3 m o d e i n t h e 5 - i n c h M C P R w a s a c h i e v e d w i t h t h e l i q u i d c o o l e d c o n fi g u r a t i o n — - t h e r e fl e c t e d p o w e r w a s g e n e r a l l y l e s s t h a n 1 0 p e r c e n t . T h e v a r i a t i o n s o f l o a d m a t c h i n g o f t h e T M 0 1 3 m o d e a r e c h a r a c t e r i s t i c o f h o w t h e 5 - i n c h M C P R r e a c t s t o c h a n g e s i n p r e s s u r e . A t l o w e r p r e s - s u r e s t h e r e fl e c t e d p o w e r i s a l w a y s h i g h e r t h a n a t h i g h e r p r e s s u r e s . S i n c e t h e h e a t e d s u b - s t r a t e r e c e p t o r a s s e m b l y w a s o p e r a t e d a t p r e s s u r e s s u b s t a n t i a l l y l o w e r t h a n t h a t o f t h e c o o l e d o r t h e r m a l l y i n s u l a t i n g o n e s t h e l o a d m a t c h i n g w a s w o r s t . 3 1 9 7 . 2 . 2 B e n c h m a r k D i a m o n d D e p o s i t i o n o n S i l i c o n S u b s t r a t e s T r a d i t i o n a l l y , C V D d i a m o n d - d e p o s i t i o n - p r o c e s s d e v e l o p m e n t w i t h M C P R a n d o t h e r p l a s m a s o u r c e s i s c a r r i e d o u t w i t h s i l i c o n w a f e r s u b s t r a t e s . L i k e w i s e , b e n c h m a r k i n g f o r t h i s d i s s e r t a t i o n w a s c o n d u c t e d w i t h s i l i c o n s u b s t r a t e s . A f t e r w a r d s , u s e f u l d e p o s i t i o n p r o c e s s e s w e r e a p p l i e d t o t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e t y p i c a l l y C o m i n g 7 0 5 9 b o r o - s i l i c a t e g l a s s . I t h a s b e e n s h o w n t h a t t h e M S U d e v e l o p e d M C P R t e c h n o l o g y i s c a p a b l e o f p r o - d u c i n g c o n t i n u o u s , t h i n d i a m o n d fi l m s o n s i l i c o n s u b s t r a t e s a t t e m p e r a t u r e s i n t h e r a n g e o f 4 0 0 C t o 5 5 0 C . F u r t h e r m o r e , i t h a s b e e n s h o w n t h a t t h e l o w - t e m p e r a t u r e M C P R d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s , w h i c h w a s d e v e l o p e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n , i s c a p a b l e o f d e p o s i t i n g d i a m o n d fi l m s o n d i s k s h a p e d s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s u p t o 4 - i n c h e s . D e p o s i t i o n r a t e s , w h i c h a r e h i g h l y d e p e n d e n t o n t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e a n d t h e g a s c h e m i s t r y , w e r e i n t h e r a n g e o f 1 0 n m / h r t o 1 0 0 n m / h r . C o m p a r i s o n s b e t w e e n a c t u a l e x p e r i m e n t a l d e p o s i t i o n r e s u l t s a n d t h e p r e d i c t i o n s o f t w o g r o w t h m o d e l s w e r e p r e s e n t e d . T h e fi r s t m o d e l w a s t h e o n e t h a t w a s d e v e l o p e d b y H a r r i s a n d G o o d w i n . T h e m o d e l p r e d i c t s c h a n g e s i n d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n r a t e s t h a t o c c u r d u e t o v a r i a t i o n s i n t h e s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e a n d t h e m e t h y l r a d i c a l c o n c e n t r a t i o n . A n a d a p t a t i o n o f t h i s m o d e l w a s p r e s e n t e d t h a t i n c l u d e s g a s fl o w s , g a s p r e s s u r e a n d s u b - s t r a t e t e m p e r a t u r e , w h i c h a r e M C P R v a r i a b l e s . T h e s e c o n d m o d e l w a s t h e B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m . T h i s m o d e l i s g e n e r i c i n t h a t i t p r e d i c t s t h e t r e n d s o f t h e d e p o s i - t i o n r a t e a n d t h e fi l m q u a l i t y i n d e p e n d e n t o f t h e C V D p r o c e s s a n d t h e i n p u t g a s c h e m i s t r y . I t w a s f o u n d t h a t t h e e x p e r i m e n t a l , d i a m o n d - fi l m d e p o s i t i o n - r a t e c o r r e l a t e d i n p a r t w i t h o u r a d a p t a t i o n o f t h e H a r r i s - G o o d w i n g r o w t h m o d e l . F o r d e p o s i t i o n a t v a r y i n g s u b - 3 2 0 s t r a t e t e m p e r a t u r e s , e x p e r i m e n t a l r e s u l t s c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e m o d e l ; h o w e v e r , w h e n g a s p r e s s u r e a n d m e t h a n e fl o w r a t e w e r e e x a m i n e d a s i n d e p e n d e n t p r o c e s s v a r i a b l e s t h e d a t a d i d n o t a l w a y s m a t c h o u r a d a p t a t i o n o f t h e m o d e l . T h e m o d e l ’ s p r e d i c t i o n o f i n c r e a s e d d i a m o n d fi l m d e p o s i t i o n r a t e , n g G , w i t h i n c r e a s i n g s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e w a s m a t c h e d v a r y w e l l b y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . W h e n t h e g a s p r e s s u r e i s s i n g l e d o u t a s a p r o c e s s v a r i a b l e , o u r a d a p t a t i o n o f t h e m o d e l p r e d i c t s a n i n c r e a s e i n d e p o s i t i o n r a t e , n g 6 , w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e ; h o w e v e r , e x p e r i m e n t a l d a t a d i d n o t s h o w a n i n c r e a s e i n g r o w t h r a t e w i t h i n c r e a s i n g p r e s s u r e . I t r e m a i n e d e s s e n t i a l l y t h e s a m e f o r p r e s s u r e s i n t h e r a n g e o f 7 t o r r t o 1 5 t o r r . O n e p o s s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e m o d e l a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o r v a r y i n g g a s p r e s s u r e s w a s t h a t i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e i n t h e M P C R m a y r e d u c e t h e d i s t r i b u t i o n o f e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s , T e . A r e d u c t i o n i n t h e d i s t r i b u t i o n o f T , 3 w o u l d i n - t u m c a u s e a r e d u c t i o n i n t h e d i s s o c i a t i o n r a t e o f C H 4 . I t w a s a s s u m e d i n t h e a p p l i c a t i o n o f H a r r i s - G o o d w i n m o d e l t o t h i s r a n g e o f o p e r a t i o n o f t h e M C P R , t h a t i n c r e a s i n g t h e g a s p r e s s u r e p r o d u c e s h i g h e r c o n c e n t r a t i o n s o f m e t h y l r a d i c a l s , [ C H m ] . W h e n t h e m e t h a n e fl o w r a t e w a s s i n g l e d o u t a s a p r o c e s s v a r i a b l e , t h e r e s u l t s w e r e m i x e d . T h e a p p l i e d m o d e l p r e d i c t s t h a t i f t h e m e t h a n e d i s s o c i a t i o n r a t e r e m a i n s t h e s a m e w h i l e t h e m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n i s i n c r e a s e d , t h a t t h e d e p o s i t i o n r a t e , n g G , w i l l i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g m e t h a n e c o n c e n t r a t i o n . A t m e t h a n e fl o w r a t e s e q u a l t o a n d l e s s t h a n 2 . 5 % o f t h e fl o w r a t e o f h y d r o g e n , t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e w a s a n i n c r e a s e i n t h e d e p o s i t i o n r a t e , w h i c h c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e m o d e l . F o r m e t h a n e fl o w r a t e s i n t h e r a n g e o f 2 . 5 % t o 5 % o f t h e fl o w r a t e o f h y d r o g e n h o w e v e r , t h e e x p e r i m e n t a l d e p o s i t i o n r a t e s a t u r a t e d a n d n o a d d i t i o n a l i n c r e a s e w a s o b s e r v e d . W h i l e t h e s a t u r a t i o n a t fl o w r a t e s 3 2 1 h i g h e r t h a n 2 . 5 % i s n o t p r e d i c t e d b y o u r a d a p t a t i o n o f t h e m o d e l , i t i s s i m i l a r t o t h e r e s u l t s t h a t w e r e r e p o r t e d b y Z h a n g I 3 6 ] . A c o m p a r i s o n o f e x p e r i m e n t a l d e p o s i t i o n r e s u l t s w i t h t h e p r e d i c t e d t r e n d s o f t h e B a c h m a n n C - H - O g a s p h a s e d i a g r a m w a s a l s o i n c l u d e d i n t h i s c h a p t e r . I n c l u d e d i n t h i s d i s c u s s i o n w e r e e x p e r i m e n t s w h e r e d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d f r o m m i x t u r e s o f h y d r o g e n , m e t h a n e , a n d c a r b o n d i o x i d e . T h e q u a l i t a t i v e p r e d i c t i o n s o f t h e B a c h m a n n m o d e l c o r r e l a t e d w e l l w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . T h e m o d e l ’ s p r e d i c t i o n t h a t g r t h r a t e s d i m i n i s h w i t h d e c r e a s i n g X C D ; m a t c h e d t h e r e s u l t s o f d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s . F u r - t h e r m o r e , a p i l o t e x p e r i m e n t t h a t u s e d o n l y C H 4 a n d C 0 2 h a d a g r e e m e n t w i t h t h e m o d e l ’ s p r e d i c t i o n t h a t d i a m o n d c a n b e g r o w n f r o m a C V D p r o c e s s w i t h o u t t h e u s e o f H 2 . D a t a f r o m i n v e s t i g a t i o n s o f t h r e e m e t h o d s f o r i m p r o v i n g t h e d e p o s i t i o n r a t e i n t h e p l a s m a C V D p r o c e s s w a s a l s o p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r . I n t h e fi r s t c a s e , a d c b i a s w a s a d d e d t o t h e s u b s t r a t e t o i n v e s t i g a t e h o w i t m i g h t a f f e c t d i a m o n d d e p o s i t i o n a t l o w s u b - s t r a t e t e m p e r a t u r e s i n t h e M P C R . T h e r e s u l t w a s t h a t t h e g r o w t h r a t e a n d fi l m q u a l i t y w e r e e s s e n t i a l l y u n a f f e c t e d b y t h e a d d i t i o n o f t h e d c b i a s . S e c o n d , a t h e r m a l l y - a d j u s t a b l e s u b - s t r a t e c o o l e r w a s i n v e s t i g a t e d t o d e t e r m i n e i f d e p o s i t i o n r a t e w o u l d i n c r e a s e a t h i g h e r p r e s s u r e s , w h i c h w e r e i n t h e r a n g e o f 1 5 t o r r t o 3 0 t o r r , w h i l e t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e w a s m a i n t a i n e d b e l o w 5 5 0 C . H e r e t h e c o o l e r w a s n e c e s s a r y t o c o n t r o l t h e fl o w o f h e a t f r o m t h e s u b s t r a t e . A t p r e s s u r e s o f 1 5 t o r r a n d a b o v e , t h e s u b s t r a t e ’ s t e m p e r a t u r e w o u l d e x c e e d t h e 5 5 0 C p o i n t w i t h o u t t h e a i d e o f t h e c o o l e r . T h e r e s u l t s f r o m t h e c o o l e r e x p e r i - m e n t s w e r e t h a t t h e r e s e e m e d t o b e n o c l e a r i m p r o v e m e n t t o t h e d e p o s i t i o n r a t e . T h e d e p - o s i t i o n r a t e a t 2 5 t o r r a n d 5 0 0 C w a s t h e s a m e a s t h a t b e l o w 1 0 t o r r . T h i r d , d e p o s i t i o n w i t h p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r w a s i n v e s t i g a t e d f o r i m p r o v e m e n t s t o t h e d e p o s i t i o n r a t e . A g a i n , 3 2 2 n o c l e a r a d v a n t a g e w a s o b s e r v e d . I n f a c t t h e d e p o s i t i o n r a t e s f o r e x p e r i m e n t s w i t h p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r w e r e l e s s t h a n t h o s e w i t h C W m i c r o w a v e p o w e r . L a s t l y , d a t a w a s p r e s e n t e d f o r e x p e r i m e n t s t h a t i n v e s t i g a t e d t h e p h o t o - r e s i s t s e e d - i n g m e t h o d , m e a s u r e m e n t s o f s u r f a c e r o u g h n e s s , d e p o s i t i o n o n l a r g e a r e a s u b s t r a t e s , a n d d e p o s i t i o n o n s i l i c o n I C s . T h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e p h o t o - r e s i s t s e e d i n g m e t h o d w a s i n i t i - a t e d b e c a u s e t h e p r o c e d u r e t h a t w a s o u t l i n e d b y M a s o o d d i d n o t y i e l d a h i g h e n o u g h n u c l e a t i o n d e n s i t y t o p r o d u c e a c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m w i t h a t h i c k n e s s o f 1 . 0 p m o r l e s s . T h e r e s u l t w a s t h a t c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s w e r e d e p o s i t e d b y t h e M a s o o d m e t h o d w i t h o n l y o n e c h a n g e t o t h e p r o c e s s . I t w a s d e t e r m i n e d t h a t i n c r e a s i n g t h e d i a m o n d p o w - d e r q u a n t i t y t o 1 6 t i m e s t h a t o f t h e M a s o o d r e c i p e w a s s u f fi c i e n t t o p r o d u c e c o n t i n u o u s d i a m o n d fi l m s . T h e m e a s u r e m e n t d a t a f o r d i a m o n d fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s r e v e a l e d t h r e e i n t e r e s t i n g f a c t s . F i r s t , t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s u b - s t r a t e s , w h i c h w e r e p r e t r e a t e d w i t h t h e p h o t o - r e s i s t m e t h o d , i s o n t h e o r d e r o f 1 0 0 n m a n d g r e a t e r . T h i s i s p r e d i c t e d t o b e t o o h i g h f o r o p t i c a l a p p l i c a t i o n s a t w a v e l e n g t h s b e l o w 1 6 0 0 n m . S e c o n d , t h e s u r f a c e r o u g h n e s s o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s u b s t r a t e s , w h i c h w e r e p r e t r e a t e d w i t h t h e d i a m o n d p o w d e r s c r a t c h i n g m e t h o d , w e r e a s l o w a s 1 0 n m . T h i s l o w s u r f a c e r o u g h n e s s i s p r e d i c t e d t o m e e t t h e n e e d s o f o p t i c a l a p p l i c a t i o n s a t w a v e - ' l e n g t h s a b o v e 4 0 0 n m . T h i r d , t h e l o w s u r f a c e r o u g h n e s s o f 1 0 n m w a s d e p e n d e n t o n t w o v a r i a b l e s , t h e s u b s t r a t e p r e t r e a t m e n t m e t h o d a n d t h e d e p o s i t i o n g a s c h e m i s t r y . I t w a s l e a r n e d t h a t w h e n t h e fl o w r a t e s o f C H 4 a n d C 0 2 w e r e e q u a l , a v e r y s m o o t h , fi n e - g r a i n e d fi l m w a s d e p o s i t e d . T h e d a t a t h a t w a s p r e s e n t e d f r o m t h e l a r g e a r e a d e p o s i t i o n e x p e r i - m e n t s s h o w e d t h a t t h e d e p o s i t i o n a r e a a t l o w t e m p e r a t u r e s w i t h t h e M C P R w a s s u f fi c i e n t t o c o a t s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s a s l a r g e a s 4 i n c h e s . F u r t h e r m o r e , t h e d e p o s i t i o n o f l u m 3 2 3 a n d 2 u m fi l m s w i t h a u n i f o r m i t y t o w i t h i n 1 0 0 n m w a s a c h i e v e d t o a d i a m e t e r a s l a r g e a s 3 i n c h e s . F i n a l l y , d a t a w a s p r e s e n t e d f o r a p i l o t e x p e r i m e n t w h e r e a d i a m o n d fi l m w a s d e p o s i t e d o n a 2 i n c h s i l i c o n I C , w h i c h c o n t a i n e d c o m p o n e n t s m a d e o f a l u m i n u m . M i c r o p h o t o s w e r e p r e s e n t e d t h a t s h o w e d t h a t t h e a l u m i n u m c o m p o n e n t s s u f f e r e d n o d a m a g e d u r i n g t h e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s . T h i s i n d i c a t e s t h a t d i a m o n d fi l m s c a n b e d e p o s i t e d o n t e m p e r a t u r e s e n s i t i v e s u b s t r a t e s w i t h t h e l o w - t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s t h a t w a s d e v e l o p e d d u r i n g t h i s d i s s e r t a t i o n w i t h t h e c u r r e n t M C P R t e c h n o l o g y . 7 . 2 . 3 D e p o s i t i o n a n d C h a r a c t e r i z a t i o n o f D i a m o n d F i l m s o n G l a s s S u b s t r a t e s I t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t t r a n s p a r e n t p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d fi l m s c a n b e d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s w i t h c u r r e n t M C P R t e c h n o l o g y . T h e g r o w t h r a t e o f t h e s e fi l m s i s r e l a t i v e l y l o w , o n t h e o r d e r o f 5 0 - n m / h r t o 8 0 - n m / h r ; h o w e v e r t h e s e r a t e s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e d e p o s i t i o n r a t e s o n s i l i c o n s u b s t r a t e s t h a t w e r e r e p o r t e d i n c h a p t e r 5 . T h e u n i f o r m i t y o f t h e s e fi l m s w a s a l s o e q u a l t o t h a t o f t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n s i l - i c o n s u b s t r a t e s . S i n g l e c o l o r fi l m s w i t h ; 1 : 1 0 % a n d g r e a t e r u n i f o r m i t y w e r e r o u t i n e l y d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 g l a s s s u b s t r a t e s w i t h d i a m e t e r s o f 2 - i n c h e s . P i l o t e x p e r i m e n t s w i t h a s u b s t r a t e h e a t e r i n d i c a t e d t h a t M C P R - C 8 , w h i c h h a d a s u b s t r a t e h e a t e r , o f f e r e d n o d i s t i n g u i s h a b l e a d v a n t a g e i n d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y o v e r t h e o t h e r M C P R c o n fi g u r a t i o n s . O b s e r v a t i o n s a n d m e a s u r e m e n t s o f t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t w e r e a d h e r i n g t o C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s d e m o n s t r a t e d t h a t t r a n s m i s s i o n w a s a f u n c t i o n o f s u b s t r a t e p r e - t r e a t m e n t m e t h o d a n d d e p o s i t i o n c h e m i s t r y . I t w a s s h o w n t h a t s c r a t c h s e e d e d fi l m s h a v e a h i g h e r t r a n s m i s s i o n t h a t p h o t o - r e s i s t s e e d e d fi l m t h r o u g h o u t t h e w a v e - l e n g t h r a n g e o f 4 0 0 - n m t o l 6 0 0 - n m . T h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f fi l m s t h a t w e r e g r o w n 3 2 4 w i t h v a r y i n g c h e m i s t r i e s h a d m i x e d r e s u l t s . T h e c h e m i s t r y w i t h t h e l o w e s t o p t i c a l l y fi t s u r f a c e r o u g h n e s s w a s t h e m i x t u r e o f 2 0 0 s c c m o f H 2 , 8 s c c m o f C 0 2 a n d 8 s c c m o f C H 4 . I n t h e n e a r I R f r o m a p p r o x i m a t e l y 8 0 0 - n m t o 1 6 0 0 - u m t h i s m i x t u r e a l s o h a d t h e b e s t o p t i - c a l t r a n s m i s s i o n . I n t h e v i s i b l e r e g i o n t h o u g h , f r o m 4 0 0 - n m t o 6 0 0 - n m , t h e fi l m g r o w n w i t h t h i s m i x t u r e e x h i b i t e d a b s o r p t i o n , w h i c h n o t a b l y r e d u c e d i t s t r a n s m i s s i o n i n t h i s r a n g e . T h e b e s t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s i n t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f 4 0 0 - n m t o 8 0 0 - n m w e r e t h e fi l m s t h a t w e r e g r o w n w i t h a t w o - s t e p p r o c e s s . T h e t w o - s t e p p r o c e s s h a d a h i g h m e t h - a n e fl o w o f 1 0 % C H 4 f o r t h e fi r s t 3 0 m i n u t e s o f t h e d e p o s i t i o n a n d a C H 4 fl o w o f 2 . 5 % f o r t h e r e m a i n d e r . F i l m s g r o w n w i t h t h i s p r o c e s s h a d a s i g h t l y h i g h e r o p t i c a l l y fi t s u r f a c e r o u g h n e s s t h a t t h o s e g r o w n w i t h t h e m i x t u r e o f 2 0 0 - 8 - 8 ; h o w e v e r , t h e y d i d n o t e x h i b i t a n y d e t e c t a b l e a b s o r p t i o n . H e n c e , t h e t w o - s t e p p r o c e s s h a d t h e b e s t o p t i c a l t r a n s m i s s i o n i n t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f a p p r o x i m a t e l y 4 0 0 - n m t o 8 0 0 - n m . O b s e r v a t i o n s o f fi l m a d h e s i o n w e r e t h a t m a n y o f t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d o n C o m i n g 7 0 5 9 a n d 7 0 5 0 b o r o s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s e x h i b i t e d s o m e a m o u n t o f d e l a m i n a - t i o n . F o r t h e fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h p h o t o - r e s i s t s e e d e d w i t h a s i n g l e c h e m i s t r y , a d h e s i o n a p p e a r e d t o b e a f u n c t i o n o f fi l m t h i c k n e s s a n d d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e . F i l m s t h a t w e r e t h i c k e r t h a n 2 — u m t e n d e d t o p e e l a n d t h o s e w i t h a t h i c k n e s s o f 2 1 1 m a n d l e s s t e n d e d t o a d h e r e . T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n d e p o s i t i o n c h e m i s t r y a n d a d h e s i o n w a s n o t c l e a r . P i l o t e x p e r i m e n t s w i t h s c r a t c h s e e d i n g a n d v a r y i n g c h e m i s t r i e s r e s u l t e d i n s o m e fi l m s d e l a m i n a t i n g e v e n t h o u g h t h i c k e r fi l m s t h a t w e r e d e p o s i t e d w i t h t h e s a m e c h e m i s t r y d i d n o t . 3 2 5 7 . 3 R e c o m m e n d a t i o n s f o r F u t u r e R e s e a r c h 7 . 3 . 1 I m p r o v i n g D e p o s i t i o n R a t e s A t t e m p e r a t u r e s b e l o w 5 0 0 C i n t h e M C P R , d i a m o n d d e p o s i t i o n r a t e s h a v e b e e n r e p o r t e d t o b e i n t h e r a n g e o f l O - n m / h r t o 8 0 - n m / h r , w h i c h a r e q u i t e l o w a s c o m p a r e d t o m o s t h i g h t e m p e r a t u r e d i a m o n d d e p o s i t i o n p r o c e s s e s . P i l o t e x p e r i m e n t s t h a t w e r e g e a r e d t o w a r d i m p r o v i n g t h e d e p o s i t i o n r a t e a t t e m p e r a t u r e s b e l o w 5 0 0 C w i t h a s u b s t r a t e c o o l e r a n d p u l s e d m i c r o w a v e p o w e r d i d n o t p r o d u c e t h e d e s i r e d r e s u l t s . I n b o t h i n s t a n c e s h o w - e v e r , t h e r e w e r e r e g i o n s o f o p e r a t i o n a t h i g h e r m i c r o w a v e p o w e r l e v e l s t h a t c o u l d n o t b e i n v e s t i g a t e d w i t h t h e c u r r e n t e x p e r i m e n t a l s e t - u p . T h e c u r r e n t c o n fi g u r a t i o n u s e s c o a x i a l w a v e g u i d e s w i t h a m a x i m u m r a t i n g o f I K W t o t r a n s p o r t m i c r o w a v e p o w e r i n t o t h e M C P R . I n t h e f u t u r e , d e p o s i t i o n r a t e i m p r o v e m e n t s c o u l d b e i n v e s t i g a t e d w i t h h i g h e r p o w e r l e v e l s i f t h e M C P R a n d t h e w a v e g u i d e s y s t e m w e r e u p g r a d e d f o r h i g h e r C W p o w e r l e v e l s . 7 . 3 . 2 I m p r o v i n g D e p o s i t i o n U n i f o r m i t y T h e i n v e s t i g a t i o n o f d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y t h a t w a s c o n d u c t e d w i t h M C P R - C 7 w a s l i m i t e d i n t h a t t h e m i c r o w a v e p o w e r w a s c o n s i s t e n t l y a t l K W . D u r i n g t h i s w o r k i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e r e a r e “ h o t s p o t s ” i n t h e p l a s m a . T h e s e r e g i o n w e r e o b s e r v e d t o e m i t s o m e w h a t m o r e v i s i b l e l i g h t t h a n t h e r e s t o f t h e p l a s m a , a n d t h e y d i s a p p e a r a t l o w e r p o w e r l e v e l s . A t r e d u c e d p o w e r l e v e l s t h e p l a s m a ’ s v o l u m e d e c r e a s e s w h i c h r e d u c e s t h e d e p o s i - t i o n u n i f o r m i t y . P e r h a p s t h e r e e x i s t s a n o p t i m u m C W m i c r o w a v e p o w e r l e v e l t h a t r e d u c e s t h e i n t e n s i t y o f t h e “ h o t s p o t s ” , m i n i m i z e s t h e s i z e r e d u c t i o n o f t h e p l a s m a a n d i n c r e a s e s 3 2 6 t h e r e g i o n o f u n i f o r m d e p o s i t i o n . F u t u r e i n v e s t i g a t i o n s o f d e p o s i t i o n u n i f o r m i t y w i t h r e d u c e s p o w e r l e v e l s a n d v a r y i n g g a s p r e s s u r e s a n d s u b s t r a t e h e i g h t s s h o u l d b e c o n d u c t e d t o c o n fi r m t h i s . 7 . 3 . 3 I m p r o v i n g O p t i c a l ' I i ’ a n s m i s s i o n I t w a s s h o w n i n C h a p t e r 6 t h a t t h e s u b s t r a t e p r e t r e a t m e n t m e t h o d a n d d e p o s i t i o n c h e m i s t r y s i g n i fi c a n t l y a f f e c t t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t a r e d e p o s i t e d a t l o w - t e m p e r a t u r e s o n g l a s s s u b s t r a t e s w i t h t h e M C P R . M e a s u r e m e n t s o f t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f e i g h t fi l m s t h a t w e r e g r o w n o n s c r a t c h s e e d e d s u b s t r a t e s w i t h v a r i o u s m i x - t u r e s o f H 2 , C 0 2 a n d C H 4 h a d o p t i c a l t r a n s m i s s i o n s a t 4 0 0 - n m r a n g i n g f r o m 3 0 % t o > 7 0 % . I t w a s n o t e d t h a t s c a t t e r i n g f r o m fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s a n d fi l m b u l k a b s o r p t i o n c o n t r i b u t e d r e d u c t i o n s i n t r a n s m i s s i o n . T h e s e l o s s t y p e s h a v e a n i n v e r s e 1 r e l a t i o n s h i p a n d a r e n o t a l w a y s t r i v i a l t o s e p a r a t e . S e p a r a t i o n o f s c a t t e r i n g a n d a b s o r p t i o n e f f e c t s a n d t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e i r d e p e n d e n c i e s o n p r o c e s s v a r i a b l e s i s d e s i r a b l e . A g r e a t d e a l o f f u t u r e w o r k i s n e c e s s a r y t o i n v e s t i g a t e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n o f d i a m o n d fi l m s t h a t c o u l d b e g r o w n f r o m t h e e n d l e s s c o m b i n a t i o n o f p r o c e s s g a s e s a v a i l a b l e t o d a y . 7 . 3 . 4 I m p r o v i n g F i l m t o G l a s s A d h e s i o n D e l a m i n a t i o n o f d i a m o n d fi l m s f r o m b o r o s i l i c a t e g l a s s s u b s t r a t e s w a s n o t e d b e t o r e l a t e d t o fi l m t h i c k n e s s . I t w a s l i k e l y c a u s e d b y t h e r m a l s t r a i n a t t h e fi l m - s u b s t r a t e i n t e r - f a c e a n d i n t r i n s i c s t r a i n i n t h e fi l m . F u t u r e i n v e s t i g a t i o n s o f fi l m a d h e s i o n s h o u l d t a r g e t a r e d u c t i o n i n t h e fi l m ’ s i n t e r n a l s t r a i n , w h i c h i s r e l a t e d d e p o s i t i o n v a r i a b l e s s u c h a s g a s 3 2 7 c o m p o s i t i o n a n d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e . A d d i t i o n a l l y , a d h e s i o n i m p r o v e m e n t s m i g h t b e r e a l i z e d b y u s i n g a g l a s s w i t h a C T E t h a t m o r e c l o s e l y m a t c h e s t h a t o f d i a m o n d . A P P E N D I C E S A p p e n d i x A A M a t l a b P r o g r a m t o P l o t O p t i c a l T r a n s m i s s i o n T h i s a p p e n d i x c o n t a i n s o f t h e M a t l a b “ . " m fi l e s t h a t w e r e u s e d t o g e n e r a t e a l l o f t h e p l o t s o f t h e o r e t i c a l a n d m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n o f t h i n d i a m o n d fi l m s o n g l a s s s u b - s t r a t e s i n C h a p t e r 6 . A s w a s s t a t e d i n s e c t o n [ 3 . 4 . 3 . 3 ] t h e f o l l o w i n g a s s u m p t i o n s a r e m a d e f o r e a c h t h e o r e t i c a l t r a n s m i s s i o n g r a p h ( 1 ) t h e d i a m o n d fi l m s c a n b e c o n s i d e r e d t h i n fi l m s , ( 2 ) t h e g l a s s s u b s t r a t e s a r e t h i c k s o t h a t c o h e r e n t i n t e r f e r e n c e a v e r a g e o u t , ( 3 ) t h e r e i s n e g - l i g i b l e a b s o r p t i o n i n t h e d i a m o n d fi l m f o r t h e w a v e l e n g t h s o f l i g h t u n d e r c o n s i d e r a t i o n , a n d ( 4 ) t h e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e d i a m o n d fi l m i s d e t e r m i n e d b y t h e S e l l m e i e r e q u a t i o n . T h e b e l o w l i s t e d “ . m ” fi l e s a r e d e s i g n e d t o g e n e r a t e t h r e e w i n d o w s . T h e p r i m a r y w i n d o w i s c r e a t e d fi r s t b y e x e c u t i n g t h e c t . m fi l e i n m a t l a b . T h e c t . m fi l e i s t h e o n l y fi l e t h a t t h e u s e r m u s t i n v o k e . A l l t h e o t h e r fi l e s a r e c a l l e d b y f u n c t i o n s i n t h e c t . m fi l e a n d i t s s u b o r d i n a t e fi l e s . I n p r i m a r y w i n d o w , t h e u s e r c a n a d j u s t t h e f o l l o w i n g v a r i a b l e s , t h e fi l m t h i c k n e s s , t h e r m s s u r f a c e r o u g h n e s s o f t h e fi l m , a n d t h e r e f r a c t i v e i n d e x o f t h e g l a s s s u b - s t r a t e . T h e s e v a r i a b l e s c a n b e t y p e d i n o r a d j u s t e d b y s l i d e b a r s ( t h k _ s l i d e r . m a n d s i g _ s l i d e r . m fi l e s ) . T o i n p u t t h e m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n d a t a f o r a p a r t i c u l a r d i a m o n d fi l m , t h e u s e r c a n e n t e r t h e fi l e n a m e f o r a d a t a fi l e t h a t c o n t a i n s t h e d a t a . T h e d a t a m u s t b e c o l - u m n f o r m a t w i t h t h e fi r s t c o l u m n c o n t a i n i n g t h e w a v e l e n g t h o f l i g h t i n n m , a n d t h e s e c o n d c o n t a i n i n g t h e m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n ( n o r m a l i z e d t o b e t w e e n 0 a n d 1 . 0 ) . B e s i d e s t h e v a r i a b l e fi e l d s , t h e r e a r e t h r e e b u t t o n s i n t h e p r i m a r y p r o g r a m w i n d o w . O n e b u t t o n i s l a b e l e d “ p l o t ” a n d w h e n p r e s s e d i n v o k e s t h e c o d e o f t h e fi l e s c t _ P l o t O p t 6 . m a n d c t _ o p t i c s 6 . m . T h e s e fi l e s o p e n a s e c o n d w i n d o w , t h e p l o t d i s p l a y w i n d o w , a n d d i s p l a y i n 3 2 9 3 3 0 A p p e n d i x A i t t h e t h e o r e t i c a l a n d m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n d a t a a s d e t e r m i n e d f r o m t h e p a r a m e t e r s o f t h e fi r s t w i n d o w . T h e s e c o n d b u t t o n i n v o k e s t h e fi l e c t _ p r i n t . m , w h i c h o p e n s a t h i r d w i n d o w a n d d i s p l a y s a p r e v i e w o f h o w t h e p l o t d a t a o f t h e p l o t d i s p l a y w i n d o w w i l l b e p r i n t e d . I n t h e p r i n t p r e v i e w w i n d o w t h e r e a r e t w o m o r e b u t t o n s . O n e i s l a b e l e d “ p r i n t ” t h i s b u t t o n i n v o k e s t h e fi l e c t _ p r i n t fi g m w h i c h c l o s e s t h e p r i n t p r e v i e w w i n d o w a n d p r i n t s t h e p l o t t o t h e fi l e o p t i c . p s . T h e o t h e r b u t t o n i n t h e p r i n t p r e v i e w w i n d o w i s l a b e l e d “ c a n c e l ” . T h i s b u t t o n i n v o k e s t h e fi l e d e l e t e p r i n t fi g m w h i c h j u s t c l o s e s t h e p r i n t p r e v i e w w i n d o w . T h e t h i r d b u t t o n i n t h e p r i m a r y w i n d o w i s l a b e l e d “ d o n e ” . T h i s b u t t o n i n v o k e s t h e fi l e c l o s e - fi g . m . T h e c l o s e fi g m fi l e c l o s e s t h e p r i m a r y p r o g r a m w i n d o w , c l o s e s t h e p l o t d i s p l a y w i n d o w i f i t h a s b e e n g e n e r a t e d , a n d t e r m i n a t e s p r o g r a m e x e c u t i o n . T h e f o l l o w i n g p a r a - g r a p h s a r e a l i s t i n g o f t h e a b o v e m e n t i o n e d fi l e s . 3 3 1 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e c t . m fi l e f d = 0 ; fi g u r e ; c l f ; H = g c f ; s e t ( H , ’ c o l o r ’ , [ 0 . 6 , 0 . 6 , 0 . 6 ] ) ; s e t ( H , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 0 , 6 5 0 , 2 6 0 , 4 5 0 ] ) ; h l = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ P u s h b u t t o n ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ l 4 0 1 0 1 0 0 3 0 ] , ’ C a l l b a c k ’ , ’ c l o s e - fi g ’ , ’ S t r i n g ’ , ’ D o n e ’ ) ; h 2 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ P u s h b u t t o n ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 1 0 1 0 0 7 0 ] , ’ C a l l - b a c k ’ , ’ c t _ P l o t O p t 6 ’ , ’ S t r i n g ’ , ’ P l o t D a t a ’ ) ; % fi l e n a m e h 3 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 4 0 9 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ” ) ; % fi l m t h i c k n e s s h 4 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 4 0 1 8 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ 6 6 0 ’ ) ; % S u r f a c e r o u g h e n s s ( r m s ) h 5 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 4 0 2 7 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ 3 0 ’ ) ; % n ( g l a s s ) h 6 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ l 4 0 3 3 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ 1 . 5 3 ’ ) ; % n ( d i a m o n d ) h 7 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 4 0 3 9 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ 2 . 4 ’ ) ; % s i g r m s s l i d e r h 8 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ S l i d e r ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 2 4 0 2 2 0 2 0 ] , ’ V a 1 u e ’ , 3 0 , ’ M i n ’ , 0 , ’ M a x ’ , 2 0 0 , ’ C a l l b a c k ’ , ’ s i g _ s l i d e r ’ ) ; % t h i c k n e s s s l i d e r h 9 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ S l i d e r ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 1 5 0 2 2 0 2 0 ] , ’ V a l u e ’ , 6 6 0 , ’ M i n ’ , 1 0 0 , ’ M a x ’ , 3 0 0 0 , ’ C a l l b a c k ’ , ’ t h k _ s l i d e r ’ ) ; 3 3 2 A p p e n d i x A % p r i n t c o m m a n d h 2 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ P u s h b u t t o n ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 4 0 5 0 1 0 0 3 0 ] , ’ C a l l - b a c k ’ , ’ c t _ p r i n t ’ , ’ S t r i n g ’ , ’ P r i n t ’ ) ; s e t ( h 3 , ’ B a c k G r o u n d C o l o r ’ , [ l . 0 , 1 . 0 , l . 0 ] ) ; s e t ( h 3 , ’ F o r e G r o u n d C o l o r ’ , [ 0 . 0 , 0 . 0 , 0 . 0 ] ) ; s e t ( h 4 , ’ B a c k G r o u n d C o l o r ’ , [ l . 0 , l . 0 , 1 . 0 ] ) ; s e t ( h 4 , ’ F o r e G r o u n d C o l o r ’ , [ 0 . 0 , 0 . 0 , 1 . 0 ] ) ; s e t ( h S , ’ B a c k G r o u n d C o l o r ’ , [ 1 . 0 , l . 0 , 1 . 0 ] ) ; s e t ( h 5 , ’ F o r e G r o u n d C o l o r ’ , [ 1 . 0 , 0 . 0 , 0 . 0 ] ) ; s e t ( h 6 , ’ B a c k G r o u n d C o l o r ’ , [ 1 . 0 , 1 . 0 , 1 . 0 ] ) ; s e t ( h 6 , ’ F o r e G r o u n d C o l o r ’ , [ 0 . 0 , 0 . 8 , 0 . 0 ] ) ; s e t ( h 7 , ’ B a c k G r o u n d C o l o r ’ , [ l . 0 , 1 . 0 , 1 . 0 ] ) ; s e t ( h 7 , ’ F o r e G r o u n d C o l o r ’ , [ 0 . 0 , 0 . 8 , 0 . 0 ] ) ; h 3 1 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 9 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ d a t a fi l e n a m e ’ ) ; h 4 l = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 1 8 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ t h i c k n e s s ( n m ) ’ ) ; h 5 1 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 2 7 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ s i g m a ( r m s ) ’ ) ; h 6 l = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 3 3 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ n ( g l a s s ) ’ ) ; h 7 l = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ e d i t ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 2 0 3 9 0 1 0 0 5 0 ] , ’ S t r i n g ’ , ’ n ( d i a m o n d ) ’ ) ; % t e x t ( 1 2 0 , 2 2 5 , ’ D a t a F i l e N a m e ’ ) ; 3 3 3 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e c t _ P l o t O p t 6 . m fi l e i f ( f d = = 0 ) fi g u r e ; h p l = g c f ; e n d fi g u r e fl l p l ) ; c l f ; f d = l ; s e t ( h p l , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 0 0 1 0 0 5 5 0 4 0 0 ] ) ; s e t ( h p l , ’ c o l o r ’ , [ 0 . 5 , 0 . 5 , 0 . 5 ] ) ; fi l e = g e t ( h 3 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e m p = g e t ( h 4 , ’ S t r i n g ’ ) ; t = s t r 2 n u m ( t e m p ) ; t e m p = g e t ( h 5 , ’ S t r i n g ’ ) ; s i g = s t r 2 n u m ( t e m p ) ; t e m p = g e t ( h 6 , ’ S t r i n g ’ ) ; n g = s t r 2 n u m ( t e m p ) ; t e m p = g e t ( h 7 , ’ S t r i n g ’ ) ; n d = s t r 2 n u m ( t e m p ) ; c t _ o p t i c s 6 ; s e t ( g c a , ’ c o l o r ’ , [ 0 . 8 , 0 . 8 , 0 . 8 ] ) ; 3 3 4 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e c t _ o p t i c s 6 . m fi l e % % F i l e N a m e ‘ m a t l a b / r e s e a r c h / T r a m s m i s s i o n _ D a t a / o p t i c s 6 . m % % A p r o g r a m t o p l o t M e a s u r e d a n d P r e d i c t e d L i g h t T r a n s m i s s i o n t h r o u g h % g l a s s t h a t i s c o a t e d w i t h a t h i n h o m o g e n i o u s fi l m o f d i a m o n d . % T h e t h e o r e t i c a l t r a n s m i s s i o n e q u a t i o n u s e d i n t h i s p r o g r a m % i s e q . 3 . 1 4 . 2 i n v a s i c e k ’ s b o o k “ O P T I C S O F T H I N F I L M S ” % T h e d i r e c t i o n o f l i g h t p r o p o g a t i o n i n t h i s p r o g r a m i s : % f r o m a i r t o g l a s s t o d i a m o n d t o a i r . T h e d i a m o n d a i r i n t e r f a c e % i s c o n c i d e r e d t o b e t h e o n l y r o u g h s u r f a c e i n t h e s c a t t e r i n g e f f e c t e d % t r a n s m i s s i o n s o l u t i o n s . % % v a r i a b l e d e fi n i t i o n s : % T : T r a n s m i s s i o n o f l i g h t f r o m g l a s s t h r o u g h t h e d i a m o n d % fi l m i n t o a i r . S c a t t e r i n g i s n o t c o n c i d e r e d . T h e % fi r s t a i r g l a s s i n t e r f a c e i s i g n o r e d s o a c o r r e c t % i s a d d e d l a t e r . % T s : T h e s a m e a s T o n l y s c a t t e r i n g f r o m t h e d i a m o n d a i r % i n t e r f a c e i s i n c l u d e d ( p e r fi l i n s k i ’ s p a p e r ) . % T S C : T h e i n t e n s i t y o f l i g h t t h a t i s t r a n s m i t t e d t h r o u g h % a l l l a y e r s ( a i r - g l a s s - d i a m o n d - a i r ) . T h i s v a r i a b l e % i s T s m u l t i p l i e d b y a c o r r e c t i o n f a c t o r f o r t h e % a i r - g l a s s i n t e r f a c e . % r e a d t h e m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n d a t a f r o m a fi l e 3 3 5 A p p e n d i x A i f ~ i s e m p t y ( fi l e ) % ~ = ” w a v e l e n g t h = [ ] ; t r a n s m i s s i o n = [ ] ; l o a d ( fi l e ) ; a = ( e v a l ( fi l e ) ) ; M w a v e l e n g t h = a ( : , l ) ; % m e a s u r e m e n t w a v e l e n g t h s M t r a n s m i s s i o n = a ( : , 2 ) ; % m e a s u r e d t r a n s m i s s i o n a t t h e a b o v e l a m b d a e n d % i n i t i a l i z e v a r i a b l e s f o r P r e d i c t e d T r a n s m i s s i o n w a v e l e n g t h = 4 0 0 : l : 1 6 0 0 ; % l a m b d a f o r t h e o r e t i c a l d a t a ( m o r e p o i n t s ) % t = 6 6 0 ; % fi l m t h i c k n e s s ( n m ) % s i g = 3 0 ; % fi l m s u r f a c e r o u g h n e s s ( R a ) r m s v a l u e n a = l . 0 ; % r e f r a c t i v e i n d e x f o r a i r % n d = 2 . 3 8 ; % r e f r a c t i v e i n d e x f o r d i a m o n d % n g = l . 5 3 ; % r e f r a c t i v e i n d e x f o r g l a s s l a m d a = 0 . 4 0 0 : 0 . 0 0 1 : l . 6 0 0 ; l a m d a 2 = l a m d a . " 2 ; t e r m l = ( 4 . 3 3 5 6 * l a m d a 2 ) . / ( l a m d a 2 - ( 0 . 1 0 6 0 . " 2 ) ) ; t e r m 2 = ( 0 . 3 3 0 6 . * l a m d a 2 ) . / ( l a m d a 2 - ( 0 . l 7 5 0 " 2 ) ) ; n d = s q r t ( l + t e r m 1 + t e r m 2 ) ; S = 2 . * 3 . 1 4 . * s i g ; % g l a s s d i a m o n d a i r i n t e r f a c e % a m p l i t u d e r a t i o s f o r r e fl e c t e d l i g h t ( n o r m a l i n c i d e n c e ) 3 3 6 A p p e n d i x A r 0 1 = ( n d - n g ) . / ( n d + n g ) ; % v a s i c e k e q . 2 . 6 . 1 1 r 1 2 = ( n a - n d ) . / ( n a + n d ) ; % v a s i c e k e q . 2 . 6 . 1 2 % i n t e n s i t y o f t r a n s m i t t e d l i g h t t 0 1 = ( l - r 0 1 . " 2 ) ; % t 1 2 = ( 1 - r 1 2 . " 2 ) ; % p h a s e d i f f e r e n c e o f t h e l i g h t r a y s o f t h e fi l m x = 4 . * 3 . l 4 * n d . * t . / w a v e l e n g t h ; % p r e d i c t e d t r a n s m i s s i o n n e g l e c t i n g s c a t t e r i n g ( n o r m a l i n c i d e n c e ) % v a s i c e k e q 3 . 1 5 . 2 n u m = t 0 1 . * t 1 2 ; d e n o m = l + r 0 1 . “ 2 . * r l 2 . " 2 + 2 * r 0 1 . * r 1 2 . * c o s ( x ) ; T = n u m . / d e n o m ; % p r e d i c t e d t r a n s m i s s i o n c o n c i d e r i n g s c a t t e r i n g ( n o r m a l i n c i d e n c e ) n u m s = t 0 1 . * t 1 2 . * e x p ( - ( S . / w a v e l e n g t h ) . " 2 . * ( n d - n a ) . " 2 ) ; e 1 = e x p ( - 4 * ( S . / w a v e l e n g t h ) . " 2 . * n d . " 2 ) ; 6 2 = e x p ( - 2 * ( S . / w a v e l e n g t h ) . " 2 . * n d . " 2 ) ; d e n o m s = 1 + r 0 1 . " 2 . * r l 2 . " 2 . * e l + 2 * r 0 1 . * r 1 2 . * e 2 . * c o s ( x ) ; T s = n u m s . / d e n o m s ; % 3 3 7 A p p e n d i x A % C o r r e c t i o n f o r fi r s t i n t e r f a c e ( a i r t o g l a s s ) R g = ( ( n g - n a ) . / ( n a + n g ) ) . " 2 ; % r e fl e c t i o n a t a i r - g l a s s i n t e r f a c e T g = l - R g ; % t r a n s m i s s i o n a t a i r - g l a s s i n t e r f a c e R s = l - T s ; % r e fl e c t i o n a t g l a s s - d i a m o n d i n t e r f a c e c f = T g . * ( 1 + ( R s . * R g ) + ( R s . " 2 . * R g . " 2 ) ) ; % c o r r e c t i o n f a c t o r T s c = T s . * c f ; i f ~ i s e m p t y ( fi l e ) % ~ = ” p l o t ( w a v e l e n g t h , T s c , ’ b ’ , M w a v e l e n g t h , M t r a n s m i s s i o n , ’ r x ’ ) ; e l s e p l o t ( w a v e l e n g t h , T s c , ’ b ’ ) ; e n d a x i s ( [ 3 0 0 , 1 6 0 0 , 0 . 1 ] ) ; x l a b e l ‘ W a v e l e n g t h ( n m ) ’ ; y l a b e l ‘ P e r c e n t T r a n s m i s s i o n ’ ; 3 3 8 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e t h k _ s 1 i d e r . m fi l e t e m p n = g e t ( h 9 , ’ V a l u e ’ ) ; n u m s t r = n u m 2 3 t r ( t e m p n ) ; s e t ( h 4 , ’ S t r i n g ’ , n u m s t r ) ; i f ( f d = = l ) P l o t O p t 6 ; e n d 3 3 9 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e s i g _ s l i d e r . m fi l e t e m p n = g e t ( h 8 , ’ V a l u e ’ ) ; n u m s t r = n u m 2 8 t r ( t e m p n ) ; s e t ( h 5 , ’ S t r i n g ’ , n u m s t r ) ; i f ( f d = l ) P l o t O p t 6 ; e n d 3 4 0 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e c t _ p r i n t m fi l e p d = l ; fi g u r e ; p f l = g c f ; s e t ( p f l , ’ P o s i t i o n ’ , [ 4 8 0 , 6 5 0 , 5 5 0 , 4 0 0 ] ) ; c t _ o p t i c s 6 ; t e m p = g e t ( h 3 , ’ S t r i n g ’ ) ; t i t l e ( t e m p ) ; % t h i c k n e s s t e m p = g e t ( h 4 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 3 5 , ’ t h i c k n e s s ( n m ) ’ ) ; t e x t ( l 3 5 0 , 0 . 3 5 , t e m p ) ; % r m s s i g m a ( n m ) t e m p = g e t ( h 5 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 2 5 , ’ r m s s i g m a ( n m ) ’ ) ; t e x t ( l 3 5 0 , 0 . 2 5 , t e m p ) ; % n d i a m o n d t e m p = g e t ( h 7 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 1 5 , ’ n ( d i a m o n d ) ’ ) ; t e x t ( 1 3 5 0 , 0 . 1 5 , ’ ( S e l l m i e r E q . ) ’ ) ; % 1 1 g l a s s t e m p = g e t ( h 6 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 0 5 , ’ n ( g l a s s ) ’ ) ; t e x t ( 1 3 5 0 , 0 . 0 5 , t e m p ) ; h 1 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ P u s h b u t t o n ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 8 0 6 0 6 0 3 0 ] , ’ C a l l b a c k ’ , ’ d e l e t e p r i n t - fi g ’ , ’ S t r i n g ’ , ’ C a n c e 1 ’ ) ; h 2 = u i c o n t r o l ( ‘ S t y l e ’ , ’ P u s h b u t t o n ’ , ’ P o s i t i o n ’ , [ 1 5 0 6 0 4 0 3 0 ] , ’ C a l l - 3 4 1 A p p e n d i x A b a c k ’ , ’ c t _ p r i n t fi g _ 2 ’ , ’ S t r i n g ’ , ’ P r i n t ’ ) ; 3 4 2 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e c t _ p r i n t fi g _ 2 . m fi l e d e l e t e ( p f l ) ; fi g u r e ; p f 2 = g c f ; s e t ( p f 2 , ’ P o s i t i o n ’ , [ 4 9 0 , 6 5 0 , 5 5 0 , 4 0 0 ] ) ; c t _ o p t i c s 6 ; t e m p = g e t ( h 3 , ’ S t r i n g ’ ) ; t i t l e ( t e m p ) ; % t h i c k n e s s t e m p = g e t ( h 4 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 3 5 , ’ t h i c k n e s s ( n m ) ’ ) ; t e x t ( 1 3 5 0 , 0 . 3 5 , t e m p ) ; % r m s s i g m a ( n m ) t e m p = g e t ( h 5 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 2 5 , ’ r m s s i g m a ( n m ) ’ ) ; t e x t ( l 3 5 0 , 0 . 2 5 , t e m p ) ; % n d i a m o n d t e m p = g e t ( h 7 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 1 5 , ’ n ( d i a m o n d ) ’ ) ; t e x t ( 1 3 5 0 , 0 . 1 5 , ’ ( S e l l m i e r E q . ) ’ ) ; % n g l a s s t e m p = g e t ( h 6 , ’ S t r i n g ’ ) ; t e x t ( 1 0 0 0 , 0 . 0 5 , ’ n ( g l a s s ) ’ ) ; t e x t ( l 3 5 0 , 0 . 0 5 , t e m p ) ; % p r i n t - d e p s c t . p s ; p r i n t - d e p s p l a i n _ fi l m . p s ; 3 4 3 A p p e n d i x A d e l e t e ( p f 2 ) ; 3 4 4 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e d e l e t e p r i n t fi g . m fi l e d e l e t e ( p f l ) ; 3 4 5 A p p e n d i x A S o u r c e C o d e f o r t h e c l o s e fi g . m fi l e c h = g c f ; d e l e t e ( c h ) ; i f ( f d = = l ) d e l e t e ( h p l ) ; e n d A p p e n d i x B D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 2 ” S i l i c o n a n d I C S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h p o l i s h e d 2 ” s i l i c o n w a f e r s a n d 2 ” p r o c e s s e d s i l i c o n I C s . T h i s d a t a i s p r e - s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p r i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 3 4 6 3 4 7 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 1 l 1 5 / 9 3 1 1 / 1 8 / 9 3 1 1 / 2 0 / 9 3 1 1 / 2 2 / 9 3 1 1 / 2 6 l 9 3 S a m p l e S I 8 2 S 3 S 4 S S D u r a t i o n ( h o u r s ) 5 0 5 0 5 0 5 0 4 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 . 2 8 5 2 1 . 2 9 3 9 1 . 2 8 8 0 1 . 2 9 1 5 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) 0 ; ( s e e m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 9 9 3 9 9 2 9 5 2 9 4 3 6 4 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 . 3 0 6 8 1 . 2 9 5 5 1 . 2 9 7 4 W e i g h t G a i n ( m g ) 2 1 . 6 1 1 . 5 5 . 9 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 5 4 6 1 4 6 0 - 4 7 0 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 8 . 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l - S S 3 4 8 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 1 / 2 9 / 9 3 1 2 / 1 / 9 3 1 2 1 3 / 9 3 1 2 / 5 l 9 3 S a m p l e S 6 S 7 S B 8 1 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 3 0 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) l . 2 9 3 4 l . 2 9 9 0 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) O z ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 6 4 3 0 6 2 9 9 3 5 2 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) l . 2 9 7 2 1 . 3 1 0 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 . 8 1 1 . 0 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 8 1 4 8 2 4 8 8 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 6 - S l O 3 4 9 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 2 / 7 l 9 3 1 2 / 9 / 9 3 1 2 / 1 1 1 9 3 1 2 / 1 3 / 9 3 1 2 / 1 5 / 9 3 S a m p l e S l l $ 1 2 S l 3 S l 4 S I S D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 o 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 . 2 9 5 5 1 . 3 1 6 2 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) O z ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 5 2 3 5 2 3 5 2 3 5 2 3 5 2 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 . 3 0 9 7 1 . 3 3 0 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 4 . 2 1 4 . 8 1 2 . 8 1 3 . 4 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 5 1 7 5 1 2 5 0 0 5 0 2 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l l - S I S 3 5 0 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 2 / 1 8 / 9 3 1 2 / 2 0 / 9 3 1 2 / 2 2 / 9 3 1 1 5 / 9 4 S a m p l e S l 6 S l 7 $ 1 8 8 2 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) 0 ; ( s e e m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 0 6 3 0 6 3 0 6 3 0 6 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 6 . 2 6 . 1 5 . 6 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 7 0 4 6 8 - 4 9 6 4 7 0 - 4 8 0 4 6 8 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( n m l h r ) T a b l e 8 . 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l 6 - 8 2 0 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 / 7 / 9 4 1 / 1 0 / 9 4 S a m p l e 8 2 3 S 2 4 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) 0 2 ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 0 6 3 0 6 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 8 . 2 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 7 5 - 4 8 1 4 6 5 - 4 7 0 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 8 . 5 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 2 3 - S 2 4 T a b l e B . 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 2 8 - S 3 0 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 / 1 9 / 9 4 1 / 2 6 / 9 4 S a m p l e 8 2 8 S 3 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 1 0 C H 4 ( s c c m ) O z ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 5 2 3 5 2 B i a s V o l t a g e R a m a F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 7 . 8 8 . 0 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 4 0 - 5 0 5 4 7 0 — 4 8 0 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G I ‘ O W t h R a t e ( m u / h r ) A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 1 2 9 / 9 4 2 / 2 / 9 4 3 / 6 / 9 4 S a m p l e S 3 1 S 3 4 S 3 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) 0 2 ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 3 5 2 3 5 2 9 1 8 . 2 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 6 . 6 6 . 1 1 . 3 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 7 0 - 4 8 0 4 7 0 - 4 8 0 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r O W t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 1 - S 3 5 3 5 4 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 3 / 7 / 9 4 3 / 1 9 / 9 4 3 / 8 / 9 4 3 / 2 0 / 9 4 S a m p l e S 3 6 S 3 7 S 3 8 S 3 9 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) 0 2 ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 9 t o r r 7 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 9 1 8 . 2 9 1 8 . 2 9 1 8 . 2 9 1 8 . 2 B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 2 . 2 2 . 1 1 . 3 2 . 5 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 4 5 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T h b l e B . 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 6 - $ 3 9 3 5 5 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 3 / 2 4 / 9 4 4 / 2 / 9 4 S a m p l e S 4 1 S 4 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y n o n e S e e d i n g L o t H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 O z ( s c c m ) 0 0 C a v i t y C o n f 8 S u s c e p t o r A . M E C 4 U p p e r Q u a r t z 2 0 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 1 5 t o r r I n p u t P o w e r ( w a t t s ) 9 1 8 . 2 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e + 1 0 0 d e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 5 . 2 N / A B i a s C u r r e n t 8 . 5 4 m A T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 0 - 4 7 0 5 0 0 - 5 1 8 F i l m D e p o s i t e d N o t D i a . F i l m T y p e c o n t i n u o u s F i h n T h i c k n e s s N / A G r o w t h R a t e ( u m / h r ) N / A T a b l e B . 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 4 1 - S 4 5 3 5 6 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 4 / 8 / 9 4 4 / 8 / 9 4 4 / 1 0 / 9 4 4 / 1 5 / 9 4 4 / 1 7 1 9 4 S a m p l e S 4 6 S 4 7 S 4 8 S 4 9 S S O D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 . 2 8 8 2 1 . 2 8 6 5 1 . 2 9 2 9 1 . 2 7 5 8 1 . 3 0 3 3 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 1 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 H z ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 8 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 3 O z ( s c c m ) O O 0 0 0 C a v i t y C e n t 8 8 8 8 8 S u s c e p t o r A . M E C 4 M E C 4 M E C 4 M E C 4 M E C 4 U p p e r Q u a r t z 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 1 5 t o r r 1 5 t o r r 1 5 t o r r 1 5 t o r r 1 5 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e + 1 0 0 V d C + 1 0 0 V d c O p e n + 1 0 0 V d c o p e n R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) N / A 1 . 2 9 7 9 1 . 3 0 7 4 1 . 2 8 8 8 1 . 3 1 7 2 W e i g h t G a i n ( m g ) N / A 1 1 . 4 1 4 . 5 1 3 . 0 1 3 . 9 B i a s C u r r e n t N / A 1 . 5 1 m A - 0 . 1 9 m A 1 . 6 2 m A n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) N / A 5 1 3 - 5 2 0 5 0 1 - 5 1 8 5 1 2 - 5 2 4 5 0 1 - 5 0 4 F i l m D e p o s i t e d N / A D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e n o t c o n t . c o n t i n u o u s c o n t i n u o u s c o n t i n u o u s c o n t i n u o u s F i h n T h i c k n e s s N / A 1 . 6 u m 2 . 0 3 5 u m 1 . 8 2 p m 1 . 9 5 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) N / A 4 0 . 0 0 5 0 . 8 8 4 5 . 6 2 4 8 . 7 8 T a b l e B . 1 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 4 6 - 8 5 0 3 5 7 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 4 / 1 9 / 9 4 4 / 2 2 / 9 4 5 / 1 3 / 9 4 6 / 2 6 / 9 4 7 / 2 / 9 4 S a m p l e S S ] 8 5 2 S S 3 S S 4 S S S D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( 3 ) 1 . 2 8 1 4 1 . 2 5 4 0 1 . 2 6 0 0 1 . 3 1 3 2 1 . 2 6 0 0 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 1 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 H z ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 8 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 3 O z ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 8 8 8 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 4 M E C 4 M E C 4 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 1 5 t o r r 1 5 t o r r 9 t o r r 7 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e - 1 0 0 V d c + 1 0 0 V d c n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 . 2 9 2 3 1 . 2 6 8 7 1 . 2 6 5 4 1 . 3 2 7 0 1 . 2 7 1 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 0 . 9 1 4 . 7 5 . 4 1 3 . 8 1 1 . 0 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 5 7 - 4 6 4 4 6 0 - 4 6 5 4 5 6 - 4 6 6 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e P e e l e d C o n t i n u o u s N o t C o n t i n . F i l m T h i c k n e s s 1 . 5 u m 2 . 0 6 3 t l m 0 . 7 5 8 t t m 1 . 9 3 7 u m 1 . 5 4 4 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) N / A 5 1 . 5 8 1 8 . 9 5 4 8 . 4 3 3 8 . 6 T a b l e B . 1 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S S l - S S S 3 5 8 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 8 / 1 2 / 9 4 8 / 1 3 / 9 4 8 / 1 5 / 9 4 8 / 1 8 / 9 4 8 / 2 1 / 9 4 S a m p l e S S 6 S S 7 8 5 8 8 5 9 S 6 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 . 2 9 4 3 1 . 1 9 2 9 1 . 2 2 8 2 1 . 0 9 8 9 1 . 1 8 9 6 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 1 0 . 2 H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 8 8 1 6 0 1 5 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 1 5 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m w 3 . 0 m w 3 . 0 m w 3 . 0 m w B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 . 2 9 4 4 1 . 1 9 8 0 1 . 2 2 9 3 1 . 1 0 8 3 1 . 2 1 3 5 W e i g h t G a i n ( m g ) 0 . 1 5 . 1 1 . 1 9 . 4 2 4 . 1 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) ? 4 3 8 - 4 4 2 4 4 0 - 4 4 6 4 6 2 - 4 7 1 4 7 0 - 4 7 3 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d N o t D i a . F i l m T y p e N o t C o n t . N o t C o n t . N o t C o n t . N o t C o n t . F i l m T h i c k n e s s N / A G r o w t h R a t e ( u m / h r ) N / A T a b l e 3 . 1 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S S 6 - S 6 0 3 5 9 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 8 / 2 3 / 9 4 8 / 2 5 / 9 4 8 / 2 5 / 9 4 8 / 2 6 / 9 4 8 / 2 6 / 9 7 - 1 S a m p l e S 6 1 S 6 2 S 6 3 S 6 4 S 6 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 1 0 1 0 1 0 1 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 . 1 3 0 2 2 . 1 5 2 5 2 . 1 4 8 1 2 . 1 2 0 4 2 . 1 3 3 1 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 1 0 . 2 1 0 . 2 1 2 . 1 1 3 . 1 1 2 . 1 H z ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 5 5 O z ( s c c m ) 0 0 0 O 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 . 1 4 1 7 2 . 1 5 3 5 2 . 1 5 0 1 2 . 1 2 1 8 2 . 1 3 4 1 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 1 . 5 1 . 0 2 . 0 1 . 4 1 . 0 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 5 - 4 6 8 4 6 8 - 4 7 3 4 6 5 - 4 6 7 4 6 0 - 4 6 3 4 6 3 - 4 6 8 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e N o t C o n t . N o t C o n t . N o t C o n t . N o t C o n t . N o t C o n t . F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . l 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 6 1 - S 6 5 3 6 0 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 8 / 2 8 / 9 4 8 / 2 9 / 9 4 8 / 3 0 / 9 4 8 / 3 1 / 9 4 9 / 1 / 9 4 S a m p l e S 6 6 S 6 7 S 6 8 S 6 9 S 7 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 5 5 8 2 . 1 4 9 0 2 . 1 4 4 9 2 . 1 2 6 6 2 . 1 3 8 2 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 1 4 . 1 1 3 . 1 1 5 . 1 1 4 . 1 1 6 . 1 H z ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 5 5 0 2 ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 5 6 8 2 . 1 4 9 8 2 . 1 4 6 6 2 . 1 2 7 8 2 . 1 4 0 3 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 . 0 0 . 8 1 . 7 1 . 2 2 . 1 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 3 - 4 6 8 4 4 8 - 4 5 3 4 5 5 - 4 6 0 4 5 9 - 4 6 3 4 5 8 - 4 6 8 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e N o t C o n t . N o t C o n t . N o t C o n t . F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 1 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 6 6 - S 7 0 3 6 1 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 9 / 6 / 9 4 9 1 7 / 9 4 9 / 8 / 9 4 9 / 1 3 / 9 4 9 / 1 3 / 9 4 S a m p l e S 7 1 S 7 2 S 7 3 S 7 4 S 7 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 0 1 0 4 0 1 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 7 5 1 2 . 1 6 1 9 2 . 1 3 2 4 2 . 1 1 1 1 2 . 1 5 5 9 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 1 7 . 1 1 8 . 1 1 7 . 1 1 9 . 1 1 9 . 1 H z ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 5 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 7 8 3 2 . 1 6 7 3 2 . 1 4 6 5 2 . 1 1 4 1 2 . 1 7 0 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 . 2 5 . 4 1 4 . 1 3 . 0 1 4 . 9 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 3 - 4 6 8 4 6 8 - 4 7 2 4 6 8 - 4 7 3 4 6 8 - 4 7 3 4 7 0 - 4 7 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 1 S D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 7 1 - S 7 5 3 6 2 A p p e n d i x B L D a t e E x p . B e g a n 9 / 1 5 / 9 4 9 / 1 7 / 9 4 9 / 1 9 / 9 4 L S a m p l e S 7 6 S 7 7 S 7 8 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 6 7 5 1 . 9 5 5 4 1 . 6 2 5 5 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 2 0 . 1 2 0 . 1 2 0 . 2 H z ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 1 0 0 2 ( s c c m ) 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 7 6 9 1 . 9 7 1 8 1 . 6 4 2 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 9 . 4 1 6 . 4 1 7 . 3 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 8 - 4 7 3 4 6 8 - 4 7 4 4 7 1 - 4 7 3 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 3 . 1 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 7 6 - S 7 8 p . B e n g s a ) ( g ) l h o h e t u r a n e E i m m o u u t i t o r c x t L ) ) r a u g e s k c c o w a e i m m y o n m a a e g i p g ) ) A r r ( h n r i n D a D I R S H C C 0 C S U L P I B R F W B T F F F G u r z 0 H 2 n e e a u p o i s v s e p w r n i e e i e i i i i r e p i a m s n a l l l o a i s d ( ( i c e e l l t s i 2 4 s u u a s p m m m g w t s a i s t e s t V t h C e D T T t e n c i i l c y p t t ( ( r r u s s r o u W t r P s e y h h o W S v g c c c C e o G c t l e a Q Q r p i p 2 2 0 5 0 9 M 2 2 n 9 3 1 1 n 4 t f r e n . t t t t e t e z z ( ( ( d s e s g m ° ) g C ) ) R a t e ( u m / h r ) 1 0 S 9 3 . 2 / 5 0 C 9 o 0 m m 5 e e m m r r m 2 - 4 1 0 . 1 0 E 2 4 t . o . 6 o 6 n 9 . 8 n 9 4 5 8 5 / 3 6 . W 5 4 2 7 1 0 . 1 1 0 E 2 4 / S 4 2 0 . 0 0 C m m t o r . o n . 7 o 6 0 n . 8 e 0 8 5 e - 4 2 2 2 0 8 0 9 M 2 2 9 3 n 2 1 n 4 / 9 4 8 5 6 2 . W 1 1 / 9 4 1 2 . / 1 8 4 9 1 - 5 r m 8 6 3 4 8 1 4 6 m m r 5 m 9 . 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M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 4 2 4 2 4 2 4 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 2 6 8 8 1 . 9 9 0 7 1 . 6 3 7 8 1 . 6 1 3 7 2 . 0 4 6 1 W e i g h t G a i n ( m g ) 2 . 5 3 . 3 1 . 8 5 . 8 0 . 8 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 8 - 4 7 3 4 7 1 - 4 7 3 4 6 3 - 4 6 8 4 7 0 - 4 7 6 4 6 5 - 4 7 2 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 0 . 3 5 1 u m 0 . 4 6 3 u m 0 . 2 5 3 u m 0 . 8 1 4 u m 0 . 1 1 2 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 1 4 . 0 4 1 8 . 5 2 1 0 . 1 2 3 2 . 5 6 4 . 4 8 T a b l e B . 1 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S S 6 - S 9 0 D i s t i r e p w v s i m a s n a e p l l l a t a i t a s t i s s t e t s V C h e e e l l 2 4 u a s d ( ( i c s s u g p m m m o w t o n ( e g i e l i i n c c y p ( ( r u o t u W r r t D T T o W v c g S c t Q Q r l e a m a t L o ) r ) w a e a m m o i G E C c c e o p p i x c c o c n e i t R t u u r p y m m a a e s k i g u a s s r P s y e h h p g . r ) ) A r h r t n i n 2 z 0 H u n e e a u p o r n i e i i i i i e e r D I R S H C C O C S U L I P R B W F B T F F F G B e g n a ) u r s ( g ) e t l o h . h t f t t z z r e n t e t t e e ( ( ( g m ° e s d s ( u g C ) m ) ) / h r ) 1 1 = 1 5 . 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M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 H A 1 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 1 8 1 8 1 8 3 . 8 c m 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 8 2 8 2 8 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 2 . 5 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 2 4 9 6 2 . 2 0 9 2 1 . 9 2 7 6 2 . 1 3 9 1 2 . 0 5 2 6 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 . 2 3 . 6 5 . 0 2 . 8 8 . 4 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) N / A 4 8 4 - 4 8 5 4 8 4 - 4 8 8 N / D F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e N o t . C o n t . C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s F i l m T h i c k n e s s 0 . 1 6 8 u m 0 . 5 0 5 u m 0 . 7 0 2 u m 0 . 3 9 3 u m 4 7 . 1 6 p m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 1 1 . 2 0 1 6 . 8 3 4 6 . 8 0 2 6 . 2 0 4 7 . 1 6 T a b l e B . 2 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 9 6 - S l 0 0 3 6 7 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 7 1 1 1 9 5 1 2 1 2 7 1 9 5 1 1 3 1 9 6 S a m p l e 8 1 0 1 8 1 0 2 8 1 0 3 8 1 0 4 8 1 0 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 0 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 2 2 0 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S C - 2 l P R - 1 9 S C S C H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) O 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 1 0 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 C a v i t y C e n t 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 C S C S U p p e r Q u a r t z 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 3 0 3 0 I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W B i a s V o l t a g e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 2 5 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 . 0 B i a s C u r r e n t n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 8 0 - 4 8 8 4 7 0 4 6 7 w a s e = 0 . 6 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i l m T y p e N o t C o n t . F i l m T h i c k n e s s 4 2 . 1 1 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 2 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 1 0 1 - 8 1 0 5 3 6 8 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 1 4 / 9 6 1 1 8 1 9 6 1 1 9 1 9 6 1 1 1 7 1 9 6 S a m p l e 8 1 0 6 $ 1 0 7 8 1 0 8 8 1 0 9 8 1 1 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 1 5 1 5 / 2 5 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 3 3 3 5 2 . 1 9 3 5 2 . 3 1 4 1 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S C S C S C H 2 ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C 0 2 ( s c c m ) 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 1 0 O z ( s c c m ) 0 0 0 0 C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . C S C S C S C S C S U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W B i a s V o l t a g e 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 3 3 7 8 2 . 1 9 7 9 2 . 3 1 7 4 1 2 . 3 2 5 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 4 . 3 4 . 4 3 . 3 / 1 1 . 7 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 3 9 4 5 1 4 5 3 4 4 1 8 : 0 . 6 5 s = o . o s e = o . o s e = o . 4 4 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 2 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 1 0 6 - S I 1 0 3 6 9 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 1 1 2 1 / 9 6 1 1 2 3 / 9 6 1 1 2 4 / 9 6 1 1 2 5 / 9 6 1 1 2 6 / 9 6 S a m p l e 8 1 1 ] 8 1 1 2 8 1 1 3 8 1 1 4 8 1 1 5 a D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 2 5 5 3 2 . 2 8 4 7 1 . 9 7 2 5 2 . 2 1 8 9 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . C S C S C S C S C S U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W B i a s V o l t a g e 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 2 6 2 1 2 . 2 9 4 0 1 . 9 7 7 8 2 . 2 2 9 4 W e i g h t G a i n ( m g ) 6 . 8 9 . 3 5 . 3 1 0 . 2 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 7 5 1 1 5 0 2 4 9 1 5 5 0 e = 0 - 6 5 e = o . 6 5 8 : 0 . 6 5 e = 0 . 6 5 c = o . 6 5 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 8 . 2 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l l l - 8 1 1 5 a 3 7 0 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 2 1 5 / 9 6 2 1 9 / 9 6 2 1 1 4 / 9 6 2 1 1 6 / 9 6 2 1 2 1 / 9 6 S a m p l e S l l e S l l S c S l l S d S l l S e 8 1 1 5 f D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 2 2 9 4 2 . 2 4 1 1 2 . 5 5 5 1 2 . 2 6 8 5 2 . 2 8 3 0 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . C S C S C S C S C S U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r 2 5 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W 3 . 4 m W B i a s V o l t a g e 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C 4 5 ° C R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 . 2 4 1 1 2 . 5 5 5 1 2 . 2 6 8 5 2 . 2 8 3 0 2 . 2 9 7 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 1 . 7 1 4 . 0 1 3 . 4 1 4 . 5 1 4 . 0 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 5 4 7 5 4 6 5 4 5 5 4 5 5 3 6 c = o . o s c = o . o s e = o . o s e = 0 . 6 5 s = o . 6 5 F i l m D e p o s i t e d F i l m ” 1 3 1 m F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 8 . 2 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 1 1 5 b - S l l e 3 7 1 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 6 1 1 1 1 9 6 S a m p l e 8 1 1 6 S I 1 7 8 1 1 8 8 1 1 9 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 1 5 2 5 2 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 . 1 5 1 7 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S C S C S C S C H ; ( s c c m ) 4 0 4 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 3 0 C H 4 ( s c c m ) 1 1 3 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i h n T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 2 S D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S l l 6 - S I 1 9 3 7 2 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n S a m p l e 8 1 2 1 8 1 2 2 8 1 2 3 8 1 2 4 $ 1 2 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 5 2 5 1 5 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S C S C H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 6 0 C H 4 ( s c c m ) 3 0 O ; ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r 1 k W 1 k W 1 k W 1 k W B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) F i l m D e p o s i t e d F i l m T Y P e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 8 . 2 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s $ 1 2 1 - S l 2 5 3 7 3 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 2 1 6 1 9 8 S a m p l e S l 3 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 C H 4 ( s c c m ) 0 ; ( s e e m ) 0 C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e 8 . 2 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e 8 1 3 0 3 7 4 A p p e n d i x B D a t e E x p . B e g a n 7 1 5 / 9 4 1 1 2 4 1 9 5 S a m p l e 1 0 1 I C - 2 I C - 4 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 2 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 . 3 8 2 2 1 . 4 0 4 7 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S p i n S C - 1 7 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 4 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 8 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 . 3 8 7 0 1 . 4 0 8 9 W e i g h t G a i n ( m g ) 4 . 8 4 . 2 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 0 - 4 6 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e B . 2 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s I C - l - I C - 4 A p p e n d i x C D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 3 ” S i l i c o n S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h p o l i s h e d 3 ” s i l i c o n w a f e r s . T h i s d a t a i s p r e s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s - c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p r i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 3 7 6 A p p e n d i x C D a t e E x p . B e g a n 2 1 1 6 / 9 4 2 1 2 5 / 9 4 3 1 1 2 / 9 4 3 1 1 7 / 9 4 3 1 1 8 / 9 4 S a m p l e 8 3 - 1 8 3 - 2 8 3 - 3 8 3 - 4 8 3 - 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 2 4 3 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 4 . 1 4 8 6 3 . 6 1 8 3 3 . 9 6 0 0 3 . 6 6 0 6 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 3 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 6 6 6 6 6 S u s c e p t o r A . M B 2 M B 2 M B 2 M B 2 M B 2 U p p e r Q u a r t z n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e L o w e r Q u a r t z 4 . 5 c m 4 . 5 c m 4 . 5 c m 4 . 5 c m 4 . 5 c m P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 2 m W 3 . 2 5 m W 3 . 2 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 4 . 1 5 6 6 3 . 9 6 4 4 3 . 6 6 4 5 W e i g h t G a i n ( m g ) 8 . 0 4 . 4 3 . 9 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 7 5 - 4 8 5 4 4 5 - 4 5 0 4 6 5 - 4 7 5 4 7 0 - 4 8 0 4 6 0 - 4 6 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 0 . 5 u m 0 . 2 7 5 u m 0 . 2 4 4 p . m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e C . 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 - 1 - S 3 - 5 ) ! 0 3 0 3 @ 3 7 7 A p p e n d i x C D a t e E x p . B e g a n 7 1 1 0 / 9 4 S a m p l e S 3 - 1 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) C O ; ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) O ; ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m P r e s s u r e 8 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) B i a s C u r r e n t n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 4 7 - 4 5 3 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e C . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e S 3 - 1 0 3 7 8 A p p e n d i x C D a t e E x p . B e g a n 8 1 1 / 9 4 9 1 2 1 / 9 4 9 1 2 3 / 9 4 S a m p l e 8 3 - 1 1 8 3 - 1 2 8 3 - 1 3 8 3 - 1 4 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 4 0 1 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 3 . 9 8 7 6 4 . 1 6 7 8 3 . 6 9 8 7 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 2 0 . 2 2 0 . 2 2 0 . 2 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 3 5 5 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 7 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 3 M B 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 m m n o n e L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 5 . 3 c m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 4 . 0 1 7 0 4 . 1 9 0 3 3 . 7 0 1 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 2 9 . 4 2 2 . 5 9 . 1 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 3 8 - 4 4 7 4 6 8 - 4 7 3 4 6 8 - 4 7 3 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s N o t C o n t . F i l m T h i c k n e s s 1 . 8 3 p m 1 . 4 1 p m 0 . 5 7 p m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 4 5 . 7 5 3 5 . 2 5 5 7 . 0 0 T a b l e C . 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 - 1 1 - 8 3 - 1 4 3 7 9 A p p e n d i x C D a t e E x p . B e g a n 1 0 1 1 1 9 4 1 0 1 4 1 9 4 1 1 l 2 6 l 9 4 1 1 1 2 7 1 9 4 ] S a m p l e s 3 - 1 7 8 3 - 1 8 $ 3 - 1 9 3 3 . 2 0 I D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 2 2 2 2 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 4 . 1 4 6 7 4 . 1 2 2 6 3 . 9 8 6 1 3 . 6 5 6 9 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 2 1 . 2 2 1 . 2 S C - l S C - 2 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 5 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 3 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 m m 2 2 2 6 L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 4 . 1 8 2 4 4 . 1 4 9 1 3 . 9 9 5 7 3 . 6 7 1 3 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 5 . 7 2 6 . 5 9 . 6 1 4 . 4 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 8 - 4 7 3 4 6 8 - 4 7 2 4 8 2 ( 7 ) : ? : 3 3 ? F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s F i l m T h i c k n e s s 2 . 2 3 u m 1 . 6 6 p m 0 . 6 u m 0 . 9 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 5 5 . 7 5 4 1 . 5 0 2 7 . 2 7 4 0 . 9 1 T a b l e C . 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 3 - 1 7 - S 3 - 2 0 3 8 0 A p p e n d i x C D a t e E x p . B e g a n 1 1 1 2 9 1 9 4 2 1 1 1 / 9 4 1 2 1 7 / 9 4 S a m p l e 8 3 - 2 1 8 3 - 2 2 8 3 - 2 3 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 2 2 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 4 . 1 7 7 0 3 . 9 4 7 1 4 . 0 7 3 4 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S C - 3 S C - 4 S C - 5 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 3 0 2 6 L o w e r Q u a r t z 2 4 2 4 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 4 . 2 0 7 6 3 . 9 6 2 1 4 . 1 0 0 2 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 0 . 6 1 5 . 0 2 6 . 8 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 8 - 4 7 2 4 7 0 - 4 7 8 4 6 8 - 4 7 0 e = 0 . 6 5 e = 0 . 9 0 e = 0 . 6 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 1 . 9 1 p m 0 . 9 4 p m 1 . 6 7 5 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 4 7 . 7 5 4 2 . 7 2 4 1 . 8 6 T a b l e C . 5 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s 8 3 - 2 1 - 8 3 - 2 3 3 8 1 A p p e n d i x C F D a t e E x p . B e g a n 2 1 1 5 / 9 8 S a m p l e p u l s e - 1 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 1 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 C H 4 ( s c c m ) 1 . 5 O ; ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 1 5 t o r r I n p u t P o w e r 1 k W B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 1 1 . 2 B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 5 2 0 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e C . 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e p u l s e - 1 5 A p p e n d i x D D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 4 ” S i l i c o n S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h p o l i s h e d 4 ” s i l i c o n w a f e r s . T h i s d a t a i s p r e s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s - c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p r i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 3 8 2 3 8 3 A p p e n d i x D D a t e E x p . B e g a n 2 1 2 7 1 9 4 3 1 2 1 9 4 4 1 4 / 9 4 4 1 5 / 9 4 1 0 1 9 / 9 4 S a m p l e 8 4 - 1 8 4 - 2 8 4 - 3 8 4 - 4 8 4 - 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 4 0 2 4 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 6 1 8 4 6 . 6 0 0 8 9 . 1 1 7 4 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t S o n d e s 2 1 . 2 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 0 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 6 6 6 6 9 S u s c e p t o r A . M B l M B 1 M B ] M B l M E C 6 U p p e r Q u a r t z n o n e n o n e n o n e n o n e 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 4 . 8 c m 4 . 8 c m 5 . 3 c m 5 . 3 c m 2 4 m m P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 6 t o r r 7 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 1 m W 3 . 2 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 8 0 7 0 6 . 7 9 4 3 9 . 1 6 1 4 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 8 . 8 6 1 9 . 3 5 4 4 . 0 0 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 5 - 4 7 0 4 6 0 - 4 7 0 4 9 0 - 5 0 0 5 0 0 - 5 1 0 4 7 0 - 4 7 6 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e D . l D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s S 4 - 1 - 8 4 - 5 3 8 4 A p p e n d i x D D a t e E x p . B e g a n 1 0 1 2 4 1 9 4 S a m p l e S 4 - 6 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 9 . 0 9 3 8 R e s i s t i v i t y S e e d i n g L o t 2 1 . 3 H ; ( s c c m ) 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 C H 4 ( s c c m ) 5 O ; ( s c c m ) 0 C a v i t y C o n f 9 S u s c e p t o r A . M E C 6 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m P r e s s u r e 8 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m w B i a s V o l t a g e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 9 . 1 3 1 2 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 7 . 4 B i a s C u r r e n t n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 3 - 4 6 9 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 1 . 3 1 1 m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e D . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e 8 4 - 6 A p p e n d i x E D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 2 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h 2 ” C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s . T h i s d a t a i s p r e s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s - c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p r i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 3 8 5 3 8 6 A p p e n d i x E ' 1 D a t e E x p . B e g a n 1 1 2 1 1 9 4 1 1 2 4 1 9 4 2 1 7 / 9 4 3 1 4 / 9 4 4 1 2 4 / 9 4 S a m p l e G 7 - 1 G 7 - 2 G 7 - 3 G 7 - 4 G 7 - 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 3 0 4 0 3 8 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 7 1 8 6 . 0 7 9 0 6 . 1 7 8 3 S e e d i n g L o t 0 0 0 0 1 0 0 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 3 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 4 4 4 4 7 S u s c e p t o r A . M E C 1 . 1 M E C 1 . 1 M E C 1 . 1 M E C 1 . 1 M E C 4 U p p e r Q u a r t z 2 0 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 1 5 t o r r I n p u t P o w e r 1 . 0 m W 1 . 1 5 m W 1 . 1 5 m W 1 . 1 m W 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 4 9 9 6 . 1 7 9 2 6 . 0 8 5 8 6 . 1 9 4 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 7 . 4 6 . 8 1 6 . 5 H e a t e r C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 7 0 4 6 6 5 0 6 - 5 1 1 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i l m T y p e P e e l e d F i l m T h i c k n e s s 1 . 0 4 u m 0 . 9 5 p m N / A ( w e ) F i l m T h i c k n e s s ( x - m i s s i o n ) G r o w t h R a t e ( n m / h r ) 2 5 . 9 7 2 5 . 9 N / A T a b l e E . 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 1 - G 7 - 5 3 8 7 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 4 1 2 6 / 9 4 4 / 2 9 / 9 4 5 / 1 / 9 4 5 / 5 / 9 4 S a m p l e G 7 - 6 G 7 - 7 G 7 - 8 G 7 - 9 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 3 8 4 0 4 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 8 9 5 6 . 1 6 4 8 6 . 1 2 6 4 6 . 1 0 1 4 S e e d i n g L o t 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 7 7 7 7 S u s c e p t o r A . M E C 4 M E C 4 M E C 4 M E C 4 U p p e r Q u a r t z 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 1 3 t o r r 9 t o r r 1 1 t o r r 1 1 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 0 4 3 6 . 1 7 2 2 6 . 1 3 8 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 4 . 8 7 . 4 1 1 . 6 7 . 8 H e a t e r C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 7 9 - 4 9 0 4 5 0 4 5 5 - 4 7 0 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e P e e l e d C o n t i n u o u s P r o c e s s E r r o r C o n t i n u o u s F i l m T h i c k n e s s N / A 1 . 1 7 9 t l m N / A N / A ( w e ) F i l m T h i c k n e s s ( x - m i s s i o n ) G r o w t h R a t e ( u m / h r ) N / A 2 9 4 3 N / A T a b l e E . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 6 - G 7 - 9 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 1 0 / 1 9 1 9 4 1 2 - 1 1 / 9 4 1 2 / 1 5 / 9 4 S a m p l e G 7 - 1 3 G 7 - 1 4 G 7 - 1 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 0 0 5 0 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 7 2 3 6 . 1 0 2 5 6 . 1 2 4 6 S e e d i n g L o t 1 0 0 8 0 6 S C - 7 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 O ; ( s c c m ) O 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 m m 2 2 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 3 3 5 6 . 1 3 3 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 1 . 0 8 . 4 H e a t e r C u r r e n t n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 8 - 4 7 0 4 6 5 - 4 7 0 4 6 8 - 4 7 2 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e P e e l e d C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s F i l m T h i c k n e s s 4 . 3 5 p m 1 . 1 8 p m ( w e ) F i l m T h i c k n e s s 1 . 6 8 p m ( x - m i s s i o n ) G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 8 7 . 0 2 7 8 . 6 , 1 1 2 . 0 T a b l e E . 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 1 3 - G 7 - l S 3 8 9 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 1 2 / 1 7 / 9 4 1 2 / 2 0 / 9 4 4 / 9 / 9 5 4 1 1 2 / 9 5 4 1 1 4 / 9 5 S a m p l e G 7 - 1 6 G 7 - 1 7 G 7 - 1 8 G 7 - 1 9 G 7 - 2 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 5 2 5 4 0 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 7 1 5 6 . 1 5 5 4 6 . 1 2 3 5 6 . 1 3 8 3 6 . 1 3 2 8 S e e d i n g L o t S C - 8 S C - 1 7 S C - 2 3 S C - 2 3 S C - 2 3 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 5 3 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 1 0 1 0 1 0 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 H A 1 . 2 H A 1 . 2 H A 1 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 2 2 3 . 4 3 . 4 3 . 4 L o w e r Q u a r t z 2 4 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W H e a t e r V o l t a g e n o n e n o n e n o n e 7 0 V a c 6 0 V a c R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 8 4 4 6 . 1 4 9 9 6 . 1 2 4 9 6 . 1 4 5 2 6 . 1 3 8 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 2 . 9 5 . 5 1 . 4 6 . 9 5 . 2 H e a t e r C u r r e n t n o n e n o n e n o n e 3 . 0 2 2 . 5 1 T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 4 8 - 4 5 4 4 5 5 - 4 5 7 N / A 4 5 2 - 4 6 4 4 3 7 - 4 4 3 e = 0 . 6 5 £ = 0 . 6 5 e = 0 . 6 5 c = 0 . 6 5 T e m o c o u p l e ( ° F ) 6 7 5 6 3 0 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t i n u o u s P e e l e d P e e l e d L a t e F i l m T h i c k n e s s 1 . 8 1 1 1 m 0 . 7 7 2 u m 0 . 1 9 6 u m 0 . 9 6 8 t t m 0 . 7 3 0 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 7 2 . 4 3 3 0 . 8 8 N / A 6 4 . 5 3 4 8 . 6 7 T a b l e E . 4 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - l 6 - G 7 - 2 0 3 9 0 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 4 1 1 5 / 9 5 4 1 1 6 / 9 5 4 1 1 6 / 9 5 4 1 1 7 / 9 5 4 1 1 8 / 9 5 S a m p l e G 7 - 2 1 G 7 - 2 2 G 7 - 2 3 G 7 - 2 4 G 7 - 2 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 2 5 1 5 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 5 7 9 6 . 1 5 2 3 6 . 1 4 3 6 6 . 1 6 6 2 S e e d i n g L o t S C - 2 4 S C - 2 4 S C - 2 4 S C - 2 5 S C - 2 5 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 0 0 C H 3 ( s c c m ) 8 8 8 5 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 S u s c e p t o r A . H A 1 . 3 H A 1 . 2 H A 1 . 2 H A 1 . 2 H A 1 . 2 U p p e r Q u a r t z 3 . 4 3 . 4 3 . 4 3 . 4 3 . 4 L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 7 t o r r 4 t o r r 4 t o r r 4 t o r r I n p u t P o w e r 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W H e a t e r V o l t a g e 6 0 V a c 6 0 V a c 6 0 V a c 5 2 V a c 6 0 V a c R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 5 7 9 6 . 1 5 4 3 6 . 1 1 5 3 6 . 1 4 5 4 6 . 1 6 8 5 W e i g h t G a i n ( m g ) 4 . 9 2 . 0 3 . 4 1 . 8 2 . 3 H e a t e r C u r r e n t ( A ) 2 . 5 2 2 . 5 0 2 . 5 0 2 . 0 6 2 . 4 2 T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 2 8 - 4 3 4 N / A N / A N / A 4 2 8 e = 0 . 6 5 e = o . o s T e m o c o u p l e ( ° F ) 6 3 8 6 3 3 6 1 4 5 8 3 6 2 6 F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e P e e l e d L a t e P e e l e d L a t e F i l m T h i c k n e s s 0 . 6 8 8 u m 0 . 2 8 1 0 . 4 7 7 0 . 2 5 3 0 . 3 2 3 G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 4 5 . 8 7 N / A 3 1 . 8 0 1 6 . 8 7 2 1 . 5 3 T a b l e E . 5 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 2 1 - G 7 - 2 5 3 9 1 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 4 1 2 3 / 9 5 4 / 2 5 / 9 5 4 1 3 0 / 9 5 5 1 1 9 / 9 5 5 1 3 1 1 9 5 S a m p l e G 7 - 2 6 G 7 - 2 7 G 7 - 2 8 G 7 - 2 9 G 7 - 3 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) N / A 6 . 1 2 9 0 6 . 1 7 3 0 6 . 1 6 1 2 6 . 1 0 6 6 S e e d i n g L o t S C - 2 5 S C - 2 5 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 8 C H 3 ( s c c m ) 3 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C e n t 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 S u s c e p t o r A . H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 U p p e r Q u a r t z 3 . 4 3 . 4 3 . 4 3 . 4 3 . 4 L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W H e a t e r V o l t a g e 5 0 V a c 6 0 V a c n o n e 5 0 V a c 6 0 V a c m e a s u r e d R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 1 5 2 1 6 . 1 3 5 7 6 . 0 7 2 7 6 . 1 6 4 4 6 . 1 1 1 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 3 . 3 6 . 7 - 0 . 3 3 . 2 5 . 2 H e a t e r C u r r e n t ( A ) 2 . 0 3 2 . 5 3 n o n e 2 . 0 4 2 . 6 0 T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 3 N / A N / A N / A N / A c = 0 . 6 5 T e m o c o u p l e ( ° F ) N / A N / A 4 5 1 6 1 6 4 5 9 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s N o t C o n t . F i l m T h i c k n e s s 0 . 4 6 3 0 . 9 4 0 u m - - - 0 . 4 4 9 u m 0 . 7 3 0 u m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 1 8 . 5 2 1 7 . 9 6 T a b l e E . 6 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 2 6 - G 7 - 3 0 3 9 2 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 6 1 8 / 9 5 6 1 1 0 / 9 5 6 1 1 2 / 9 5 6 / 2 0 / 9 5 S a m p l e G 7 - 3 1 G 7 - 3 2 G 7 - 3 3 G 7 - 3 4 G 7 - 3 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 5 2 5 2 5 2 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 5 0 0 6 . 0 3 7 6 6 . 0 4 0 4 6 . 0 5 1 9 S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 C H 3 ( s c c m ) 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 C a v i t y C o n f 1 0 1 0 1 0 1 0 S u s c e p t o r A . H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 U p p e r Q u a r t z 3 . 4 3 . 4 3 . 4 3 . 4 L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 5 t o r r 3 t o r r 4 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W H e a t e r V o l t a g e 6 0 V a c 6 0 V a c 6 0 V a c s o V a c m e a s u r e d m e a s u r e d m e a s u r e d m e a s u r e d R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 5 3 8 - - - 6 . 0 4 1 8 - - - W e i g h t G a i n ( m g ) 3 . 8 - - - 1 . 4 - - - H e a t e r C u r r e n t ( A ) 2 . 5 8 2 . 5 6 2 . 5 7 2 . 1 1 T e m p e r a t u r e ( ° C ) N / A N / A T h e r m o c o u p l e ( ° F ) 6 4 0 6 6 8 6 3 6 6 7 4 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d N o F i l m D i a m o n d N o F i l m F i l m T y p e c o n t i n u o u s - - - N o F i l m n e a r E d g e F i l m T h i c k n e s s 0 . 5 3 3 u m - - - 0 . 1 9 7 p . m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 7 . 8 8 T a b l e E . 7 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 3 1 - G 7 - 3 5 3 9 3 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 6 1 2 5 / 9 5 6 1 2 6 / 9 5 6 / 2 8 / 9 5 6 1 2 9 1 9 5 7 1 5 1 9 5 S a m p l e G 7 - 3 6 G 7 - 3 7 G 7 - 3 8 G 7 - 3 9 G 7 - 4 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 5 2 5 2 5 2 5 2 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 8 0 0 6 . 0 2 5 8 6 . 0 1 6 0 5 . 9 9 7 9 6 . 0 5 2 1 S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 0 C H 3 ( s c c m ) 3 3 3 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 1 0 1 0 1 0 1 0 9 S u s c e p t o r A . H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 H A 2 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 3 . 4 3 . 4 3 . 4 3 . 4 L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 2 . 5 m W 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e 5 0 V a c 5 0 V a c 5 0 V a c 5 0 V a c n o n e m e a s u r e d m e a s u r e d m e a s u r e d m e a s u r e d R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 8 0 4 6 . 0 2 7 6 - - - - - - 6 . 0 5 8 8 W e i g h t G a i n ( m g ) 0 . 4 1 . 8 - - - - - - 6 . 7 H e a t e r C u r r e n t ( A ) 2 . 1 0 2 . 1 4 2 . 1 5 2 . 1 0 N / A T e m p e r a t u r e ( ° C ) T h e r m o c o u p l e ( ° F ) 5 7 0 5 5 0 - 5 5 6 4 2 5 5 5 2 F i l m D e p o s i t e d N o F i h n D i a m o n d i n N o F i h n D i a m o n d i n D i a m o n d C e n t e r C e n t e r P e e l e d l a t e r F i l m T y p e F i h n T h i c k n e s s 0 . 2 5 3 u m 0 . 9 4 p m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 1 0 . 1 2 4 7 . 0 0 T a b l e E . 8 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 3 6 - G 7 - 4 0 3 9 4 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 7 1 7 / 9 5 8 1 2 7 / 9 5 9 / 7 / 9 5 9 / 8 / 9 5 9 1 1 0 / 9 5 S a m p l e G 7 - 4 l G 7 - 4 2 G 7 - 4 3 G 7 - 4 4 G 7 - 4 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 2 5 2 5 1 0 1 5 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 9 0 8 6 . 0 3 1 8 6 . 0 2 5 6 S e e d i n g L o t 9 5 - 2 0 0 - S C - 1 9 5 - 2 0 1 - s c - 1 9 5 - 2 0 2 - s c - 1 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 0 0 0 C H 3 ( s c c m ) 3 5 5 5 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 1 0 1 0 9 9 9 S u s c e p t o r A . H A 2 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 3 . 4 L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 9 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 7 t o r r I n p u t P o w e r 2 . 5 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e 3 : 2 : d e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 9 1 3 6 . 0 3 4 5 6 . 0 3 4 3 6 . 0 2 8 4 W e i g h t G a i n ( m g ) 0 . 5 n o n e 2 . 8 3 . 2 2 . 8 H e a t e r C u r r e n t ( A ) N / A N / A N / A N / A T e m p e r a t u r e ( ° C ) T h e r m o c o u p l e ( ° F ) F i l m D e p o s i t e d N o F i l m N o F i h n D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t . O f f C e n t e r F i l m T h i c k n e s s 0 . 3 9 3 1 1 m 0 . 4 6 3 u m 0 . 3 9 3 p . m G r o w t h R a t e ( m u / h r ) 3 9 . 3 3 0 . 8 7 2 6 . 2 0 T a b l e E . 9 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 4 1 - G 7 - 4 5 3 9 5 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 9 1 2 3 / 9 5 S a m p l e G 7 - 4 6 G 7 - 4 7 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 3 4 2 6 . 0 5 5 2 S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 C H 3 ( s c c m ) 8 O ; ( s c c m ) 0 C a v i t y C e n t 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 . 2 L o w e r Q u a r t z 2 . 4 P r e s s u r e 7 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 3 4 5 6 . 0 5 8 1 W e i g h t G a i n ( m g ) 2 . 3 2 . 9 H e a t e r C u r r e n t ( A ) T e m p e r a t u r e ( ° C ) T h e r m o c o u p l e ( ° F ) F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 0 . 3 2 3 1 1 m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 3 2 . 3 0 T a b l e E . 1 0 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 4 6 - G 7 - 4 7 3 9 6 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 1 0 1 1 0 1 9 6 1 1 1 1 0 1 9 6 S a m p l e G 7 - 5 1 G 7 - 5 2 G 7 - 5 3 G 7 - 5 4 G 7 - 5 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 1 5 1 5 1 5 3 0 t I n i t i a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 4 0 0 6 . 0 3 4 4 2 . 0 1 0 9 S e e d i n g L e t H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 6 0 0 0 C H 3 ( s c c m ) 3 0 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 1 2 1 2 S u s c e p t o r A . M E C 7 . 2 M E C 7 . 2 M E C 7 . 2 M E C 7 . 2 M E C 7 . 2 U p p e r Q u a r t z 5 8 m m 5 8 m m 5 8 m m 5 8 m m 5 8 m m L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 7 t o r r 9 t o r r 3 t o r r 5 t o r r 5 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W H e a t e r V o l t a g e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 6 . 0 4 5 1 6 . 0 4 2 4 W e i g h t G a i n ( m g ) 5 . 1 8 . 5 2 . 9 6 . 2 H e a t e r C u r r e n t ( A ) T e m p e r a t u r e ( ° C ) 5 1 7 T h e r m o c o u p l e ( ° F ) F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d N o t D i a m o n d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 0 . 7 2 p m 1 . 1 9 p m 0 . 4 0 7 u m 0 . 8 7 p m ( W - g . ) F i l m T h i c k n e s s 1 . 0 7 u m ( x - m i s s i o n ) G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 4 8 . 0 7 9 . 3 2 7 2 9 T a b l e E . 1 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 - 5 1 - G 7 - 5 5 f e r 3 9 7 A p p e n d i x E F F D a t e E x p . B e g a n S a m p l e G 7 2 - 6 0 D u r a t i o n ( h o u r s ) 1 5 I n i t i a l W e i g h t ( g ) S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 C H 4 ( s c c m ) 5 0 ; ( s e e m ) C a v i t y C o n f M E C 7 S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z 5 8 m m L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 9 t o r r I n p u t P o w e r 1 k W H e a t e r V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 6 . 0 H e a t e r C u r r e n t n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 3 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i l m T y p e c o n t . F i l m T h i c k n e s s 0 8 4 l e ( w e ) F i l m T h i c k n e s s 0 . 7 8 p m ( x - m i s s i o n ) G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 5 6 . 0 T a b l e E . 1 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e G 7 2 - 6 0 3 9 8 A p p e n d i x E D a t e E x p . B e g a n 2 / 1 5 1 9 8 2 1 1 5 1 9 8 2 1 1 5 / 9 8 2 / 1 5 1 9 8 2 / 1 6 1 9 8 S a m p l e G 7 2 - 6 1 G 7 2 - 6 2 G 7 2 - 6 3 G 7 2 - 6 4 G 7 2 - 6 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 0 . 5 / 1 5 . 0 0 . 5 / 1 4 . 5 0 . 5 / 9 . 5 1 5 2 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) 2 0 0 / 2 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 / 0 0 / 0 0 / 0 8 C H 4 ( s c c m ) 2 0 / 5 2 0 1 5 2 0 / 5 8 8 O ; ( s c c m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 1 k W 1 k W 1 k W 1 k W 1 k W H e a t e r V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) 7 . 7 7 . 4 4 . 3 3 . 2 H e a t e r C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 3 4 6 3 4 6 3 4 8 1 e = 0 . 6 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d N o C O ; N o C O ; F i l m T y p e p e e l e d P e e l e d c o n t . N o t D i a m o n d N o t D i a m o n d F i l m T h i c k n e s s 1 . 1 ] . l m 1 . 0 0 m 0 . 6 0 m ( w g . ) F i l m T h i c k n e s s 0 . 6 l l m ( x - m i s s i o n ) G r o w t h R a t e ( n m l h r ) 7 1 . 0 6 9 . 3 6 0 . 0 T a b l e E . 1 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 2 - 6 1 - G 7 2 - 6 5 u r e t z z D i a t t t e i s a s a i d ( ( i c e e l l s t e h e e s t t D T T T u t g w ) i ; 4 s t p m u a m m m e r p w v s e p a i e m e t i l n c S c o W g ( ( r r u c y p r W t r r s s s r c t e a P s e y h i h h Q Q p i i L ) ) r w a x o c c o u e n a m i t n e u u o c c E c c C e o V m o G C p o R l h o . t t a t g ) ) r A r t t h f r n r e e t e e p ( m i e n e i a a m m l r s k k ) g u h i n r n D I S C H C O C S U L P I H R F W H T F F F ( F ( G u e ; O H ; n u a p o r n e i e e i e e w i i r i x s n l l l a m l o - g m t ° ) g C ) ) g e s s ( n ( ( e s d s h r ) a T t a e b l u ( e m E / . 1 4 D e p p . B e n g s a ) ( g ) 5 0 2 G E t k . 8 2 . o 7 i . . o 7 n 6 . o 1 . n 5 a 8 8 t s 2 1 7 1 2 5 / 9 - 6 8 6 1 8 7 1 0 o m W 9 0 C e . 7 m 1 m o p t r r 9 p m i 4 . 2 n d m i o n R e 2 5 1 . . 0 E 0 8 4 G t k 2 n 2 . t a 5 3 . 0 o 2 i . n 4 . l o . 8 u 0 6 2 0 2 0 M 5 9 1 6 1 D c n 5 1 1 5 s / 7 C 0 o m W 3 3 e i 0 t / 2 5 r m n 5 u s 8 7 5 / 6 6 . 9 2 1 1 2 2 - 4 1 m . 9 7 1 r n u d s o u o m p m o f S u b s t r a t e s G 7 2 - 6 6 - G 7 2 - 6 7 2 6 2 8 8 0 M 5 9 1 1 6 n 1 1 4 D c 6 3 9 9 A p p e n d i x E A p p e n d i x F D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 3 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h 3 ” C o m i n g 7 0 5 9 s u b s t r a t e s . T h i s d a t a i s p r e s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s - c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p r i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 4 0 0 4 0 1 A p p e n d i x F D a t e E x p . B e g a n 6 1 2 1 9 4 6 1 1 1 / 9 4 9 1 2 9 / 9 4 1 0 1 7 / 9 4 1 0 1 1 3 1 9 4 S a m p l e G 7 3 - l l G 7 3 - 1 2 G 7 3 - l 3 G 7 3 - l 4 G 7 3 - 1 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 8 0 3 0 5 0 5 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 3 . 8 5 2 1 1 3 . 8 1 7 0 1 3 . 7 4 4 1 1 3 . 8 0 8 1 S e e d i n g L o t 2 1 . 1 2 1 . 1 2 1 . 1 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 0 8 0 C H 4 ( s c c m ) 3 3 5 3 5 0 ; ( s e e m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 0 2 0 2 2 2 2 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 6 2 6 2 4 2 4 2 4 P r e s s u r e 1 0 t o r r 8 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 3 . 8 7 0 1 1 3 . 8 4 9 1 1 3 . 7 7 0 7 1 3 . 8 5 3 3 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 8 . 0 2 8 . 0 3 2 . 1 2 6 . 6 4 5 . 2 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 5 5 - 4 6 5 4 3 6 - 4 4 0 4 6 8 - 4 7 3 4 6 5 - 4 7 0 4 9 6 - 4 7 3 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e C o n t i n o u s p e e l e d C o n t i n o u s F i l r n T h i c k n e s s 1 . 7 5 u m 2 . 0 1 p m 1 . 6 6 u m 2 . 8 3 p m G r o w t h R a t e ( u r n / h r ) 2 1 . 8 6 6 7 . 0 0 3 3 . 2 0 5 6 . 6 T a b l e F . l D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 3 - 1 1 - G 7 3 - 1 5 4 0 2 A p p e n d i x F D a t e E x p . B e g a n 1 0 / 1 7 / 9 4 S a m p l e G 7 3 - 1 6 D u r a t i o n ( h o u r s ) 5 0 : 1 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 3 . 9 1 4 2 S e e d i n g L o t 2 1 . 1 H ; ( s c c m ) 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 C H 4 ( s c c m ) 3 O ; ( s c c m ) 0 C a v i t y C o n f 9 S u s c e p t o r A . M E C 5 . 2 U p p e r Q u a r t z 2 2 L o w e r Q u a r t z 2 4 P r e s s u r e 9 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 3 . 9 4 2 1 W e i g h t G a i n ( m g ) 2 7 . 9 B i a s C u r r e n t n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 6 8 - 4 7 0 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d F i h n T y p e C o n t i n o u s F i l m T h i c k n e s s 1 . 7 4 p m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 3 4 . 8 T a b l e F . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e G 7 3 - l 6 4 0 3 A p p e n d i x F D a t e E x p . B e g a n 1 0 / 1 4 / 9 6 1 0 / 1 8 / 9 6 S a m p l e L B L - 1 L B L - 2 D u r a t i o n ( h o u r s ) 3 0 2 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 1 3 . 6 3 6 6 1 3 . 6 6 8 1 S e e d i n g L o t 1 0 1 1 9 6 . ] . 1 1 0 1 1 9 6 . ] . 1 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 C H 4 ( s c c m ) O ; ( s c c m ) 0 0 C a v i t y C o n f 1 2 1 2 S u s c e p t o r A . M E C 7 . 2 M E C 7 . 2 U p p e r Q u a r t z 5 8 m m 5 8 m m L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e 6 t o r r 6 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 1 3 . 6 4 9 6 1 3 . 6 7 5 0 W e i g h t G a i n ( m g ) 1 3 . 0 6 . 9 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) - - - - - - F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e T r a n s p a r e n t T r a n s p a r e n t ( r o u g h ) ( s m o o t h ) F i l m T h i c k n e s s 0 . 8 1 3 1 1 m 0 . 4 3 1 1 1 m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 2 7 . 1 0 2 1 . 5 5 T a b l e F . 3 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s L B L - l - L B L - 2 A p p e n d i x G D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 4 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h 4 ” C o m i n g 7 0 5 9 S u b s t r a t e s . T h i s d a t a i s p r e s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s - c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p l i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 4 0 4 4 0 5 A p p e n d i x G D a t e E x p . B e g a n 1 0 1 2 6 1 9 4 1 0 / 2 8 / 9 4 1 1 1 1 / 9 4 1 1 1 8 / 9 4 1 1 / 1 1 1 9 4 S a m p l e G 7 4 - 1 6 7 4 - 2 G 7 4 — 3 G 7 4 - 4 G 7 4 - 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 5 0 8 0 8 0 4 5 0 = I n i t i a l W e i g h t ( g ) 2 5 . 0 0 8 4 2 5 . 0 4 7 1 2 5 . 0 8 0 8 2 5 . 0 7 8 1 S e e d i n g L o t 2 1 . 3 2 1 . 3 2 1 . 3 n o n e H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C H 4 ( s c c m ) 5 5 5 5 5 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 9 9 9 9 9 S u s c e p t o r A . M E C 6 M E C 6 M E C 6 . 2 M E C 6 . 2 M E C 6 . 2 U p p e r Q u a r t z n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e L o w e r Q u a r t z 2 4 2 4 P r e s s u r e 8 t o r r 7 t o r r 7 t o r r 9 t o r r 8 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 2 5 . 1 1 6 8 2 5 . 1 0 0 3 W e i g h t G a i n ( m g ) 5 0 . 0 6 9 . 7 6 7 . 7 N / A 2 2 . 2 B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 5 5 - 4 6 0 4 4 6 - 4 4 8 4 4 4 - 4 4 8 4 6 8 - 4 7 7 4 5 1 - 4 5 3 F i h n D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s 0 . 7 8 m m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) T a b l e G . 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G 7 4 - 1 - G 7 4 - 5 A p p e n d i x H D e p o s i t i o n E x p e r i m e n t s o n 2 ” P y r e x S u b s t r a t e s T h i s A p p e n d i x c o n t a i n s t a b u l a r d a t a t h a t w a s r e c o r d e d f r o m d i a m o n d d e p o s i t i o n e x p e r i m e n t s w i t h 2 ” C o m i n g 7 0 5 0 s u b s t r a t e s . T h i s d a t a i s p r e s e n t e d a s a r e f e r e n c e f o r d i s - c u s s i o n s i n e a r l i e r c h a p t e r s r e g a r d i n g d i a m o n d d e p o s i t i o n o n t h e s e s u b s t r a t e s . T h e t a b l e s i n c l u d e a l l t h e m e a s u r a b l e d a t a t h a t w a s r e c o r d e d , i n c l u d i n g e x p e r i m e n t s t h a t w e r e n o t i n c l u d e d i n e a r l i e r d i s c u s s i o n s . T h e r e a r e v a s t d i f f e r e n c e s b e t w e e n m a n y o f t h e e x p e r i m e n t s t h a t a r e l i s t e d h e r e , a s w a s n o t e d i n c h a p t e r s 4 - 6 . T h e d a t a i n t h e t a b l e s i n c l u d e s m e a s u r a b l e e x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s s u c h a s m e a s u r e d w e i g h t g a i n s a n d m e a s u r e d s u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ; h o w e v e r , t h e y d o n o t r e fl e c t t h e q u a l i t y o f t h e d e p o s i t e d fi l m o r t h e c o v e r a g e a r e a . T h e r e w e r e m a n y e x p e r i m e n t s w h e r e p r o b l e m s o c c u r r e d s u c h a s a n u n e x p e c t e d s h i f t i n t h e p o s i t i o n o f t h e p l a s m a o r t h e s u b s t r a t e . T h e s e r a n d o m o c c u r r e n c e s w e r e c a u s e d b y t h i n g s l i k e c r a c k e d q u a r t z t u b e s a n d c o a t i n g o n t h e q u a r t z b e l l j a r e t c . H e n c e , i n a d d i t i o n t o m a k i n g c o m p a r i - s o n s o f t h e d a t a i n t h e t a b l e s i t i s n e c e s s a r y t o c h a r a c t e r i z e e a c h s p e c i fi c fi l m , a s w a s d o n e p r i o r t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d i s c u s s i o n s t h a t w e r e p r e s e n t e d i n e a r l i e r c h a p t e r s . 4 0 6 4 0 7 A p p e n d i x H D a t e E x p . B e g a n 5 / 8 / 9 4 5 / 1 0 1 9 4 5 1 1 5 / 9 4 5 1 2 1 / 9 4 5 1 2 9 / 9 4 S a m p l e G P - l G P - 2 G P - 3 G P - 4 G P - 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 4 0 6 0 8 0 4 O 8 0 I n i t i a l W e i g h t ( g ) 8 . 6 4 2 1 8 . 8 3 2 8 8 . 4 7 9 9 8 . 5 0 3 2 8 . 1 7 7 0 S e e d i n g L o t 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 H ; ( s c c m ) 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 C O ; ( s c c m ) 8 8 8 8 8 C H 4 ( s c c m ) 3 3 3 3 3 O ; ( s c c m ) 0 0 0 0 0 C a v i t y C o n f 7 7 7 7 7 S u s c e p t o r A . M E C 4 M E C 4 M E C 4 M E C 4 M E C 4 U p p e r Q u a r t z 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m 2 0 m m L o w e r Q u a r t z 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m 2 4 m m P r e s s u r e 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 9 t o r r 1 0 t o r r I n p u t P o w e r 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W 3 . 0 m W B i a s V o l t a g e n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) 8 . 6 4 6 9 8 . 8 4 5 1 8 . 4 9 7 8 8 . 5 1 0 1 8 . 1 9 5 2 W e i g h t G a i n ( m g ) 4 . 8 m g 1 2 . 3 m g 1 7 . 9 m g 6 . 9 m g 1 8 . 2 m g B i a s C u r r e n t n o n e n o n e n o n e n o n e n o n e T e m p e r a t u r e ( ° C ) 4 4 0 - 4 5 2 4 3 5 - 4 4 5 F i l m D e p o s i t e d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d D i a m o n d F i l m T y p e N o t C o n t i n . C o n t i n u o u s C o n t i n u o u s N o t C o n t i n . C o n t i n u o u s F i h n T h i c k n e s s 0 . 6 7 p m 1 . 7 3 p m 2 . 5 1 p m 2 . 5 5 p m G r o w t h R a t e ( u m / h r ) 1 6 . 8 2 8 . 7 7 3 1 . 3 8 3 1 . 9 2 T a b l e H . 1 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e s G P - l - G P - S T a b l e H . 2 D e p o s i t i o n R e s u l t s o f S u b s t r a t e G P - 6 4 0 8 A p p e n d i x H D a t e E x p . B e g a n S a m p l e G P — 6 D u r a t i o n ( h o u r s ) I n i t i a l W e i g h t ( g ) 8 . 4 9 1 4 S e e d i n g L o t H ; ( s c c m ) C O ; ( s c c m ) C H 4 ( s c c m ) 0 ; ( s e e m ) C a v i t y C o n f S u s c e p t o r A . U p p e r Q u a r t z L o w e r Q u a r t z P r e s s u r e I n p u t P o w e r B i a s V o l t a g e R e s u l t s F i n a l W e i g h t ( g ) W e i g h t G a i n ( m g ) B i a s C u r r e n t T e m p e r a t u r e ( ° C ) F i l m D e p o s i t e d F i l m T y p e F i l m T h i c k n e s s G r o w t h R a t e ( u m / h r ) A p p e n d i x I O p e r a t i n g P r o c e d u r e s f o r t h e G e r l i n g M i c r o w a v e P o w e r S u p p l y F i g u r e 1 . 1 s h o w s t h e c o n t r o l s a n d t e l l - t a i l l i g h t s a s t h e y a p p e a r o n t h e f r o n t o f t h e G e r l i n g ’ s c o n t r o l m o d u l e . T h i s c o n t r o l p a n e l g o v e r n s e n t i r e l y t h e g e n e r a t i o n o f m i c r o w a v e e n e r g y f r o m t h e G e r l i n g . T h e n e x t t h r e e s e c t i o n s o u t l i n e t h e s p e c i fi c d e t a i l s r e g a r d i n g t h e w a r m - u p , s h u t - d o w n , a n d o p e r a t i n g p r o c e d u r e s f o r t h e G e r l i n g . I . 1 W a r m - U p P r o c e d u r e F i g u r e 1 . 2 c o n t a i n s a l i s t i n g o f t h e s t e p s i n t h e s t a r t - u p o f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 a s t a k e n f r o m t h e G e r l i n g ’ s u s e r s m a n u a l . A t t h e c o m p l e t i o n o f t h e s e s t e p s t h e G e r - l i n g w i l l b e i n a s t a n d - b y m o d e w h e r e i t i s r e a d y t o g e n e r a t e m i c r o w a v e e n e r g y . A t t h i s p o i n t t h e p l a s m a e x e s o f t w a r e m a y e n a b l e t h e o u t p u t o f t h e m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y a s w a s s t a t e d i n s e c t o n [ 3 . 2 . 2 ] . T h e b u t t o n s a n d t e l l - t a i l l i g h t s i n t h e l i s t a r e s h o w n i n fi g u r e 1 . 2 . 1 . 2 A d j u s t i n g t h e O u t p u t M i c r o w a v e L e v e l T o a d j u s t t h e a m o u n t o f m i c r o w a v e p o w e r t h a t i s g e n e r a t e d b y t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 d u r i n g C W o p e r a t i o n o n e m u s t s i m p l y v a r y t h e p o s i t i o n o f t h e k n o b l a b e l e d S e t M i c r o w a v e P o w e r i n t h e C o n t r o l M o d e g r o u p ( r e f e r t o fi g u r e 1 . 1 ) . T h e a m o u n t o f i n c i d e n t C W m i c r o w a v e p o w e r i n c r e a s e s l i n e a r l y w i t h t h i s a d j u s t m e n t . [ . 3 S h u t - D o w n P r o c e d u r e F i g u r e 1 . 3 i s a l i s t i n g o f t h e s t e p s n e c e s s a r y f o r s h u t t i n g d o w n t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 m i c r o w a v e p o w e r s u p p l y . T h e G e r l i n g ’ s m a n u a l r e c o m m e n d s t h a t b e f o r e b e g i n - n i n g t h e s e s t e p s t h e p o w e r s u p p l y b e a l l o w e d t o c o o l d o w n . T h e r e f o r e , o n e s h o u l d a l l o w a 4 0 9 r — P S t o a w t u e s r — I [ A ' . ' . I S — f - t a 1 r t S . 1 - 1 . ' . . r y s t e m C o 1 ' 3 r ‘ S , . . 1 / . - t ' I t e 3 p r ; ” ! , . . 4 ' . ‘ n t r o . . S l t s a t — u s | T i m e r — ( t S o L 9 p : M ) o d M e A B O R ( A a D e l — u n T a a y l — I F M i c r O R Y P O W E C O N T R O L a I w R l n a S e o E u c r M k w ' ‘ c ' . - . ; _ ~ , . S e C 1 r e t a v e P o t S O U R — E f x t — e r n t e r ' < . j 1 ‘ ’ S l o o C . w ’ . 1 r : - a t O u v s ' g I e r l n u a C o n t r o — l o — ‘ 3 , a l M d = m o — Q 3 ' R . n A L e . ‘ _ ' r s — a l d e J — . " - ’ - ' e t . i ] o l — g — / P — u - l ‘ 0 1 e 1 r . S M s 1 ’ " ' 1 ‘ t a i e r c _ t ' r - - ' . a . ' . o M w i a c v r e o C o ( W w a a t v n t t e s ) r P o o l w s — 1 e r . 1 v : ’ 3 ' 4 1 0 A p p e n d i x I S t o p S t a t u s F i g u r e 1 . 1 T h e C o n t r o l s o f t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 4 1 1 A p p e n d i x I 1 ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 8 ) S e t t h e s w i t c h o n t h e b a c k o f t h e L a b o r a t o r y P o w e r S o u r c e C o n t r o l t o c o m p u t e r m o d e . D o t h i s o n l y w h e n t h e r e i s n o p o w e r a p p l i e d t o t h e G e r l i n g . S e t t h e t h r e e c i r c u i t b r e a k e r s o n t h e G e r l i n g ’ s m a g n i t r o n u n i t t o t h e u p p o s i t i o n . T h e a m b e r p o w e r - s t a t u s l i g h t w i l l i l l u m i n a t e . T u r n o n t h e fl o w o f t h e w a t e r c o o l i n g f o r t h e w a v e g u i d e l o a d s a n d c i r c u l a t o r s . P r e s s t h e g r e e n s t a r t b u t t o n i n t h e s y s t e m s c o n t r o l s g r o u p . T h e a m b e r e x t e r n a l a n d s o u r c e l i g h t s i n t h e i n t e r l o c k s t a t u s g r o u p w i l l i l l u m i n a t e . T u r n o n t h e n e s l a b l i q u i d c o o l i n g u n i t . S e t t h e t e m p e r a t u r e t o 2 0 C . V e r i f y t h a t t h e p r e s s u r e i n t h e n e s l a b u n i t i s b e l o w 7 5 p s i . W a i t t h r e e m i n u t e s f o r t h e a m b e r d e l a y l i g h t i n t h e i n t e r l o c k s t a t u s g r o u p t o i l l u m i n a t e . S e t t h e m i c r o w a v e p o w e r a d j u s t m e n t k n o b i n t h e c o n t r o l m o d e g r o u p t o 0 . 0 . T h e G e r l i n g i s n o w r e a d y t o g e n e r a t e m i c r o w a v e e n e r g y . F i g u r e 1 . 2 F i g u r e 1 . 2 W a r m - u p p r o c e d u r e f o r t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 . 4 1 2 A p p e n d i x I m i n i m u m c o o l d o w n p e r i o d o f 3 0 m i n u t e s a f t e r t h e G e r l i n g s t o p s g e n e r a t i n g m i c r o w a v e e n e r g y . D u r i n g t h i s c o o l d o w n p e r i o d , a l l o f t h e l i q u i d c o o l i n g s y s t e m s s h o u l d b e l e f t o n . 4 1 3 A p p e n d i x I 9 ) R e t u r n t h e m i c r o w a v e p o w e r a d j u s t m e n t k n o b i n t h e c o n t r o l m o d e g r o u p t o 0 . 0 . 1 0 ) T u r n o n t h e n e s l a b l i q u i d c o o l i n g u n i t . 1 1 ) P r e s s t h e r e d s t o p b u t t o n i n t h e s y s t e m s c o n t r o l s g r o u p . T h e a m b e r d e l a y , e x t e r n a l a n d s o u r c e l i g h t s i n t h e i n t e r l o c k s t a t u s g r o u p w i l l t u r n o f f 1 2 ) T u r n o f f t h e fl o w o f t h e w a t e r c o o l i n g f o r t h e w a v e g u i d e l o a d s a n d c i r c u l a t o r s . 1 3 ) S e t t h e t h r e e c i r c u i t b r e a k e r s o n t h e G e r l i n g ’ s m a g n i t r o n u n i t t o t h e d o w n p o s i t i o n . T h e a m b e r p o w e r - s t a t u s l i g h t w i l l t u r n o f f . F i g u r e [ . 3 S h u t d o w n p r o c e d u r e f o r t h e G e r l i n g M o d e l G L 1 1 9 . 1 0 l l 1 2 R E F E R E N C E S O l e g A . P o p o v , H i g h D e n s i t y P l a s m a S o u r c e s , N o y e s P u b l i c a t i o n s , N e w J e r - s e y , 1 9 9 5 . J . H o p w o o d , M . D a h i m e n e , D . K . R e i n h a r d a n d J . A s m u s s e n , ” P l a s m a E t c h i n g w i t h a M i c r o w a v e C a v i t y P l a s m a D i s k S o u r c e ” , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 6 , 2 6 8 , 1 9 8 8 . B r a i n D a v i d M u s s o n , M a s t e r s T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i y ( 1 9 9 1 ) . G . T . S a l b e r t , J . H o p w o o d , J . A s m u s s e n , a n d D . K . R e i n h a r d , “ M i c r o w a v e P l a s m a O x i d a t i o n a n d E t c h i n g f o r I n t e g r a t e d C i r c u i t P r o c e s s i n g , ” I n v i t e d P a p e r 2 3 r d M i c r o - w a v e P o w e r S y m p o s i u m , I n t e r n a t i o n a l M i c r o w a v e P o w e r I n s t i t u t e , A u g u s t 2 9 - 3 1 , 1 9 8 8 , O t t a w a C a n a d a . G . T . S a l b e r t , D . K . R e i n h a r d , a n d J . A s m u s s e n , “ D o w n s t r e a m O x i d a t i o n o f S i l i c o n U s i n g a n E C R M i c r o w a v e P l a s m a D i s k R e a c t o r , ” S i x t e e n t h I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n - f e r e n c e o n P l a s m a S c i e n c e , B u f f a l o , N Y , M a y 2 2 - 2 4 , 1 9 8 9 . G . T . S a l b e r t , D . K . R e i n h a r d , a n d J . A s m u s s e n , “ O x i d e G r o w t h o n S i l i c o n U s i n g a M i c r o w a v e E l e c t r o n C y c l o t r o n R e s o n a n c e O x y g e n P l a s m a , ” J o u r n a l o f V a c u u m S c i - e n c e a n d T e c h n o l o g y , A 8 , 2 9 0 4 - 2 9 0 8 , ( 1 9 9 0 ) . S . K h a t a r n i , J . A s m u s s e n , 2 3 r d I E E E I n t . C o n f . o n P l a s m a S c i e n c e , B o s t o n , M a s s a - c h u s e t t s , J u n e , 1 9 9 6 . K u o - P i n g K u o , J e s A s m u s s e n , ” A n e x p e r i m e n t a l s t u d y o f h i g h p r e s s u r e s y n t h e s i s o f d i a m o n d fi l m s u s i n g a m i c r o w a v e c a v i t y p l a s m a r e a c t o r ” , D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s , 1 9 9 7 . R . F . H a r r i n g t o n , T i m e - n g n i g E l e c t r o m a g n e t i c F i e l d s M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k , 1 9 6 5 . J . D . J a c k s o n , C l a s s i c a l E l e c r o d y n a m i c s , J o h n W i l e y & S o n s , N e w Y o r k , 1 9 7 5 . E v e r s o l e , W . 1 9 6 2 U S . P a t e n t s 3 , 0 3 0 , 1 8 7 a n d 3 , 0 3 0 , 1 8 8 . J o h n C . A n g u s , H e r b e r t A . W i l l , a n d W a y n e 8 . S t a n k o , “ G r o w t h o f D i a m o n d S e e d C r y s t a l s b y V a p o r D e p o s i t i o n ” , J . A p p l . P h y s . 3 9 ( 1 9 6 8 ) , 2 9 1 5 . 4 1 4 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 4 1 5 B . V . S p i t s y n , L . L . B o u i l o v , a n d B . V . D e r j a g u i n , “ V a p o r G r o w t h o f D i a m o n d o n D i a m o n d a n d O t h e r S u r f a c e s ” , J . C r y s t . G r o w t h 5 2 ( 1 9 8 1 ) , 2 1 9 . B . V . S p i t z y n , “ A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , A . F e l d m a n , ( 1 9 9 1 ) , 4 7 5 . S e i i c h i r o M a t s u m o t o , y o i c h i r o S a t o , M u t s u k a z u K a m o , a n d N o b u o S e t a k a , J a p . J . A p p l . P h y s . 2 1 ( 1 9 8 2 ) , L 1 8 3 . K a z u h i r o S u z u k i , A p p l . P h y s . L e t t . 5 0 ( 1 9 8 7 ) , 7 2 8 . K a z u h i r o S u z u k i , A t s u h i t o , a n d T a d a o I n u z u k a , J . A p p l . P h y . 2 9 ( 1 9 9 0 ) , 1 5 3 . M a t s u m o t o , S . , H i n o , M . a n d K o b a y a s h i , T . , A p p l . P h y s . L e t t . 5 1 ( 1 9 8 7 ) , 7 3 7 . N a o t o O h t a k e , M a s a n o r i Y o s h i k a w a , K u n i o S u z u k i a n d S h i n T a k e u c h i , “ A p p l i c a - t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , A . F e l d m a n , ( 1 9 9 1 ) , 4 3 1 . R . L . W o o d i n , L . K . B i g e l o w , a n d G . L . C a n n , “ A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , A . F e l d m a n , ( 1 9 9 1 ) , 4 3 9 . K a m o , M . , S a t o , Y . , M a t s u m o t o , S . a n d S e t a k a , N . , J . C r y s t . G r o w t h 6 2 ( 1 9 8 3 ) , 6 4 2 . Y a r b r o u g h , W . A . , B a d z i a n , A . R . , P i c k r e l l , D . , L i o u , Y . , I n s p e k t o r , A . , J . C r y s t . G r o w t h 9 9 ( 1 9 9 0 ) , 1 1 7 7 . P e t e r K . B a c h m a n n , A d v . M a t e r . 2 ( 1 9 9 0 ) 1 9 5 . J i a n g , X a n d K l a n g e s , C . P . , D i a m o n d 1 9 9 2 , e d i t e d b y P . K . B a c h m a n n , A . T . C o l l i n s a n d M . S e a l ( 1 9 9 3 ) p g . 1 1 1 2 . J u n - i c h i S u a u k i , H i r o s h i K a w a r a d a , K i n g - S h e n g M a r , J i n W e i , Y o s h i h i r o Y o k o t a a n d A k i o H i r a k i , J a p a n . J . A p p l . P h y s . 2 8 ( 1 9 8 9 ) L 2 8 1 - L 2 8 3 . J . W e i , H . K a w a r a d a , J . S u z u k i a n d A . H i r a k i , J . C r y s t . G r o w t h 9 9 ( 1 9 9 0 ) 1 2 0 1 . J . W e i , H . K a w a r a d a , J . S u z u k i a n d A . H i r a k i , J a p a n . J . A p p l . P h y s . 2 9 ( 1 9 9 0 ) L 1 4 8 3 - L 1 4 8 5 . T . D . M a n t e i a n d J . J . C h a n g , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 1 0 ( 1 9 9 2 ) 1 4 2 3 - 1 4 2 5 . J . J . C h a n g a n d T . D . M a n t e i , J . A p p l . P h y s . 7 1 ( 1 9 9 2 ) 2 9 1 8 - 2 9 2 3 . Z o l t a n R i n g a n d T h o m a s D . M a n t e i , A p p l . P h y s . L e t t . 6 6 ( 1 9 9 5 ) 3 3 8 0 - 3 3 8 2 . 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3 4 5 4 6 4 7 4 8 4 1 6 T . R o p p e l , D . K . R e i n h a r d a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 4 , 2 9 5 ( 1 9 8 6 ) . J . A s m u s s e n a n d M . D a h i m e n e , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 5 , 3 2 8 ( 1 9 8 7 ) . J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 7 , 8 8 3 ( 1 9 8 9 ) . J . Z h a n g , B . H u a n g , D . K . R e i n h a r d , a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . A 8 , 2 1 2 4 ( 1 9 9 0 ) . B o h r - r a n P h . D . T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 9 2 ) . J . Z h a n g P h . D . T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 9 3 ) . J i e Z h a n g a n d J e s A s m u s s e n 1 9 9 6 U S . P a t e n t 5 5 7 1 5 7 7 . A l i E r d e m i r , C u m a B i n d a l , G e o r g e R . F e n s k e , C h r i s Z u i k e r , R o s e a n n C s e n c s i t s , A l a n R . K r a u s s a n d D i e t e r M . G r u e n , “ T r i b o l o g i c a l C h a r a c t e r i z a t i o n o f S m o o t h D i a - m o n d F i l m s G r o w n i n A r - C 6 0 a n d A r C H 4 P l a s m a s ” , D i a m o n d F i l m s a n d T e c h n o l - o g y 6 ( 1 9 9 6 ) , 3 1 . B a c h m a n n , P . K . a n d L y d t i n , H . 1 9 9 0 I n C h a r a c t e r i z a t i o n o f P l a s m a P r o c e s s e s ( e d . G . L u k o v s k y , D . E . I b b o t s o n a n d D . W . H e s s ) , v o l . 1 6 5 , p 1 8 1 . M a t e r i a l s R e s e a r c h S o c i e t y : P i t t s b u r g h . P e t e r K . B a c h m a n n , “ T h i n F i l m D i a m o n d ” , e d i t e d b y A . L e t t i n g t o n a n d J . W . S t e e d s , P u b l i s h e d b y C h a p m a n a n d H a l l f o r t h e R o y a l S o c i e t y . M . M a r i n e l l i , E . M i l a n i , M . M o n t u o r i , A . P a o l e t t i , A . T e b a n o , J . A p p l . P h y s . 7 6 ( 1 9 9 4 ) , 5 7 0 2 . Y . L i o u , A . I n s p e c t o r , R . W e i m e r , D . K n i g h t , a n d R . M e s s i e r , J . M a t e r . R e s . , V o l 5 , N o 1 1 , N o v . 1 9 9 0 , 2 3 0 5 - 2 3 1 2 . S t e p h a n J . H a r r i s a n d A n i t a M W e i n e r , A p p ] P h y . L e t t . 5 5 ( 1 9 9 0 ) 2 1 7 9 - 2 1 8 1 . S t e p h a n J . H a r r i s , A p p l . P h y . L e t t . 5 6 ( 1 9 9 0 ) 2 2 9 8 . G o o d w i n , J . A p p l . P h y s . 7 4 ( 1 9 9 3 ) 6 8 8 8 . A . R o u s s e a u , L . T o m a s i n i , G . G o u s s e t , C . B o i s s e - L a p o r t e a n d P . L e p r i n c e , ” P u l s e d m i c r o w a v e d i s c h a r g e : a v e r y e f fi c i e n t H a t o m s o u r c e ” . A . H a t t a , K . K a d o t a , Y . M o r i , T . I t o , T . S a s a k i , a n d A . H i r a k i , A p p l . P h y s . L e t t . 6 6 , 1 6 0 2 ( 1 9 9 5 ) . J . L a i m e r , M . S h i m o k a w a , a n d S . M a t s u m o t o , D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s 3 , 4 9 5 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 6 0 6 1 6 2 6 3 4 1 7 2 3 1 ( 1 9 9 4 ) . P a u l A . D e n n i g a n d D a v i d A . S t e v e n s o n , “ A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , A . F e l d m a n , ( 1 9 9 1 ) . 3 8 3 . G . S . Y a n g , M . A s l a m , K . P . K u o , D . K . R e i n h a r d , a n d J . A s m u s s e n , J . V a c . S c i . T e c h n o l . B 1 3 ( 1 9 9 5 ) 1 0 3 0 . M a s o o d P h . D . T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 9 2 ) . H . W e i n d e s h m a n a n d G l e n n F . E p p s , J . A p p l . P h y s . 6 9 ( 1 9 9 1 ) 2 2 3 1 . R . E r z . W . D o t t e r , K . J u n g a n d H . E h r h a r d t , D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s 2 ( 1 9 9 3 ) 4 4 9 - 4 5 3 . Y a s u s h i M u r a n a k a , H i s a o Y a m a s h i t a , a n d H i r o s h i M i y a d e r a , J . V a c . S c i . T e c h n o l . 9 ( 1 9 9 1 ) 7 6 . ‘ S . Y u g o , T . K a n a i , T . K i m u r a a n d T . M u t o , A p p l . P h y s . L e t t . 5 8 ( 1 9 9 1 ) 1 0 3 6 - 1 0 3 8 . B r i a n W . S h e l d o n , R o s e a n n C s e n c s i t s , J a n e t R a n k i n , R a c h e l E . B o e k e n h a u e r a n d Y u z o S h i g e s a t o , J . A p p l . P h y s . 7 5 ( 1 9 9 4 ) 5 0 0 1 - 5 0 0 8 . C . W i l d , W . M u l l e r - S e b e r t , T . E c k e r r n a n n a n d P . K o i d l , “ A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , a n d A . F e l d m a n , E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h e r s B . V . , 1 9 9 1 . M K S 2 4 7 C M F C M a n u a l . S . L . F l e g l e r , J . W . H e c k m a n , K . L . K l o m p a r e n , “ S c a n n i n g a n d T r a n s m i s i o n E l e c - t r o n M i c r o s c o p y a n I n t r o d u c t i o n ” , O x f o r d P r e s s , N e w Y o r k a n d O x f o r d E n g l a n d , 1 9 9 3 . A . V a s i c e k , W , N o r t h - H o l l a n d P u b l i s h i n g C o m p a n y , I n t e r s c i e n c e P u b l i s h e r s , I n c . , N e w Y o r k , ( 1 9 6 0 ) . C h i a - F u C h e n , S h e n g - H s i u n g , T s a o - M i n g H o n g , a n d J e n - S h i a n g L e u , T h i n S o l i d F i l m s 2 5 3 , 1 6 2 ( 1 9 9 4 ) . L . B e r g m a n a n d R . J . N e m a n i c h , J . A p p l . P h y s . 7 8 ( 8 ) , 6 7 0 9 ( 1 9 9 5 ) . Y o s h i k a t s u N a m b a , E b r a h i m H e i d a r p o u r , a n d M a s a t o s h i N a k a y a m a , J . A p p l . P h y s . 7 2 ( 5 ) , 1 7 4 8 ( 1 9 9 2 ) . M . Y o s h i k a w a , G . K a t a g i r i , H . I s h i d a a n d A . I s h i t a n i , A p p l . P h y s . L e t t . 5 2 ( l 9 ) , 6 5 6 6 6 7 6 8 6 9 7 0 7 1 7 2 7 3 7 4 7 5 7 6 7 7 7 8 7 9 8 0 4 1 8 1 9 8 8 . R i c h a r d W . B o m e t t , S a n f o r d A . A s h e r , R o b e r t E . W i t o w s k i , W i l l i a m D . P a r t l o w , R o b e r t L i z e w s k i , a n d F r e d P e t t i t , J . A p p l . P h y s . 7 7 ( 1 l ) , 5 9 1 6 ( 1 9 9 5 ) . W . A . Y a r b o u g h a n d R . M e s s i e r , S c i e n c e 2 4 7 , 6 8 8 - 6 9 5 ( 1 9 9 0 ) . R i c h a r d L . C . W u a n d A . K . R a i , J . A p p l . P h y s . 7 2 ( 1 ) , 1 1 0 ( 1 9 9 2 ) J o e r g M o s s b r u c k e r , M S . T h e s i s , D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 9 4 . D . R a t s , L . B i m b a u l t , L V a n d e n b u l c k e , R . H e r b i n , a n d K . F B a d a w i , J . A p p l . P h y s . 7 8 ( 8 ) , 4 9 9 4 ( 1 9 9 5 ) . N R o s m a n , L . A b e l l o , J . P . C h a b e r t , G V e r v e n , G . L u c a z e a u , J . A p p l . P h y s . 7 8 ( 1 ) , 5 1 9 ( 1 9 9 5 ) . L . B e m a r d e z , K . F . M c C a r t y , a n d N . Y a n g , J . A p p l . P h y s . 7 2 ( 5 ) , 2 0 0 1 ( 1 9 9 2 ) . M . A . G e o r g e , A . B u r g e r , W . E . C o l l i n s , J . L . D a v i d s o n , A . V . B a r n e s , a n d N . H . T o l k , J . A p p l . P h y s . 7 6 ( 7 ) , 4 0 9 9 ( 1 9 9 4 ) . L . F . S u t c u , C . J . C H u , M . S . T h o m p s o n , R . H H a u g e , J . L . M a r g r a v e , a n d M . P . D ’ E v e l y n , J . A p p l . P h y s . 7 1 , 5 9 3 0 ( 1 9 9 2 ) . J o h n H . L i e n h a r d , A H e a t { I m s f e t T e x t b o o k , P r e n t i c e H a l l , E n g l e w o o d C l i f f s , N J ( 1 9 8 1 ) . Y u r i P . R a i z e r , G a s D i s c h a r g e P h y s i c s , S p r i n g e r - V e r l a g , B e r l i n , ( 1 9 8 7 ) p g 1 9 7 . R o b e r t F . D a v i s , D i g g i n g F i l m s a d C o a t i n g g , N o y e s P u b l i c a t i o n s , N e w J e r s e y , 1 9 9 3 . R i c h a r d L . C . W u a n d A . K . R a i , “ S y n t h e s i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f fi n e g r a i n d i a - m o n d fi l m s ” , J . A p p l . P h y s 7 2 ( 1 ) , 1 J u l y 1 9 9 2 . . J o s e p h a n d Y . T z e n g , “ 2 n d I n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n t h e A p p l i c a t i o n o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , Y . T z e n g a n d W . A . Y a r b o u g h M Y U , T o k y o 1 9 9 3 , p g . 4 2 9 . T . P . O n g a n d R . P . H . C h a n g , A p p l . P h y s . L e t t . 5 5 , 2 0 6 3 , ( 1 9 8 9 ) . K h u s h r a v E . N a r i m a n , D . B r u c e C h a s e , A n d H e n r y C . F o l e y , C h e m . M a t e r . , 3 9 ] , ( 1 9 9 1 ) . 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 8 8 9 9 0 9 1 9 2 9 3 9 4 9 5 4 1 9 D . P i c k r e l l P h . D . t h e s i s , P e n n s y l v a n i a S t a t e U n i v e r s i t y ( 1 9 9 1 ) . M . C . C o s t e l l o , D . A . T o s s e l l , D . M . R e e c e a n d C . J . B r i e r l e y , D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s , 1 1 3 7 , ( 1 9 9 4 ) . C . W i l d , W . M u l l e r - S e b e r t , T . E c k e r m a n n a n d P . K o i d l , “ A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , a n d A . F e l d m a n , E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h e r s B . V . , 1 9 9 1 . W i l l i a m D . P a r t l o w , R o b e r t E . W i t l o w s k i , a n d J a m e s P . M c H u g h , “ A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ” , E d i t o r s : Y . T z e n g , M . Y o s h i k a w a , M . M u r a k a w a , a n d A . F e l d m a n , E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h e r s B . V . , 1 9 9 1 . A . V a s i c e k , Q o t i c s o f T h i n F i l m s , N o r t h - H o l l a n d P u b l i s h i n g C o m p a n y , I n t e r s c i e n c e P u b l i s h e r s , I n c . , N e w Y o r k , ( 1 9 6 0 ) . O . S . H e a v e n s , t h i c o l fl o m m o o o f f I f l _ 1 i n S o l i o F i l m s , B u t t e r w o r t h s , L o n d o n , 1 9 5 5 . I . F i l i n s k i , P h y s . S t a t . S o l . ( B ) , 4 1 2 , 5 7 7 , ( 1 9 7 2 ) . A . J . G a t e s m a n , R . H . G i l e s , J . W a l d m a n , “ O p t i c a l p r o p e r t i e s o f p o l y c r y s t a l l i n e d i a - m o n d fi l m s i n t h e f a r - i n f r a r e d ” , S P I E V o l . 1 3 2 5 , D i a m o o o t h i c s I I i , 1 7 0 , ( 1 9 9 0 ) . L . H . R o b i n s , E . N . F a r a b a u g h a n d A . F e l d m a n , ” D e t e r m i n a t i o n o f t h e o p t i c a l c o n - s t a n t s o f t h i n c h e m i c a l - v a p o r - d e p o s i t e d d i a m o n d w i n d o w s f r o m 0 . 5 t o 6 . 5 e V ” , S P I E V o l . 1 5 3 4 , D i a m o n d Q o t i o o I V , 1 0 5 , ( 1 9 9 1 ) . X . Y i n g , Y . S h e n , H . X u e , L . J i a n h a i , Z . X i n g , J . X u , a n d F . Z h a n g , S P I E V o l . 1 7 5 9 , D i a m o n d Q o t i c s V , 2 1 8 , ( 1 9 9 2 ) . M . C . C o s t e l l o , D . A . T o s s e l l , D . M . R e c c e , C . J . B r i e r l e y a n d J . A . S a v a g e , D i a m o n d a n d R e l a t e d M a t e r i a l s ( 1 9 9 4 ) , 1 1 3 7 - 1 1 4 1 . R a j i v K . S i n g h , D . R . G i l b e r t , J . F i t z - G e r a l d , S . H a r k n e s s , D . G . L e e , S c i e n c e 2 7 2 ( 1 9 9 6 ) 3 9 6 . M i c h a e l E . T h o m a s a n d W i l l i a m J . T r o p f , “ O p t i c a l P r o p e r t i e s o f D i a m o n d ” , J o h n s H o p k i n s A P L T e c h n i c a l D i g e s t V o l u m e 1 4 , N u m b e r 1 ( 1 9 9 3 ) . F . J a n s e n a n d M . A . M a c h o n k i n , “ P r o c e s s e s f o r t h e P r e p a r a t i o n o f P o l y c r y s t a l l i n e D i a m o n d F i l m s ” , U S . P a t e n t N o . 4 , 9 2 5 , 7 0 1 , M a y 1 5 , 1 9 9 0 . D . K . R e i n h a r d , M . J . U l c z y n s k i , a n d R . N . C h a k r a b o r t y , " D i a m o n d C o a t i n g s o n I n t e g r a t e d C i r c u i t s " , A p p l i c a t i o n s o f D i a m o n d F i l m s a n d R e l a t e d M a t e r i a l s : T h i r d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e , A . F e l d m a n , Y . T z e n g , W . A . Y a r b r o u g h , M . Y o s h i k a w a , a n d M . M u r a k a w a , e d i t o r s , p p . 6 4 3 - 6 4 6 , N I S T S p e c i a l P u b l i c a t i o n 8 8 5 , W a s h i n g t o n 9 6 9 7 9 8 9 9 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 1 0 4 4 2 0 D C , 1 9 9 5 . R . H . D o r e m u s , G l a s s S c i e n o e , J o h n W i l e y a n d S o n s , N e w Y o r k ( 1 9 7 3 ) . C . L . B a b c o c k , S i l i c a t e G l a s s T e c h n o l o g y M e t h o d s , J o h n W i l e y a n d S o n s , N e w Y o r k ( 1 9 7 3 ) . Y . L i o u , A . I n s p e k t o r , D . K n i g h t , R . W e i m e r , D . P i c k r e l l , A . R . B a d z i a n , a n d R . M e s s i e r , D i a m o n d O p t i c s I I , S P I E v o l . 1 1 4 6 , T h e S o c i e t y f o r O p t i c a l E n g i n e e r i n g , B e l l i n g h a m , W a s h i n g t o n ( 1 9 8 9 ) , p p . 1 2 - 2 0 . R . M . C h r e n k o a n d H . M . S t r o n g , “ P h y s i c a l P r o p e r t i e s o f D i a m o n d ” , G e n e r a l E l e c - t r i c T e c h n i c a l I n f o r m a t i o n S e r i e s , R e p o r t N o . 7 5 C R D 0 8 9 , O c t o b e r , 1 9 7 5 . H . W i n d i s c h m a n n a n d G l e n n F . E p p s , “ I n t r i n s i c s t r e s s i n d i a m o n d fi l m s p r e p a r e d b y m i c r o w a v e p l a s m a C V D ” , J . A p p l . P h y s . , 6 9 , 2 2 3 1 - 2 2 3 7 , ( 1 9 9 1 ) . E g o r P . P o p o v , n i n e r i n e c h i c s f 0 1 ' s , P r e n t i c e H a l l , 1 9 9 0 . J . E . F i e l d , E d . f l f h e P r o m r t i e g o f D i a m o n d s , A c a d e m i c , L o n d o n , 1 9 7 9 . G . A . S l a c k a n d S . F . B a r t r a m , J . A p p l . P h y s . 4 6 , 8 9 ( 1 9 7 5 ) . C o m i n g C o d e 7 0 5 9 M a t e r i a l I n f o r m a t i o n , C o r n i n g d o c u m e n t M I - 7 0 5 9 - 9 1 p p 3 .