Analysis of Fracture Behavior of Thin Polycrystalline Diamond Films

Abstract

The effect of the substrate temperature and CH₄ concentrations on the fracture behavior of thin polycrystalline diamond films was systematically investigated by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The results show that the fracture behavior of thin polycrystalline diamond films synthesized by direct current plasma jet chemical vapor deposition is closely related to the substrate temperature and CH₄ concentrations. A high substrate temperature, due to difference in the thermal expansion coefficients of the substrate and the diamond film, causes thin polycrystalline diamond films to generate high residual stresses, which usually exceed fracture strength of thin diamond film and even that of diamond. The fracture toughness is found to drop with the increasing ratio of CH₄ concentration. In case of high CH₄ concentrations, various defects and impurities, such as cracks, microscopic holes, graphite, and amorphous carbon were observed in the films. Thus, the substrate temperature and CH₄ concentrations should be strictly controlled within an appropriate range.

С помощью рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии исследовано влияние температуры подложки и показателя концентрации CH₄ на поведение тонких поликристаллических алмазных пленок при разрушении. Показано, что поведение при разрушении тонких поликристаллических алмазных пленок, синтезированных химическим осаждением покрытия с помощью плазменной струи при постоянном токе, зависит от температуры подложки и показателя концентрации CH₄. Большая температура подложки приводит к возникновению высоких остаточных напряжений в тонких поликристаллических алмазных пленках вследствие различных значений коэффициента теплового расширения подложки и алмазной пленки, которые, как правило, оказываются выше значений сопротивления разрушению тонкой алмазной пленки и алмаза. Обнаружено, что вязкость разрушения уменьшается с увеличением показателя концентрации CH₄. По достижении высоких показателей концентрации CH₄ в тонких пленках образуются такие дефекты и примеси, как трещины, микроскопические отверстия, углерод в форме графита и аморфный углерод. Температуру подложки и показатель концентрации CH₄ необходимо контролировать в надлежащем диапазоне.

За допомогою рентгенівської дифракції і скануючої електронної мікроскопії досліджено вплив температури підкладки і показника концентрації CH₄ на поведінку тонких полікристалічних алмазних плівок під час руйнування. Показано, що поведінка при руйнуванні тонких полікристалічних алмазних плівок, синтезованих хімічним осадженням покриття за допомогою плазмового струменя на основі постійного струму, залежить від температури підкладки і показника концентрації CH₄. Велика температура підкладки призводить до виникнення в тонких полікристалічних алмазних плівках високих залишкових напружень внаслідок різних значень коефіцієнта теплового розширення підкладки й алмазної плівки, які, як правило, вищі за значення опору руйнуванню тонкої алмазної плівки й алмаза. Виявлено, що в’язкість руйнування зменшується зі збільшенням показника концентрації CH₄. Після досягнення високих показників концентрації CH₄ у тонких плівках мають місце такі дефекти і домішки, як тріщини, макроскопічні отвори, вуглець у формі графіту і аморфний вуглець. Температуру підкладки і показник концентрації потрібно контролювати в необхідних межах.