Resonance enhanced multiphoton ionisation probing of H atoms in a hot filament chemical vapour deposition reactor

(Note: The full text of this document is currently only available in the PDF Version )

Stephen A. Redman, Charissa Chung, Keith N. Rosser and Michael N. R. Ashfold


Abstract

We demonstrate some of the merits and limitations of using multiphoton ionisation (MPI) spectroscopy, resonance enhanced at the two photon energy by the 2S1/2 state, to detect H atoms within a hot filament reactor used for diamond chemical vapour deposition (CVD). Subsequent analysis of the Doppler broadened lineshapes obtained in this way allows determination of spatially resolved, relative H atom number densities and gas temperatures. The effects of H2 pressure and flow rate, filament temperature and radial distance from the filament on the relative H atom number densities and the gas temperature profiles have each been investigated for the case of pure H2 and, in some cases, in the presence of added CH4. The present findings complement and extend previous measurements obtained using alternative insitu detection methods, and are generally consistent with current models of the gas phase chemistry prevailing in low power diamond CVD reactors. They also serve to refine the role of the hot filament in the H atom production process, and to illustrate continuing ambiguities regarding the way in which the local relative H atom number densities vary with filament temperature, with the presence of trace quantities of added hydrocarbon, and the interpretation of these dependencies.


References

  1. The Properties of Natural and Synthetic Diamond, ed. J. E. Field, Academic Press, London, 1992 Search PubMed.
  2. F. G. Celii and J. E. Butler, Ann. Rev. Phys. Chem., 1991, 42, 643 CrossRef CAS.
  3. P. K. Bachmann, D. Leers and H. Lydtin, Diamond Rel. Mater., 1991, 1, 1 CrossRef CAS.
  4. M. N. R. Ashfold, P. W. May, C. A. Rego and N. M. Everitt, Chem. Soc. Rev., 1994, 23, 21 RSC.
  5. D. G. Goodwin and J. E. Butler, in Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films, ed. M. A. Prelas, G. Popovici and L. K. Bigelow, Marcel Dekker, New York, 1988, pp. 527-81 Search PubMed.
  6. P. W. May, N. M. Everitt, C. G. Trevor, M. N. R. Ashfold and K. N. Rosser, Appl. Surf. Sci., 1993, 68, 299 CrossRef CAS.
  7. W. L. Hsu, J. Appl. Phys., 1992, 72, 3102 CrossRef CAS.
  8. J. A. Mucha, D. L. Flamm and D. E. Ibbotson, J. Appl. Phys., 1989, 65, 3448 CrossRef CAS.
  9. K. L. Menningen, M. A. Childs, L. W. Anderson and J. E. Lawler, Rev. Sci. Instrum., 1996, 67, 1546 CrossRef CAS.
  10. S. O. Hay, W. C. Roman and M. B. Colket, III, J. Mater. Res., 1990, 5, 2387 CAS.
  11. K.-H. Chen, M.-C. Chuang, C. M. Penney and W. F. Banholzer, J. Appl. Phys., 1992, 71, 1485 CrossRef CAS.
  12. L. L. Connell, J. W. Fleming, H.-N. Chu, D. J. Vesteck Jr., E. Jensen and J. E. Butler, J. Appl. Phys., 1995, 78, 3622 CrossRef CAS.
  13. V. Zumbach, J. Schafer, J. Tobai, M. Ridder, T. Dreier, B. Ruf, F. Behrendt, O. Deutschmann and J. Warnatz, J. Chem. Phys., 1997, 107, 5918 CrossRef CAS.
  14. S. J. Harris, D. N. Belton, A. M. Weiner and S. J. Schmieg, J. Appl. Phys., 1989, 66, 5353 CrossRef CAS.
  15. W. L. Hsu and D. M. Tung, Rev. Sci. Instrum., 1992, 63, 4138 CrossRef CAS.
  16. C. A. Rego, R. S. Tsang, P. W. May, M. N. R. Ashfold and K. N. Rosser, J. Appl. Phys., 1996, 79, 7264 CrossRef CAS and references therein.
  17. F. G. Celii, P. E. Pehrsson, H.-T. Wang and J. E. Butler, Appl. Phys. Lett., 1988, 52, 2043 CrossRef CAS.
  18. C. J. Chu, M. P. D'Evelyn, R. H. Hauge and J. L. Margrave, J. Mater. Res., 1990, 5, 2405 CAS.
  19. L. R. Martin, J. Appl. Phys., 1991, 70, 5667 CrossRef CAS.
  20. S. S. Lee, D. W. Minsek, D. J. Vestcyk and P. Chen, Science, 1994, 263, 1596 CAS.
  21. S. J. Harris and A. M. Weiner, Appl. Phys. Lett., 1988, 53, 1605 CrossRef CAS.
  22. S. J. Harris, Appl. Phys. Lett., 1990, 56, 2298 CrossRef CAS.
  23. S. J. Harris and D. G. Goodwin, J. Phys. Chem., 1993, 97, 23 CrossRef CAS.
  24. M. A. Childs, K. L. Menningen, H. Toyoda, Y. Ueda, L. W. Anderson and J. E. Lawler, Phys. Lett. A, 1994, 194, 119 CAS.
  25. M. A. Childs, K. L. Menningen, P. Chevako, N. W. Spellmeyer, L. W. Anderson and J. E. Lawler, Phys. Lett. A, 1992, 171, 87 CrossRef CAS.
  26. H. Toyoda, M. A. Childs, K. L. Menningen, L. W. Anderson and J. E. Lawler, J. Appl. Phys., 1994, 75, 3142 CrossRef CAS.
  27. M. A. Childs, K. L. Menningen, L. W. Anderson and J. E. Lawler, J. Chem. Phys., 1996, 104, 9111 CrossRef CAS.
  28. E. J. Corat and D. G. Goodwin, J. Appl. Phys., 1993, 74, 2021 CrossRef CAS.
  29. J. Heinze, N. Heberle and K. Kohse-Hoinghaus, Chem. Phys. Lett., 1994, 223, 305 CrossRef CAS.
  30. E. H. Wahl, T. G. Owano, C. H. Kruger, P. Zalicki, Y. Ma and R. N. Zare, Diamond Relat. Mater., 1996, 5, 373 CrossRef CAS.
  31. P. Zalicki, Y. Ma and R. N. Zare, Appl. Phys. Lett., 1995, 67, 144 CrossRef CAS.
  32. C. Kaminski and P. Ewart, Appl. Phys. B, 1995, 61, 585.
  33. J. Luque, W. Juchmann and J. B. Jeffries, Appl. Optics, 1997, 36, 3261 Search PubMed and references therein.
  34. D. S. Green, T. G. Owano, S. Williams, D. G. Goodwin, R. N. Zare and C. H. Kruger, Science, 1993, 259, 1726 CAS.
  35. T. G. Owano, C. H. Kruger, D. S. Green, S. Williams and R. N. Zare, Diamond Relat. Mater., 1993, 2, 661 CAS.
  36. S. J. Harris and A. M. Weiner, J. Appl. Phys., 1991, 70, 1385 CrossRef CAS.
  37. D. G. Goodwin and G. G. Gavillet, J. Appl. Phys., 1990, 68, 6393 CrossRef CAS.
  38. T. DebRoy, K. Tankala, W. A. Yarborough and R. Messier, J. Appl. Phys., 1990, 68, 2424 CrossRef CAS.
  39. M. Frenklach and H. Wang, Phys. Rev. B, 1991, 43, 1520 CrossRef CAS.
  40. E. Kondoh, T. Ohta, T. Mitomo and K. Ohtsuka, Appl. Phys. Lett., 1991, 59, 488 CrossRef CAS.
  41. D. S. Dandy and M. E. Coltrin, J. Appl. Phys., 1994, 76, 3102 CrossRef CAS.
  42. Y. A. Mankelevich, A. T. Rakhimov and N. V. Suetin, Diamond Relat. Mater., 1996, 5, 888 CrossRef CAS.
  43. Y. A. Mankelevich, N. V. Suetin and A. T. Rakhimov, Diamond Relat. Mater., 1998, 7, 1133 CrossRef CAS.
  44. N. Setaka, J. Mater. Res., 1989, 4, 664 CAS.
  45. W. L. Hsu, J. Vac. Sci. Technol. A, 1988, 6, 1803 CrossRef CAS.
  46. R. R. Rye, Surf. Sci., 1977, 69, 653 CrossRef CAS.
  47. A. B. King and H. Wise, J. Phys. Chem., 1963, 67, 1163 CAS.
  48. R. K. Gould, J. Chem. Phys., 1975, 63, 1825 CrossRef CAS.
  49. J. Biener, U. A. Schubert, A. Schenk, B. Winter, C. Lutterloh and J. Kuppers, J. Chem. Phys., 1993, 99, 3125 CrossRef CAS.
  50. K. Tankala and T. DebRoy, J. Appl. Phys., 1992, 72, 712 CrossRef CAS.
  51. C. Wolden, S. Mitra and K. K. Gleason, J. Appl. Phys., 1992, 72, 3750 CrossRef CAS.
  52. L. Schafer, C.-P. Klages, U. Meier and K. Kohse-Hoinghaus, Appl. Phys. Lett., 1991, 58, 571 CrossRef.
  53. U. Meier, K. Kohse-Hoinghaus, L. Schafer and C.-P. Klages, Appl. Opt., 1990, 29, 4993 CAS.
  54. M. Chenevier, J. C. Cubertafon, A. Campargue and J. P. Booth, Diamond Relat. Mater., 1994, 3, 587 CrossRef CAS.
  55. A. D. Tserepi, J. R. Dunlop, B. L. Preppernau and T. A. Miller, J. Appl. Phys., 1992, 72, 2638 CrossRef CAS.
  56. F. G. Celii and J. E. Butler, Appl. Phys. Lett., 1989, 54, 1031 CrossRef CAS.
  57. F. G. Celii, H. R. Thorsheim, J. E. Butler, L. S. Plano and J. M. Pinneo, J. Appl. Phys., 1990, 68, 3814 CrossRef CAS.
  58. A. Giquel, M. Chenevier, Y. Breton, M. Petiau, J. P. Booth and K. Hassouni, J. Phys. III, 1996, 6, 1167 Search PubMed.
  59. R. Quandt, X. Wang, Z. Min, H. L. Kim and R. Bersohn, J. Phys. Chem. A, 1998, 102, 6063 CrossRef CAS.
  60. S. A. Redman, J. A. Smith, M. A. Cook and M. N. R. Ashfold, to be published.
  61. P. D. Desai, T. K. Chu, H. M. James and C. Y. Ho, J. Phys. Chem. Ref. Data, 1984, 13, 1078.
  62. S. A. Redman, S. R. Langford, K. N. Rosser and M. N. R. Ashfold, Proc. SPIE, 1998, 3484, 34 Search PubMed.
  63. P. J. H. Tjossem and T. A. Cool, Chem. Phys. Lett., 1983, 100, 479 CrossRef CAS.
  64. F. G. Celii and J. E. Butler, J. Appl. Phys., 1992, 71, 2876 CrossRef.
  65. T. A. Cool, Appl. Opt., 1984, 23, 1559 CAS.
  66. T. Otsuka, M. Ihara and H. Komiyama, J. Appl. Phys., 1995, 77, 893 CrossRef.
  67. I. Langmuir, J. Am. Chem. Soc., 1915, 37, 417 CrossRef CAS.
  68. J. N. Smith and W. L. Fite, J. Chem. Phys., 1962, 37, 898 CAS.
  69. M. W. Chase, Jr., C. A. Davies, J. R. Downey, Jr., D. J. Frurip, R. A. McDonald and A. N. Syverud, J. Phys. Chem. Ref. Data, 1985, 14, Suppl.1.
  70. S. J. Harris and A. M. Weiner, J. Appl. Phys., 1993, 74, 1022 CrossRef CAS.
  71. W. L. Hsu, M. C. McMaster, M. E. Coltrin and D. S. Dandy, Jpn. J. Appl. Phys., 1994, 33, 2231 CrossRef CAS.
  72. M. Sommer and F. W. Smith, J. Mater. Res., 1990, 5, 2433 CAS.
Click here to see how this site uses Cookies. View our privacy policy here.