Sơ đồ chung cho các quá trình xảy ra trong reactor CVD:
3 hướng chính trong tổng hợp diamond bằng CVD
I, Hot filament CVD
Trong quá trình này, hỗn hợp khí chứa 0.1-2 vol.% CH4 trong H2 đi vào reactor, áp suất khoảng 10-100 torr và đi qua lưới kim loại như W, Ta, Mo, hay Re để gia nhiệt lên 2000-2400oC. Trong điều kiện này, 2-10% H2 phân ly thành H, CH4 bị nhiệt phân thành gốc tự do CH3, CH2, và hình thành C2H2, C2H4, C2H6. Diamond ngưng tụ trên nền Si, Mo, hay silica cách filament 0.5 – 2 cm, nhiệt độ 700 – 1000 oC.
II, Plasma assisted CVD
Plasma được tạo từ một số nguồn như: microwave, radio-frequency, điện trường dòng 1 chiều, và có thể lạnh (non-isothermal, nonequilibrium plasmas) hoặc nóng (isothermal, equilibrium plasmas)
Glow discharge plasma được tạo trong khí áp suất thấp bằng điện trường tần số cao như microwave. Trong điện trường này, khí bị ion hóa thành electron và ion. Electron nhanh chóng được tăng tốc đến các mức năng lượng cao >= 5000 K. Các ion nặng hơn không thể thay đổi kịp biến đổi điện trường nên nhiệt độ các ion và plasma thấp hơn. Do đó Glow discharge plasma được xem như nonisothermal. Các electron năng lượng cao va chạm với phân tử khí, phân ly tạo các tiền chất hoạt động cho quá trình phát triển diamond.
Plasma arc-jet được hình thành giữa 2 điện cực bởi dòng 1 chiều hay xoay chiều có năng lượng cao. Trong hồ quang tần số thấp và cường độ cao này, cả electron và ion biến đổi chậm theo điện trường, thu năng lượng và tăng nhiệt độ đến >= 5000K. Do vậy Plasma arc-jet được xem như isothermal. Ở nhiệt độ cao, phần lớn H2 (>99%) phân ly tạo H nguyên tử. CH4 cũng tách tất cả H tạo C nguyên tử.
4 dạng chính của PACVD
II.1, Microwave Plasma-Assisted CVD
Hỗn hợp 0.2-2 vol.% CH4 trong H2 được đưa vào ống silica nối với bơm chân không và microwave tần số 2.45 GHz. Áp suất 10-100 torr. CH4 và H2 phân ly khi phóng điện. Nền là Si, Mo, silica…đặt giữa plasma, nhiệt độ 800-1100°C.
Microwave plasma có thể được tạo bằng electron-cyclotron resonance (ECR). Cyclotron resonance hình thành khi tần số của điện trường xoay chiều phù hợp với tần số của electron khi vào quỹ đạo đường sức từ trường . Điều này xảy ra khi từ trường đạt 875 gauss tại tần số tiêu chuẩn của microwave 2.45 GHz. Áp suất khí trong reactor thường thấp, 10 mtorr đến 0.1 torr
II.2, Direct-Current Plasma-Assisted CVD
Glow discharge xảy ra trong reactor (nằm giữa nền và điện cực) khi hiệu thế đủ lớn. Va chạm của các electron năng lượng cao và các phân tử khí, dẫn đến hình thành các tiền chất hoạt động cho quá trình phát triển diamond. Áp suất hệ thống 40 torr. Substrate được đặt trên anode.
II.3, Radio-Frequency Plasma-Assisted CVD
RF plasma là glow discharge plasma được tạo ở áp suất thấp (1 torr) bằng điện trường tần số cao 13.56 MHz. Electron năng lượng cao va chạm các phân tử khí, hình thành tiền chất hoạt động.
II.4, Direct-Current Thermal Plasma CVD
Methane trộn vào H2/Ar plasma-jet tại 25 kPa. Đế đặt trên water-cooled holder. Điện cực gồm water-cooled copper anode và tungsten cathode. Giản nở đột ngột của khí trong reactor khi được gia nhiệt bằng hồ quang plasma H2/Ar, hình thành tia hồ quang tốc độ cao. Khi nhiệt độ >5000 K, H2 phân ly, các hạt carbon hoạt động hình thành tạo diamond.
II.5, Radio-Frequency Thermal Plasma CVD
Điều kiện pư tương tự như DC thermal plasma CVD, hoạt động ở áp suất khí quyển.
III, Flame CVD
Thành phần hỗn hợp khí 0.44 C2H2, 0.19 H2, và 0.37 O2. Quá trình này cần mồi lửa, khi hydrogen, oxygen và acetylene cháy, diamond hình thành trên đế, nhiệt độ khoảng 800-1100°C, nhiệt độ pha khí 2000°C.