MPCVD preparace diamantové technologie

 

Klíčová slova: MPCVD diamant; technologie přípravy; krystalové defekty; dvojitá struktura substrátu

 

0 Úvod

V současné době jsou mezi hlavními metodami syntézy monokrystalických diamantů relativně vyspělými technologiemi vysokotlaká-vysokotlaká-teplota (HPHT) a mikrovlnná plazmová chemická depozice (MPCVD). Ačkoli má vysokotlaká vysokoteplotní metoda jednoduchý proces přípravy a rychlou rychlost růstu monokrystalického diamantu, její vybavení je nestabilní, což snadno vede k nemožnosti dlouhodobě kontinuálně pěstovat velké-jednotné-krystalové diamanty. Během syntézy monokrystalických diamantů se navíc přidají některé nečistoty, což neprospívá růstu-kvalitních monokrystalických diamantů{12}}. Metoda homoepitaxního růstu monokrystalického diamantu pomocí mikrovlnné plazmové chemické depozice z plynné fáze (MPCVD) je v současnosti nejběžněji používanou metodou a získala širokou pozornost odborníků doma i v zahraničí. Metoda MPCVD pro přípravu monokrystalických diamantů má ve srovnání s jinými metodami výhody velké kinetické energie elektronů, široký rozsah stabilního pracovního tlaku, vysoký stupeň ionizace, nedochází k kontaminaci elektrodami a-dlouhodobě stabilní provoz.

 

 

1. Vliv duální-struktury substrátu na růst jednoho-krystalického diamantu

Použitým experimentálním zařízením bylo nové zařízení MPCVD nezávisle vyvinuté Xia Yuhao et al. Do tradiční spřažené rezonanční dutiny byla zavedena duální-struktura substrátu. Pracovní frekvence byla 2,45 GHz a maximální výstupní výkon byl 1,6 kW. Schematický diagram je znázorněn na obrázku 1.

 

Obrázek 1 Princip mikrovlnných rezonančních dutin s různou strukturou

 

Po růstu byl pomocí Ramanovy spektroskopie, rastrovací elektronové mikroskopie, emisní spektroskopie a dalších zařízení analyzován vliv duální -struktury substrátu na emisní spektrum plazmatu a růst monokrystalického diamantu za stejných parametrů.

 

Ve srovnání s tradiční jedno{0}}substrátovou strukturou měly plazmové koule generované duální-substrátovou strukturou při stejných parametrech depozice menší objem a vyšší hustotu energie. Intenzita a hustota skupin C2 a skupin H v plazmě byla také mnohem vyšší než u struktury jediného-substrátu.

 

Ve srovnání s jedno-strukturou substrátu měl jedno-krystalický diamant vyrostlý pod duální-strukturou substrátu za podmínek vysokého obsahu metanu hladší a rovnoměrnější povrchovou morfologii, vyšší krystalinitu, méně vnitřních defektů a menší charakteristický vrcholový posun diamantu. Rychlost růstu jedno-krystalického diamantu pěstovaného v duální{5}}substrátové struktuře se výrazně zvyšuje s rostoucí objemovou frakcí metanu a dosahuje až 24 μm/h, takže je vhodný pro pěstování silných filmů s vysokým obsahem metanu.

 

 

2. Proces přípravy diamantového filmu pomocí MPCVD

Přestože technologie nanášení tenkých diamantových filmů byla rozsáhle studována, cílem tohoto odvětví byl vždy růst vysoké{0}}kvality, vysoké{1}}rychlosti a nízkých{2}nákladů diamantových filmů v rámci mnoha procesních parametrů. Vysoce-kvalitní diamantové filmy pěstované za optimalizovaných podmínek mají nejen nízké výrobní náklady, ale také dosahují kvalitativního skoku v aplikacích v oblasti elektroniky a energetiky.

 

HUANG a kol. prozkoumal nejrychlejší rychlost růstu diamantových filmů při různých tlacích v komoře, objemových frakcích metanu a mikrovlnném výkonu.

 

Jiang Caiyi studoval korelaci mezi teplotou substrátu, tlakem v reakční komoře a objemovým podílem metanu na čistotě a rychlosti růstu diamantových filmů.

 

Nukleace diamantových filmů nejen úzce souvisí s faktory, jako je typ materiálu substrátu a způsob předúpravy povrchu, ale je také značně ovlivněna parametry procesu, jako je teplota substrátu, tlak v komoře a objemový podíl metanu. Nižší teplota substrátu vede k nukleaci, ale příliš nízká teplota povede k pomalé rychlosti nukleace a špatné uniformitě; zvýšení objemového podílu metanu může podporovat nukleaci, ale příliš vysoký objemový podíl povede ke snížení čistoty diamantu [7-9]. Li Sijia a kol. [10] studovali pomocí experimentů vliv teploty substrátu, tlaku v dutině a objemového podílu metanu na kvalitu diamantových filmů a vyvinuli optimální podmínky procesu, přičemž získali následující výsledky:

(1) Když je teplota příliš nízká, existuje méně excitovaných-vodíků, rychlost růstu diamantového filmu je pomalá a nevede k růstu fáze diamantového filmu; když je teplota příliš vysoká, diamantový film rychle roste, ale kvalita krystalu je špatná a lze jej snadno grafitizovat.

(2) Když je tlak příliš nízký, iontové kuličky jsou rozptýleny, rychlost růstu je pomalá a schopnost leptání atomu vodíku je nedostatečná, což má za následek špatnou kvalitu diamantového filmu; když je tlak příliš vysoký, rychlost růstu je rychlejší, ale v této době jsou plazmové koule koncentrovanější a objemový podíl atomů vodíku v excitovaném-stavu je vyšší, což povede k nárůstu defektů diamantu a snížení kvality.

(3) Když je objemový podíl metanu příliš nízký, objemový podíl uhlíku-obsahujících aktivní skupiny je nízký a rychlost růstu je pomalá, ale kvalita diamantu je vysoká; když je objemový podíl metanu příliš vysoký, objemový podíl uhlíku-obsahujících aktivní skupiny je vysoký a rychlost růstu je rychlá, ale kvalita diamantu je špatná. Je zřejmé, že jak příliš vysoké, tak příliš nízké objemové frakce metanu jsou škodlivé pro tvorbu vysoce kvalitních diamantových filmů [11-12].

 

3. Vliv teploty na vady homoetheroepitaxie Single-Crystal Diamond

MPCVD, jako běžně používaná metoda depozice diamantů, má výhody, jako je bezelektrodový výboj, rychlá rychlost růstu a nízké nečistoty v produktu, což z něj dělá ideální metodu růstu diamantu [13]. MPCVD má však přísné požadavky na růstové parametry a kvalitu monokrystalického diamantu a vypěstovaný monokrystalický diamant stále obsahuje vady a nečistoty, které mají významný vliv na jeho výkonnost [14]. Snížení vad v monokrystalovém diamantu má proto pozitivní význam pro zlepšení jeho výkonu a pro podporu jeho použití v elektronických zařízeních.

 

Diamantové defekty se dělí hlavně do tří typů: dislokace, dvojčata a stohovací chyby. V krystalové rovině (111) se často vyskytují stohovací chyby a mikro-silná zrna a možnost metamorfózy na rovině (111) je mnohem větší než na krystalové rovině (100).

 

Studie zjistily, že stohovací chyby se většinou vyskytují na krystalové rovině (111) a jsou rozmístěny blízko hranic zrn; příčiny defektů v monokrystalovém diamantu mohou být defekty v samotném zárodečném krystalu, nečistoty ve zdroji plynu, nečistoty v dutině nebo nekonzistence v použitých experimentálních parametrech. Proto TALLAIRE a kol. používal H₂/O₂ plazmu k leptání povrchových defektů monokrystalického diamantu po dlouhou dobu před růstem, aby se snížily defekty.

 

WANG a kol. [17] zjistili, že transformace z (111) na (100) faset souvisí s objemovou koncentrací metanu a teplotou a že zvýšení objemové koncentrace metanu by mohlo podpořit transformaci z (111) na (100) faset.

Yan Lei a kol. [18] ve své studii vlivu I(C2)/I(H ) na kvalitu růstu diamantu zjistili, že čím nižší poměr, tím lepší kvalita vypěstovaného diamantu. C2 se totiž jako prekurzor diamantu přímo účastní procesu homoepitaxního růstu diamantu; zatímco H přednostně leptá ne-diamantovou fázi, takže čím vyšší je obsah skupiny H, tím lepší je kvalita vypěstovaného diamantu.

 

4. Závěr

4.1 Ve srovnání s jedno-strukturou substrátu má monokrystalický diamant rostoucí za podmínek vysokého obsahu metanu s duální -strukturou substrátu hladší a rovnoměrnější povrchovou morfologii, vyšší krystalinitu a méně vnitřních defektů. 4.2 Rychlost růstu diamantového filmu pozitivně koreluje s objemem a teplotou substrátu a tlakem v dutině.

4.3 Jedno-krystalický diamant nanesený při 740 stupních bude generovat velké tlakové napětí, které nakonec povede k povrchovým trhlinám; kuželové defekty diamantu uloženého při 780 stupních a 820 stupních se po růstu do určité míry zmenší; defektní oblast (111) roviny jednoho-krystalického diamantu naneseného na 860 stupni se zvětší.

 

Prohlášení: Výše ​​uvedený obsah pochází z veřejných informací čínského internetu. Pokud se vyskytnou nějaké informační chyby nebo místa, která ovlivňují vaše práva a zájmy, informujte nás o jejich odstranění.