MPCVD-preparering av diamantteknologi

 

Nøkkelord: MPCVD diamant; forberedelse teknologi; krystalldefekter; dobbel substratstruktur

 

0 Introduksjon

For tiden, blant de viktigste syntesemetodene for enkelt-krystalldiamant, er de relativt modne teknologiene høy-høy-temperatur (HPHT) og kjemisk dampavsetning i mikrobølgeplasma (MPCVD). Selv om metoden med høy-høy-temperatur har en enkel forberedelsesprosess og en rask veksthastighet for enkelt-krystalldiamanter, er utstyret ustabilt, noe som lett fører til manglende evne til kontinuerlig å dyrke store-enkelkrystalldiamanter i lang tid. I tillegg vil noen urenheter legges til under syntesen av énkrystalldiamanter, noe som ikke bidrar til veksten av énkrystalldiamanter av{11}}kvalitet av høy{12}}kvalitet. Den homoepitaksiale vekstmetoden for en-krystalldiamant ved mikrobølgeplasmakjemisk dampavsetning (MPCVD) er for tiden den mest brukte metoden og har fått bred oppmerksomhet fra forskere i inn- og utland. Sammenlignet med andre metoder har MPCVD-metoden for fremstilling av enkelt-krystalldiamanter fordelene med stor elektronkinetisk energi, bredt stabilt arbeidstrykkområde, høy ioniseringsgrad, ingen elektrodeforurensning og lang{17}}stabil drift.

 

 

1. Påvirkning av dobbel-substratstruktur på enkelt-krystalldiamantvekst

Det eksperimentelle apparatet som ble brukt var en ny MPCVD-enhet uavhengig utviklet av Xia Yuhao et al. En dobbel-substratstruktur ble introdusert i det tradisjonelle koblede resonanshulrommet. Driftsfrekvensen var 2,45 GHz, og maksimal utgangseffekt var 1,6 kW. Det skjematiske diagrammet er vist i figur 1.

 

Figur 1 Prinsipp for mikrobølgeresonanshulrom med forskjellige strukturer

 

Etter vekst ble påvirkningen av den doble -substratstrukturen på plasmaemisjonsspekteret og enkelt-diamantvekst under de samme parameterne analysert ved bruk av Raman-spektroskopi, skanningelektronmikroskopi, emisjonsspektroskopi og annet utstyr.

 

Sammenlignet med den tradisjonelle enkelt-substratstrukturen, under de samme avsetningsparametrene, var plasmasfærene generert av den doble-substratstrukturen mindre i volum og hadde høyere effekttetthet. Intensiteten og tettheten til C2-gruppene og H-gruppene i plasmaet var også mye høyere enn for enkelt--substratstrukturen.

 

Sammenlignet med enkelt-substratstrukturen, hadde enkelt-krystalldiamanten dyrket under den doble-substratstrukturen under forhold med høyt metaninnhold en jevnere og jevnere overflatemorfologi, høyere krystallinitet, færre indre defekter og mindre karakteristisk toppforskyvning i diamanten. Veksthastigheten til enkelt-diamant dyrket i en dobbel-substratstruktur øker betydelig med økende metanvolumfraksjon, og når opp til 24 μm/t, noe som gjør den egnet for dyrking av tykke filmer med høyt metaninnhold.

 

 

2. Prosess for diamantfilmforberedelse av MPCVD

Selv om teknologi for tynnfilmavsetning av diamanter har blitt grundig studert, har den høye-kvaliteten, den høye-hastigheten og den lave-kostnadsveksten til diamantfilmer under en rekke prosessparametere alltid vært målet for industrien. Diamantfilmer av høy-kvalitet dyrket under optimaliserte forhold har ikke bare lave produksjonskostnader, men oppnår også et kvalitativt sprang i applikasjoner innen elektronikk og energi.

 

HUANG et al. utforsket den raskeste veksthastigheten til diamantfilmer under forskjellige kammertrykk, metanvolumfraksjoner og mikrobølgekraft.

 

Jiang Caiyi studerte korrelasjonen mellom substrattemperatur, reaksjonskammertrykk og metanvolumfraksjon på renheten og veksthastigheten til diamantfilmer.

 

Kjernedannelsen av diamantfilmer er ikke bare nært knyttet til faktorer som substratmaterialtype og overflateforbehandlingsmetode, men er også sterkt påvirket av prosessparametere som substrattemperatur, kammertrykk og metanvolumfraksjon. Lavere substrattemperatur bidrar til kjernedannelse, men for lav temperatur vil føre til langsom kjernedannelseshastighet og dårlig ensartethet; økning av metanvolumfraksjonen kan fremme kjernedannelse, men for høy volumfraksjon vil føre til en reduksjon i diamantrenhet [7-9]. Li Sijia et al. [10] studerte effekten av substrattemperatur, hulromstrykk og metanvolumfraksjon på kvaliteten på diamantfilmer gjennom eksperimenter, og utviklet de optimale prosessforholdene, og oppnådde følgende resultater:

(1) Når temperaturen er for lav, er det færre eksiterte-hydrogener, diamantfilmens veksthastighet er langsom, og den bidrar ikke til veksten av diamantfilmfasen; når temperaturen er for høy, vokser diamantfilmen raskt, men krystallkvaliteten er dårlig og den er lett å grafittisere.

(2) Når trykket er for lavt, er ionekulene spredt, veksthastigheten er langsom, og hydrogenatomets etseevne er utilstrekkelig, noe som resulterer i dårlig diamantfilmkvalitet; når trykket er for høyt, er veksthastigheten raskere, men på dette tidspunktet er plasmakulene mer konsentrert og volumfraksjonen av eksiterte-hydrogenatomer er høyere, noe som vil føre til en økning i diamantdefekter og en reduksjon i kvalitet.

(3) Når metanvolumfraksjonen er for lav, er volumfraksjonen av karbon-inneholdende aktive grupper lav og veksthastigheten er langsom, men diamantkvaliteten er høy; når metanvolumfraksjonen er for høy, er volumfraksjonen av karbon-som inneholder aktive grupper høy og veksthastigheten er rask, men diamantkvaliteten er dårlig. Det er tydelig at både for høye og for lave metanvolumfraksjoner er skadelige for dannelsen av diamantfilmer av høy-kvalitet [11-12].

 

3. Temperaturens innflytelse på defekter i Homoetheroepitaxy Single-Crystal Diamond

MPCVD, som en ofte brukt diamantavsetningsmetode, har fordeler som elektrodeløs utladning, rask veksthastighet og lav produkturenhet, noe som gjør den til en ideell diamantvekstmetode [13]. MPCVD har imidlertid strenge krav til vekstparametere og kvaliteten på enkelt-krystalldiamant, og den dyrkede enkeltkrystalldiamanten inneholder fortsatt defekter og urenheter, som har en betydelig innvirkning på ytelsen [14]. Derfor er reduksjon av defekter i enkelt-diamant av positiv betydning for å forbedre ytelsen og fremme bruken av den i elektroniske enheter.

 

Diamantdefekter er hovedsakelig klassifisert i tre typer: dislokasjoner, tvillinger og stablingsfeil. Stablefeil og mikro-tykke korn finnes ofte på (111) krystallplanet, og muligheten for metamorfose på (111) planet er mye større enn på (100) krystallplanet.

 

Studier har funnet at stablingsfeil for det meste forekommer på (111) krystallplanet og er fordelt nær korngrensene; årsakene til defekter i enkelt-diamant kan være defekter i selve frøkrystallen, urenheter i gasskilden, urenheter i hulrommet eller inkonsistens i de eksperimentelle parameterne som brukes. Derfor har TALLAIRE et al. brukte H₂/O₂-plasma for å etse overflatedefektene til enkelt-krystalldiamant i lang tid før vekst for å redusere defekter.

 

WANG et al. [17] fant at transformasjonen fra (111) til (100) fasetter var relatert til metanvolumkonsentrasjon og temperatur, og at økning av metanvolumkonsentrasjonen kunne fremme transformasjonen fra (111) til (100) fasetter.

Yan Lei et al. [18] fant i deres studie av effekten av I(C2)/I(H ) på kvaliteten på diamantvekst at jo lavere forholdet er, desto bedre er kvaliteten på den dyrkede diamanten. Dette er fordi C2, som en forløper for diamant, deltar direkte i den homoepitaksiale vekstprosessen til diamant; mens H fortrinnsvis etser den ikke-diamantfasen, så jo høyere H-gruppeinnhold, desto bedre er kvaliteten på den dyrkede diamanten.

 

4. Konklusjon

4.1 Sammenlignet med enkelt-substratstrukturen, har enkelt-krystalldiamanten dyrket under forhold med høyt metaninnhold med den doble-substratstrukturen en jevnere og jevnere overflatemorfologi, høyere krystallinitet og færre indre defekter. 4.2 Veksthastigheten til diamantfilmen er positivt korrelert med substratets temperatur og metantemperatur-volum.

4.3 Enkel-diamant avsatt ved 740 grader vil generere store trykkspenninger, som til slutt fører til overflatesprekker; avsmalnende defekter av diamant avsatt ved 780 grader og 820 grader vil krympe til en viss grad etter vekst; defektområdet til (111) planet til enkelt-krystalldiamant avsatt ved 860 grad vil øke.

 

Uttalelse: Innholdet ovenfor er fra den offentlige informasjonen på det kinesiske Internett. Hvis det er noen informasjonsfeil eller steder som påvirker dine rettigheter og interesser, vennligst informer oss om å slette dem.