MPCVD priprava diamantne tehnologije

 

Ključne besede: diamant MPCVD; tehnologija priprave; kristalne napake; dvojna struktura substrata

 

0 Uvod

Trenutno sta med glavnimi metodami sinteze eno-kristalnega diamanta razmeroma zreli tehnologiji visoko-visoko{2}}temperaturno nanašanje (HPHT) in mikrovalovno plazemsko kemično naparjevanje (MPCVD). Čeprav ima metoda visoke-visoke{5}}temperature preprost postopek priprave in hitro rast eno-kristalnega diamanta, je njena oprema nestabilna, kar zlahka povzroči nezmožnost neprekinjenega gojenja velikih-velikih-kristalnih diamantov za dolgo časa. Poleg tega bodo med sintezo eno-kristalnih diamantov dodane nekatere nečistoče, kar ne spodbuja rasti visoko{11}}kakovostnih eno-kristalnih diamantov. Metoda homoepitaksialne rasti mono-kristalnega diamanta z mikrovalovnim plazemskim kemičnim naparjevanjem (MPCVD) je trenutno najpogosteje uporabljena metoda in je prejela široko pozornost znanstvenikov doma in v tujini. V primerjavi z drugimi metodami ima metoda MPCVD za pripravo eno-kristalnih diamantov prednosti velike kinetične energije elektronov, širokega stabilnega območja delovnega tlaka, visoke stopnje ionizacije, brez kontaminacije elektrod in dolgoročnega-stabilnega delovanja.

 

 

1. Vpliv dvojne-strukture substrata na enojno-kristalno rast diamanta

Uporabljena eksperimentalna naprava je bila nova naprava MPCVD, ki so jo neodvisno razvili Xia Yuhao et al. V tradicionalno sklopljeno resonančno votlino je bila uvedena dvojna -struktura substrata. Delovna frekvenca je bila 2,45 GHz, največja izhodna moč pa 1,6 kW. Shematski diagram je prikazan na sliki 1.

 

Slika 1 Princip mikrovalovnih resonančnih votlin z različnimi strukturami

 

Po rasti je bil vpliv strukture dvojnega-substrata na plazemski emisijski spekter in rast eno-kristalnega diamanta pri enakih parametrih analiziran z ramansko spektroskopijo, vrstično elektronsko mikroskopijo, emisijsko spektroskopijo in drugo opremo.

 

V primerjavi s tradicionalno eno-substratno strukturo so bile pri enakih parametrih nanašanja plazemske krogle, ustvarjene z dvojno-substratno strukturo, manjše prostornine in večje gostote moči. Intenzivnost in gostota skupin C2 in skupin H v plazmi sta bili prav tako veliko višji od tistih v eno-substratni strukturi.

 

V primerjavi z eno-substratno strukturo je imel eno-kristalni diamant, gojen pod dvojno-substratno strukturo v pogojih z visoko vsebnostjo metana, bolj gladko in enakomernejšo površinsko morfologijo, večjo kristaliničnost, manj notranjih napak in manjši značilni premik vrhov v diamantu. Hitrost rasti mono-kristalnega diamanta, gojenega v dvojni-substratni strukturi, se znatno poveča z večanjem volumskega deleža metana in doseže do 24 μm/h, zaradi česar je primeren za gojenje debelih filmov pri visoki vsebnosti metana.

 

 

2. Postopek priprave diamantnega filma z MPCVD

Čeprav je bila tehnologija nanašanja diamantnega tankega filma obsežno raziskana, je bila visoka{0}}kakovost, visoka-hitrost in nizka-cena rasti diamantnih filmov pod številnimi procesnimi parametri vedno cilj industrije. Visoko{4}}kakovostni diamantni filmi, gojeni v optimiziranih pogojih, nimajo le nizkih proizvodnih stroškov, ampak dosegajo tudi kvalitativni preskok v aplikacijah na področju elektronike in energetike.

 

HUANG et al. raziskovali najhitrejšo stopnjo rasti diamantnih filmov pod različnimi tlaki v komori, volumskimi deleži metana in močjo mikrovalov.

 

Jiang Caiyi je proučeval korelacijo med temperaturo substrata, tlakom v reakcijski komori in volumskim deležem metana na čistost in hitrost rasti diamantnih filmov.

 

Nukleacija diamantnih filmov ni le tesno povezana z dejavniki, kot sta vrsta substratnega materiala in metoda predobdelave površine, ampak nanjo močno vplivajo tudi procesni parametri, kot so temperatura substrata, tlak v komori in volumski delež metana. Nižja temperatura substrata je ugodna za nukleacijo, vendar bo prenizka temperatura povzročila počasno hitrost nukleacije in slabo enakomernost; povečanje volumskega deleža metana lahko spodbudi nukleacijo, vendar bo previsok volumski delež povzročil zmanjšanje čistosti diamanta [7-9]. Li Sijia idr. [10] je s poskusi proučeval učinke temperature substrata, tlaka v votlini in volumskega deleža metana na kakovost diamantnih filmov in razvil optimalne procesne pogoje, pri čemer je dobil naslednje rezultate:

(1) Ko je temperatura prenizka, je vodikov v vzbujenem-stanju manj, hitrost rasti diamantnega filma je počasna in ni ugodna za rast faze diamantnega filma; ko je temperatura previsoka, diamantni film hitro raste, vendar je kakovost kristalov slaba in ga je enostavno grafitizirati.

(2) Ko je tlak prenizek, so ionske krogle razpršene, stopnja rasti je počasna in sposobnost jedkanja vodikovega atoma je nezadostna, kar ima za posledico slabo kakovost diamantnega filma; ko je tlak previsok, je stopnja rasti hitrejša, vendar so v tem času plazemske krogle bolj koncentrirane in volumski delež atomov vodika v vzbujenem -stanju je višji, kar bo povzročilo povečanje diamantnih napak in zmanjšanje kakovosti.

(3) Ko je volumski delež metana prenizek, je volumski delež aktivnih skupin,-ki vsebujejo ogljik, nizek in je stopnja rasti počasna, vendar je kakovost diamanta visoka; ko je volumski delež metana previsok, je volumski delež aktivnih skupin,-ki vsebujejo ogljik, visok in stopnja rasti je hitra, vendar je kakovost diamanta slaba. Očitno je, da sta previsoka in prenizka volumska frakcija metana škodljiva za nastanek visoko-kakovostnih diamantnih filmov [11-12].

 

3. Vpliv temperature na napake v eno-kristalnem diamantu s homeeteroepitaksijo

MPCVD, kot pogosto uporabljena metoda nanašanja diamantov, ima prednosti, kot so razelektritev brez elektrod, hitra stopnja rasti in nizka vsebnost nečistoč v produktu, zaradi česar je idealna metoda za rast diamantov [13]. Vendar ima MPCVD stroge zahteve glede rastnih parametrov in kakovosti mono-kristalnega diamanta, gojeni eno-kristalni diamant pa še vedno vsebuje napake in nečistoče, ki pomembno vplivajo na njegovo delovanje [14]. Zato je zmanjšanje napak v eno-kristalnem diamantu pozitivnega pomena za izboljšanje njegove učinkovitosti in spodbujanje njegove uporabe v elektronskih napravah.

 

Diamantne napake so večinoma razvrščene v tri vrste: dislokacije, dvojčki in napake zlaganja. Napake zlaganja in mikro{1}}debela zrna pogosto obstajajo na kristalni ravnini (111), možnost metamorfizma na ravnini (111) pa je veliko večja kot na ravnini kristala (100).

 

Študije so pokazale, da se napake zlaganja večinoma pojavljajo na (111) kristalni ravnini in so porazdeljene blizu meja zrn; vzroki za napake v eno-kristalnem diamantu so lahko napake v samem zarodnem kristalu, nečistoče v viru plina, nečistoče v votlini ali nedoslednosti v uporabljenih eksperimentalnih parametrih. Zato TALLAIRE et al. uporabljal H₂/O₂ plazmo za jedkanje površinskih napak mono-kristalnega diamanta dolgo časa pred rastjo, da bi zmanjšal napake.

 

WANG et al. [17] so ugotovili, da je preoblikovanje iz (111) v (100) faset povezano z volumsko koncentracijo metana in temperaturo ter da lahko povečanje volumske koncentracije metana spodbudi transformacijo iz (111) v (100) fasete.

Yan Lei idr. [18] so v svoji študiji vpliva I(C2)/I(H) na kakovost rasti diamanta ugotovili, da nižje kot je razmerje, boljša je kakovost gojenega diamanta. To je zato, ker C2 kot predhodnik diamanta neposredno sodeluje v procesu homoepitaksialne rasti diamanta; medtem ko H prednostno jedka ne-diamantno fazo, zato večja kot je vsebnost skupine H, boljša je kakovost gojenega diamanta.

 

4. Sklep

4.1 V primerjavi z eno-substratno strukturo ima eno-kristalni diamant, gojen v pogojih visoke vsebnosti metana s strukturo dvojne-substrata, bolj gladko in enakomernejšo površinsko morfologijo, višjo kristaliničnost in manj notranjih napak. 4.2. Hitrost rasti diamantnega filma je v pozitivni korelaciji s temperaturo substrata, tlakom v votlini in prostornino metana ulomek.

4.3 Eno-kristalni diamant, odložen pri 740 stopinjah, bo povzročil veliko tlačno napetost, ki bo sčasoma povzročila površinske razpoke; stožčaste napake diamanta, odloženega pri 780 stopinjah in 820 stopinjah, se bodo po rasti do neke mere skrčile; območje napake ravnine (111) mono-kristalnega diamanta, odloženega na 860 stopinji, se bo povečalo.

 

Izjava: Zgornja vsebina je iz javnih informacij kitajskega interneta. Če obstajajo kakršne koli informacijske napake ali mesta, ki vplivajo na vaše pravice in interese, nas obvestite, da jih izbrišemo.