MPCVD priprema dijamantske tehnologije

 

Ključne riječi: MPCVD dijamant; tehnologija pripreme; defekti kristala; dvostruka struktura supstrata

 

0 Uvod

Trenutno, među glavnim metodama sinteze mono{0}}kristalnog dijamanta, relativno zrele tehnologije su visoka-visoka temperatura-pritiska (HPHT) i mikrovalna plazma hemijsko taloženje pare (MPCVD). Iako metoda visokog{4}}pritiska i visoke-temperature ima jednostavan proces pripreme i brzu stopu rasta mono{6}}kristalnog dijamanta, njena oprema je nestabilna, što lako dovodi do nemogućnosti kontinuiranog uzgoja velikih-velikih monokristalnih-dijamanata tokom dužeg vremena. Osim toga, neke nečistoće će se dodati tokom sinteze mono-kristalnih dijamanata, što ne pogoduje rastu visoko-kvalitetnih mono-dijamanata. Metoda homoepitaksijalnog rasta mono{14}}kristalnog dijamanta mikrovalnom plazmom hemijskim taloženjem pare (MPCVD) trenutno je najčešće korištena metoda i dobila je široku pažnju naučnika u zemlji i inostranstvu. U poređenju sa drugim metodama, MPCVD metoda za pripremu mono-kristalnih dijamanata ima prednosti velike kinetičke energije elektrona, širokog stabilnog opsega radnog pritiska, visokog stepena jonizacije, bez kontaminacije elektroda i dugotrajnog{17}}stabilnog rada.

 

 

1. Utjecaj dvostruke-strukture supstrata na rast pojedinačnog-kristalnog dijamanta

Korišteni eksperimentalni aparat bio je novi MPCVD uređaj koji su neovisno razvili Xia Yuhao et al. Dvostruka-struktura supstrata je uvedena u tradicionalnu spregnutu rezonantnu šupljinu. Radna frekvencija je bila 2,45 GHz, a maksimalna izlazna snaga 1,6 kW. Šematski dijagram je prikazan na slici 1.

 

Slika 1 Princip mikrotalasnih rezonantnih šupljina različitih struktura

 

Nakon rasta, utjecaj dualne-strukture supstrata na emisioni spektar plazme i rast monokristalnog dijamanta pod istim parametrima analiziran je korištenjem Raman spektroskopije, skenirajuće elektronske mikroskopije, emisione spektroskopije i druge opreme.

 

U poređenju sa tradicionalnom strukturom jednog-supstrata, pod istim parametrima taloženja, sfere plazme generisane dvostrukom-strukturom supstrata bile su manjeg volumena i imale su veću gustinu snage. Intenzitet i gustina C2 grupa i H grupa u plazmi su također bili mnogo veći od onih kod strukture jedne-supstrate.

 

U poređenju sa strukturom jednog-supstrata, mono-kristalni dijamant uzgojen u dual-strukturi supstrata u uvjetima visokog sadržaja metana imao je glatkiju i ravnomjerniju morfologiju površine, veću kristalnost, manje unutrašnjih defekata i manji karakteristični pomak vrha u dijamantu. Brzina rasta mono{4}}kristalnog dijamanta uzgojenog u dual-strukturi supstrata značajno se povećava s povećanjem zapreminskog udjela metana, dostižući i do 24 μm/h, što ga čini pogodnim za uzgoj debelih filmova s ​​visokim sadržajem metana.

 

 

2. Proces pripreme dijamantskog filma MPCVD

Iako je tehnologija taloženja dijamantskih tankih filmova opsežno proučavana, visok-kvalitet, visoka-stopa i niska-rast cijena dijamantskih filmova pod brojnim procesnim parametrima oduvijek je bio cilj kojem je težila industrija. Visok-kvalitetni dijamantski filmovi uzgojeni u optimiziranim uvjetima ne samo da imaju niske troškove proizvodnje, već postižu i kvalitativni skok u primjenama u oblastima elektronike i energije.

 

HUANG et al. istraživao najbržu stopu rasta dijamantskih filmova pod različitim pritiscima u komori, volumnim udjelima metana i mikrovalnom snagom.

 

Jiang Caiyi je proučavao korelaciju između temperature supstrata, pritiska u reakcionoj komori i volumnog udjela metana na čistoću i brzinu rasta dijamantskih filmova.

 

Nukleacija dijamantskih filmova nije samo usko povezana s faktorima kao što su tip materijala supstrata i metoda predobrade površine, već je također u velikoj mjeri pod utjecajem parametara procesa kao što su temperatura supstrata, pritisak u komori i zapreminski udio metana. Niža temperatura supstrata je pogodna za nukleaciju, ali preniska temperatura će dovesti do spore brzine nukleacije i loše uniformnosti; povećanje volumnog udjela metana može potaknuti nukleaciju, ali preveliki volumni udio će dovesti do smanjenja čistoće dijamanta [7-9]. Li Sijia i dr. [10] proučavali su efekte temperature podloge, pritiska u šupljini i zapreminskog udjela metana na kvalitet dijamantskih filmova kroz eksperimente, te razvili optimalne uslove procesa, dajući sljedeće rezultate:

(1) Kada je temperatura preniska, ima manje vodonika u pobuđenom- stanju, brzina rasta dijamantskog filma je spora i ne pogoduje rastu faze dijamantskog filma; kada je temperatura previsoka, dijamantski film brzo raste, ali je kvalitet kristala loš i lako se grafitizira.

(2) Kada je pritisak prenizak, jonske sfere su raspršene, brzina rasta je spora, a sposobnost jetkanja atoma vodonika je nedovoljna, što rezultira lošim kvalitetom dijamantskog filma; kada je pritisak previsok, brzina rasta je brža, ali u ovom trenutku sfere plazme su koncentrisanije i zapreminski udio atoma vodonika pobuđenog-stanja je veći, što će dovesti do povećanja dijamantskih defekata i smanjenja kvaliteta.

(3) Kada je zapreminski udio metana prenizak, zapreminski udio ugljika-koji sadrži aktivne grupe je nizak i stopa rasta je spora, ali je kvalitet dijamanta visok; kada je volumni udio metana previsok, zapreminski udio ugljika-koji sadrži aktivne grupe je visok i stopa rasta je brza, ali je kvalitet dijamanta loš. Očigledno je da su i pretjerano visoke i pretjerano niske volumne frakcije metana štetne za stvaranje -kvalitetnih dijamantskih filmova [11-12].

 

3. Utjecaj temperature na defekte u homoeteroepitaksiji mono-kristalnog dijamanta

MPCVD, kao najčešće korištena metoda taloženja dijamanata, ima prednosti kao što su pražnjenje bez elektroda, brza stopa rasta i niske nečistoće proizvoda, što ga čini idealnom metodom rasta dijamanata [13]. Međutim, MPCVD ima stroge zahtjeve u pogledu parametara rasta i kvaliteta mono{2}}kristalnog dijamanta, a uzgojeni mono{3}}kristalni dijamant još uvijek sadrži nedostatke i nečistoće, koje imaju značajan utjecaj na njegove performanse [14]. Stoga je smanjenje defekata u mono{6}}kristalnom dijamantu od pozitivnog značaja za poboljšanje njegovih performansi i promoviranje njegove primjene u elektronskim uređajima.

 

Defekti dijamanta se uglavnom klasifikuju u tri tipa: dislokacije, blizanke i greške slaganja. Greške slaganja i mikro-zrna često postoje na (111) kristalnoj ravni, a mogućnost metamorfizma na (111) ravni je mnogo veća od one na (100) kristalnoj ravni.

 

Studije su otkrile da se greške slaganja uglavnom javljaju na (111) kristalnoj ravni i da su raspoređene blizu granica zrna; uzroci defekata u mono{1}}kristalnom dijamantu mogu biti defekti u samom kristalu sjemena, nečistoće u izvoru plina, nečistoće u šupljini ili nedosljednosti u korištenim eksperimentalnim parametrima. Stoga, TALLAIRE et al. koristio H₂/O₂ plazmu za graviranje površinskih defekata mono-kristalnog dijamanta dugo vremena prije rasta kako bi se smanjili defekti.

 

WANG et al. [17] su otkrili da je transformacija od (111) do (100) faseta povezana s volumnom koncentracijom metana i temperaturom, te da povećanje volumne koncentracije metana može potaknuti transformaciju sa (111) na (100) faseta.

Yan Lei i dr. [18] su u svojoj studiji o utjecaju I(C2)/I(H) na kvalitetu rasta dijamanata otkrili da što je niži omjer, to je bolji kvalitet uzgojenog dijamanta. To je zato što C2, kao prekursor dijamanta, direktno učestvuje u homoepitaksijalnom procesu rasta dijamanta; dok H preferentno urezuje ne- fazu, tako da što je veći sadržaj H grupe, bolji je kvalitet uzgojenog dijamanta.

 

4. Zaključak

4.1 U poređenju sa strukturom jednog-supstrata, mono-kristalni dijamant uzgojen u uslovima visokog sadržaja metana sa dvostrukom-strukturom supstrata ima glatkiju i ravnomjerniju površinsku morfologiju, veću kristalnost i manje unutrašnjih defekata. 4.2 Brzina rasta dijamantskog filma sa zapreminom, temperatura podstranog pritiska je pozitivno od podstranog pritiska frakcija.

4.3 Monokristalni dijamant deponovan pod uglom od 740 stepeni će stvoriti veliko tlačno naprezanje, što će na kraju dovesti do površinskih pukotina; konusni defekti dijamanta deponovanog na 780 stepeni i 820 stepeni će se smanjiti do određene mere nakon rasta; površina defekta (111) ravni mono-kristalnog dijamanta deponovanog na 860 stepeni će se povećati.

 

Izjava: Gornji sadržaj je iz javnih informacija kineskog interneta. Ako postoje greške u informacijama ili mjesta koja utiču na vaša prava i interese, obavijestite nas da ih izbrišemo.