自1988 年 Kamo 等第一次报道同质外延单晶金刚石制备以来,如何提高单晶金刚石的生长速率就成为学者们研究的热点问题之一。在早期 MPCVD 单晶金刚石生长制备过程中,限于当时的技术条件以及人们对其机理的认知程度,生长时所用的气压一般为 20 ~ 100 Torr,率密度<5 W/cm3,同时甲烷比例仅为1%左右,因此生长速率通常小于1 μm/h。随着人们对 MPCVD 单晶金刚石生长机理了解的逐渐深人以及相关生长设备技术的进步,各种提高单晶金刚石同质外延生长速率的方法层出不穷,生长速率也由最初的几微米每小时提高到一百微米每小时以上。本节将先简单介绍 MPCVD 金刚石生长的机理,随后总结介绍近些年研究人员们在高速率单晶金刚石生长领域常用的方法和取得的成果。
MPCVD 单晶金刚石生长机理简介微波等离子体化学气相沉积单晶金刚石的生长可简单描述为以下过程,即微波通过特殊设计的谐振腔谐振后在样品台上方区域形成集中的电场,将氢气、甲烷等原料气体解离形成原子氢和一系列含碳前驱体等离子体,随后在冷却到一定温度的籽晶表面沉积生长金刚石。但实际上这个微观过程十分复杂,仅在氢气和甲烷两种原料气体所激发的等离子体中就至少存在 20 种以上的由游离碳原子和氢原子构成的不同基团,目相互之间不断进行转化,通过光发射谱可以测定在 MPCVD 单晶金刚石生长过程中籽晶表面空间中各种基团的含量和分布( 如图 1) 。
在MPCVD 金刚石生长理论模型中,由 Harris 和 Goodwin 提出的模型较为简单,且被大多数学者所采纳。在其模型中,实际参与金刚石生长的只有原子 H 和甲基 CH3两种基团,并进行如下五个步骤的反应:
其中第一步反应是籽晶表面活性位点 C*4，的形成,同时此活性位点又能够再次与原子 H 结合形成碳氢键,即反应二,反应一与反应二定义了反应速比 k1/(k1+h2),该值仅与温度有关;后三个反应则描述了此活性位点结合甲基基团并将碳原子吸收至金刚石晶格中的过程。通过此反应过程的描述,可以得到 MPCVD单晶金刚石{100) 晶面的生长速率公式:
通过 MPCVD 单晶金刚石生长的过程可以看出,增加原子 H 和甲基 CH3的浓度是提高单晶生长速率最直接的方法之一。经过学者们的研究和实验表明,原子 在 CVD 金刚石生长中扮演着极为重要的角色,它能够参与产生碳氢基团、形成表面活性位点以及抑制非金刚石相生成等的过程,因此有些研究者将如何快速地制备高品质的单晶金刚石归结为如何产生尽可能多的有效原子 H 。了解 MPCVD 单晶金刚石的生长过程和机理将有助于研究者更好地寻找提高生长速率的方法和途径。
作为一直专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售，致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料公司，化合积电采用MPCVD法制备高质量金刚石热沉片，并独特研发基于等离子体辅助研磨抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法。核心产品有多晶金刚石（晶圆级金刚石热沉片、金刚石基氮化镓）、单晶金刚石（热学级、光学级、电子级）和氮化铝薄膜（金刚石基氮化铝、硅基氮化铝和蓝宝石基氮化铝）等，产品可应用于5G基站、激光器、医疗器械、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
