2023-11-10
金剛石具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和電性能,是一種典型的多功能材料,在航天航空、能源、智能傳感器、精加工等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在較低的生產(chǎn)成本下,化學(xué)氣相沉積法可制備出大尺寸高品質(zhì)金剛石膜，滿足金剛石在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用要求，微波等離子體化學(xué)氣相沉積法憑借能量密度大、污染小等優(yōu)勢，成為制備高品質(zhì)金剛石膜的首選方法。
1/金剛石薄膜的影響因素：
01氣壓 ：研究表明,在一定范圍內(nèi)提高氣壓有利于金剛石薄膜的高質(zhì)量生長,當氣壓控制在 14~17 kPa時可獲得質(zhì)量較好的金剛石膜。
02襯底溫度的影響 ：在 MPCVD法制備金剛石膜的過程中，襯底溫度是影響金剛石膜生長質(zhì)量和生長速率的關(guān)鍵參數(shù)。在腔體壓強和甲烷體積分數(shù)不變的情況下，溫度過低時，激化態(tài)氫較少，金剛石膜生長速度率慢且不利于金剛石膜相的生長；溫度過高時，金剛石膜生長迅速，但晶體質(zhì)量較差且比較容易石墨化。
03基體溫度的影響 ：基體溫度的改變可明顯影響金剛石的形核速率及質(zhì)量。研究表明,利用高溫形核-低溫生長的梯度降溫法，能夠沉積生長質(zhì)量良好的金剛石膜?；w表面等離子體能量輻射是基體溫度的主要來源，且表現(xiàn)出不同的溫度梯度，因此在沉積金剛石薄膜時,為確保其較高質(zhì)量，一定要控制基體表面溫度的均勻性。利用高溫形核-低溫生長的控溫方法，能夠在950℃制備力學(xué)性能較好的薄膜，且與基體有較好的結(jié)合力。
2/MPCVD制備金剛石
技術(shù)原理： 微波等離子化學(xué)氣相沉淀法是指高純度氫氣在強大的微波作用下產(chǎn)生高能量的等離子火球，高純度甲烷氣體在等離子作用下變成游離的碳原子和氫原子，這些游離的碳原子在強大能量的等離子作用下會逐步按立體排列的方式沉淀到底部的鉆石種子上，使鉆石種子逐步長厚形成與[天然鉆石結(jié)構(gòu)&成分]完全一致的CVD培育鉆石。
01多晶金剛石膜的制備：
光學(xué)級、電子級多晶金剛石膜的制備要求沉積率理想和缺陷密度極低或光學(xué)可控,無電極污染放電的MPCVD必然成了電子級、光學(xué)級金剛石膜的理想方法。北京科技大學(xué)李成明團隊、武漢工程大學(xué)汪建華團隊和太原理工大學(xué)于盛旺團隊在MPCVD制備光學(xué)級多晶金剛石膜的研究方面均取得了一定的成果，但與同類國際先進水平存在差距。國內(nèi)上述團隊開發(fā)的光學(xué)級多晶金剛石膜可滿足紅外/雷達雙模制導(dǎo)窗口，高功率CO2激光加工機窗口及高功率微波窗口的基本應(yīng)用要求。相對于苛刻的光學(xué)級、電子級多晶金剛石膜應(yīng)用制備條件而言，多晶金剛石膜作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱應(yīng)用更廣，需求更大、更迫切。目前其沉淀的技術(shù)水平也較容易實現(xiàn)。當前，制備出的熱沉級多晶金剛石膜的尺寸可達8英寸，隨著 MPCVD技術(shù)的改善升級有望與現(xiàn)存的8英寸半導(dǎo)體晶圓制造線兼容,最終實現(xiàn)多晶金剛石熱沉材料在半導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用推廣。此外,在金剛石半導(dǎo)體器件應(yīng)用中，可控摻雜技術(shù)也至關(guān)重要。目前，金剛石的p型摻雜技術(shù)相對比較成熟,但暫無理想的方案解決金剛石的n型摻雜問題。
02單晶金剛石的應(yīng)用與制備：
與多晶金剛石相比,無晶界制約的單晶金剛石 (SCD) 的光學(xué)、電學(xué)性能更加優(yōu)異，在量子通信/計算機、輻射探測器、冷陰極場發(fā)射顯示器、半導(dǎo)體激光器、超級計算機 CPU 芯片多維集成電路及軍用大功 率雷達微波行波管支撐桿等前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用效果突出，而制備出大尺寸高質(zhì)量SCD是前提。馬賽克拼接法作為制備大尺寸SCD 可行性較高的一種方法，已實現(xiàn)大尺寸SCD的制備。在低缺陷密度，高質(zhì)量SCD創(chuàng)造方面，異質(zhì)襯底上側(cè)面外延生長 (ELO) 單晶金剛石技術(shù)的表現(xiàn)更突出。大尺寸SCD的制備方法除了以上兩種方式外，已報道的方法還有重復(fù)拼接法和三維生長法，其中 Mokuno等采用三維拼接生長法得到了大尺寸 SCD (12mm x 12mm x 3.7mm)，但因為大量位錯缺陷存在于晶體中影響了晶體質(zhì)量。目前，大尺寸的SCD制備工藝技術(shù)依然存在極大的改善空間。
03培育鉆石的制造與應(yīng)用：
高品質(zhì)培育鉆石是目前資本市場和消費市場追逐的熱點,而金剛石在半導(dǎo)體、量子計算/通訊、輻射探測等前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用，作為搶占國際科技競爭 制高點的橋頭堡是眾多科技團隊目前關(guān)注的重點，為了滿足上述領(lǐng)域的應(yīng)用需求，開發(fā)出可制備大尺寸、高質(zhì)量和多領(lǐng)域應(yīng)用的金剛石的微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)裝備是其應(yīng)用的前提。當前，在金剛石所有的應(yīng)用領(lǐng)域中培育鉆石最受資本青睞，而高品質(zhì)的培育鉆石產(chǎn)品已由實驗室走進消費市場。
結(jié)論:
01在一定范圍內(nèi)提高氣壓有利于金剛石膜的高質(zhì)量生長,當氣壓控制在14~17kPa時可獲得質(zhì)量較好的金剛石膜。
02基體溫度應(yīng)嚴格控制,不能過高也不能過低, 否則將影響金剛石膜的質(zhì)量,利用高溫形核-低溫生長的控溫方法，能夠在950℃制備力學(xué)性能較好的薄膜,且與基體有較好的結(jié)合力。
03金剛石作為新一代半導(dǎo)體材料,在前沿科技發(fā) 展中扮演重要角色。從電子級、光學(xué)級應(yīng)用再到量子級應(yīng)用的高端產(chǎn)品技術(shù)開發(fā),還面臨著較大的挑戰(zhàn)。
04大尺寸高質(zhì)量SCD關(guān)鍵技術(shù)的突破,能夠有效緩解當前國內(nèi)珠寶市場對天然鉆石100%依賴進口的問題。
▌文章來源：《超硬材料工程》2023 NO.05 王光祖、王福山
粵公網(wǎng)安備 44060602002561號
網(wǎng)站建設(shè)：優(yōu)網(wǎng)科技
