Preparazione MPCVD della tecnologia del diamante

 

Parole chiave: diamante MPCVD; tecnologia di preparazione; difetti del cristallo; struttura a doppio substrato

 

0 Introduzione

Attualmente, tra i principali metodi di sintesi del diamante mono-cristallo, le tecnologie relativamente mature sono l'alta-pressione alta-temperatura (HPHT) e la deposizione chimica da vapore al plasma a microonde (MPCVD). Sebbene il metodo ad alta-pressione e{5}}temperatura abbia un processo di preparazione semplice e un tasso di crescita rapido del diamante a cristallo singolo-, la sua attrezzatura è instabile, il che porta facilmente all'incapacità di far crescere continuamente diamanti a cristallo singolo-di grandi dimensioni per lungo tempo. Inoltre, durante la sintesi dei diamanti monocristallo-verranno aggiunte alcune impurità, il che non favorisce la crescita di diamanti monocristallo-di alta qualità. Il metodo di crescita omoepitassiale del diamante monocristallo- mediante deposizione chimica in fase vapore al plasma a microonde (MPCVD) è attualmente il metodo più comunemente utilizzato e ha ricevuto ampia attenzione da parte di studiosi in patria e all'estero. Rispetto ad altri metodi, il metodo MPCVD per la preparazione dei diamanti a cristallo singolo- presenta i vantaggi di una grande energia cinetica degli elettroni, un ampio intervallo di pressione di esercizio stabile, un elevato grado di ionizzazione, nessuna contaminazione degli elettrodi e un funzionamento stabile a lungo-termine.

 

 

1. Influenza della struttura del doppio-substrato sulla crescita del-diamante singolo cristallo

L'apparato sperimentale utilizzato era un nuovo dispositivo MPCVD sviluppato indipendentemente da Xia Yuhao et al. Una struttura a doppio-substrato è stata introdotta nella tradizionale cavità risonante accoppiata. La frequenza operativa era di 2,45 GHz e la potenza di uscita massima era di 1,6 kW. Il diagramma schematico è mostrato nella Figura 1.

 

Figura 1 Principio delle cavità risonanti a microonde con diverse strutture

 

Dopo la crescita, l'influenza della struttura a doppio-substrato sullo spettro di emissione del plasma e sulla crescita del diamante a-cristallo singolo con gli stessi parametri è stata analizzata utilizzando la spettroscopia Raman, la microscopia elettronica a scansione, la spettroscopia di emissione e altre apparecchiature.

 

Rispetto alla tradizionale struttura a-substrato singolo, con gli stessi parametri di deposizione, le sfere di plasma generate dalla struttura a doppio-substrato avevano un volume più piccolo e una densità di potenza più elevata. Anche l'intensità e la densità dei gruppi C2 e dei gruppi H nel plasma erano molto più elevate di quelle della struttura a substrato singolo-.

 

Rispetto alla struttura a-substrato singolo, il diamante a-cristallo singolo cresciuto sotto la struttura a doppio-substrato in condizioni di elevato contenuto di metano presentava una morfologia superficiale più liscia e uniforme, una cristallinità più elevata, meno difetti interni e uno spostamento del picco caratteristico più piccolo nel diamante. Il tasso di crescita del diamante mono-cristallo cresciuto in una struttura a doppio-substrato aumenta in modo significativo con l'aumento della frazione volumetrica di metano, raggiungendo fino a 24 μm/h, rendendolo adatto alla crescita di film spessi ad alto contenuto di metano.

 

 

2. Processo di preparazione del film diamantato mediante MPCVD

Sebbene la tecnologia di deposizione di film sottili di diamante sia stata ampiamente studiata, l'obiettivo perseguito dal settore è sempre stato la crescita di alta-qualità,-velocità e basso-costo dei film di diamante in base a numerosi parametri di processo. Le pellicole diamantate di alta-qualità coltivate in condizioni ottimizzate non solo hanno bassi costi di produzione, ma realizzano anche un salto di qualità nelle applicazioni nei campi dell'elettronica e dell'energia.

 

HUANG et al. hanno esplorato il tasso di crescita più rapido dei film di diamante sotto diverse pressioni della camera, frazioni volumetriche di metano e potenza delle microonde.

 

Jiang Caiyi ha studiato la correlazione tra la temperatura del substrato, la pressione della camera di reazione e la frazione volumetrica di metano sulla purezza e il tasso di crescita delle pellicole di diamante.

 

La nucleazione delle pellicole diamantate non è solo strettamente correlata a fattori quali il tipo di materiale del substrato e il metodo di pretrattamento superficiale, ma è anche fortemente influenzata da parametri di processo quali la temperatura del substrato, la pressione della camera e la frazione volumetrica di metano. Una temperatura del substrato più bassa favorisce la nucleazione, ma una temperatura troppo bassa porterà a una velocità di nucleazione lenta e a una scarsa uniformità; l'aumento della frazione volumetrica del metano può favorire la nucleazione, ma una frazione volumetrica troppo elevata porterà a una diminuzione della purezza del diamante [7-9]. Li Sijia et al. [10] hanno studiato gli effetti della temperatura del substrato, della pressione della cavità e della frazione volumetrica di metano sulla qualità dei film diamantati attraverso esperimenti e hanno sviluppato le condizioni di processo ottimali, ottenendo i seguenti risultati:

(1) Quando la temperatura è troppo bassa, ci sono meno idrogeni allo stato-eccitato, il tasso di crescita del film di diamante è lento e non favorisce la crescita della fase del film di diamante; quando la temperatura è troppo elevata, la pellicola di diamante cresce rapidamente, ma la qualità dei cristalli è scarsa ed è facile da grafitizzare.

(2) Quando la pressione è troppo bassa, le sfere ioniche vengono disperse, il tasso di crescita è lento e la capacità di incisione dell'atomo di idrogeno è insufficiente, con conseguente scarsa qualità della pellicola diamantata; quando la pressione è troppo alta, il tasso di crescita è più veloce, ma in questo momento le sfere di plasma sono più concentrate e la frazione volumetrica degli atomi di idrogeno allo stato eccitato- è più alta, il che porterà ad un aumento dei difetti del diamante e ad una diminuzione della qualità.

(3) Quando la frazione volumetrica del metano è troppo bassa, la frazione volumetrica dei gruppi attivi contenenti carbonio-è bassa e il tasso di crescita è lento, ma la qualità del diamante è elevata; quando la frazione volumetrica del metano è troppo elevata, la frazione volumetrica dei gruppi attivi contenenti carbonio-è elevata e il tasso di crescita è rapido, ma la qualità del diamante è scarsa. È evidente che sia le frazioni di volume di metano eccessivamente elevate che quelle eccessivamente basse sono dannose per la formazione di pellicole di diamante di alta-qualità [11-12].

 

3. L'influenza della temperatura sui difetti nell'omoeteropitassia Singolo-cristallo di diamante

MPCVD, come metodo di deposizione del diamante comunemente usato, presenta vantaggi come scarica senza elettrodi, tasso di crescita rapido e basse impurità del prodotto, che lo rendono un metodo di crescita del diamante ideale [13]. Tuttavia, l'MPCVD prevede requisiti rigorosi sui parametri di crescita e sulla qualità del diamante a cristallo singolo-e il diamante a cristallo singolo-cresciuto contiene ancora difetti e impurità, che hanno un impatto significativo sulle sue prestazioni [14]. Pertanto, la riduzione dei difetti nel diamante mono-cristallo ha un significato positivo per migliorarne le prestazioni e promuoverne l'applicazione nei dispositivi elettronici.

 

I difetti del diamante sono principalmente classificati in tre tipi: dislocazioni, gemelli e difetti di impilamento. Difetti di impilamento e grani micro-spessi spesso esistono sul piano cristallino (111) e la possibilità di metamorfismo sul piano cristallino (111) è molto maggiore di quella sul piano cristallino (100).

 

Gli studi hanno scoperto che i difetti di impilamento si verificano principalmente sul piano cristallino (111) e sono distribuiti vicino ai bordi dei grani; le cause dei difetti nel diamante monocristallo- possono essere difetti nel cristallo seme stesso, impurità nella fonte di gas, impurità nella cavità o incoerenze nei parametri sperimentali utilizzati . Pertanto, TALLAIRE et al. ha utilizzato plasma H₂/O₂ per incidere a lungo i difetti superficiali del diamante monocristallo-prima della crescita per ridurre i difetti.

 

WANG et al. [17] hanno scoperto che la trasformazione da (111) a (100) sfaccettature era correlata alla concentrazione in volume di metano e alla temperatura, e che l'aumento della concentrazione in volume di metano potrebbe promuovere la trasformazione da (111) a (100) sfaccettature.

Yan Lei et al. [18] hanno scoperto nel loro studio sull'effetto di I(C2)/I(H) sulla qualità della crescita del diamante che più basso è il rapporto, migliore è la qualità del diamante coltivato. Questo perché C2, in quanto precursore del diamante, partecipa direttamente al processo di crescita omoepitassiale del diamante; mentre H incide preferenzialmente la fase non-diamante, quindi maggiore è il contenuto del gruppo H, migliore è la qualità del diamante cresciuto.

 

4. Conclusione

4.1 Rispetto alla struttura a-substrato singolo, il diamante a-cristallo singolo cresciuto in condizioni di elevato contenuto di metano con la struttura a doppio-substrato ha una morfologia superficiale più liscia e uniforme, una cristallinità più elevata e meno difetti interni. 4.2 Il tasso di crescita della pellicola di diamante è correlato positivamente con la temperatura del substrato, la pressione della cavità e la frazione volumetrica di metano.

4.3 Il diamante a cristallo singolo-depositato a 740 gradi genererà un grande stress di compressione, che alla fine porterà a crepe superficiali; i difetti conici del diamante depositati a 780 gradi e 820 gradi si ridurranno in una certa misura dopo la crescita; l'area del difetto del piano (111) del diamante monocristallo - depositato a 860 grado aumenterà.

 

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