利用MPCVD法沉积出高质量金刚石

金刚石兼具物理的和化学的优良性质，尤其是金刚石的半导体电气性质，即宽带隙、高击穿电场、高载流子迁移率和高热导率，成为固态功率器件最有前途的半导体材料之一，被誉为“终极半导体”！

而说起沉积金刚石的方法，目前，微波等离子体CVD法即MPCVD法被业界认为是一种很好的沉积金刚石的方法。近年来，我国CVD金刚石行业加大资金投入，并在MPCVD领域取得了较大进展，CVD金刚石产量得到迅速增长。

那么，如何高效的利用MPCVD法沉积出高质量的金刚石呢？今天，森木磊石微波源就给大家详细介绍一下影响金刚石沉积质量的几点因素（气压大小、气源浓度与种类、功率稳定性与密度等）。

首先，我们了解一下MPCVD的生长原理：在微波能量的作用下，沉积气体被激发成等离子体状态。在微波产生的电磁场作用下，腔体中的电子相互碰撞，产生剧烈的振荡，促进谐振腔内其他原子、基团和分子之间的碰撞，从而有效提高反应气体的电离度，产生更高密度的等离子体。在反应过程中，原料气体的电离度达到10%以上，使腔体内充满过饱和原子氢和含碳原子基团，有效提高了金刚石的沉积速率和沉积质量。

因此，一个有效加速生长的手段，通过增加生长时舱内的气压和输入的微波功率，可以促进加强反应气体的分解电离，提高各反应基团的浓度和活性，促进生长，提高生长效率。

此外，通过改进装置，降低功率损耗，可以提高金刚石生长效率。在实验中，MPCVD的功率密度是一个非常重要的生长参数。不同功率密度生长的金刚石的质量和表面形貌不同。需要将设备调整到合适的功率密度，才能生长出高品质的单晶金刚石。

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用于生长MPCVD单晶金刚石的气源主要包括氢（H2）、甲烷（CH2）、氮（N2）和氧（O2），这些气体在微波作用下裂解成H、O、N原子或CH2、CH3、C2H2、oh等基团。含碳基团（CH2、CH3、C2H2）将在金刚石表面形成气固混合界面，金刚石（sp3）、非晶碳或石墨（sp2）的生长将在动态平衡模型或非平衡热力学模型下实现。氢等离子体对非晶碳或石墨（sp2）的刻蚀速度比金刚石（sp3）快得多。因此，提高H原子和甲基CH3的浓度是提高单晶生长速度最直接的方法之一。

但事实上，这个微观过程非常复杂。仅仅在氢和甲烷激发的等离子体中，至少有20个以上由游离碳原子和氢原子组成的不同基团，并且它们不断地发生转化。MPCVD金刚石的生长过程包括大量的物理化学反应和传输过程。根据反应的发生位置和性质，大致可分为两种类型：等离子体中氢原子和活性碳基团的生成和碳元素在基底表面的沉积。

此外，添加一定比例的惰性气体掺杂（如氮气、氩气等）也是提高MPCVD单晶金刚石生长速率的常用手段。根据武汉工程大学汪建华教授团队的研究工作，氮的加入并没有显著改变等离子体中的基团类型，但随着氮浓度的增加，CN基团的基团强度有显著的增加趋势，C2基团的基团强度不断下降，单晶金刚石的生长速率不断增高。随着氮添加量的增加，金刚石的生长速率逐渐趋于饱和。氮并不是通过增加甲烷的离解度来生成更多的C2基团来促进单晶金刚石的生长，而是作为催化剂来加速单晶金刚石表面的化学反应。

然而，金刚石的生长速度与其生长质量之间存在矛盾。生长速率较快的金刚石的生长面积仅限于几毫米，均匀性较差。在生长过程中，氢原子可以腐蚀SP2相，促进碳氢化合物在金刚石衬底上的沉积。添加少量氢有助于提高金刚石的生长速率，获得高质量的金刚石。

此外，半导体、功率器件、探测器等高精度领域对金刚石的杂质含量和缺陷密度的要求非常严格，尤其是电子级单晶金刚石的制备。因此，在制备过程中，高纯原料气和高效可靠的真空系统是必要条件之一。