2英寸MPCVD光学级均匀金刚石膜的制备研究

均匀生长大尺寸光学级金刚石膜一直是微波化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition,MPCVD)金刚石研究领域的热点和难点,沉积台的结构与位置对于金刚石膜均匀性以及厚膜生长的长期稳定性至关重要。本研究通过COMSOL模拟结合实验研究了沉积台高度对衬底表面电场均匀性、等离子体状态和温度均匀性的影响规律,优化了光学级金刚石膜均匀生长的工艺参数,在最佳沉积台高度(2 mm)下沉积得到的2英寸金刚石膜(最大厚度337μm),厚度不均匀性<11%,从膜中心到边缘的拉曼半峰全宽为3~4 cm^(-1),可见光波段内最高透过率为69%~70%,10.6μm处红外透过率为70%。结果表明:金刚石膜的厚度和品质较为均匀,实现了两英寸光学级金刚石膜的均匀沉积。沉积台高度对衬底表面的电场分布、等离子体形状和温度分布都有一定影响,随着沉积台高度增加,衬底表面电场分布均匀性和温度均匀性得到明显改善,且衬底表面的等离子体分布更均匀,H原子和含碳基团的浓度增加。

光学级多晶金刚石膜的快速生长

光学级金刚石膜的快速生长一直是微波化学气相沉积金刚石研究领域的热点和难点之一,通常对于大尺寸金刚石膜的生长速率和光学质量不可兼得。采用正交实验方法,优化光学级金刚石膜的工艺参数,最终在高功率、高甲烷同时辅助氧气刻蚀条件下,实现了光学级金刚石材料的快速生长,其生长速率为3.1μm/h,可见光波段内透过率最高为70.9%,10.6μm处红外透过率达到68.9%。等离子体诊断结果表明,高质量金刚石的快速生长主要由于高功率密度有助于原子H的激发和CH4的分解,加入氧气也有助于CH4的分解,同时对非金刚石相具有刻蚀作用,从而实现了高质量金刚石膜的快速沉积。