MPCVD高功率外延生长单晶金刚石均匀性研究

目的 为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,开展了高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长研究。方法 利用实验室自主研发的915 MHz-MPCVD装置,在15~37 kW的高功率微波馈入的条件下,研究了在高功率微波等离子体环境中CVD单晶金刚石的均匀生长条件,利用光学显微镜及激光拉曼光谱对所生长的单晶金刚石进行了形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行了诊断。结果 在保持甲烷体积分数为5%时,当微波功率为15k W时,等离子体球的尺寸较小,并不能完全覆盖直径150 mm的基片台;将微波功率从28 kW提高到37 kW,肉眼所见的等离子体尺寸变化并不明显,但等离子体的能量分布范围有一定的扩大,这意味着在一定的范围内活性基团的能量分布更均匀。在较高的微波功率下,分布于基片台不同区域的单晶金刚石片均能获得较好的层状生长台阶。随着微波功率的提高以及基片温度的增加,分布于基片台不同区域的微波电磁场强度都有所增强,提高了单晶金刚石的生长速率和质量。结论 在高功率等离子体环境中,通过大幅度的提高微波功率,可以有效地活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团。在微波功率为37k W、甲烷体积分数为5%的情况下,将基片温度控制在950℃附近,可以有效地抑制多晶杂质的生成,实现了57片单晶金刚石的批量生长。

高功率微波等离子体对单晶金刚石同质外延生长的影响

目的为了优化单晶金刚石大批量生长的等离子体环境,研究高功率微波等离子体环境对单晶金刚石外延生长层的影响。方法利用实验室自主研发的915 MHz–MPCVD装置,在20~35 kW高功率微波馈入的条件下,具体研究了高功率等离子体环境中甲烷浓度、微波功率及基片温度对单晶金刚石外延生长层的影响。利用光学显微镜、激光拉曼光谱及光致发光光谱对所生长的单晶金刚石进行形貌质量表征,利用等离子体发射光谱对高功率微波等离子体环境进行诊断。结果在馈入25 kW的微波功率时,将甲烷的体积分数从6%下降至3%,可以使单晶金刚石更易于出现层状生长结构;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率从25 kW提高到35 kW,可以进一步优化单晶金刚石生长的层状结构,提高单晶金刚石的生长质量和生长速率;保持微波功率为35 kW,当甲烷体积分数为3%时,将基片温度从800℃提高到1210℃可以明显提高单晶金刚石的生长速率,但会易于引入非金刚石相;保持甲烷体积分数为3%,将微波功率提高到35 kW,可以在等离子体中激发更多有利于金刚石快速生长的含碳活性基团;当微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%、基片温度为950℃时,单晶金刚石的生长速率可达25.6μm/h,且单晶金刚石的质量及颜色较好。结论在高功率等离子体环境中,即使在相对较低的甲烷浓度下,通过大幅度提高微波功率也可以有效活化含碳基团,在等离子体中产生有利于单晶金刚石高质量高速生长的活性基团;基片温度对单晶金刚石中的非金刚石相及颜色具有显著影响,在微波功率为35 kW、甲烷体积分数为3%的情况下,将基片温度控制在950℃附近,可以有效抑制非金刚石相的生成。