利用发射光谱探究CO_(2)对MPCVD法生长单晶金刚石质量的影响

等离子体发射光谱作为一种非侵入性等离子体诊断手段能有效探测等离子体内部基团的变化信息,对这些信息的分析可以反映等离子体的特性,从而有助于探究影响单晶金刚石生长结果的原因和机理。CO_(2)是一种比O2更安全的气体,近年来在源气体引入CO_(2)生长高质量单晶金刚石的研究日渐增多。本文利用微波等离子体化学气相沉积法在4.2 kW的微波功率下进行单晶金刚石同质外延生长实验,对生长过程中的CH_(4)/H_(2)/CO_(2)等离子体进行了发射光谱诊断,最后结合光谱信息和拉曼光谱表征研究了CO_(2)体积分数对单晶金刚石生长质量的影响,结果发现CO_(2)浓度增加对C_(2)和CH基团强度抑制作用明显,对C_(2)抑制作用最强,这也是导致生长速率下降的主要原因。I(CH)/I(Hα)比值略有增加,说明CO_(2)增加对金刚石前驱物的沉积有促进作用,这在一定程度上减弱了对生长速率的不利影响。拉曼表征结果说明0~5%CO_(2)浓度下的单晶金刚石质量随CO_(2)浓度上升变好,且浓度为5%时,1420 cm−1杂质峰基本消失。

二氧化碳对同质外延生长单晶金刚石内应力的影响

本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO_(2)对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响,并对其作用机理进行了分析。研究发现,随着CO_(2)浓度增加,单晶金刚石内应力逐渐减小,这是由于添加的CO_(2)提供了含氧基团,可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳,并能够降低金刚石中杂质的含量,从而避免晶格畸变,减少生长缺陷,并最终表现为单晶金刚石内应力的减小,其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO_(2)可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度,且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。

氮对MPCVD单晶金刚石生长与含量研究进展

微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术被认为是制备高纯单晶金刚石的首选方法。然而因为氮原子的半径与碳的原子半径相近,容易成为单晶金刚石生长层中的主要杂质,是阻碍MPCVD单晶金刚石推广应用的原因之一。经过国内外研究团队的对氮与MPCVD单晶金刚石的生长与氮杂质含量控制研究取得了一些结果。但是除此之外还需要解决氮掺杂提速与控制单晶金刚石生长层中氮杂质含量的控制统一问题,才能实现MPCVD单晶金刚石的高端领域应用。

初始真空度对金刚石氮含量的影响

在量子计算、辐射探测器等领域,对金刚石中的氮含量有着严苛的要求,高品质天然金刚石昂贵且稀缺。随着微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备单晶金刚石技术愈发成熟,人工合成高纯金刚石将会代替天然金刚石。本文探究真空腔中不同的初始真空度对MPCVD生长金刚石氮含量的控制,探索金刚石含氮量与腔体初始空度的相关性。方法 利用5.0kW的微波设备,在2.4x10-1Pa~2.4X10-4Pa不同初始真空度的情况下,探究生成单晶金刚石的含氮量。结果 据SIMS与EPR表明,随着真空腔体初始真空度的不断提高,生成的CVD单晶金刚石中的孤氮含量也相应减少。当初始真空度2.4x10-1Pa时,生长出的单晶金刚石中N含量为6.8ppb;在2x10-4Pa时,生长出的单晶金刚石中N含量为2.5ppb。结论 真空腔体中初始真空度提高,有助于单晶CVD金刚石中的N浓度进行一定程度的控制。