Preparación MPCVD de tecnología de diamante.

 

Palabras clave: diamante MPCVD; tecnología de preparación; defectos de cristal; estructura de doble sustrato

 

0 Introducción

Actualmente, entre los principales métodos de síntesis de diamantes monocristalinos, las tecnologías relativamente maduras son la alta-presión, alta-temperatura (HPHT) y la deposición química de vapor por plasma por microondas (MPCVD). Aunque el método de alta-presión y alta-temperatura tiene un proceso de preparación simple y una rápida tasa de crecimiento del diamante monocristalino-, su equipo es inestable, lo que fácilmente conduce a la incapacidad de cultivar continuamente diamantes monocristalinos-de gran-tamaño-durante mucho tiempo. Además, se agregarán algunas impurezas durante la síntesis de los diamantes monocristalinos, lo que no favorece el crecimiento de diamantes monocristalinos de alta-calidad. El método de crecimiento homoepitaxial de diamante monocristalino-mediante deposición química de vapor con plasma por microondas (MPCVD) es actualmente el método más utilizado y ha recibido amplia atención por parte de académicos nacionales y extranjeros. En comparación con otros métodos, el método MPCVD para preparar diamantes monocristalinos tiene las ventajas de una gran energía cinética electrónica, un amplio rango de presión de trabajo estable, un alto grado de ionización, ausencia de contaminación de electrodos y un funcionamiento estable a largo plazo.

 

 

1. Influencia de la estructura de sustrato dual-en el crecimiento del diamante de un solo-cristal

El aparato experimental utilizado fue un novedoso dispositivo MPCVD desarrollado independientemente por Xia Yuhao et al. Se introdujo una estructura de sustrato dual-en la cavidad resonante acoplada tradicional. La frecuencia de funcionamiento era de 2,45 GHz y la potencia máxima de salida era de 1,6 kW. El diagrama esquemático se muestra en la Figura 1.

 

Figura 1 Principio de las cavidades resonantes de microondas con diferentes estructuras.

 

Después del crecimiento, se analizó la influencia de la estructura del sustrato dual-en el espectro de emisión del plasma y del crecimiento del diamante monocristalino bajo los mismos parámetros mediante espectroscopia Raman, microscopía electrónica de barrido, espectroscopia de emisión y otros equipos.

 

En comparación con la estructura tradicional de sustrato único-, bajo los mismos parámetros de deposición, las esferas de plasma generadas por la estructura de sustrato dual- eran más pequeñas en volumen y tenían mayor densidad de potencia. La intensidad y densidad de los grupos C2 y H en el plasma también fueron mucho más altas que las de la estructura de sustrato único-.

 

En comparación con la estructura de sustrato único-, el diamante de cristal único- cultivado bajo la estructura de sustrato dual-en condiciones de alto contenido de metano tenía una morfología de superficie más suave y uniforme, mayor cristalinidad, menos defectos internos y un cambio de pico característico más pequeño en el diamante. La tasa de crecimiento del diamante monocristalino cultivado en una estructura de sustrato dual-aumenta significativamente al aumentar la fracción de volumen de metano, alcanzando hasta 24 μm/h, lo que lo hace adecuado para cultivar películas gruesas con alto contenido de metano.

 

 

2. Proceso de preparación de la película de diamante por MPCVD

Aunque la tecnología de deposición de películas delgadas de diamante se ha estudiado ampliamente, el crecimiento de alta-calidad, alta-tasa y bajo-coste de las películas de diamante bajo numerosos parámetros de proceso siempre ha sido el objetivo perseguido por la industria. Las películas de diamante de alta-calidad cultivadas en condiciones optimizadas no solo tienen bajos costos de producción, sino que también logran un salto cualitativo en aplicaciones en los campos de la electrónica y la energía.

 

HUANG et al. exploraron la tasa de crecimiento más rápida de películas de diamante bajo diferentes presiones de cámara, fracciones de volumen de metano y potencia de microondas.

 

Jiang Caiyi estudió la correlación entre la temperatura del sustrato, la presión de la cámara de reacción y la fracción de volumen de metano con la pureza y la tasa de crecimiento de las películas de diamante.

 

La nucleación de películas de diamante no sólo está estrechamente relacionada con factores como el tipo de material del sustrato y el método de pretratamiento de la superficie, sino que también se ve muy afectada por parámetros del proceso como la temperatura del sustrato, la presión de la cámara y la fracción de volumen de metano. Una temperatura más baja del sustrato favorece la nucleación, pero una temperatura demasiado baja provocará una velocidad de nucleación lenta y una uniformidad deficiente; aumentar la fracción de volumen de metano puede promover la nucleación, pero una fracción de volumen demasiado alta conducirá a una disminución de la pureza del diamante [7-9]. Li Sijia et al. [10] estudiaron los efectos de la temperatura del sustrato, la presión de la cavidad y la fracción de volumen de metano sobre la calidad de las películas de diamante a través de experimentos y desarrollaron las condiciones óptimas del proceso, obteniendo los siguientes resultados:

(1) Cuando la temperatura es demasiado baja, hay menos hidrógenos en estado -excitado, la tasa de crecimiento de la película de diamante es lenta y no favorece el crecimiento de la fase de la película de diamante; cuando la temperatura es demasiado alta, la película de diamante crece rápidamente, pero la calidad del cristal es mala y es fácil de grafitizar.

(2) Cuando la presión es demasiado baja, las esferas de iones se dispersan, la tasa de crecimiento es lenta y la capacidad de grabado del átomo de hidrógeno es insuficiente, lo que da como resultado una mala calidad de la película de diamante; cuando la presión es demasiado alta, la tasa de crecimiento es más rápida, pero en este momento las esferas de plasma están más concentradas y la fracción de volumen de átomos de hidrógeno en estado excitado-es mayor, lo que provocará un aumento de los defectos del diamante y una disminución de la calidad.

(3) Cuando la fracción de volumen de metano es demasiado baja, la fracción de volumen de carbono-que contiene grupos activos es baja y la tasa de crecimiento es lenta, pero la calidad del diamante es alta; cuando la fracción de volumen de metano es demasiado alta, la fracción de volumen de carbono-que contiene grupos activos es alta y la tasa de crecimiento es rápida, pero la calidad del diamante es mala. Es evidente que tanto las fracciones de volumen de metano excesivamente altas como las excesivamente bajas son perjudiciales para la formación de películas de diamante de alta-calidad [11-12].

 

3. La influencia de la temperatura en los defectos del diamante monocristalino de homoeteroepitaxia

MPCVD, como método de deposición de diamantes comúnmente utilizado, tiene ventajas como descarga sin electrodos, tasa de crecimiento rápida y bajas impurezas del producto, lo que lo convierte en un método ideal de crecimiento de diamantes [13]. Sin embargo, MPCVD tiene requisitos estrictos sobre los parámetros de crecimiento y la calidad del diamante monocristalino-y el diamante monocristalino-crecido todavía contiene defectos e impurezas, que tienen un impacto significativo en su rendimiento [14]. Por lo tanto, reducir los defectos en el diamante monocristalino-es de importancia positiva para mejorar su rendimiento y promover su aplicación en dispositivos electrónicos.

 

Los defectos del diamante se clasifican principalmente en tres tipos: dislocaciones, maclas y fallas de apilamiento. A menudo existen fallas de apilamiento y granos micro-gruesos en el plano cristalino (111), y la posibilidad de metamorfismo en el plano (111) es mucho mayor que en el plano cristalino (100).

 

Los estudios han encontrado que las fallas de apilamiento ocurren principalmente en el plano cristalino (111) y se distribuyen cerca de los límites de los granos; Las causas de los defectos en el diamante monocristalino-pueden ser defectos en el propio cristal semilla, impurezas en la fuente de gas, impurezas en la cavidad o inconsistencias en los parámetros experimentales utilizados. Por tanto, TALLAIRE et al. utilizó plasma de H₂/O₂ para grabar los defectos de la superficie del diamante monocristalino durante mucho tiempo antes de su crecimiento para reducir los defectos.

 

WANG et al. [17] encontraron que la transformación de las facetas (111) a (100) estaba relacionada con la concentración volumétrica de metano y la temperatura, y que aumentar la concentración volumétrica de metano podría promover la transformación de las facetas (111) a (100).

Yan Lei et al. [18] encontraron en su estudio del efecto de I(C2)/I(H) sobre la calidad del crecimiento del diamante que cuanto menor sea la proporción, mejor será la calidad del diamante crecido. Esto se debe a que el C2, como precursor del diamante, participa directamente en el proceso de crecimiento homeepitaxial del diamante; mientras que H graba preferentemente la fase sin diamante, por lo que cuanto mayor sea el contenido del grupo H, mejor será la calidad del diamante cultivado.

 

4. Conclusión

4.1 En comparación con la estructura de sustrato único-, el diamante de cristal único- cultivado en condiciones de alto contenido de metano con la estructura de sustrato dual-tiene una morfología de superficie más suave y uniforme, mayor cristalinidad y menos defectos internos.. 4.2 La tasa de crecimiento de la película de diamante se correlaciona positivamente con la temperatura del sustrato, la presión de la cavidad y la fracción de volumen de metano.

4.3 El diamante monocristalino- depositado a 740 grados generará una gran tensión de compresión, lo que eventualmente provocará grietas en la superficie; los defectos cónicos del diamante depositado a 780 grados y 820 grados se reducirán hasta cierto punto después del crecimiento; El área de defecto del plano (111) del diamante monocristalino depositado en 860 grados aumentará.

 

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