【原创】MPCVD金刚石迈入“高品质”发展格局？

中国粉体网讯  金刚石合成方法包括高温高压法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）。其中，微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）合成金刚石具有尺寸大、污染小等优势，是制备大尺寸高品质单晶金刚石的理想手段之一。

MPCVD法金刚石生长机理

MPCVD由微波系统、冷却系统、运动系统、检测系统、气路、水路以及控制系统组成。此类装置的原理是：由微波源将电能转化为微波能量，微波依次经过环形器、阻抗匹配器、波导、模式转换器、同轴结构进入谐振腔，波导管内的传输模式为TE10模式，经过模式转换器后进入谐振腔以TM模式谐振，在谐振腔内部的基片台上方聚焦形成强电场。

当腔室内的气体和微波的输入功率互相匹配时，气体在强电场处被电离成为等离子体，温度达到预期后，通入甲烷、氮气以及氩气等气体，反应气体裂解成CH₂、CH₃、C₂H₂以及OH等基团，含碳活性基团在籽晶表面发生表面化学反应，形成sp³杂化的金刚石相和sp²杂化的石墨相，由于氢气对石墨的刻蚀作用大于对金刚石的刻蚀速度，从而实现金刚石的生长。 

MPCVD法制备金刚石采用微波放电，不存在金属污染，微波产生的电场集中,可持续为等离子体提供能量，放电过程稳定，非常适合高质量的金刚石的沉积。由于MPCVD法制备金刚石的纯度高，缺陷少，其物理和化学性质与天然金刚石更接近，是热沉级、光学级以及电子级的首选制备方法。此外在金刚石的沉积过程中混合相关元素气体，实现金刚石的可控掺杂，因而MPCVD法是目前最佳的金刚石制备技术。

MPCVD装置

MPCVD装置经过多年的技术沉淀，世界众多科研团队和企业研发出了多种系列的微波等离子体化学气相沉积装置。为了追求更大输入微波功率，MPCVD装置由简单的石英管式，发展出了石英钟罩式、平板式不锈钢圆柱形谐振腔、狭缝耦合MPCVD、椭球式以及单模激发等离子等多种CVD沉积金刚石装置。

随着功率的增加，沉积面积也在向微波等离子体的沉积范围极限发展，从最初的10mm直径的沉积范围增加到了目前3英寸左右的沉积范围。2450MHz微波的波长为122.4mm，其放电尺寸一般为波长的一半即直径为60mm左右，60mm直径的沉积范围是目前工业生产中主流的装置水平，对微波谐振腔的进一步优化，可以实现更大面积的沉积。在MPCVD中石英是整个装置中的最重要的一个部件，对设备的真空和微波两个主要因素有着极大的影响。 

石英钟罩MPCVD装置

椭球式MPCVD装置

与其他类型的CVD装置相比，MPCVD装置在沉积高品质金刚石时，其沉积速度较低，一般沉积速率低于2μm/h。高能量密度等离子体更容易沉积高品质的金刚石晶体，所以可通过加大沉积气压，压缩等离子球的体积，提高等离子体的能量密度，提升金刚石的沉积速率和金刚石品质，但这会导致沉积面积减小，不适合大面积金刚石的制备。另一种方法是增加装置的微波输入功率，在不减小沉积面积的前提下增加等离子球的能量密度，这对MPCVD装置各系统的设计和制造提出更大的挑战。

除了提高生长速率，如何制备更高品质的单晶金刚石也是MPCVD金刚石生长领域学者们重点关注的问题之一。

如何制备高品质MPCVD金刚石？

籽晶与预处理

为获得高质量的外延单晶金刚石，低缺陷密度、低杂质含量、高度取向的籽晶衬底选择及恰当的预处理是先决条件。目前，籽晶衬底有高温高压Ⅰb型与CVD籽晶，高温高压Ⅰb型单晶金刚石通常含有数百ppm的氮杂质，非均匀分布在籽晶中，造成晶格畸变，在界面处引入张应力，成为位错源。CVD籽晶外延单晶金刚石位错密度却只有高温高压Ⅰb型外延层的1/2。所以Ⅱa型单晶金刚石以及高品质CVD单晶金刚石逐渐成为高质量、大尺寸的MPCVD外延单晶金刚石首选衬底材料。

除了选择高品质的籽晶衬底外，对籽晶表面进行预处理以减少缺陷、杂质颗粒以及抛光处理损伤层对获得高质量的外延层非常关键。值得一提的是，无论采取何种预处理手段，均无法完全避免籽晶内部固有的缺陷延伸至外延层，只能尽可能减少表面杂质颗粒及由抛光引入的表面缺陷和非晶碳层。

基台结构设计

MPCVD基台主要有两种类型的基台结构，即嵌入式和开放式。入式基台结构具有更均匀的温度场，能够有效抑制多晶和孪晶的生成，保证更好的晶体质量，但生长速率较低。而开放式结构设计则提高了微波功率密度，进而提高了生长速率，缺点是温度梯度较大，边缘多晶效应严重，限制了单晶面积的横向扩展。

“嵌入式”和“开放式”基台示意图

工艺参数

生长工艺的稳定性与可靠性是连续沉积大面积、高质量单晶金刚石的保障。在外延生长过程中，沉积温度、甲烷浓度、气体压力是控制生长的关键参数。这些参数对等离子体状态，活性基团离解、激活、分布等都有显著影响，进而影响表面一系列的物理化学反应。

随着生长工艺参数的优化及MPCVD设备的不断完善，未来高速率、高质量、大尺寸的金刚石晶体材料将越来越容易获得，金刚石制品将迎来爆发式增长，有望成为新一代功能半导体材料，引发新一轮的电子信息技术革命，在未来的社会和科学技术发展中产生巨大的影响。

2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到哈尔滨工业大学朱嘉琦教授出席本次大会并作题为《高品质MPCVD金刚石单晶材料、装备及半导体应用》的报告。本报告将介绍金刚石合成方法及原理，MPCVD金刚石合成装备、高质量金刚石晶体材料合成工艺、金刚石半导体器件应用等内容，并给出发展展望。

专家简介

朱嘉琦，哈尔滨工业大学航天学院教授、博导，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金，万人计划领军人才，科技部重点专项、装备发展部领域专家，科工局科技创新领域专家，国防科技创新团队带头人，高效焊接新技术国家工程研究中心副主任。主要从事晶体及薄膜等研究，担任中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国材料研究学会极端材料与器件分会副主任，中国仪表材料学会副理事长, Functional Diamond、Surface Science and Technology副主编，表面技术、人工晶体学报、中国表面工程、低温与真空、功能材料、材料科学与工艺等杂志编委，获得中国青年科技奖、省青年五四奖章等荣誉，获国家技术发明奖二等奖2项，国家专利金奖1项，黑龙江省技术发明一等奖2项。以负责人承担国家自然科学基金6项（含重点1项）、重点研发计划项目2项、国防基础科研3项、预研计划7项、军品配套3项等科研项目。成果已应用于多种重点型号，并实现产业化。获授权发明专利82项(转让21项)，在SCIENCE, ADVANCED MATERIALS等知名刊物发表200余篇学术论文，出版学术专著2部，译著1部。

参考来源：

1.董浩永等. MPCVD同质外延单晶金刚石研究进展.材料导报

2.王皓. MPCVD腔体的设计与单晶金刚石生长的研究.郑州航空工业管理学院

3.李一村等. MPCVD单晶金刚石高速率和高品质生长研究进展.人工晶体学报

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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