تهیه MPCVD تکنولوژی الماس

 

کلمات کلیدی: الماس MPCVD; تکنولوژی آماده سازی؛ نقص کریستال؛ ساختار بستر دوگانه

 

0 مقدمه

در حال حاضر، در میان روش‌های اصلی سنتز برای الماس تک بلوری، فن‌آوری‌های نسبتاً بالغ، دمای بالا-فشار بالا- (HPHT) و رسوب بخار شیمیایی پلاسما مایکروویو (MPCVD) هستند. اگرچه روش{4}}فشار بالا-درجه حرارت بالا فرآیند آماده‌سازی ساده و سرعت رشد سریع الماس تک-بلور دارد، تجهیزات آن ناپایدار است، که به راحتی منجر به عدم توانایی در رشد مداوم الماس‌های تک بلوری با اندازه بزرگ{-برای مدت طولانی می‌شود. علاوه بر این، برخی ناخالصی‌ها در طول سنتز الماس‌های تک کریستالی اضافه می‌شوند که برای رشد{11}الماس‌های تک بلوری{12}}با کیفیت بالا مفید نیست. روش رشد هماپیتاکسی الماس تک بلوری{14}به‌وسیله رسوب‌دهی بخار شیمیایی پلاسمایی مایکروویو (MPCVD) در حال حاضر متداول‌ترین روش مورد استفاده است و توجه گسترده‌ای از سوی محققان داخل و خارج از کشور جلب شده است. در مقایسه با روش‌های دیگر، روش MPCVD برای تهیه الماس‌های تک کریستالی دارای مزایای انرژی جنبشی الکترون بزرگ، محدوده فشار کاری پایدار، درجه یونیزاسیون بالا، عدم آلودگی الکترود، و عملکرد پایدار طولانی‌مدت است.

 

 

1. تأثیر ساختار دو لایه-روی تک-رشد الماس کریستالی

دستگاه آزمایشی مورد استفاده یک دستگاه MPCVD جدید بود که به طور مستقل توسط Xia Yuhao و همکاران توسعه داده شد. یک ساختار بستر دوگانه در حفره تشدید جفت شده سنتی وارد شد. فرکانس کاری 2.45 گیگاهرتز و حداکثر توان خروجی 1.6 کیلو وات بود. نمودار شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1 اصل حفره های تشدید مایکروویو با ساختارهای مختلف

 

پس از رشد، تأثیر ساختار بستر دوگانه بر روی طیف انتشار پلاسما و رشد الماس تک بلوری تحت همان پارامترها با استفاده از طیف‌سنجی رامان، میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف‌سنجی نشری و سایر تجهیزات مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

 

در مقایسه با ساختار زیرلایه تک{0} سنتی، تحت پارامترهای رسوب‌گذاری یکسان، کره‌های پلاسمایی تولید شده توسط ساختار زیرلایه دوگانه حجم کمتری داشتند و چگالی توان بالاتری داشتند. شدت و چگالی گروه‌های C2 و گروه‌های H در پلاسما نیز بسیار بیشتر از ساختار زیرلایه‌ای منفرد بود.

 

در مقایسه با ساختار تک لایه-، الماس تک بلوری-که در زیر ساختار دوگانه-در شرایط محتوای متان بالا رشد می‌کند، دارای مورفولوژی سطحی صاف‌تر و یکنواخت‌تر، بلورینگی بالاتر، نقص‌های داخلی کمتر، و تغییر قله مشخصه کوچک‌تر در الماس بود. نرخ رشد الماس تک بلوری که در یک ساختار بستر دوگانه رشد می‌کند با افزایش کسر حجمی متان به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد و به ۲۴ میکرومتر در ساعت می‌رسد و آن را برای رشد لایه‌های ضخیم در محتوای متان بالا مناسب می‌کند.

 

 

2. فرآیند تهیه فیلم الماس توسط MPCVD

اگرچه فناوری رسوب لایه نازک الماس به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، رشد-کیفیت بالا،-بالا{1}}و هزینه{2} پایین فیلم های الماس تحت پارامترهای فرآیندی متعدد، همیشه هدف صنعت بوده است. فیلم‌های الماس با کیفیت بالا که تحت شرایط بهینه رشد می‌کنند، نه تنها هزینه‌های تولید پایینی دارند، بلکه به یک جهش کیفی در کاربردها در زمینه‌های الکترونیک و انرژی دست می‌یابند.

 

HUANG و همکاران سریعترین نرخ رشد فیلمهای الماس را تحت فشارهای محفظه مختلف، کسر حجمی متان و قدرت مایکروویو بررسی کرد.

 

Jiang Caiyi همبستگی بین دمای بستر، فشار محفظه واکنش، و کسر حجمی متان را بر خلوص و سرعت رشد فیلم‌های الماس مطالعه کرد.

 

هسته زایی فیلم های الماس نه تنها با عواملی مانند نوع مواد بستر و روش پیش تصفیه سطح ارتباط نزدیکی دارد، بلکه به شدت تحت تأثیر پارامترهای فرآیند مانند دمای بستر، فشار محفظه و کسر حجمی متان قرار می گیرد. دمای پایین‌تر بستر منجر به هسته‌زایی می‌شود، اما دمای بسیار پایین منجر به سرعت هسته‌زایی کند و یکنواختی ضعیف می‌شود. افزایش کسر حجمی متان می تواند باعث تقویت هسته شود، اما کسر حجمی بسیار زیاد منجر به کاهش خلوص الماس می شود [7-9]. لی سیجیا و همکاران [10] اثرات دمای بستر، فشار حفره و کسر حجمی متان را بر روی کیفیت فیلم‌های الماس از طریق آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار داد و شرایط بهینه فرآیند را ایجاد کرد و نتایج زیر را به دست آورد:

(1) هنگامی که دما خیلی پایین است، هیدروژن‌های{1}}حالت برانگیخته کمتری وجود دارد، سرعت رشد فیلم الماس آهسته است، و برای رشد فاز فیلم الماس مناسب نیست. هنگامی که درجه حرارت بیش از حد بالا است، فیلم الماس به سرعت رشد می کند، اما کیفیت کریستال ضعیف است و به راحتی گرافیت می شود.

(2) هنگامی که فشار خیلی کم است، کره های یونی پراکنده می شوند، سرعت رشد آهسته است، و توانایی اچ کردن اتم هیدروژن کافی نیست، و در نتیجه کیفیت فیلم الماس ضعیف است. وقتی فشار خیلی زیاد است، سرعت رشد سریع‌تر می‌شود، اما در این زمان کره‌های پلاسما متمرکزتر می‌شوند و کسر حجمی اتم‌های هیدروژن حالت برانگیخته بیشتر است، که منجر به افزایش عیوب الماس و کاهش کیفیت می‌شود.

(3) وقتی کسر حجمی متان خیلی کم است، کسر حجمی کربن{1} حاوی گروه‌های فعال کم است و سرعت رشد کند است، اما کیفیت الماس بالا است. وقتی کسر حجمی متان خیلی زیاد است، کسر حجمی کربن-حاوی گروه‌های فعال بالا و سرعت رشد سریع است، اما کیفیت الماس ضعیف است. بدیهی است که هم کسرهای حجمی متان بسیار زیاد و بسیار کم برای تشکیل فیلم‌های الماس با کیفیت بالا مضر هستند [11-12].

 

3. تأثیر دما بر نقص در هموتروپیتاکسی تک- الماس کریستال

MPCVD، به عنوان یک روش متداول رسوب الماس، دارای مزایایی مانند تخلیه بدون الکترود، سرعت رشد سریع و ناخالصی کم محصول است که آن را به یک روش رشد الماس ایده آل تبدیل می کند [13]. با این حال، MPCVD دارای الزامات سختگیرانه ای در مورد پارامترهای رشد و کیفیت الماس تک بلوری-و الماس تک کریستالی رشد یافته هنوز دارای عیوب و ناخالصی هایی است که تأثیر قابل توجهی بر عملکرد آن دارد [14]. بنابراین، کاهش عیوب در الماس تک کریستالی برای بهبود عملکرد آن و ارتقای کاربرد آن در دستگاه‌های الکترونیکی اهمیت مثبتی دارد.

 

عیوب الماس عمدتاً به سه نوع طبقه بندی می شوند: نابجایی، دوقلوها و گسل های انباشته. گسل های انباشته و دانه های ریز{1}}ضخیم اغلب در صفحه کریستالی (111) وجود دارد و احتمال دگرگونی در صفحه (111) بسیار بیشتر از صفحه کریستالی (100) است.

 

مطالعات نشان داده‌اند که گسل‌های انباشتگی بیشتر در صفحه کریستالی (111) رخ می‌دهند و در نزدیکی مرزهای دانه توزیع می‌شوند. علل نقص در الماس تک بلوری ممکن است نقص در خود کریستال دانه، ناخالصی در منبع گاز، ناخالصی در حفره، یا ناهماهنگی در پارامترهای آزمایشی مورد استفاده باشد. بنابراین، TALLAIRE و همکاران. از پلاسمای H2/O2 برای حک کردن عیوب سطحی الماس تک کریستالی برای مدت طولانی قبل از رشد برای کاهش عیوب استفاده کرد.

 

WANG و همکاران [17] دریافتند که تبدیل از (111) به (100) وجه با غلظت و دما حجم متان مرتبط است و افزایش غلظت حجم متان می تواند تبدیل از (111) به (100) وجه را ارتقا دهد.

یان لی و همکاران [18] در مطالعه خود در مورد تأثیر I(C2)/I(H) بر کیفیت رشد الماس دریافتند که هرچه این نسبت کمتر باشد، کیفیت الماس رشد یافته بهتر است. این به این دلیل است که C2، به عنوان یک پیش ساز الماس، به طور مستقیم در روند رشد هماپیتاکسی الماس شرکت می کند. در حالی که H ترجیحاً فاز غیر الماسی را حک می کند، بنابراین هر چه محتوای گروه H بالاتر باشد، کیفیت الماس رشد یافته بهتر است.

 

4. نتیجه گیری

4.1 در مقایسه با-ساختار تک لایه، الماس تک بلوری-که تحت شرایط محتوای متان بالا با ساختار زیرلایه دوگانه رشد می‌کند، دارای مورفولوژی سطحی صاف‌تر و یکنواخت‌تر، بلورینگی بالاتر و عیوب داخلی کمتر است. 4.2 نرخ رشد لایه‌های وابسته به الماس با فشار و دمای مثبت است. کسر حجمی متان

4.3 الماس تک کریستالی که در 740 درجه ته نشین شده است، تنش فشاری زیادی ایجاد می کند که در نهایت منجر به ترک های سطحی می شود. عیوب مخروطی الماس که در 780 درجه و 820 درجه ته نشین شده است پس از رشد تا حدی کوچک می شود. سطح نقص صفحه (111) الماس تک بلوری که در 860 درجه نهشته شده است افزایش می یابد.

 

بیانیه: مطالب فوق از اطلاعات عمومی اینترنت چین است. اگر هر گونه اشتباه اطلاعاتی یا مکان هایی وجود دارد که بر حقوق و منافع شما تأثیر می گذارد، لطفاً به ما اطلاع دهید تا آنها را حذف کنیم.