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CVD大颗粒金刚石单晶生长

admin 人造钻石 2020年12月04日

  CVD大颗粒金刚石单晶生长_化学_自然科学_专业资料。CVD法金刚石单晶生长与掺杂 王希玮 2016.11.8 金刚石晶体结构 金刚石结构为两套面心立方晶格套构 而成,碳原子彼此都以共价键结合,每个 碳原子周围都有4个正四面体分别的碳原子。 密排面

  CVD法金刚石单晶生长与掺杂 王希玮 2016.11.8 金刚石晶体结构 金刚石结构为两套面心立方晶格套构 而成,碳原子彼此都以共价键结合,每个 碳原子周围都有4个正四面体分别的碳原子。 密排面为(111)晶面。 金刚石(111)晶面的特点: 1、易沿(111)密排面形成解理面。 2、 (111)密排面结合牢固,化学腐蚀困难、 缓慢,腐蚀后容易暴露在表面。 3、 (111)密排面面间距离大,结合弱,晶 格缺陷容易在此形成和扩展。 4、 {111}密排面晶面能量低,在晶体生 长中易使晶体表面形成(111)晶面。 金刚石生长方法 高温高压法(HPHT) 设备:两面顶压机(国外)/六面顶压机(国内) 生长环境:高压(10GPa数量级) 高温(1400℃以上高温) 催化剂(金属为主,Fe-Ni体系) 反应原理:引入金刚石晶种,然后晶体生长 石墨——金刚石 SP2——SP3 金刚石生长方法 化学气相沉积法(CVD) 设备:CVD合成炉 生长环境: 常压或低压(小于1个大气压) 高温(800℃-2000℃) 反应原理:气体原料为CH4、 N2和H2。通过各种加热方式使 压力室内的CH4分解形成C单 质,通过引入晶种底片,调整 温度梯度和诱导晶种位置变化 引导C向下沉积在晶种底片上, 集聚硬化后形成金刚石单晶。 金刚石CVD生长方法 1. 热丝CVD法(HFCVD) 电热丝材料:W, Ta, Re 热丝温度:2000℃ 晶种温度:700℃-1000℃ 反应腔体压力:10-100 torr (1torr≈133Pa) 反应腔体气氛:99%H2+1%CH4 反应速度:小于10 ?m/hr 出自Matsumoto et al (1982),是第一次报 道CVD合成钻石的方法,不过很快就被更加 稳定的设备和工艺取代。 金刚石CVD生长方法 2. 微波等离子CVD法(MPCVD) Key:精密控制发出的微波能量, 保证不能对晶种表面造成损伤。所 以在一定程度上可以控制生长速度。 一般来说生长速度为每小时几微米。 1983年由日本科技厅无机材料研究 所首次报道使用,1993年据报道生 产出高取向的晶体。 MPCVD是目前CVD生长金刚 石薄膜最常见的工艺。其优势在于 设备和工艺简单,等离子体气团可 以全程观测,来调整和判断晶体生 长状况。 金刚石生长方法 CVD生长法 3.直流电弧等离子体喷射CVD法 高持续电压:大于1000V 高电流密度:4A/cm2 晶种温度:1100K 配套:冷却循环水 优势:更快的生长速度(几十微米每 小时) 劣势:1.高直流电压 2.特殊电极材料 3. 生长厚度均匀性较差 这种方法还有很多需要优化与调 整的空间。但是为很多综合性改进 CVD生长法提供了思路。 CVD金刚石晶种 一般CVD金刚石籽晶选择晶面取向 为(100),不允许存在其他的取 向。因为该晶面外延生长的质量最 高,如使用(111)面,会产生大 量多晶、层错和位错。影响最终产 品的质量。 近期有研究发现,略微偏离(100) 晶面1°-3°会有助于表面平整的 单晶外延,因为台阶生长是CVD金 刚石单晶的外延的主要方式,适当 的偏角有助于减少生长台阶的高度 和形貌。这一技术被称为“Offangle growth”。 CVD晶种局限性 CVD金刚石单晶的尺寸仅受单晶晶种尺寸的限制,有多大晶种就能生 长多大的CVD金刚石单晶。目前主要的单晶来源为HPHT生长的单晶 晶种。但是目前HPHT单晶晶种的最大尺寸仅为8mmx8mm,这也是 CVD金刚石单晶尺寸的极限。通过侧向生长虽然可以扩大CVD金刚石 单晶的尺寸,但是相当困难。通过侧向生长技术所能达到的最大尺寸 依然停留在12.5mmx12.5mm。 常规的晶体成长速度非常有限,必须使用特殊的方式才能诱导加速生 长,常见几种特殊的处理方式: 1.使用金刚石微粉抛光晶种表面。 2. 晶种表面预先沉积缓冲层。 3. 电化学刻蚀。 4. 晶面倾斜。 金刚石性质与部分应用 强大的力学性能: 用于磨料磨具,切割刀具。 优异的光学性能: 珠宝领域、光传导领域(X射 线窗口等) 化学稳定性: 与绝大多数强酸碱不反应, 可用于极特殊环境下的表面 处理。 特别的声学特性: 扬声器膜片(声波传导速度 18.2km/s) 极低的摩擦系数: 表面润滑等。 金刚石P型掺杂 优势: 1.禁带宽度:5.5eV 2.高介电常数:5.5 3. 高热导率:20W/cm.K P型半导体掺杂:B 气态掺杂 乙硼烷(B2H6)常温下为易燃易爆的有毒气体。是目前广泛 用于CVD生长工艺的掺杂气体。 固态/液态掺杂 硼粉末、氧化硼、硼酸三甲酯。常见引入方式为先加热 或溶于一定的溶剂,再进行掺杂。 硼元素的掺杂引入可以在一定程度上提高CVD生长速率并且控制表 面形貌。 金刚石N型掺杂 N型半导体掺杂 N型掺杂一直是金刚石掺杂的难点,这个难点的攻克使用了约15年的时间。最 终目标为:高掺杂原子浓度、浅施主杂质能级。 氮掺杂:使得金刚石晶格中杂质能级位于导带底1.7eV深能级。 磷掺杂:金刚石激活能高(10.4eV),掺杂后载流子浓度低,杂质能级位于导 带底0.6eV。 共掺杂(2000年初) 将P型杂质原子核N型杂质原子进行共掺杂,可以获得n型金 刚石薄膜。 体系:B/S共掺杂,气氛为:CH4或丙酮(金刚石C源)+二甲基二硫(S掺杂 源)+三氧化二硼(硼掺杂源),硼硫比:0.02-0.2*10-6 优势:1.相对于纯S掺杂,B的引入提高了S的掺杂率并降低了激活能。 2.B-S体系提高了晶格完整性,减少了缺陷数量。 钻石的加工 四个主要程序: 标记(设计标线或划线) 分割(劈、锯或激光切割) 成型(车钻) 抛磨(磨钻) 谢谢大家。


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