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金剛石具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和電性能,是一種典型的多功能材料,在航天航空、能源、智能傳感器、精加工等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在較低的生產(chǎn)成本下,化學(xué)氣相沉積法可制備出大尺寸高品質(zhì)金剛石膜，滿足金剛石在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用要求，微波等離子體化學(xué)氣相沉積法憑借能量密度大、污染小等優(yōu)勢(shì)，成為制備高品質(zhì)金剛石膜的首選方法。

1/金剛石薄膜的影響因素：

01氣壓 ：研究表明,在一定范圍內(nèi)提高氣壓有利于金剛石薄膜的高質(zhì)量生長(zhǎng),當(dāng)氣壓控制在 14~17 kPa時(shí)可獲得質(zhì)量較好的金剛石膜。

02襯底溫度的影響 ：在 MPCVD法制備金剛石膜的過(guò)程中，襯底溫度是影響金剛石膜生長(zhǎng)質(zhì)量和生長(zhǎng)速率的關(guān)鍵參數(shù)。在腔體壓強(qiáng)和甲烷體積分?jǐn)?shù)不變的情況下，溫度過(guò)低時(shí)，激化態(tài)氫較少，金剛石膜生長(zhǎng)速度率慢且不利于金剛石膜相的生長(zhǎng)；溫度過(guò)高時(shí)，金剛石膜生長(zhǎng)迅速，但晶體質(zhì)量較差且比較容易石墨化。

03基體溫度的影響 ：基體溫度的改變可明顯影響金剛石的形核速率及質(zhì)量。研究表明,利用高溫形核-低溫生長(zhǎng)的梯度降溫法，能夠沉積生長(zhǎng)質(zhì)量良好的金剛石膜?；w表面等離子體能量輻射是基體溫度的主要來(lái)源，且表現(xiàn)出不同的溫度梯度，因此在沉積金剛石薄膜時(shí),為確保其較高質(zhì)量，一定要控制基體表面溫度的均勻性。利用高溫形核-低溫生長(zhǎng)的控溫方法，能夠在950℃制備力學(xué)性能較好的薄膜，且與基體有較好的結(jié)合力。

2/MPCVD制備金剛石 

技術(shù)原理： 微波等離子化學(xué)氣相沉淀法是指高純度氫氣在強(qiáng)大的微波作用下產(chǎn)生高能量的等離子火球，高純度甲烷氣體在等離子作用下變成游離的碳原子和氫原子，這些游離的碳原子在強(qiáng)大能量的等離子作用下會(huì)逐步按立體排列的方式沉淀到底部的鉆石種子上，使鉆石種子逐步長(zhǎng)厚形成與[天然鉆石結(jié)構(gòu)&成分]完全一致的CVD培育鉆石。

01多晶金剛石膜的制備：

光學(xué)級(jí)、電子級(jí)多晶金剛石膜的制備要求沉積率理想和缺陷密度極低或光學(xué)可控,無(wú)電極污染放電的MPCVD必然成了電子級(jí)、光學(xué)級(jí)金剛石膜的理想方法。北京科技大學(xué)李成明團(tuán)隊(duì)、武漢工程大學(xué)汪建華團(tuán)隊(duì)和太原理工大學(xué)于盛旺團(tuán)隊(duì)在MPCVD制備光學(xué)級(jí)多晶金剛石膜的研究方面均取得了一定的成果，但與同類國(guó)際先進(jìn)水平存在差距。國(guó)內(nèi)上述團(tuán)隊(duì)開發(fā)的光學(xué)級(jí)多晶金剛石膜可滿足紅外/雷達(dá)雙模制導(dǎo)窗口，高功率CO2激光加工機(jī)窗口及高功率微波窗口的基本應(yīng)用要求。相對(duì)于苛刻的光學(xué)級(jí)、電子級(jí)多晶金剛石膜應(yīng)用制備條件而言，多晶金剛石膜作為半導(dǎo)體功率器件散熱的熱應(yīng)用更廣，需求更大、更迫切。目前其沉淀的技術(shù)水平也較容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，制備出的熱沉級(jí)多晶金剛石膜的尺寸可達(dá)8英寸，隨著 MPCVD技術(shù)的改善升級(jí)有望與現(xiàn)存的8英寸半導(dǎo)體晶圓制造線兼容,最終實(shí)現(xiàn)多晶金剛石熱沉材料在半導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用推廣。此外,在金剛石半導(dǎo)體器件應(yīng)用中，可控?fù)诫s技術(shù)也至關(guān)重要。目前，金剛石的p型摻雜技術(shù)相對(duì)比較成熟,但暫無(wú)理想的方案解決金剛石的n型摻雜問(wèn)題。

02單晶金剛石的應(yīng)用與制備：

與多晶金剛石相比,無(wú)晶界制約的單晶金剛石 (SCD) 的光學(xué)、電學(xué)性能更加優(yōu)異，在量子通信/計(jì)算機(jī)、輻射探測(cè)器、冷陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器、半導(dǎo)體激光器、超級(jí)計(jì)算機(jī) CPU 芯片多維集成電路及軍用大功 率雷達(dá)微波行波管支撐桿等前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用效果突出，而制備出大尺寸高質(zhì)量SCD是前提。馬賽克拼接法作為制備大尺寸SCD 可行性較高的一種方法，已實(shí)現(xiàn)大尺寸SCD的制備。在低缺陷密度，高質(zhì)量SCD創(chuàng)造方面，異質(zhì)襯底上側(cè)面外延生長(zhǎng) (ELO) 單晶金剛石技術(shù)的表現(xiàn)更突出。大尺寸SCD的制備方法除了以上兩種方式外，已報(bào)道的方法還有重復(fù)拼接法和三維生長(zhǎng)法，其中 Mokuno等采用三維拼接生長(zhǎng)法得到了大尺寸 SCD (12mm x 12mm x 3.7mm)，但因?yàn)榇罅课诲e(cuò)缺陷存在于晶體中影響了晶體質(zhì)量。目前，大尺寸的SCD制備工藝技術(shù)依然存在極大的改善空間。

03培育鉆石的制造與應(yīng)用：

高品質(zhì)培育鉆石是目前資本市場(chǎng)和消費(fèi)市場(chǎng)追逐的熱點(diǎn),而金剛石在半導(dǎo)體、量子計(jì)算/通訊、輻射探測(cè)等前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用，作為搶占國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng) 制高點(diǎn)的橋頭堡是眾多科技團(tuán)隊(duì)目前關(guān)注的重點(diǎn)，為了滿足上述領(lǐng)域的應(yīng)用需求，開發(fā)出可制備大尺寸、高質(zhì)量和多領(lǐng)域應(yīng)用的金剛石的微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)裝備是其應(yīng)用的前提。當(dāng)前，在金剛石所有的應(yīng)用領(lǐng)域中培育鉆石最受資本青睞，而高品質(zhì)的培育鉆石產(chǎn)品已由實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)消費(fèi)市場(chǎng)。

結(jié)論:

01在一定范圍內(nèi)提高氣壓有利于金剛石膜的高質(zhì)量生長(zhǎng),當(dāng)氣壓控制在14~17kPa時(shí)可獲得質(zhì)量較好的金剛石膜。

02基體溫度應(yīng)嚴(yán)格控制,不能過(guò)高也不能過(guò)低, 否則將影響金剛石膜的質(zhì)量,利用高溫形核-低溫生長(zhǎng)的控溫方法，能夠在950℃制備力學(xué)性能較好的薄膜,且與基體有較好的結(jié)合力。

03金剛石作為新一代半導(dǎo)體材料,在前沿科技發(fā) 展中扮演重要角色。從電子級(jí)、光學(xué)級(jí)應(yīng)用再到量子級(jí)應(yīng)用的高端產(chǎn)品技術(shù)開發(fā),還面臨著較大的挑戰(zhàn)。

04大尺寸高質(zhì)量SCD關(guān)鍵技術(shù)的突破,能夠有效緩解當(dāng)前國(guó)內(nèi)珠寶市場(chǎng)對(duì)天然鉆石100%依賴進(jìn)口的問(wèn)題。

▌文章來(lái)源：《超硬材料工程》2023 NO.05 王光祖、王福山