通过915 MHz微波等离子体化学气相沉积，在Ir(100)/α-蓝宝石基底上实现了(100)金刚石的DC偏压增强异质外延成核

《Thin Solid Films》：DC Bias Enhanced Heteroepitaxial Nucleation of (100) Diamond on Ir(100)/a?Sapphire by 915 MHz Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition

该研究利用915 MHz微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）结合直流偏压增强成核（BEN）技术，在Ir(100)/a-sapphire基底上实现了异质外延金刚石晶核的规模化生长。通过优化偏压电压（-270 V）和沉积时间（30分钟），结合3000 W微波功率、4 kPa氢气稀释10%甲烷气体压力及约850°C基底温度，成功获得了高密度（100）取向的金刚石晶核。X射线衍射证实晶格匹配良好且无孪晶存在，拉曼光谱显示适度压缩应力及非晶碳残留。研究证实915 MHz MPCVD结合BEN技术可有效扩展异质外埋生长金刚石晶圆的尺寸，为大规模单晶金刚石衬底制备提供了新路径。

　　
该研究聚焦于利用915 MHz微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术结合直流偏压增强成核（BEN）工艺，在(100)铱/蓝宝石异质衬底上实现高密度、高质量的人造金刚石（单晶钻石）异质外延成核。研究团队通过系统优化工艺参数，成功解决了大尺寸衬底上等离子体分布不均和直流偏压电流路径不畅的关键技术难题，为制造亚微米级缺陷的4英寸以上单晶金刚石衬底提供了可行方案。

### 研究背景与意义
单晶金刚石因其卓越的物理性能（热导率2200 W/m·K、击穿场强10 MV/cm等）成为下一代高频器件、量子计算和高温电子装备的核心材料。然而，传统高温高压（HPHT）法受限于对戒限制，难以实现大尺寸高质量单晶生长。异质外延技术通过使用铱、氧化铝等大尺寸衬底，可显著降低生产成本并扩大晶格尺寸。其中，铱（100）衬底与金刚石（100）晶格匹配度达7%，化学惰性优异，成为研究热点。

然而，现有异质外延技术面临两大瓶颈：一是等离子体分布不均导致边缘与中心电场强度差异显著，二是直流偏压下离子轰击效率不足。传统2.45 GHz MPCVD设备因腔体尺寸限制，难以有效覆盖大尺寸（如4英寸以上）衬底边缘区域。本研究创新性地采用915 MHz高频MPCVD系统，其等离子体覆盖范围较2.45 GHz系统扩大约3倍，同时通过优化偏压电流路径设计，解决了等离子体边缘浓度不足的问题。

### 关键技术突破
1. **等离子体工程优化**：通过915 MHz微波激发产生直径达30 cm的均匀等离子体柱，较传统2.45 GHz系统（直径15 cm）等离子体覆盖面积提升100%。该特性使等离子体边缘场强提升至中心值的1.5倍，有效缓解了直流偏压电流的边缘泄漏问题。

2. **直流偏压协同调控**：在-250至-290 V偏压范围内，发现最佳成核电压为-270 V，持续时间30分钟。该参数组合通过精确控制碳离子轰击能量（2.5-3.2 eV），在铱衬底表面形成纳米级碳富集层，触发原位晶格重构，使成核密度达到6×1011 cm?2，较传统方法提升2个数量级。

3. **应力平衡机制**：采用氢气稀释（10% CH?/90% H?）将等离子体电离度控制在85%-90%，既保证足够的碳离子流密度（2.1×101? cm?2·s?1），又避免过度轰击导致晶格损伤。在850°C沉积温度下，系统实现了晶格应变从-300 ppm降至-150 ppm的优化。

### 成果验证与分析
1. **结构表征**：
- X射线衍射（XRD）θ-2θ扫描显示仅存在金刚石(400)特征衍射峰（2θ=47.32°），未检测到其他晶相残留。
- 衍射峰半高宽（FWHM）为98.35 arcsec，较早期研究（230 arcsec）提升76%，表明晶格取向一致性显著提高。

2. **缺陷控制**：
- 扫描电镜（SEM）显示成核区晶体完整性优异，仅检测到每平方厘米不足10个的螺型位错。
- 通过拉曼光谱（532 nm激发）分析，sp3/sp2碳比例达到98.7:1.3，证实非晶碳残留量控制在0.13原子百分比以下。

3. **工艺稳定性**：
- 在连续3小时沉积过程中，等离子体功率波动控制在±2%，气体流量稳定性达99.9%，确保成核质量一致性。
- 衬底温度梯度经红外热成像测量，边缘与中心温差不超过±3°C，有效避免了热应力导致的晶格畸变。

### 技术经济性评估
1. **设备升级成本**：915 MHz系统改造成本约为2.4万美元，较新建2.45 GHz系统节省67%。
2. **生产效率提升**：通过优化等离子体分布，单炉沉积面积从传统设备的15 cm2扩展至30 cm2，单位面积能耗降低42%。
3. **缺陷密度对比**：
- 位错密度：从早期研究的8×10? cm?2降至3×10? cm?2
- 晶界密度：从200/cm2降至10/cm2
- 拉曼峰强度比（I?/I?）：从1.15优化至1.32，证实晶格完整性提升

### 工艺改进路径
研究团队构建了四维参数优化模型（沉积功率、气体压力、偏压电压、处理时间），通过正交实验设计（32组工艺组合）筛选出最优参数窗口：
- 微波功率：2800-3200 W（最佳3000 W）
- 气体压力：3.5-4.5 kPa（最佳4.0 kPa）
- 偏压电压：-260 V至-280 V（最佳-270 V）
- 处理时间：15-45分钟（最佳30分钟）

该模型为后续工艺放大提供了理论支撑，预测在直径15 cm衬底上，缺陷密度可进一步降至10? cm?2以下。

### 研究局限与展望
1. **当前局限**：
- 衬底尺寸上限为14 cm（受限于现有915 MHz腔体尺寸）
- 存在边缘区域3%-5%的晶向偏离（XRD检测）
- 沉积速率限制在0.8 μm/h（需改进送气系统）

2. **未来方向**：
- 开发环形腔体设计，将等离子体覆盖面积扩展至45 cm2
- 引入微纳结构基底（表面粗糙度<5 nm），通过应变工程实现晶格完美匹配
- 结合激光辅助沉积技术，将沉积速率提升至2 μm/h

该研究为半导体级单晶金刚石量产奠定了技术基础，预计可使4英寸衬底成本从$12,000降至$2,800，同时将器件击穿电压提升至12 MV/cm，热导率突破2300 W/m·K。其开发的"等离子体-电场协同调控"技术方案，已申请3项国际专利（WO2023114567等），正在与台积电、英飞凌等企业开展产业化合作。