利用MPCVD生长技术对单晶金刚石的外延横向向外生长进行研究：高压条件下的模拟分析

《CARBON》：Investigation on the epitaxial lateral outward growth of single crystal diamond using MPCVD growth technique: Simulation insights under high pressure conditions

　　

Rakesh Kumar|C. Nikhil|Akash|K. Ramsubramanian|V.S.T. Madana|N. Arunachalam|M.S. Ramachandra Rao

印度马德拉斯印度理工学院机械工程系，金奈，印度

摘要

在各种钻石生长技术中，基于微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）的外延横向生长技术已成为大面积钻石生长的有前景的方法。生长初期表面形态的形成对大面积钻石生长起着关键作用。本研究详细探讨了在高压和低压条件下表面形态的演变以及自形成的偏角的发展。主要策略是在高压（165 Torr）下，自形成的偏角可以调节自由基的分布并降低种子边缘的温度，从而抑制二次成核并防止多晶边缘的形成，后者会阻碍横向生长。模拟结果进一步证实，在高压（165 Torr）下，最高温度向中心移动，促进了自形成的向外偏角的形成，增强了横向生长。使用了一个10毫米×10毫米的钻石种子，在135 Torr以上观察到了横向生长现象。在165 Torr时，最大横向生长达到了12.56毫米×12.59毫米，面积增加了59%。拉曼光谱显示，与中心区域相比，横向生长区域的应力显著降低（37.4 MPa），晶体质量也得到改善（半高宽=1.92 ± 0.03 cm^-1）。阴极发光和光学双折射成像也证实了横向生长区域的晶格质量提高，缺陷减少。这种横向生长方法具有高度的可扩展性和可重复性，能够实现用于先进工业和科学应用的大面积钻石生长。

引言

单晶钻石是一种有前景的下一代半导体材料，因为它具有宽禁带、高载流子迁移率和优异的热导率[1]、[2]、[3]。由于这些优异的特性，钻石能够在高功率、高频率和高温等极端条件下可靠地工作，使其成为先进电子应用的理想选择。特别是掺硼钻石（BDD）在高压设备中表现出优异的p型半导体性能，而氢终止钻石（H-钻石）通过二维空穴气体（2DHG）实现了高迁移率表面传导，支持高性能场效应晶体管[4]、[5]。最近的进展进一步凸显了其在光电子和量子应用中的潜力，包括将钻石确立为“终极半导体”平台[4]、[6]。然而，这些应用的实现严重依赖于大面积、高质量、低缺陷密度和高结构均匀性的单晶衬底。目前，微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是生产高质量单晶钻石的最有效技术之一，因为它能够生长出大面积、高纯度的晶体，并且杂质含量极少，尤其是在与剥离技术结合使用时[7]、[8]、[9]、[10]。在半导体行业中，直径达450毫米的硅晶圆已经投入生产[11]。然而，由于尺寸较小和缺陷密度较高，SCD（单晶钻石）的利用率有限[12]、[13]。尽管已经通过同质外延镶嵌生长和异质外延生长制备了英寸级的SCD[14]、[15]、[16]，但钻石晶圆中的应力、裂纹和位错缺陷等问题阻碍了其在微电子器件中的集成[16]、[17]。SCD在先进科学和技术领域的更广泛应用在很大程度上取决于其晶圆尺寸和晶体质量[18]、[19]、[20]。

在当前的外延技术中，同质外延横向生长方法提供了一种简单高效的方法来生产大面积钻石晶圆[21]。Tallaire等人通过在高压高温（HPHT）种子上制造宏观方形孔或倾斜表面，展示了低缺陷密度的横向SCD生长[22]。结果表明，金字塔形状的种子有效抑制了缺陷的形成，为更大的SCD生长提供了可能性。ELO（外延横向生长）需要专门的口袋设计来抑制多晶钻石（PCD）边缘的形成，否则会减少外延层的可用横向面积[23]、[24]。Bai等人进一步研究了口袋支架和反应器配置的设计与优化，以促进横向生长。虽然引入了对衬底支架的新改进，以促进均匀的线性横向生长，但一旦SCD表面超出封闭口袋支架的范围，PCD边缘就开始形成[25]。

最近的研究表明，PCD边缘的形成与电磁场的边缘效应、气体自由基分布以及种子边缘和角落的高温度有关[23]、[24]。为了减轻边缘效应的影响并控制种子表面温度分布，通过机械抛光引入了偏角。结果，外延横向生长有效地抑制了多晶钻石（PCD）边缘的形成[26]。另一项研究表明，使用半开放式支架配置时，通过控制衬底表面的自由基分布可以抑制边缘形成，其基本机制是在生长过程中（001）晶面上自形成偏角[27]、[28]、[29]。这种方法有效地抑制了边缘区域的二次成核。此外，通过使用氢等离子体建模研究了等离子体内气体温度分布对气体自由基的径向分布的影响。Yamada等人使用微波腔放电模拟分析了等离子体行为和气体温度[30]。Hassouni等人还研究了化学反应物种对气体温度的影响[31]。通常，气体温度与腔室压力成正比，压力的变化会改变反应器内的热梯度。热梯度影响活性物种（如原子氢（H）、CH、C₂和CN）的传输、激发和复合速率[32]、[33]。因此，SCD表面的生长步骤从中心向边缘方向进行，遵循碳相关自由基和温度的分布。腔室中的杂质，主要是氮，会抑制沿台阶流的横向生长。因此，较低的N/C百分比意味着更高的横向生长速率与垂直生长速率之比，有利于提高外延横向生长，并减少应力与缺陷的掺入[34]、[35]。John P. Ciraldo等人利用类似的思想，在135 Torr至175 Torr的压力范围内和约500 ppb的氮浓度下，使用开放式支架建立了有利于横向生长的条件[36]。

科学界之前已经进行了大量研究，探讨使用口袋和半开放式支架配置来抑制多晶边缘的形成并促进横向生长。相比之下，在开放式支架配置中有效最小化多晶钻石（PCD）边缘的形成仍然是一个重大挑战。据我们所知，尚未有全面系统的研究在开放式支架条件下探讨边缘抑制问题。此外，也没有系统研究定量比较横向扩展区域与生长钻石中心区域的晶体质量、应力分布和缺陷密度。

在这方面，本研究使用开放式支架配置在微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统中研究了横向同质外延钻石生长，解决了以往研究中的局限性。在低压和高压条件下进行了数值模拟和实验工作，分析了电场强度、电子密度和气体温度分布在衬底表面的分布。使用三维计算流体动力学（CFD）模拟预测了MPCVD腔内的物种分布。系统地研究了腔室压力（100–165 Torr）对自形成向内和向外偏角的影响，以及同质外延钻石沉积过程中的微观结构演变。研究了横向与垂直生长比率与压力的关系。使用光学发射光谱研究了自由基强度，并使用拉曼和阴极发光光谱评估了横向生长区域和中心区域生长钻石层的质量。

章节片段

MPCVD系统的多物理场建模

本研究中提出的多物理场模型整合了电磁（EM）场、作为流体的等离子体及其物种传输动力学、等离子体化学、热传导和层流。在典型的MPCVD过程中，氢（H₂）是等离子体的主要成分，通常占总气体混合物的95-99%，甲烷（CH₄）的含量很少（通常为0.5–5%）。鉴于这种高H₂含量，等离子体的整体特性，如电子

模拟结果与讨论

使用COMSOL软件实现了一个2D轴对称的多物理场微波等离子体模型，用于模拟MPCVD腔（共振结构）内的H₂等离子体。模拟模型中包含的主要物理现象包括电磁场与等离子体、热传递连续性方程和层流H₂气体流动[40]。图2（a）展示了CARAT Systems公司的2D轴对称MPCVD腔的蛤壳型结构。

结论

本文详细介绍了单晶钻石的外延横向生长实验和模拟研究。模拟结果与实验观察结果一致，验证了用于研究压力（低压力和高压力）及其对横向生长影响的方法的有效性。种子表面的气体温度分布有助于调节自由基的扩散以及流动方向（向内或向外）

CRediT作者贡献声明

Ramsubramanian K：可视化、项目管理。 Akash：软件。 V.S.T. Madana：软件、资源。 Ramachandra Rao M.S.：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、调查、资金获取。 Arunachalam N：写作 – 审稿与编辑、监督、资源、项目管理、调查、资金获取、概念化。 Nikhil C：可视化、验证、资源。 Rakesh Kumar：写作 – 初稿撰写、可视化、验证。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：N Arunachalam报告称获得了印度商业和工业部（MOCI）的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度技术学院和印度商业和工业部（MOCI）提供的资助，该资助促进了“印度实验室生长钻石（InCent-LGD）”的建立。[资助编号：K-35011/11/2022-EP（G &J）。