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[1]刘 佳,翁 俊*,刘 繁,等.基片台结构和生长参数对单晶金刚石和多晶金刚石膜质量的影响[J].武汉工程大学学报,2025,47(01):44-52.[doi:10.19843/j.cnki.CN42-1779/TQ.202409001]
　LIU Jia,WENG Jun*,LIU Fan,et al.Influence of substrate holder structure and growth parameters on the quality of single-crystal diamond and microcrystalline diamond film[J].Journal of Wuhan Institute of Technology,2025,47(01):44-52.[doi:10.19843/j.cnki.CN42-1779/TQ.202409001]
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基片台结构和生长参数对单晶金刚石和多晶金刚石膜质量的影响
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《武汉工程大学学报》[ISSN:1674-2869/CN:42-1779/TQ]

卷:
47
期数:
2025年01期
页码:
44-52
栏目:
材料科学与工程
出版日期:
2025-02-28

文章信息/Info

Title:
Influence of substrate holder structure and growth parameters on the quality of single-crystal diamond and microcrystalline diamond film


文章编号:
1674 - 2869（2025）01 - 0044 - 09
作者:
武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430205


Author(s):
School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430205


关键词:
Keywords:
分类号:
TG174.442
DOI:
10.19843/j.cnki.CN42-1779/TQ.202409001
文献标志码:
A
摘要:
调整基片台的结构，在自制的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备上成功地批量生长了单晶金刚石，并沉积了直径为100 mm的多晶金刚石膜。通过对基片台上方的电场强度分布模拟研究发现，从衬底钼（Mo）或硅（Si）上表面到Mo片上表面之间的距离h对基片台上方的电场强度分布有重要影响，对决定金刚石生长质量的等离子体环境有重要作用；等离子体中甲烷（CH4）与氢气（H2）的体积比对单晶金刚石和多晶金刚石膜的生长质量有重要影响。研究表明：当h保持在0.8~1.0 mm、CH4与H2体积比为5%时的等离子体环境适合单晶金刚石的大面积生长；而h<0.2 mm、CH4与H2体积比为2%时的等离子体环境沉积的多晶金刚石膜具有较高的均匀性。利用两种不同结构的基片台在不同的CH4与H2体积比条件下成功地获得了数量较多、质量较好的单晶金刚石以及质量和形貌较均匀的大面积金刚石膜。
Abstract:
By adjusting the structure of the substrate holder，single-crystal diamond was successfully grown in batches on a self-made microwave plasma chemical vapor deposition （MPCVD） device，and microcrystalline diamond films with a diameter of 100 mm were deposited. By simulating the distribution of electric field intensity above the substrate holder，we found that the distance h from the upper surface of molybdenum（Mo）or silicon （Si） to the upper surface of Mo has an important effect on the distribution of electric field intensity above the substrate，and plays an important role in the plasma environment that determines the growth quality of diamond. The volume ratio of methane （CH4） to hydrogen （H2） in the plasma significantly affects the growth quality of single-crystal diamond and microcrystalline diamond films. The experimental results show that when h is maintained at 0.8-1.0 mm and the volume ratio of CH4 to H2 is 5%，the plasma environment is suitable for large-area growth of single-crystal diamond. The uniformity of microcrystalline diamond films deposited in a plasma environment is higher when h< 0.2 mm and CH4 to H2 volume ratio is 2%. A large amount of single-crystal diamond with quality and a large-area diamond film with uniform quality and morphology were successfully obtained by using two substrate holders with different structures under different CH4 to H2 volume ratios.


参考文献/References:

［1］ 丁志纯，孙剑飞.单晶金刚石车刀在陶瓷基复合材料加工中的应用研究［J］.模具制造，2024，24（4）：65-69.
［2］ 王伟华，代兵，王杨，等.金刚石光学窗口相关元件的研究进展［J］.材料科学与工艺，2020，28（3）：42-57.
［3］ 王凡生，刘繁，汪建华，等.金刚石半导体器件的研究进展［J］.武汉工程大学学报，2020，42（5）：518-525.
［4］ 高旭辉.金刚石——终极半导体的“破茧”之路［J］.科学咨询（科技·管理），2024（5）：240-243.
［5］ 尤宜.基于金刚石NV色心的量子编码与量子计算［D］.北京：北京邮电大学，2023.
［6］ MUEHLE M， ASMUSSEN J， BECKER M F， et al. Extending microwave plasma assisted CVD SCD growth to pressures of 400Torr ［J］. Diamond and Related Materials，2017，79：150-163.
［7］ LIANG Q，CHIN C Y，LAI J，et al. Enhanced growth of high quality single crystal diamond by microwave plasma assisted chemical vapor deposition at high gas pressures ［J］. Applied Physics Letters，2009，94 （2）：024103.
［8］ ACHARD J，TALLAIRE A，SUSSMANN R，et al. The control of growth parameters in the synthesis of high-quality single crystalline diamond by CVD ［J］. Journal of Crystal Growth，2005，284（3/4）：396-405.
［9］ 牟草源，李根壮，谢文良，等.微波等离子体化学气相沉积法制备大尺寸单晶金刚石的研究进展［J］.电子与封装，2023，23（1）：010104.
［10］ SEDOV V，MARTYANOV A，ALTAKHOV A，et al. Effect of substrate holder design on stress and uniformity of large-area polycrystalline diamond films grown by microwave plasma-assisted CVD ［J］. Coatings，2020，10（10）：939.
［11］ 谢文良.单晶金刚石MPCVD外延生长的关键问题研究［D］.长春：吉林大学，2023.
［12］ TALLAIRE A， ACHARD J， BRINZA O， et al. Growth strategy for controlling dislocation densities and crystal morphologies of single crystal diamond by using pyramidal-shape substrates ［J］. Diamond and Related Materials，2013，33：71-77.
［13］ FENG M Y， JIN P， MENG X Q， et al. One-step growth of a nearly 2 mm thick CVD single crystal diamond with an enlarged surface by optimizing the substrate holder structure ［J］. Journal of Crystal Growth，2023，603：127011.
［14］ ASHFOLD M N R， MANKELEVICH Y A. Self-consistent modeling of microwave activated N2/CH4/H2（and N2/H2） plasmas relevant to diamond chemical vapor deposition ［J］. Plasma Sources Science and Technology，2022，31（3）：035005.
［15］ OROZCO E A，TSYGANKOV P，BARRAGAN Y F，et al. Computational study of a microwave plasma reactor based on the TM112 mode for diamond deposition ［J］. Applied Physics A，2023，129（12）：842.
［16］ LINNIK S A， GAYDAYCHUK A V. Application of optical emission spectroscopy for the determination of optimal CVD diamond growth parameters in abnormal glow discharge plasma ［J］. Vacuum，2014，103：28-32.
［17］ WENG J，WANG J H，DAI S Y，et al. Preparation of diamond films with controllable surface morphology，orientation and quality in an overmoded microwave plasma CVD chamber ［J］. Applied Surface Science，2013，276：529-534.
［18］ 耿传文，夏禹豪，赵洪阳，等.单晶金刚石边缘表面倾斜角度对同质外延生长的影响［J］.物理学报，2018，67（24）：248101.
［19］ WATANABE T，TERAJI T，ITO T，et al. Monte Carlo simulations of electron transport properties of diamond in high electric fields using full band structure ［J］. Journal of Applied Physics，2004，95（9）：4866-4874.
［20］ CENNA F， CARTIGLIA N， FRIEDL M， et al. Weightfield2：a fast simulator for silicon and diamond solid state detector ［J］. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2015，796：149-153.
［21］ MAY P W， MANKELEVICH Y A. From ultrananocrystalline diamond to single crystal diamond growth in hot filament and microwave plasma-enhanced CVD reactors：a unified model for growth rates and grain sizes ［J］. The Journal of Physical Chemistry C，2008，112（32）：12432-12441.
［22］ 许坤，吕思远.MPCVD法生长曲面多晶金刚石薄膜研究［J］.冶金与材料，2024，44（3）：1-3.
［23］ JEONG J H，LEE S Y， LEE W S，et al. Mechanical analysis for crack-free release of chemical-vapor-deposited diamond wafers［J］. Diamond and Related Materials，2002，11（8）：1597-1605.
［24］ GORE J P P，MAHONEY E J D，SMITH J A，et al. Imaging and modeling C2 radical emissions from microwave plasma-activated methane/hydrogen gas mixtures： contributions from chemiluminescent reactions and investigations of higher-pressure effects and plasma constriction［J］. The Journal of Physical Chemistry A，2021，125（19）：4184-4199.
［25］ SU C H， CHANG C Y. Effect of CH/C2 species density on surface morphology of diamond film grown by microwave plasma jet chemical vapor deposition ［J］. Materials Transactions，2008，49（6）：1380-1384.
［26］ YANG Z L，AN K， FENG X R， et al. Explore the growth mechanism of high-quality diamond under high average power density in the MPCVD reactor［J］. Materials Science and Engineering：B，2024，302：117248.
［27］ WU J J， HONG F C N. Direct identification of diamond growth precursor using almost pure CH4 or C2H2 near growth surface ［J］. Applied Physics Letters，1997，70（2）：185-187.
［28］ RABEAU J R，JOHN P， WILSON J I B，et al. The role of C2 in nanocrystalline diamond growth［J］. Journal of Applied Physics，2004，96（11）：6724-6732.
［29］ SANKARAN R M，GIAPIS K P. High-pressure micro- discharges in etching and deposition applications ［J］. Journal of Physics D：Applied Physics，2003，36（23）：2914-2921.
［30］ HARUTA Y，FUJIMOTO K，HORITA S，et al. Time evolution in radiation intensities of C2 and H spectra in Ar/CH4/H2 pulse modulated induction thermal plasmas for diamond film deposition ［J］. Journal of Physics：Conference Series，2013，441：012017.
［31］ 翁俊，周程，刘繁，等.甲烷与氢气的流量比在高功率下对金刚石膜生长的影响［J］.表面技术，2018，47（11）：202-209.
［32］ SHIMIZU T，IIZUKA S，KATO K，et al. High quality diamond formation by electron temperature control in methane-hydrogen plasma ［J］. Plasma Sources Science and Technology，2003，12（4）：S21-S25.
［33］ ZHAO H Y， LI B W， WANG Z W， et al. Effect of nitrogen-hydrogen co-doping on diamond growth ［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2023，117：106410.
［34］ ZAITSEV A M，KAZUCHITS N M，KAZUCHITS V N，et al. Nitrogen-doped CVD diamond：nitrogen concentration，color and internal stress ［J］. Diamond and Related Materials，2020，105：107794.


相似文献/References:

备注/Memo

备注/Memo:
收稿日期：2024-09-02
基金项目：湖北省教育厅科学研究计划（Q20201512）
作者简介：刘 佳，硕士研究生。Email：[email protected]
*通信作者：翁 俊，博士，讲师。Email：[email protected]
引文格式：刘佳，翁俊，刘繁，等. 基片台结构和生长参数对单晶金刚石和多晶金刚石膜质量的影响［J］. 武汉工程大学学报，2025，47（1）：44-52.


更新日期/Last Update: 2025-03-12