成核调控低缺陷低应力MPCVD多晶金刚石膜外延生长研究

摘要

为实现高质量多晶金刚石膜的可控制备，采用6 kW/2 450 MHz微波等离子体化学气相沉积（Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition, MPCVD）系统，以单晶硅为衬底，通过成核工艺调控微米级多晶金刚石膜的外延生长.系统研究了成核阶段的衬底温度、腔体压强、甲烷流量及成核时间对微米级多晶金刚石膜外延生长的影响，获得了利于微米级多晶金刚石膜高质量外延生长的最优成核工艺.结果表明：在衬底温度750℃、压强12 kPa、甲烷流量36 mL/min、成核时间2.5 h的优化条件下，所获成核层初始晶粒尺寸为2～3.5μm,晶界缺陷密度显著降低，展现出良好的结晶基础.成核参数直接影响生长行为：适宜的衬底温度（750℃）有效平衡了碳迁移与氢刻蚀作用；优化的甲烷流量（36 mL/min）在保障碳源供给的同时抑制了非金刚石相沉积；适当的腔体压强（12 kPa）维持了均匀的等离子体能量分布；合理的成核时间（2.5 h）确保了晶粒充分合并与取向优化.基于该优化成核工艺制备了厚度为10.87μm的多晶金刚石膜：晶体取向以（111）面为主，平均晶粒尺寸为3.7μm,残余应力和本征应力分别低至-0.983 GPa和0.381 GPa,拉曼光谱中金刚石特征峰半高宽仅为4.33 cm^-1,展现出优异的结晶质量.综合分析表明，优化的成核工艺有效促进了晶粒粗化、缺陷抑制及残余应力控制，为多晶金刚石膜的连续高质量生长提供了核心保障，显著提升了薄膜综合性能.本研究为高性能多晶金刚石热管理材料的可控制备提供了可复制的工艺方案与实验依据.

关键词

微波等离子体化学气相沉积 / 多晶金刚石膜 / 缺陷密度 / 残余应力