在金剛石的化學(xué)氣相沉積（CVD）領(lǐng)域，微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）是一項核心技術(shù)。其中氣體流動、等離子體、熱傳導(dǎo)與反應(yīng)動力學(xué)之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。它們共同決定了金剛石薄膜的質(zhì)量與生長速率。然而，盡管這一技術(shù)已發(fā)展數(shù)十年，當(dāng)前工業(yè)化MPCVD設(shè)備所能制備的單晶金剛石片尺寸仍然局限在10厘米左右，距離大尺寸晶圓化應(yīng)用還有一定差距。
清華大學(xué)王沫然團隊近日在 Diamond & Related Materials（2025年）發(fā)表了最新成果，題為“Local concentration focusing effect on deposition efficiency caused by inlet of fluids in MPCVD reactor”。針對MPCVD反應(yīng)器內(nèi)的氣體流場與沉積速率關(guān)系進行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，流體入口的設(shè)計能夠顯著影響反應(yīng)腔內(nèi)氫原子的分布，從而改變金剛石的沉積效率。這一結(jié)果揭示了此前被忽略的關(guān)鍵傳輸機制——黏性擴散效應(yīng)。
MPCVD工藝中，反應(yīng)氣體通常由氫氣（H?）和甲烷（CH?）組成。等離子體中電子的碰撞會將分子解離，產(chǎn)生活性氫原子（H）與碳基中間體。根據(jù)Goodwin–Harris模型，金剛石的生長速率與氫原子濃度密切相關(guān)：氫原子能穩(wěn)定sp3鍵結(jié)構(gòu)、抑制石墨化。
然而，一些實驗表明，當(dāng)在反應(yīng)腔底部增加一個微弱的輔助氣體入口（例如僅10 SCCM的CH?）時，金剛石的生長速率竟可提升一個數(shù)量級。這種現(xiàn)象無法用傳統(tǒng)的對流–擴散–反應(yīng)（ADR）模型解釋，因為氣體流量變化太小，不足以直接改變等離子體能量分布。
清華大學(xué)團隊通過建立電磁場、等離子體、流場和溫度場耦合的多物理場模型，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的無黏性流動假設(shè)無法解釋實驗現(xiàn)象。在MPCVD約0.1個大氣壓的環(huán)境下，氣體流動具有明顯的黏性特征，會在流速梯度處產(chǎn)生額外的動量傳遞。研究引入“黏性擴散”機制后發(fā)現(xiàn)，基片中心的輔助氣體入口會形成局部速度梯度，使活性氫原子在表面附近發(fā)生聚集，濃度隨入口流量增加而提升。這種由黏性擴散驅(qū)動的“濃度聚焦”現(xiàn)象，使得金剛石的沉積速率顯著提高，揭示了入口設(shè)計對反應(yīng)效率的關(guān)鍵影響。
對MPCVD工藝的啟示
這項研究不僅為MPCVD系統(tǒng)中的異常沉積現(xiàn)象提供了合理解釋，也為工藝優(yōu)化開辟了新的方向。以往人們主要通過調(diào)整功率、壓力和氣體比例來控制生長速率，而清華團隊的研究表明，反應(yīng)腔體幾何設(shè)計與流體入口結(jié)構(gòu)同樣是提升沉積效率的重要手段。
未來，借助這種多物理場模擬思路，可以進一步優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更高的沉積速率、更好的膜層均勻性與更低的雜質(zhì)摻入率，為大尺寸、高質(zhì)量單晶金剛石的制備提供新思路。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 多物理場仿真框架。
圖2. 電子碰撞反應(yīng)截面
圖3. 僅含氫的基準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)及500 W、25 000 Pa條件下的模擬結(jié)果：(a)幾何結(jié)構(gòu)，與[16,20]類似；(b)電場分布；(c)電子數(shù)密度；(d)電子溫度；(e)等離子體溫度。本模擬未包含流場。
