清華大學(xué)：金剛石沉積效率提升的新路徑

01

為什么入口設(shè)計(jì)如此重要？

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(xiàng)核心技術(shù)。其中氣體流動(dòng)、等離子體、熱傳導(dǎo)與反應(yīng)動(dòng)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(zhǎng)速率。

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。

具體來(lái)看，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(huì)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)在反應(yīng)腔底部增加一個(gè)微弱的輔助氣體入口（例如僅10 SCCM的CH?）時(shí)，金剛石的生長(zhǎng)速率竟可提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種現(xiàn)象無(wú)法用傳統(tǒng)的對(duì)流–擴(kuò)散–反應(yīng)（ADR）模型解釋，因?yàn)闅怏w流量變化太小，不足以直接改變等離子體能量分布。

02

研究成果

近日，清華大學(xué)王沫然團(tuán)隊(duì)針對(duì)MPCVD反應(yīng)器內(nèi)的氣體流場(chǎng)與沉積速率關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，流體入口的設(shè)計(jì)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(jī)制——黏性擴(kuò)散效應(yīng)。

創(chuàng)新點(diǎn)：

? 已開展MPCVD反應(yīng)器的多物理場(chǎng)模擬研究；

? 黏性擴(kuò)散效應(yīng)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)局部濃度聚焦現(xiàn)象；

? 氫原子聚焦有助于提升金剛石生長(zhǎng)速率。

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過建立電磁場(chǎng)、等離子體、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合的多物理場(chǎng)模型，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的無(wú)黏性流動(dòng)假設(shè)無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

在MPCVD約0.1個(gè)大氣壓的環(huán)境下，氣體流動(dòng)具有明顯的黏性特征，會(huì)在流速梯度處產(chǎn)生額外的動(dòng)量傳遞。研究引入“黏性擴(kuò)散”機(jī)制后發(fā)現(xiàn)，基片中心的輔助氣體入口會(huì)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(kuò)散驅(qū)動(dòng)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(jì)對(duì)反應(yīng)效率的關(guān)鍵影響。

這項(xiàng)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(lái)控制生長(zhǎng)速率，而清華團(tuán)隊(duì)的研究表明，反應(yīng)腔體幾何設(shè)計(jì)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(lái)，借助這種多物理場(chǎng)模擬思路，可以進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實(shí)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。

相關(guān)研究成果以“Local concentration focusing effect on deposition efficiency caused by inlet of fluids in MPCVD reactor”為題發(fā)表在Diamond & Related Materials（2025年）。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1. 多物理場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)。