Persiapan MPCVD teknologi berlian

 

Kata kunci: berlian MPCVD; teknologi persiapan; cacat kristal; struktur substrat ganda

 

0 Pendahuluan

Saat ini, di antara metode sintesis utama untuk berlian-kristal tunggal, teknologi yang relatif matang adalah-tekanan tinggi-suhu (HPHT) dan deposisi uap kimia plasma gelombang mikro (MPCVD). Meskipun metode-tekanan tinggi-suhu tinggi memiliki proses persiapan yang sederhana dan tingkat pertumbuhan berlian-kristal tunggal yang cepat, peralatannya tidak stabil, yang dengan mudah menyebabkan ketidakmampuan untuk terus menumbuhkan-berlian kristal-berukuran besar dalam waktu yang lama. Selain itu, beberapa pengotor akan ditambahkan selama sintesis-berlian kristal tunggal, yang tidak kondusif bagi pertumbuhan berlian-berlian{12}}kristal tunggal berkualitas tinggi . Metode pertumbuhan homoepitaksial berlian kristal tunggal dengan deposisi uap kimia plasma gelombang mikro (MPCVD) saat ini merupakan metode yang paling umum digunakan dan telah mendapat perhatian luas dari para sarjana di dalam dan luar negeri. Dibandingkan dengan metode lain, metode MPCVD untuk menyiapkan berlian kristal tunggal memiliki keunggulan energi kinetik elektron yang besar, rentang tekanan kerja stabil yang luas, derajat ionisasi tinggi, tidak ada kontaminasi elektroda, dan operasi stabil jangka panjang.

 

 

1. Pengaruh Struktur-Substrat Ganda pada Pertumbuhan-Berlian Kristal Tunggal

Peralatan percobaan yang digunakan adalah perangkat MPCVD baru yang dikembangkan secara independen oleh Xia Yuhao dkk. Struktur-substrat ganda dimasukkan ke dalam rongga resonansi berpasangan tradisional. Frekuensi pengoperasiannya adalah 2,45 GHz, dan daya keluaran maksimum adalah 1,6 kW. Diagram skema ditunjukkan pada Gambar 1.

 

Gambar 1 Prinsip rongga resonansi gelombang mikro dengan struktur berbeda

 

Setelah pertumbuhan, pengaruh struktur-substrat ganda pada spektrum emisi plasma dan pertumbuhan-berlian kristal tunggal dengan parameter yang sama dianalisis menggunakan spektroskopi Raman, pemindaian mikroskop elektron, spektroskopi emisi, dan peralatan lainnya.

 

Dibandingkan dengan struktur-substrat tunggal tradisional, dengan parameter pengendapan yang sama, bola plasma yang dihasilkan oleh struktur-substrat ganda memiliki volume yang lebih kecil dan kepadatan daya yang lebih tinggi. Intensitas dan kepadatan gugus C2 dan gugus H dalam plasma juga jauh lebih tinggi dibandingkan struktur-substrat tunggal.

 

Dibandingkan dengan struktur-substrat tunggal, berlian-kristal tunggal yang ditanam di bawah struktur-substrat ganda dalam kondisi kandungan metana tinggi memiliki morfologi permukaan yang lebih halus dan rata, kristalinitas yang lebih tinggi, cacat internal yang lebih sedikit, dan pergeseran puncak karakteristik berlian yang lebih kecil. Laju pertumbuhan berlian kristal tunggal-yang ditanam dalam struktur substrat ganda-meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan fraksi volume metana, mencapai hingga 24 μm/jam, sehingga cocok untuk menumbuhkan film tebal dengan kandungan metana tinggi.

 

 

2. Proses Persiapan Film Intan oleh MPCVD

Meskipun teknologi pengendapan lapisan tipis intan telah dipelajari secara ekstensif, pertumbuhan lapisan intan-berkualitas-tinggi, dan-biaya rendah berdasarkan berbagai parameter proses selalu menjadi tujuan yang dikejar oleh industri. Film berlian berkualitas-tinggi yang ditanam dalam kondisi optimal tidak hanya memiliki biaya produksi yang rendah, namun juga mencapai lompatan kualitatif dalam aplikasi di bidang elektronik dan energi.

 

HUANG dkk. mengeksplorasi tingkat pertumbuhan tercepat film berlian di bawah tekanan ruang yang berbeda, fraksi volume metana, dan daya gelombang mikro.

 

Jiang Caiyi mempelajari korelasi antara suhu substrat, tekanan ruang reaksi, dan fraksi volume metana terhadap kemurnian dan laju pertumbuhan film berlian.

 

Nukleasi film intan tidak hanya berkaitan erat dengan faktor-faktor seperti jenis bahan substrat dan metode perlakuan awal permukaan, namun juga sangat dipengaruhi oleh parameter proses seperti suhu substrat, tekanan ruang, dan fraksi volume metana. Suhu substrat yang lebih rendah kondusif untuk nukleasi, tetapi suhu yang terlalu rendah akan memperlambat laju nukleasi dan keseragaman yang buruk; meningkatkan fraksi volume metana dapat mendorong nukleasi, namun fraksi volume yang terlalu tinggi akan menyebabkan penurunan kemurnian berlian [7-9]. Li Sijia dkk. [10] mempelajari pengaruh suhu substrat, tekanan rongga, dan fraksi volume metana terhadap kualitas film berlian melalui eksperimen, dan mengembangkan kondisi proses yang optimal, memperoleh hasil sebagai berikut:

(1) Jika suhu terlalu rendah, jumlah hidrogen-keadaan tereksitasi lebih sedikit, laju pertumbuhan lapisan intan lambat, dan tidak kondusif bagi pertumbuhan fase lapisan intan; ketika suhu terlalu tinggi, lapisan berlian tumbuh dengan cepat, tetapi kualitas kristalnya buruk dan mudah untuk digrafitisasi.

(2) Ketika tekanan terlalu rendah, bola ion akan tersebar, laju pertumbuhannya lambat, dan kemampuan etsa atom hidrogen tidak mencukupi, sehingga kualitas lapisan berlian buruk; ketika tekanannya terlalu tinggi, laju pertumbuhannya lebih cepat, namun saat ini bola plasma lebih terkonsentrasi dan fraksi volume atom hidrogen dalam keadaan tereksitasi lebih tinggi, yang akan menyebabkan peningkatan cacat intan dan penurunan kualitas.

(3) Jika fraksi volume metana terlalu rendah, fraksi volume karbon-yang mengandung gugus aktif rendah dan laju pertumbuhannya lambat, namun kualitas intannya tinggi; ketika fraksi volume metana terlalu tinggi, fraksi volume karbon-yang mengandung gugus aktif tinggi dan laju pertumbuhannya cepat, namun kualitas berliannya buruk. Terbukti bahwa fraksi volume metana yang terlalu tinggi dan terlalu rendah akan merugikan pembentukan lapisan berlian berkualitas tinggi [11-12].

 

3. Pengaruh Suhu Terhadap Cacat Homoetheroepitaxy Single-Crystal Diamond

MPCVD, sebagai metode pengendapan intan yang umum digunakan, memiliki keunggulan seperti pelepasan tanpa elektroda, laju pertumbuhan yang cepat, dan pengotor produk yang rendah, menjadikannya metode pertumbuhan intan yang ideal [13]. Namun, MPCVD memiliki persyaratan ketat pada parameter pertumbuhan dan kualitas berlian-kristal tunggal, dan berlian kristal-tunggal yang ditumbuhkan masih mengandung cacat dan pengotor, yang berdampak signifikan pada kinerjanya [14]. Oleh karena itu, mengurangi cacat pada-berlian kristal tunggal memiliki arti positif untuk meningkatkan kinerjanya dan mempromosikan penerapannya pada perangkat elektronik.

 

Cacat intan terutama diklasifikasikan menjadi tiga jenis: dislokasi, kesalahan kembar, dan kesalahan susun. Sesar bertumpuk dan butiran setebal mikro-sering terdapat pada bidang kristal (111), dan kemungkinan terjadinya metamorfisme pada bidang (111) jauh lebih besar dibandingkan pada bidang kristal (100).

 

Penelitian telah menemukan bahwa kesalahan susun sebagian besar terjadi pada bidang kristal (111) dan tersebar di dekat batas butir; penyebab cacat pada kristal berlian tunggal dapat berupa cacat pada kristal benih itu sendiri, pengotor pada sumber gas, pengotor pada rongga, atau ketidakkonsistenan pada parameter eksperimen yang digunakan . Oleh karena itu, TALLAIRE dkk. menggunakan plasma H₂/O₂ untuk mengetsa cacat permukaan berlian kristal tunggal dalam waktu lama sebelum tumbuh untuk mengurangi cacat.

 

WANG dkk. [17] menemukan bahwa transformasi dari aspek (111) ke (100) berkaitan dengan konsentrasi volume metana dan suhu, dan bahwa peningkatan konsentrasi volume metana dapat mendorong transformasi dari aspek (111) ke (100).

Yan Lei dkk. [18] menemukan dalam penelitian mereka tentang pengaruh I(C2)/I(H ) terhadap kualitas pertumbuhan berlian bahwa semakin rendah rasionya, semakin baik kualitas berlian yang tumbuh. Hal ini karena C2, sebagai prekursor intan, berpartisipasi langsung dalam proses pertumbuhan homoepitaksial intan; sedangkan H secara istimewa mengetsa fase non-berlian, sehingga semakin tinggi konten grup H, semakin baik kualitas berlian yang dihasilkan.

 

4. Kesimpulan

4.1 Dibandingkan dengan struktur-substrat tunggal, berlian kristal-tunggal yang ditumbuhkan dalam kondisi kandungan metana tinggi dengan struktur substrat ganda-memiliki morfologi permukaan yang lebih halus dan rata, kristalinitas yang lebih tinggi, dan cacat internal yang lebih sedikit. 4.2 Laju pertumbuhan film berlian berkorelasi positif dengan suhu substrat, tekanan rongga, dan fraksi volume metana.

4.3 Intan kristal tunggal yang diendapkan pada suhu 740 derajat akan menghasilkan tegangan tekan yang besar, yang pada akhirnya menyebabkan retakan permukaan; cacat lancip berlian yang disimpan pada 780 derajat dan 820 derajat akan menyusut sampai batas tertentu setelah pertumbuhan; luas cacat pada bidang (111) berlian kristal tunggal-yang diendapkan pada suhu 860 derajat akan bertambah.

 

Pernyataan: Konten di atas berasal dari informasi publik di Internet Tiongkok. Jika ada kesalahan informasi atau tempat yang mempengaruhi hak dan kepentingan Anda, mohon informasikan kepada kami untuk menghapusnya.