MPCVD法—在硅衬底上生长高质量的金刚石薄膜的有效方法

在芯片技术飞速发展的今天，芯片集成度持续提升，晶体管数量如雨后春笋般在指甲盖大小的硅片上疯狂增长。然而，当芯片制程从14nm向3nm甚至更小节点迈进时，传统硅材料的物理极限逐渐暴露。晶体管如同“高度密集的立体纳米建筑群”，被压缩在狭小的空间里，硅基材料在散热效率与结构稳定性上已逐渐“力不从心”，成为制约芯片性能提升的关键瓶颈。

金刚石：芯片性能的救星

面对这一困境，科学家们将目光投向了金刚石。金刚石不仅颜值出众，更拥有极高的热导率和稳定的物理化学特性，使其成为解决芯片散热与稳定性问题的理想材料。通过与芯片“联手”，金刚石有望突破硅基材料的性能瓶颈，为芯片技术的发展开辟新的道路。

硅衬底上金刚石生长的技术挑战

要实现金刚石与硅基芯片的“强强联合”，必须解决一个核心问题：如何让金刚石与当前主流的硅半导体制造工艺兼容？这就需要突破最关键的技术环节——在硅衬底上生长高质量的金刚石薄膜。

硅上生长金刚石的技术路线-MPCVD

硅上生长金刚石的技术路线与碳化硅外延生长技术相似，均以CVD（化学气相沉积）技术为基础。目前，在硅片上制备金刚石薄膜的主流技术是MPCVD（微波等离子体化学气相沉积，英文全称为Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition）。该技术的核心原理是利用微波能量激发反应气体形成等离子体，再以等离子体为化学反应提供能量，最终在硅衬底表面沉积出高质量的金刚石薄膜。

MPCVD（微波等离子体化学气相沉积）工艺的四个关键步骤可以总结如下：

通入反应气体：首先完成前置准备工序，将硅片衬底放入反应腔，对腔室进行抽真空处理，并将衬底温度加热至700~1000℃。随后，向反应腔室内通入含有C原子的气体，为后续的化学反应提供原料。

微波激发等离子体：启动微波发生器，产生高频微波并传输至反应腔室。微波能量被甲烷-氢气混合气体吸收厚，气体分子的分子键被“击穿”而断裂，进而电离产生大量电子、氢离子、碳自由基等带电粒子，最终形成等离子体。

等离子体化学反应：等离子体中的高能粒子（如电子、活性自由基）与甲烷分子发生剧烈碰撞，触发一系列复杂的化学反应。这一过程类似“筛选零件”，只有符合金刚石晶体结构要求的碳原子才能被保留下来，参与后续的薄膜生长。

金刚石薄膜生长：经过筛选的活性碳原子被输送至硅片衬底表面，随后缓慢“移动”到合适的位置，按照金刚石晶体的固定结构规则逐层堆叠，最终逐步形成连续、致密且与硅片结合紧密的金刚石薄膜硅。

工艺参数的控制与装备需求

通过调节微波功率、反应气体的成分比例、衬底温度等关键参数，能够有效控制金刚石薄膜的结晶质量、厚度与表面形态。而要完成这一系列精密的化学反应，离不开可提供纯净、可控反应环境的先进装备——大功率MPCVD系统。

HMPS-9750S型MPCVD

金刚石作为一种具有独特性能的材料，在芯片领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断进步和突破，金刚石与硅基芯片的结合将更加紧密，为半导体行业的发展带来新的机遇和挑战。沃特塞恩微波源相信，在不久的将来，金刚石将成为芯片技术的重要材料，推动人类科技的进步。