清华新发现：金刚石沉积效率提升有了新路径

在金刚石化学气相沉积（CVD）领域，微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）是公认的核心技术。这项技术里，气体流动、等离子体、热传导与反应动力学之间存在复杂的耦合关系，正是这些因素共同决定了金刚石薄膜的质量与生长速度。不过，尽管 MPCVD 技术已发展数十年，当前工业化设备能制备的单晶金刚石片尺寸仍局限在 10 厘米左右，距离大尺寸晶圆化应用还有一段距离。

近日，清华大学王沫然团队在《Diamond & Related Materials》（2025 年刊）发表了最新研究成果，论文题目为 “Local concentration focusing effect on deposition efficiency caused by inlet of fluids in MPCVD reactor”。团队针对 MPCVD 反应器内气体流场与沉积速率的关系展开系统研究，研究发现，流体入口的设计能够显著影响反应腔内氢原子的分布，从而改变金刚石的沉积效率。这一结果揭示了此前被忽略的关键传输机制——黏性扩散效应。

在 MPCVD 工艺中，反应气体通常由氢气（H₂）和甲烷（CH₄）构成。等离子体中的电子碰撞会让这些分子解离，产生活性氢原子（H）与碳基中间体。根据 Goodwin–Harris 模型，金刚石的生长速率和氢原子浓度密切相关：氢原子既能稳定 sp³ 键结构，又能抑制石墨化，对金刚石生长起着关键作用。

然而，一些实验表明，当在反应腔底部增加一个微弱的辅助气体入口（例如仅10 SCCM的CH₄）时，金刚石的生长速率竟可提升一个数量级。这种现象无法用传统的对流–扩散–反应（ADR）模型解释，因为气体流量变化太小，不足以直接改变等离子体能量分布。

清华大学团队通过建立电磁场、等离子体、流场和温度场耦合的多物理场模型，发现传统的无黏性流动假设无法解释实验现象。在MPCVD约0.1个大气压的环境下，气体流动具有明显的黏性特征，会在流速梯度处产生额外的动量传递。研究引入“黏性扩散”机制后发现，基片中心的辅助气体入口会形成局部速度梯度，使活性氢原子在表面附近发生聚集，浓度随入口流量增加而提升。这种由黏性扩散驱动的“浓度聚焦”现象，使得金刚石的沉积速率显著提高，揭示了入口设计对反应效率的关键影响。

这项研究不仅为MPCVD系统中的异常沉积现象提供了合理解释，也为工艺优化开辟了新的方向。以往人们主要通过调整功率、压力和气体比例来控制生长速率，而清华团队的研究表明，反应腔体几何设计与流体入口结构同样是提升沉积效率的重要手段。

未来，借助这种多物理场模拟思路，科研人员可进一步优化反应器结构，不仅能实现更高的沉积速率，还能获得更好的膜层均匀性、降低杂质掺入率，为大尺寸、高质量单晶金刚石的制备提供全新思路。

碳方程的50200A MPCVD设备在生长多晶产品方面优势显著，设备采用915MHZ的微波频率，单炉可生产8英寸多晶产品，若用于生产单晶金刚石，单炉能够稳定产出多达489 片尺寸为 7*7mm 的单晶金刚石。设备运行功率方面，采用50KW大功率装置，更大尺寸的多晶产品意味着更高的生产效率和更低的单位成本，能够满足客户大规模生产的需求。同时，我们的设备在技术方面也有着诸多创新和突破，确保了产品的高质量和稳定性。有效降低生产成本，提高产品的市场竞争力。