Проблемы гомоэпитаксиального роста алмаза методом CVD и пути их решения

Р.А. Хмельницкий, Н.Б. Родионов, А.Г. Трапезников, В.П. Ярцев, В.П. Родионова, А.Н. Кириченко, А.В. Красильников

К настоящему моменту CVD-технология гомоэпитаксиального роста монокристаллического алмаза уже более десяти лет испытывает серьёзные трудности. Невозможна длительная морфологически устойчивая эпитаксия кристалла: по мере роста развивается рельеф поверхности, со временем неизбежно появление поликристаллов на ростовой поверхности, обрастание поликристаллической "шубой" по краям, структурное совершенство материала не достигается. Продуктивная эпитаксия на гранях {111} невозможна из-за неизбежного двойникования. Достижением считается наращивание 1—2 мм эпитаксиального материала за один сеанс на хорошо подготовленной грани, вицинальной к (001). Чтобы заметно нарастить кристалл, приходится периодически вынимать его из реактора, обрезать поликристаллическую шубу по периметру и переполировывать ростовую поверхность для нового сеанса роста. Блестящие перспективы использования CVD-алмаза пока реализуются очень слабо. Назрела необходимость преодоления этих проблем. Стало ясно, что структурное совершенство материала неразрывно связано с достижением морфологически устойчивого эпитаксиального роста. Для анализа механизма роста монокристаллического алмаза методом CVD применена модель слоевого роста. На её основе описаны такие ключевые компоненты ростовой поверхности, как источники слоевого роста, лестница ростовых ступеней. Главными причинами морфологической нестабильности слоевого роста являются: а) положительная обратная связь из-за действия пограничного диффузионного слоя с большим градиентом концентраций ростовых радикалов; б) барьер Ehrlich—Schwoebel для перемещения адатомов через край ростовой ступени. К основным проявлениям морфологической нестабильности гомоэпитаксиального роста алмаза относятся группировка ступеней (с образованием макроступеней), меандрирование ступеней, рост холмиков и курганов, образование углублений. Показано, что эти губительные явления возникают и развиваются при эпитаксии на гранях, близких к {100}. Развитие рельефа ростовой поверхности неизбежно приводит к появлению на ней двойников, т.е. к срыву эпитаксии. Постановка диагноза морфологической нестабильности эпитаксии алмаза методом CVD позволила выдвинуть предложения по её преодолению. Они включают: а) создание контролируемых источников слоевого роста; б) подготовку лестницы ростовых ступеней путём правильной полировки ростовых граней; в) выбор оптимального угла вицинальности ростовых поверхностей; г) подбор условий пересыщения для морфологически устойчивого функционирования источников слоевого роста и развития ростовых слоёв.