微波等离子体电子密度高、无电极,凭借其高效性、清洁性和可控性等优势广泛应用于半导体领域1]。以金刚石为基底的下一代碳基半导体被认为是后摩尔时代的颠覆性技术之一,也是我国唯一在半导体领域的突破点。相比于传统金刚石制备方法,微波等离子体化学气相沉积（MPCVD:Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition）是制备大尺寸、高质量单晶金刚石的唯一方式。在微波能量的作用下,工质气体被电离程度达10%以上,微波谐振腔中充满过饱和原子氢和含碳基团,逐步沉积到衬底上的籽晶,最终形成金刚石。微波谐振腔的设计和改进是MPCVD装备技术发展中的一个关键问题,在金刚石的制备过程中,这直接决定了沉积尺寸、速率以及质量等参数。随着计算机科学的发展,数值模拟被用来指导MPCVD器件的结构优化和分析其中等离子体的特性2],如图1所示。我们列举了传统的等离子体数值模拟方法。包括动力学法、流体近似法和混合法3-5],分析了其优缺点及适用情况。基于传统算法上的改进,新型的微波等离子体多物理场耦合稳态算法加快了模型收敛速度、突破传统算法无法计算三维模型的瓶颈,计算结果良好地预测了MPCVD腔体中等离子体的放电形态,如图2所示。在MPCVD装备方面,我们总结了其发展趋势,由最初的柱型反应器逐渐演变至现在的塔型反应器,由图3所示。反应器结构不同引起微波谐振的模式不同,设计时需要在沉积台上方产生扁平均匀的高场强区域,同时场强最大值与最小值相差不超过30%,这样均匀的电场模式将会激发放电区域更大且均匀的等离子体,如图4所示。随着MPCVD数值模拟与装备设计的发展,沉积台尺寸由2英寸逐步扩大到3英寸,克服了污染、能耗等弊端,在制备大面积、高质量的单晶金刚石的同时也提升了经济效益,推动我国碳基半导体领域进一步的发展。
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