高温退火炉是建立金刚石器件可靠电接触的催化剂。在沉积了钛、钼、金 (Ti/Mo/Au) 等金属层后，退火炉将组件加热到约 450°C，以触发特定的化学转变。
退火过程通过固相反应改变金属-金刚石界面。这会形成纳米级的碳化物，将高电阻的肖特基接触永久转化为低电阻的欧姆接触，这对于器件的性能至关重要。
接触形成机制
触发固相反应
退火炉的主要功能是促进在室温下无法发生的反应。通过将器件加热到 450°C，系统提供了诱导沉积金属层与金刚石衬底之间固相反应所需的热能。
形成碳化钛 (TiC)
在加热过程中，钛层与金刚石中的碳发生化学反应。该反应在界面处产生纳米级碳化钛 (TiC)。这种新的碳化物层充当金属和半导体之间的物理和电气桥梁。
电气转变
降低界面势垒
退火前，金属与金刚石之间的接触自然会形成一个能量势垒。TiC 的形成显著降低了该界面势垒，使载流子能够更自由地跨越结流。
肖特基接触转变为欧姆接触
如果没有这种热处理，连接将表现为肖特基接触，它会形成一个整流（非线性）和高电阻的势垒。退火过程将其转变为欧姆接触，确保了线性、低电阻的行为，这对于精确的电学传感至关重要。
关键工艺限制
温度精度是关键
成功取决于达到约 450°C 的特定温度窗口。如果热量不足，将无法驱动碳化物的形成，导致器件的接触电阻高且功能失效。
受控气氛的作用
参考资料规定，此过程必须在受控气氛下进行。这可以防止外部污染物干扰精密的固相反应或在高温循环期间氧化金属层。
优化器件性能
为确保您的金刚石器件正常工作，请在进行退火过程时牢记以下目标：
- 如果您的主要重点是降低电阻：确保退火炉达到并维持约 450°C，以保证碳化钛层的完全形成。
- 如果您的主要重点是信号稳定性：验证退火是否在严格受控的气氛中进行，以防止在敏感的金属-金刚石界面处发生污染。
退火炉不仅仅是一个加热元件；它是化学工程化高性能金刚石电子器件所需界面的工具。
总结表：
| 工艺阶段 | 温度 | 关键反应 | 电气结果 |
|---|---|---|---|
| 退火前 | 室温 | 金属-金刚石界面 | 高电阻肖特基接触 |
| 退火循环 | ~450°C | 固相反应 | 碳化物层形成 (TiC) |
| 退火后 | 受控冷却 | 界面桥接形成 | 低电阻欧姆接触 |
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参考文献
- Orlando Auciello, Dean M. Aslam. Review on advances in microcrystalline, nanocrystalline and ultrananocrystalline diamond films-based micro/nano-electromechanical systems technologies. DOI: 10.1007/s10853-020-05699-9
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
