金剛石因其優(yōu)異的機械、電學、熱學和光學性能，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。然而，目前工業(yè)上通過高溫高壓法批量生產(chǎn)的單晶金剛石尺寸通常小于10毫米，這極大限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，實現(xiàn)大尺寸金剛石的合成已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

01

合成路線

現(xiàn)行的金剛石合成技術(shù)有高壓高溫法（HPHT）和化學氣相沉積法（CVD）。

HPHT法由于受到高壓設(shè)備體積的限制，晶體尺寸的提升空間有限。此外，HPHT法在合成過程中需要引入催化劑來促進成核，導致金剛石內(nèi)部的雜質(zhì)難以有效減少。相比之下，CVD法擁有更大的有效生長空間，并且使用的原材料純度較高，從而使得合成的金剛石純度更高，尤其在摻雜處理方面具有顯著優(yōu)勢。其中，微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）被廣泛認為是目前合成單晶金剛石的最佳方法。

理論上講，只要能夠獲得足夠尺寸的襯底，就可以制備出相應(yīng)尺寸的單晶金剛石。根據(jù)襯底種類不同，CVD法合成金剛石可分為異質(zhì)外延法和同質(zhì)外延法。 合成大尺寸金剛石主要存在三種具體路線，即三維生長（單顆生長）、拼接生長以及異質(zhì)外延生長。

大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖

三維生長法的優(yōu)勢在于其高質(zhì)量的晶體和較低的位錯密度，此外，它還能為拼接生長提供較大的籽晶材料，從而提高面積擴展的效率。然而，當在通過拼接或異質(zhì)外延獲得的金剛石上進一步進行外延生長時，仍需依賴單顆生長技術(shù)作為基礎(chǔ)。然而，隨著生長次數(shù)的增加，金剛石外延層的原子錯排現(xiàn)象會愈加嚴重，導致晶體尺寸難以進一步擴大。同時，由于生長界面的不斷變化，內(nèi)部缺陷和位錯逐漸增多，即使對表面進行打磨再生長，最終切割后仍有較高的破損概率。由于受到各種加工因素的限制，三維生長法并不是最優(yōu)的選擇。

單顆金剛石多晶面三維生長 拼接生長法可以實現(xiàn)大尺寸單晶金剛石的制備，但外延層的晶向會繼承籽晶的晶向。如果籽晶的晶向偏差較大，拼接區(qū)域就會產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為了解決這一問題，需要對籽晶的結(jié)晶取向進行精確調(diào)節(jié)，確保拼接區(qū)域的晶向一致、厚度均勻，才能通過馬賽克拼接法獲得大面積的單晶金剛石。這種方法在實現(xiàn)大尺寸的同時，也需要在晶向匹配和應(yīng)力控制方面有較高的技術(shù)要求。

馬賽克拼接法制備大尺寸金剛石 異質(zhì)外延法由于高質(zhì)量的單晶金剛石襯底難以獲得，因此選擇合適的異質(zhì)襯底進行單晶金剛石的外延生長成為制備英寸級單晶金剛石的理想方案。在CVD沉積過程中，生長過程可以分為形核和晶體長大階段。初始形核通過重組周圍碳原子的排列，不斷擴大形核區(qū)域，最終形成規(guī)則的金剛石晶體。提高形核密度以及選擇合適的異質(zhì)襯底是成功實現(xiàn)金剛石異質(zhì)外延生長的關(guān)鍵因素。在襯底材料的選擇方面，經(jīng)過多年的研究探索，Ir被認為是最優(yōu)的選擇，它是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸金剛石異質(zhì)外延生長的襯底材料。

異質(zhì)外延法沉積大尺寸金剛石

02

技術(shù)難題

金剛石襯底的尺寸要求正在向英寸級大晶圓面積發(fā)展，尤其是在化學氣相沉積（CVD）技術(shù)中。由于天然大尺寸金剛石材料的儲備有限、價格高昂且質(zhì)量不均，難以滿足工業(yè)化應(yīng)用需求，因此通過MPCVD法制備英寸級單晶金剛石已成為亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。 在切割與剝離方面，單晶金剛石在籽晶上生長后需要能夠自由切割和剝離成片。目前，CVD單晶金剛石的剝離主要依賴激光切割技術(shù)，但該方法易造成材料破損，且效率較低。 至于研磨與拋光，單晶金剛石表面的粗糙度和面型精度必須滿足功能器件的嚴格要求，尤其是在半導體襯底器件中，這些指標尤為關(guān)鍵。實現(xiàn)英寸級單晶金剛石的高精度研磨與拋光，仍然是一個重大挑戰(zhàn)。

03

結(jié)語

大尺寸單晶金剛石的合成問題一直是限制金剛石商業(yè)化應(yīng)用和推廣的主要瓶頸。盡管目前一些高校和實驗室已經(jīng)在大尺寸單晶金剛石的生長、切割和研磨拋光工藝方面開展了一些研究，所制備的大尺寸晶圓已經(jīng)能夠應(yīng)用于熱沉和光學領(lǐng)域，但仍然無法滿足電子級半導體領(lǐng)域的需求。展望未來，應(yīng)進一步完善大尺寸單晶金剛石襯底的制備和加工工藝，持續(xù)提升晶體質(zhì)量。這將為金剛石在功率器件等高端應(yīng)用中的研究和發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。 來源：半導體在線