中國粉體網(wǎng)訊 金剛石具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)特性，極具發(fā)展前景。然而，工業(yè)上可批量生產(chǎn)的高溫高壓單晶金剛石尺寸一般小于10毫米，限制了金剛石在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，如何實現(xiàn)大尺寸金剛石合成便成為急需解決的問題。
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(xué)氣相沉積法（CVD）。
HPHT法受高壓設(shè)備體積限制，晶體尺寸提升空間有限，并且在使用HPHT法時需要引入催化劑促進成核，因此金剛石內(nèi)部雜質(zhì)難以得到有效減少。與HPHT法相比，CVD法的有效生長空間大，原材料純度高，使合成金剛石純度較高，尤其是在摻雜處理方面具有較大優(yōu)勢。微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MPCVD)是當(dāng)下被廣泛認為合成單晶金剛石的最好方法。
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 三維生長法的優(yōu)勢在于其晶體質(zhì)量高，位錯密度少，也可為拼接生長提供較大籽晶原料，提高面積增加效率，而在拼接或者異質(zhì)外延獲得的金剛石上進一步外延生長時又需要采用單顆生長的技術(shù)基礎(chǔ)。但隨生長次數(shù)的增加，金剛石外延層原子錯排程度將越發(fā)嚴重，尺寸難以擴大，同時由于生長界面不斷變化，內(nèi)部的缺陷和位錯逐漸增加，即使對表面打磨后再生長，最終切割后仍有很大概率出現(xiàn)破損的現(xiàn)象。受制于各種加工因素，三維生長法并不是一個最優(yōu)選擇。
單顆金剛石多晶面三維生長
拼接生長法 拼接生長法可獲得大尺寸單晶金剛石，但籽晶的晶向會“遺傳”給外延層，并且籽晶晶向偏差越大，拼接區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大。為了解決這一問題，需要對籽晶的結(jié)晶取向進行調(diào)節(jié)，保證籽晶拼接位置晶向一致、厚度一致，才能利用馬賽克拼接法得到大面積的單晶金剛石。
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很難獲得，因此，選擇一種合適的異質(zhì)襯底進行外延生長單晶金剛石，無疑是制備英寸級單晶金剛石的最優(yōu)選擇，CVD沉積過程可分為形核和長大，初級核通過重整周圍碳原子排列結(jié)構(gòu)，不斷擴大形核區(qū)，使之形成規(guī)則的金剛石晶體。提高形核密度、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。在襯底選擇方面，經(jīng)過研究人員長期的探索，Ir被認為是一種最優(yōu)的選擇，是目前唯一可實現(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸異質(zhì)外延制備金剛石的襯底材料。
異質(zhì)外延法沉積大尺寸金剛石
技術(shù)難題
金剛石襯底尺寸 化學(xué)氣相沉積金剛石材料需達到英寸級大晶圓面積。大尺寸的天然金剛石材料儲備有限、價格昂貴且質(zhì)量參差不齊，難以滿足工業(yè)化應(yīng)用的需求，而MPCVD法沉積英寸級單晶金剛石的制備技術(shù)是目前需要突破的首要難題。
切割與剝離 單晶金剛石在籽晶上生長后要能自由切割并剝離成片，目前CVD單晶金剛石的剝離主要使用激光切割的方法，該方法易破碎、效率低。
研磨與拋光 單晶金剛石研磨拋光后的表面粗糙度和面型精度要能滿足功能器件的要求。比如，半導(dǎo)體襯底器件對表面粗糙度和面型精度的要求很高，英寸級單晶金剛石的研磨拋光也是一大挑戰(zhàn)。
結(jié)語
大尺寸單晶金剛石的合成問題一直是制約金剛石商業(yè)化應(yīng)用與推廣的首要難題。雖然目前一些高校和實驗室已經(jīng)開展了一些關(guān)于大尺寸單晶金剛石生長、切割及研磨拋光的工藝研究，制備的大尺寸晶圓可應(yīng)用于熱沉和光學(xué)領(lǐng)域，但是仍然無法滿足電子級半導(dǎo)體領(lǐng)域的需求。
未來，應(yīng)當(dāng)進一步完善大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工工藝，不斷提高晶體質(zhì)量，為研究金剛石功率器件的進一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
參考來源：
1.劉俊杰等：半導(dǎo)體用大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工研究現(xiàn)狀.人工晶體學(xué)報
2.謝文良：單晶金剛石MPCVD外延生長的關(guān)鍵問題研究.吉林大學(xué)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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