中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著科技的飛速發(fā)展和全球?qū)Ω咝阅堋⒏咝拾雽?dǎo)體器件需求的不斷增長(zhǎng)，半導(dǎo)體襯底材料作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，其重要性日益凸顯。半導(dǎo)體襯底材料是制造半導(dǎo)體器件和集成電路的基礎(chǔ)，其性能直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，傳統(tǒng)的襯底材料已難以滿足這些新興領(lǐng)域的需求。因此，尋找并開發(fā)新一代高性能半導(dǎo)體襯底材料成為了行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
01 金剛石襯底
單晶金剛石具有超寬的禁帶寬度、低的介電常數(shù)、高的擊穿電壓、高的本征電子和空穴遷移率，以及優(yōu)越的抗輻射性能，是已知的最優(yōu)秀的寬禁帶高溫半導(dǎo)體材料。相比常規(guī)的半導(dǎo)體材料硅，金剛石優(yōu)異的熱導(dǎo)率能夠及時(shí)散發(fā)電路運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的熱量，從而極大地提高精密儀器的運(yùn)行功率，避免由于熱量聚集導(dǎo)致各類電子器件損壞。另外，金剛石的飽和載流子速度優(yōu)于其他的半導(dǎo)體材料，加上高的電子遷移率及極高的擊穿電場(chǎng)，使其成為高頻半導(dǎo)體器件的理想襯底材料。隨著5G通信時(shí)代的到來，金剛石在高頻功率器件等方面的應(yīng)用日益重要。日本等國(guó)家已成功研發(fā)出超高純大尺寸金剛石晶圓量產(chǎn)方法，展示了其強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。
常見半導(dǎo)體材料參數(shù)
02 生產(chǎn)技術(shù)
在半導(dǎo)體器件的制造過程中，襯底材料的生產(chǎn)技術(shù)是決定器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。這一過程包括了晶體生長(zhǎng)、襯底的制備和加工，以及后續(xù)的表面處理技術(shù)，每一個(gè)步驟都對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有著深遠(yuǎn)的影響。
半導(dǎo)體單晶金剛石襯底制備工藝流程
（1）單晶金剛石制備
人造金剛石行業(yè)主要有高溫高壓法（HTHP）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）兩種制備方法。其中，CVD法因其耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，成為制備金剛石半導(dǎo)體襯底的主流方法。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法沉積金剛石可分為異質(zhì)外延和同質(zhì)外延。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(jìn)行外延生長(zhǎng)單晶金剛石，無疑是制備英寸級(jí)單晶金剛石的最優(yōu)選擇。
異質(zhì)外延沉積大尺寸單晶金剛石示意圖
（2）切割與剝離
大尺寸單晶金剛石需要切割為一定的形狀和厚度。常規(guī)的線切割和機(jī)械加工產(chǎn)生的損耗過大，限制了大尺寸單晶金剛石的利用率，不適用于大尺寸單晶金剛石的切割。激光切割的原理是在激光的照射下，金剛石材料瞬間氣化，由于激光作用時(shí)間短，光斑小，具有速度快、切割縫窄等一系列優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于大尺寸單晶金剛石的切割。
將CVD金剛石層從籽晶上剝離出來，需要利用離子注入技術(shù)。使用激光切割方法分離外延層時(shí)，會(huì)損耗掉一部分的金剛石，且損耗的比例隨著金剛石片的尺寸增加而變大。離子注入技術(shù)預(yù)先使用高能粒子對(duì)襯底進(jìn)行轟擊，在預(yù)先拋光過的金剛石籽晶表面之下約幾百納米處形成非金剛石相，損傷層深度由注入的離子能量決定。經(jīng)過離子注入的金剛石籽晶繼續(xù)利用同質(zhì)外延技術(shù)生長(zhǎng)單晶金剛石，隨后利用電化學(xué)腐蝕技術(shù)將非金剛石相去除，達(dá)到分離襯底的目的。
大尺寸單晶金剛石的剝離技術(shù)路線圖
（3）拋光
拋光技術(shù)在制備高質(zhì)量單晶金剛石襯底中發(fā)揮重要的作用，其中主要包括兩個(gè)方面：其一，拋光可以用于制備CVD法同質(zhì)外延生長(zhǎng)單晶金剛石的籽晶，籽晶的表面質(zhì)量將直接影響單晶金剛石的生長(zhǎng)質(zhì)量；其二，拋光可用于制備高質(zhì)量單晶金剛石襯底。目前在生長(zhǎng)得到CVD單晶金剛石之后，其表面通常會(huì)產(chǎn)生許多缺陷，所以對(duì)其進(jìn)行平坦化拋光是非常必要的。
機(jī)械拋光（MP）：MP是利用金剛石與高速旋轉(zhuǎn)的拋光盤（鑄鐵盤、砂輪盤）相互摩擦產(chǎn)生脆性斷裂去除表面材料的拋光工藝，同時(shí)，由于高速旋轉(zhuǎn)的拋光盤與金剛石摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，而高溫提供了“硬”的金剛石相向“軟”的石墨相轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，通過利用微切削與石墨化相結(jié)合的原理實(shí)現(xiàn)金剛石的拋光。
MP原理示意圖
優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備原理簡(jiǎn)單、操作方便、效率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)較為光滑和平整的表面，且對(duì)于粗、中、精拋光都適用。
缺點(diǎn)：高速摩擦中產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)拋光盤產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響拋光的表面質(zhì)量；還會(huì)對(duì)金剛石產(chǎn)生亞表面損傷，且受拋光盤平整度與壓力的影響，金剛石表面易產(chǎn)生劃痕或裂紋，邊緣易破裂。
熱化學(xué)拋光（TCP）：TCP是以碳原子在熱金屬中的擴(kuò)散、金剛石轉(zhuǎn)化為石墨和金剛石的氧化為基礎(chǔ)的拋光技術(shù)。
TCP裝置
優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品幾乎無壓力，無高轉(zhuǎn)速下對(duì)金剛石表面造成損傷，因此能獲得低損
傷、平整的表面。
缺點(diǎn)：由于需要在真空和高溫下進(jìn)行，設(shè)備復(fù)雜、成本高，操作難度大，難以精確控制加熱溫度，使樣品表面均勻受熱。
化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）：CMP通過在機(jī)械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率，是一種利用機(jī)械與化學(xué)氧化協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)工件表面平坦化的技術(shù)。
CMP裝置
優(yōu)點(diǎn)：具有表面平整性好、粗糙度低、損傷小的特點(diǎn)，不僅適用于金剛石，還能處理其他硬質(zhì)材料。
缺點(diǎn)：加工過程極為耗時(shí)，尤其在要求高精度和高質(zhì)量的表面時(shí)，需要多次進(jìn)行工藝的調(diào)整優(yōu)化；其次高端拋光液目前還難以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，如何實(shí)現(xiàn)拋光液的管理回收也是需要考慮的現(xiàn)實(shí)問題。
等離子體刻蝕拋光（PEP）：PEP是利用將氣體（如氬氣、氧氣、氮?dú)獾龋╇婋x形成等離子體，從而與材料表面相互作用來去除表面微小層次的物質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到拋光的目的。
PEP拋光原理示意圖
優(yōu)點(diǎn)：PEP的非接觸式處理方式避免了機(jī)械磨損、摩擦引起的表面損傷，能夠精確地去除表面微小顆粒，適用于精密的表面拋光，具有高精度、高均勻性及適應(yīng)多種材料的特點(diǎn)。
缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，成本較高，工藝控制難度大，難以控制等離子體的均勻性和強(qiáng)度，易造成表面殘留物，且受腔體尺寸限制，拋光金剛石的尺寸不能太大。
激光拋光（LP）：LP通過激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進(jìn)而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，達(dá)到去除材料的目的。適用于粗拋光。
LP設(shè)備示意圖
優(yōu)點(diǎn)：效率高、不受復(fù)雜形面限制、可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的拋光和切割等優(yōu)點(diǎn)。
缺點(diǎn)：激光加工過程中，表面局部區(qū)域過熱會(huì)造成熱損傷，且由于受激光能量、角度與樣品質(zhì)量的影響，需要精確控制激光參數(shù)才能減少表面的石墨殘留。
03 小結(jié)
金剛石是下一代功率器件最有希望的候選材料，而發(fā)展大尺寸高質(zhì)量的單晶金剛石襯底生長(zhǎng)技術(shù)和加工工藝是金剛石能夠在半導(dǎo)體領(lǐng)域中得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。除了傳統(tǒng)的消費(fèi)電子領(lǐng)域外，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅馨雽?dǎo)體材料的需求也在不斷增加。金剛石半導(dǎo)體襯底材料在這些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，將推動(dòng)行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。
參考來源
[1]劉帥偉等.金剛石半導(dǎo)體襯底研磨拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望
[2]溫海浪等.大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望
[3]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
[4]安康等.金剛石化學(xué)機(jī)械拋光研究進(jìn)展
[5]半導(dǎo)體視界、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)北京鄭州研究院
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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