【原创】探秘合成大尺寸单晶金刚石的路线与难题

中国粉体网讯  金刚石具有优异的力学、电学、热学及光学特性，极具发展前景。然而，工业上可批量生产的高温高压单晶金刚石尺寸一般小于10毫米，限制了金刚石在诸多领域的应用，如何实现大尺寸金刚石合成便成为急需解决的问题。 

合成路线

现行的金刚石合成技术有高压高温法（HPHT）和化学气相沉积法（CVD）。

HPHT法受高压设备体积限制，晶体尺寸提升空间有限，并且在使用HPHT法时需要引入催化剂促进成核，因此金刚石内部杂质难以得到有效减少。与HPHT法相比，CVD法的有效生长空间大，原材料纯度高，使合成金刚石纯度较高，尤其是在掺杂处理方面具有较大优势。微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)是当下被广泛认为合成单晶金刚石的最好方法。

理论上讲，只要能够获得足够尺寸的衬底，就可以制备出相应尺寸的单晶金刚石。根据衬底种类不同，CVD法合成金刚石可分为异质外延法和同质外延法。

合成大尺寸金刚石主要存在三种具体路线，即三维生长（单颗生长）、拼接生长以及异质外延生长。

大尺寸单晶金刚石生长路线示意图

三维生长法  三维生长法的优势在于其晶体质量高，位错密度少，也可为拼接生长提供较大籽晶原料，提高面积增加效率，而在拼接或者异质外延获得的金刚石上进一步外延生长时又需要采用单颗生长的技术基础。但随生长次数的增加，金刚石外延层原子错排程度将越发严重，尺寸难以扩大，同时由于生长界面不断变化，内部的缺陷和位错逐渐增加，即使对表面打磨后再生长，最终切割后仍有很大概率出现破损的现象。受制于各种加工因素，三维生长法并不是一个最优选择。

单颗金刚石多晶面三维生长

拼接生长法  拼接生长法可获得大尺寸单晶金刚石，但籽晶的晶向会“遗传”给外延层，并且籽晶晶向偏差越大，拼接区域产生的应力也就越大。为了解决这一问题，需要对籽晶的结晶取向进行调节，保证籽晶拼接位置晶向一致、厚度一致，才能利用马赛克拼接法得到大面积的单晶金刚石。

马赛克拼接法制备大尺寸金刚石

异质外延法  由于高质量的单晶金刚石衬底很难获得，因此，选择一种合适的异质衬底进行外延生长单晶金刚石，无疑是制备英寸级单晶金刚石的最优选择，CVD沉积过程可分为形核和长大，初级核通过重整周围碳原子排列结构，不断扩大形核区，使之形成规则的金刚石晶体。提高形核密度、选择合适的异质衬底是成功实现金刚石异质外延生长的关键因素。在衬底选择方面，经过研究人员长期的探索，Ir被认为是一种最优的选择，是目前唯一可实现高质量、大尺寸异质外延制备金刚石的衬底材料。

异质外延法沉积大尺寸金刚石

技术难题

金刚石衬底尺寸  化学气相沉积金刚石材料需达到英寸级大晶圆面积。大尺寸的天然金刚石材料储备有限、价格昂贵且质量参差不齐，难以满足工业化应用的需求，而MPCVD法沉积英寸级单晶金刚石的制备技术是目前需要突破的首要难题。

切割与剥离  单晶金刚石在籽晶上生长后要能自由切割并剥离成片，目前CVD单晶金刚石的剥离主要使用激光切割的方法，该方法易破碎、效率低。

研磨与抛光  单晶金刚石研磨抛光后的表面粗糙度和面型精度要能满足功能器件的要求。比如，半导体衬底器件对表面粗糙度和面型精度的要求很高，英寸级单晶金刚石的研磨抛光也是一大挑战。

结语

大尺寸单晶金刚石的合成问题一直是制约金刚石商业化应用与推广的首要难题。虽然目前一些高校和实验室已经开展了一些关于大尺寸单晶金刚石生长、切割及研磨抛光的工艺研究，制备的大尺寸晶圆可应用于热沉和光学领域，但是仍然无法满足电子级半导体领域的需求。

未来，应当进一步完善大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工工艺，不断提高晶体质量，为研究金刚石功率器件的进一步应用奠定基础。

参考来源：

1.刘俊杰等：半导体用大尺寸单晶金刚石衬底制备及加工研究现状.人工晶体学报

2.谢文良：单晶金刚石MPCVD外延生长的关键问题研究.吉林大学

（中国粉体网编辑整理/轻言）

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