www.188betkr.com 讯随着科技的飞速发展和全球对高性能、高效率半导体器件需求的不断增长，半导体衬底材料作为半导体产业链中的关键技术环节，其重要性日益凸显。半导体衬底材料是制造半导体器件和集成电路的基础，其性能直接影响最终产品的质量和性能，传统的衬底材料已难以满足这些新兴领域的需求。因此，寻找并开发新一代高性能半导体衬底材料成为了行业发展的必然趋势。
01 金刚石衬底
单晶金刚石具有超宽的禁带宽度、低的介电常数、高的击穿电压、高的本征电子和空穴迁移率，以及优越的抗辐射性能，是已知的最优秀的宽禁带高温半导体材料。相比常规的半导体材料硅，金刚石优异的热导率能够及时散发电路运转过程中的热量，从而极大地提高精密仪器的运行功率，避免由于热量聚集导致各类电子器件损坏。另外，金刚石的饱和载流子速度优于其他的半导体材料，加上高的电子迁移率及极高的击穿电场，使其成为高频半导体器件的理想衬底材料。随着5G通信时代的到来，金刚石在高频功率器件等方面的应用日益重要。日本等国家已成功研发出超高纯大尺寸金刚石晶圆量产方法，展示了其强大的应用潜力。
常见半导体材料参数
02 生产技术
在半导体器件的制造过程中，衬底材料的生产技术是决定器件性能的关键环节之一。这一过程包括了晶体生长、衬底的制备和加工，以及后续的表面处理技术，每一个步骤都对最终产品的质量和性能有着深远的影响。
半导体单晶金刚石衬底制备工艺流程
（1）单晶金刚石制备
人造金刚石行业主要有高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）两种制备方法。其中，CVD法因其耐高压、大射频、低成本、耐高温等优势，成为制备金刚石半导体衬底的主流方法。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法沉积金刚石可分为异质外延和同质外延。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。
异质外延沉积大尺寸单晶金刚石示意图
（2）切割与剥离
大尺寸单晶金刚石需要切割为一定的形状和厚度。常规的线切割和机械加工产生的损耗过大，限制了大尺寸单晶金刚石的利用率，不适用于大尺寸单晶金刚石的切割。激光切割的原理是在激光的照射下，金刚石材料瞬间气化，由于激光作用时间短，光斑小，具有速度快、切割缝窄等一系列优点，常被应用于大尺寸单晶金刚石的切割。
将CVD金刚石层从籽晶上剥离出来，需要利用离子注入技术。使用激光切割方法分离外延层时，会损耗掉一部分的金刚石，且损耗的比例随着金刚石片的尺寸增加而变大。离子注入技术预先使用高能粒子对衬底进行轰击，在预先抛光过的金刚石籽晶表面之下约几百纳米处形成非金刚石相，损伤层深度由注入的离子能量决定。经过离子注入的金刚石籽晶继续利用同质外延技术生长单晶金刚石，随后利用电化学腐蚀技术将非金刚石相去除，达到分离衬底的目的。
大尺寸单晶金刚石的剥离技术路线图
（3）抛光
抛光技术在制备高质量单晶金刚石衬底中发挥重要的作用，其中主要包括两个方面：其一，抛光可以用于制备CVD法同质外延生长单晶金刚石的籽晶，籽晶的表面质量将直接影响单晶金刚石的生长质量；其二，抛光可用于制备高质量单晶金刚石衬底。目前在生长得到CVD单晶金刚石之后，其表面通常会产生许多缺陷，所以对其进行平坦化抛光是非常必要的。
机械抛光（MP）：MP是利用金刚石与高速旋转的抛光盘（铸铁盘、砂轮盘）相互摩擦产生脆性断裂去除表面材料的抛光工艺，同时，由于高速旋转的抛光盘与金刚石摩擦会产生高温，而高温提供了“硬”的金刚石相向“软”的石墨相转变的驱动力，通过利用微切削与石墨化相结合的原理实现金刚石的抛光。
MP原理示意图
优点：设备原理简单、操作方便、效率高、适合大规模生产等特点，能实现较为光滑和平整的表面，且对于粗、中、精抛光都适用。
缺点：高速摩擦中产生的高温会对抛光盘产生损伤，进而影响抛光的表面质量；还会对金刚石产生亚表面损伤，且受抛光盘平整度与压力的影响，金刚石表面易产生划痕或裂纹，边缘易破裂。
热化学抛光（TCP）：TCP是以碳原子在热金属中的扩散、金刚石转化为石墨和金刚石的氧化为基础的抛光技术。
TCP装置
优点：对样品几乎无压力，无高转速下对金刚石表面造成损伤，因此能获得低损
伤、平整的表面。
缺点：由于需要在真空和高温下进行，设备复杂、成本高，操作难度大，难以精确控制加热温度，使样品表面均匀受热。
化学机械抛光（CMP）：CMP通过在机械抛光过程中加入氧化剂，氧化碳原子提高抛光速率，是一种利用机械与化学氧化协同作用来实现工件表面平坦化的技术。
CMP装置
优点：具有表面平整性好、粗糙度低、损伤小的特点，不仅适用于金刚石，还能处理其他硬质材料。
缺点：加工过程极为耗时，尤其在要求高精度和高质量的表面时，需要多次进行工艺的调整优化；其次高端抛光液目前还难以实现国产化，如何实现抛光液的管理回收也是需要考虑的现实问题。
等离子体刻蚀抛光（PEP）：PEP是利用将气体（如氩气、氧气、氮气等）电离形成等离子体，从而与材料表面相互作用来去除表面微小层次的物质，进而达到抛光的目的。
PEP抛光原理示意图
优点：PEP的非接触式处理方式避免了机械磨损、摩擦引起的表面损伤，能够精确地去除表面微小颗粒，适用于精密的表面抛光，具有高精度、高均匀性及适应多种材料的特点。
缺点：设备复杂，成本较高，工艺控制难度大，难以控制等离子体的均匀性和强度，易造成表面残留物，且受腔体尺寸限制，抛光金刚石的尺寸不能太大。
激光抛光（LP）：LP通过激光束照射到金刚石厚膜表面，使金刚石膜表面温度升高，进而使被加热的金刚石表面碳原子气化和石墨化，达到去除材料的目的。适用于粗抛光。
LP设备示意图
优点：效率高、不受复杂形面限制、可实现特定区域的抛光和切割等优点。
缺点：激光加工过程中，表面局部区域过热会造成热损伤，且由于受激光能量、角度与样品质量的影响，需要精确控制激光参数才能减少表面的石墨残留。
03 小结
金刚石是下一代功率器件最有希望的候选材料，而发展大尺寸高质量的单晶金刚石衬底生长技术和加工工艺是金刚石能够在半导体领域中得以应用的基础。除了传统的消费电子领域外，人工智能、物联网、5G通信等新兴应用领域对高性能半导体材料的需求也在不断增加。金刚石半导体衬底材料在这些领域具有广阔的应用前景，将推动行业持续快速发展。
参考来源
[1]刘帅伟等.金刚石半导体衬底研磨抛光技术研究现状及展望
[2]温海浪等.大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术研究现状与展望
[3]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
[4]安康等.金刚石化学机械抛光研究进展
[5]半导体视界、中国地质大学北京郑州研究院
（www.188betkr.com 编辑整理/石语）
注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！
