大尺寸金刚石晶圆复制技术：现状与未来展望

12月5-7日，由DT新材料主办的第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024）将在上海新国际博览中心隆重举办。同期针对半导体与加工主题特设4大论坛，宽禁带半导体及创新应用论坛、超硬材料与超精密加工论坛、金刚石前沿应用与产业发展论坛、培育钻石论坛，已邀请国内外知名专家和企业莅临交流，欢迎报名。

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在现代科技领域，半导体技术的发展日新月异，而大尺寸晶圆的高效制备则是半导体技术发展的关键环节。金刚石，作为一种具有卓越电学性能的材料，在电真空器件和高频高功率固态电子器件中展现出了巨大的应用潜力，被誉为 “终极半导体”。

然而，金刚石的超高硬度给晶圆复制带来了诸多挑战，传统的激光切割方法已无法满足大尺寸晶圆的制备需求。因此，研发高效、低损耗的大尺寸金刚石晶圆复制技术迫在眉睫。

   常规半导体复制技术：原理、特点与应用对比

1、线切割技术

• 游离磨料多线切割

原理：多根高速运动的切割线带动切割液中的磨料进入锯缝，切割线不直接切割材料，而是由磨料通过 “滚动⁃压痕” 或 “刮擦⁃压痕” 方式去除材料。切割线一般为表面镀铜钢丝线，切割液以碳化硅或金刚石为磨料，与分散悬浮剂和溶剂混合。

多线切割原理图 图源：论文

特点：实现了多片晶圆同时生产，随着切割线直径减小，材料损耗降低，能生产更薄晶圆。但存在诸多问题，如至少 40% 的材料损耗，造成资源浪费；切割液回收利用困难，可能污染环境。

应用：广泛应用于 Si、SiC 等硬脆材料的加工生产。

• 固结金刚石多线切割

原理：高速运动的切割线带动固结在其上的金刚石磨粒直接切削材料，金刚石固结方法主要有机械嵌入、电镀、树脂粘接和钎焊，其中电镀法应用最广泛。

切割原理图 图源：论文

特点：在半导体切割速度方面有明显改善，切片效率高于游离磨料多线切割，且采用固结金刚石磨粒取代游离磨料，极大减少了对环境的污染。然而，金刚石磨粒硬度高，容易在生产晶圆时对晶圆造成损伤，导致晶圆质量无法保证。

应用：主要面向硬脆材料晶圆加工。

2、Smart⁃Cut 技术

原理：向材料中注入大剂量氢离子，在材料内部形成受损层，氢离子注入会使材料内部形成高密度缺陷，经中温退火，受损层处氢向外扩散，缺陷扩展形成微腔，最终材料沿受损层开裂。其流程包括在晶圆表面覆盖介电层并注入氢离子，利用范德华力键合两片晶圆，进行中温与高温两段退火，最后对晶圆表面抛光。

智能切削流程示意图 图源：论文

特点：将离子注入技术与晶圆键合技术相结合，生产的晶圆较薄且均匀，质量较高，对晶圆损伤较小。但制备过程相对精细，对材料以及实验环境要求较高，导致生产过程中存在稳定性问题。

应用：用于生产多种异质晶圆，如 SOI、GOI、SOG 等。

3、激光隐形切割技术

原理：利用可透射波长激光在材料内部聚焦形成改质层，然后通过机械拉伸等方式使材料与晶圆从改质层分离，最后对材料表面加工降低粗糙度，使材料可重复使用。

激光隐形切割图 图源：论文

特点：加工速度快、效率高，精确性与稳定性好，几乎没有材料损耗，有效解决了普通激光切割产生的碎片、污染与晶圆损伤等问题，提高了晶圆制备质量，适用于对其他方法难以处理的硬脆材料进行加工。

应用：在处理硬脆材料方面具有独特优势，尤其在大尺寸金刚石切割方向有望进一步发展。

   金刚石晶圆复制技术的研究进展

1、离子注入剥离金刚石

• 技术发展历程

1992 年，Parikh 等首次提出金刚石剥离技术，使用 4-5MeV 高能碳离子与氧离子注入金刚石，经真空高温退火、氧气气氛中退火或热铬酸溶液刻蚀等处理，成功完成 4mm×4mm 金刚石的剥离。

1993 年，Mike Marchywka 等改进离子注入剥离流程，在刻蚀前利用化学气相沉积外延生长调整金刚石剥离层厚度，并使用电化学刻蚀去除受损层，实现定向、可观察的剥离。此后，离子注入剥离流程被广泛采用。

技术原理：离子注入通过电场加速离子，将具有目标能量的离子束轰击到金刚石中，离子注入至一定深度形成受损层。大部分能量损失来自电子能损，对金刚石无明显损伤，当离子到达某一深度后，核能损急剧增加，导致原子位移，形成含高浓度缺陷的损伤层。每种离子存在临界剂量，当注入剂量达到临界剂量，受损层在合适条件下形成可刻蚀的石墨受损层。不同离子对应同一缺陷密度阈值，超过该阈值退火处理后受损层会石墨化。

离子注入剥离金刚石流程图 图源：论文

• 应用成果

大尺寸单晶金刚石制备：

Mokuno 等利用微波等离子体 CVD 实现金刚石高速率同质外延生长，结合高能碳离子注入成功制备 10mm×10mm×(0.2-0.45) mm 大尺寸单晶金刚石，并提出与侧面生长技术结合进一步增大尺寸，实现半英寸单晶 CVD 金刚石制备。

金刚石扩大流程示意图  图源：论文

Yamada 等将离子注入剥离技术与马赛克拼接技术结合，合成 1 英寸马赛克金刚石晶圆。

1英寸马赛克拼接单晶金刚石  图源：论文

超薄金刚石制备：

Fairchild 等向单晶金刚石样品注入双能量氦离子，经退火与刻蚀处理制备出高质量亚微米单晶金刚石层，最薄可达210nm。

Rubanov 等研究氦离子注入的高温退火阶段，Popov 等在真空高温条件下进行高通量 H⁺注入并通过退火和刻蚀制备出厚度约 30nm 的超薄单晶金刚石。

Masante 等将 Smart⁃Cut 与金刚石结合，为未来制备超薄金刚石奠定基础。

低表面粗糙度金刚石衬底获得：

Locher 等研究表明离子注入对生长后剥离下的金刚石膜质量影响较小，Tran Thi 等利用离子注入剥离技术可将金刚石表面粗糙度降低至亚纳米程度，但也有研究发现离子注入可能增加表面粗糙度，不过通过一些处理可使衬底保持较好粗糙度。

• 技术局限：目前离子注入剥离需要 MeV 的高能离子注入，依赖加速器，且注入面积受限，难以实现产业化推广。

2、激光剥离金刚石

技术原理：类似于激光隐形切割半导体，将激光聚焦在金刚石样品表面以下进行加工，在金刚石内部形成能够刻蚀的石墨改质层，金刚石表面基本不变，然后通过退火、电化学刻蚀等步骤刻蚀石墨层，实现金刚石剥离。飞秒激光因其超短脉宽，在精度高、尺寸小的材料加工上应用广泛，近年来逐渐用于研究金刚石石墨化和微结构加工。

飞秒激光处理后金刚石横截面SEM图像  图源：论文

研究成果：

Kononenko 等通过飞秒激光在金刚石内部形成石墨微结构；

Fei Wang 等使用飞秒激光在金刚石约深 12μm 处形成受损层，经外延生长和电化学刻蚀实现单晶金刚石剥离；

北京科技大学刘金龙等利用飞秒激光在样品表面下 241μm 处形成受损层，通过可控退火和电化学刻蚀，有望实现大尺寸金刚石晶圆的剥离，避免了传统工艺的复杂和质量恶化问题。

   未来发展趋势与展望

离子注入剥离和激光剥离是目前针对超硬材料有效的方法。离子注入剥离虽能制备高质量金刚石晶圆，但存在环境要求苛刻、加工时间长、效率低等问题。激光剥离具有高精度、高质量、低损耗等优势，有望成为大尺寸金刚石晶圆复制的主流技术，为金刚石在更多领域的应用提供有力支撑。

随着科技的不断进步，相信大尺寸金刚石晶圆复制技术将不断创新与突破，为半导体行业带来新的发展机遇。让我们共同期待这一技术在未来发挥更大的作用，推动电子器件性能迈向新的高度！

以上内容整理自DOI：10.16540/j.cnki.cn11-2485/tn.2024.05.02

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