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在半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的今天，大尺寸晶圓的高效制備成為推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。而在眾多半導(dǎo)體材料中，金剛石憑借其超寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異電學(xué)性質(zhì)，被視為 “終極半導(dǎo)體”，在電真空器件、高頻高功率固態(tài)電子器件領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。
然而，金剛石的高硬度和生長(zhǎng)速率低、尺寸小等問題，限制了其在大尺寸晶圓制備中的應(yīng)用。今天，我們就一同深入探究大尺寸金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)。
常規(guī)半導(dǎo)體復(fù)制技術(shù)大盤點(diǎn)
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，晶圓復(fù)制通常借助同質(zhì)外延生長(zhǎng)后切割，或基于異質(zhì)襯底進(jìn)行異質(zhì)外延這兩種方式實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。而半導(dǎo)體切割技術(shù)作為晶圓復(fù)制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)晶圓及襯底表面質(zhì)量影響重大。目前，常見的半導(dǎo)體切割技術(shù)各有千秋：
線切割技術(shù)：
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- 分為游離磨料多線切割和固結(jié)金剛石多線切割。前者利用多根高速運(yùn)動(dòng)的切割線帶動(dòng)切割液中的磨料切削材料，雖可多片同時(shí)生產(chǎn)，但材料損耗高達(dá) 40%，且切割液回收困難、污染環(huán)境；后者則是通過固結(jié)在切割線上的金剛石磨粒進(jìn)行切割，切片效率高、污染小，卻容易損傷晶圓。
切割原理示意圖
Smart-Cut 技術(shù)：該技術(shù)通過向材料注入大劑量氫離子形成受損層，再經(jīng)晶圓鍵合、退火、拋光等步驟獲取晶圓。它能生產(chǎn)多種異質(zhì)晶圓，對(duì)晶圓損傷小、生產(chǎn)的晶圓質(zhì)量高，但對(duì)材料和實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求苛刻，生產(chǎn)穩(wěn)定性欠佳。
激光隱形切割技術(shù)：利用可透射波長(zhǎng)激光在材料內(nèi)部聚焦形成改質(zhì)層，隨后使材料分離并加工表面。其加工速度快、精度高、穩(wěn)定性好，幾乎無材料損耗，能有效解決普通激光切割的諸多問題，在大尺寸金剛石切割領(lǐng)域頗具發(fā)展?jié)摿Α?/p>
金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)的探索之路
目前，金剛石晶圓制備主要有基于異質(zhì)襯底的異質(zhì)外延生長(zhǎng)和基于拼接等方法的同質(zhì)外延生長(zhǎng)這兩種途徑。而基于同質(zhì)外延的金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)多借助離子注入技術(shù)，此外，激光隱形切割技術(shù)在金剛石復(fù)制方面也有了初步成果。這兩種復(fù)制技術(shù)有效規(guī)避了傳統(tǒng)激光切割高損耗的問題7。
離子注入剝離金剛石：
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- 1992 年，Parikh 等人首次提出金剛石剝離技術(shù)，通過離子注入、退火和刻蝕等處理，成功完成了小尺寸金剛石的剝離。此后，該技術(shù)不斷改進(jìn)，如調(diào)整外延生長(zhǎng)厚度、采用電化學(xué)刻蝕等實(shí)現(xiàn)定向剝離。離子注入時(shí)，離子在金剛石晶體中形成受損層的過程遵循射程理論。研究發(fā)現(xiàn)，存在臨界劑量和缺陷密度閾值，達(dá)到這些條件，受損層才能形成可刻蝕的石墨層實(shí)現(xiàn)剝離。
目前，離子注入剝離技術(shù)在大尺寸、超薄金剛石制備方面取得了一定進(jìn)展，還能降低襯底表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)襯底重復(fù)利用。但該技術(shù)需要高能離子注入，設(shè)備成本高、注入面積受限，產(chǎn)業(yè)化推廣面臨挑戰(zhàn)。
離子注入剝離金剛石流程圖
激光剝離金剛石：原理與激光隱形切割半導(dǎo)體類似，利用飛秒激光在金剛石內(nèi)部形成石墨改質(zhì)層，再通過退火、電化學(xué)刻蝕等步驟實(shí)現(xiàn)剝離。近年來，飛秒激光誘導(dǎo)金剛石石墨化的研究逐漸興起，已有研究成功在金剛石內(nèi)部制造出石墨微結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了單晶金剛石的剝離。國(guó)內(nèi)北京科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光在金剛石較深位置形成受損層，有望實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石晶圓的剝離，該方法能避免其他工藝的復(fù)雜問題，為大尺寸金剛石復(fù)制提供了新方向。
未來展望：激光剝離技術(shù)有望成主流
綜合現(xiàn)階段半導(dǎo)體晶圓復(fù)制技術(shù)與金剛石復(fù)制技術(shù)的發(fā)展情況，我們可以對(duì)大尺寸金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。
由于金剛石的超高硬度，多數(shù)常規(guī)復(fù)制技術(shù)難以適用于它，而離子注入剝離和激光剝離技術(shù)成為處理超硬材料的有效手段。但離子注入對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格、加工時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)高效率穩(wěn)定生產(chǎn)；
激光剝離技術(shù)不僅能切割超硬的金剛石半導(dǎo)體材料，還具備高精度、高質(zhì)量、低損耗等優(yōu)勢(shì)。雖然目前激光剝離在金剛石領(lǐng)域尚處于起步階段，作用機(jī)制和剝離工藝有待完善，但隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，它有望成為大尺寸金剛石晶圓復(fù)制的主流技術(shù)，為金剛石在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有力支撐。
大尺寸金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)的發(fā)展雖面臨挑戰(zhàn)，但前景廣闊。隨著研究的深入和技術(shù)的突破，我們有理由相信，未來金剛石在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大的價(jià)值，為科技發(fā)展注入新的活力。
