大尺寸金剛石晶圓復制技術：現(xiàn)狀與未來

在半導體技術飛速發(fā)展的今天，大尺寸晶圓的高效制備成為推動行業(yè)進步的關鍵因素。而在眾多半導體材料中，金剛石憑借其超寬禁帶、高擊穿電場、高熱導率等優(yōu)異電學性質，被視為 “終極半導體”，在電真空器件、高頻高功率固態(tài)電子器件領域極具應用潛力。

然而，金剛石的高硬度和生長速率低、尺寸小等問題，限制了其在大尺寸晶圓制備中的應用。今天，我們就一同深入探究大尺寸金剛石晶圓復制技術的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢。

常規(guī)半導體復制技術大盤點

在半導體領域，晶圓復制通常借助同質外延生長后切割，或基于異質襯底進行異質外延這兩種方式實現(xiàn)批量生產(chǎn)。而半導體切割技術作為晶圓復制的關鍵環(huán)節(jié)，對晶圓及襯底表面質量影響重大。目前，常見的半導體切割技術各有千秋：

線切割技術：

1. 分為游離磨料多線切割和固結金剛石多線切割。前者利用多根高速運動的切割線帶動切割液中的磨料切削材料，雖可多片同時生產(chǎn)，但材料損耗高達 40%，且切割液回收困難、污染環(huán)境；后者則是通過固結在切割線上的金剛石磨粒進行切割，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：該技術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)多種異質晶圓，對晶圓損傷小、生產(chǎn)的晶圓質量高，但對材料和實驗環(huán)境要求苛刻，生產(chǎn)穩(wěn)定性欠佳。

激光隱形切割技術：利用可透射波長激光在材料內部聚焦形成改質層，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域頗具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

金剛石晶圓復制技術的探索之路

目前，金剛石晶圓制備主要有基于異質襯底的異質外延生長和基于拼接等方法的同質外延生長這兩種途徑。而基于同質外延的金剛石晶圓復制技術多借助離子注入技術，此外，激光隱形切割技術在金剛石復制方面也有了初步成果。這兩種復制技術有效規(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：

1. 1992 年，Parikh 等人首次提出金剛石剝離技術，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，該技術不斷改進，如調整外延生長厚度、采用電化學刻蝕等實現(xiàn)定向剝離。離子注入時，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，達到這些條件，受損層才能形成可刻蝕的石墨層實現(xiàn)剝離。

目前，離子注入剝離技術在大尺寸、超薄金剛石制備方面取得了一定進展，還能降低襯底表面粗糙度，實現(xiàn)襯底重復利用。但該技術需要高能離子注入，設備成本高、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體類似，利用飛秒激光在金剛石內部形成石墨改質層，再通過退火、電化學刻蝕等步驟實現(xiàn)剝離。近年來，飛秒激光誘導金剛石石墨化的研究逐漸興起，已有研究成功在金剛石內部制造出石墨微結構，并實現(xiàn)了單晶金剛石的剝離。國內北京科技大學團隊利用飛秒激光在金剛石較深位置形成受損層，有望實現(xiàn)大尺寸金剛石晶圓的剝離，該方法能避免其他工藝的復雜問題，為大尺寸金剛石復制提供了新方向。

未來展望：激光剝離技術有望成主流

綜合現(xiàn)階段半導體晶圓復制技術與金剛石復制技術的發(fā)展情況，我們可以對大尺寸金剛石晶圓復制技術的未來發(fā)展方向進行展望。

由于金剛石的超高硬度，多數(shù)常規(guī)復制技術難以適用于它，而離子注入剝離和激光剝離技術成為處理超硬材料的有效手段。但離子注入對環(huán)境要求嚴格、加工時間長，現(xiàn)階段無法實現(xiàn)高效率穩(wěn)定生產(chǎn)；

激光剝離技術不僅能切割超硬的金剛石半導體材料，還具備高精度、高質量、低損耗等優(yōu)勢。雖然目前激光剝離在金剛石領域尚處于起步階段，作用機制和剝離工藝有待完善，但隨著技術的不斷創(chuàng)新，它有望成為大尺寸金剛石晶圓復制的主流技術，為金剛石在各個領域的廣泛應用提供有力支撐。

大尺寸金剛石晶圓復制技術的發(fā)展雖面臨挑戰(zhàn)，但前景廣闊。隨著研究的深入和技術的突破，我們有理由相信，未來金剛石在半導體領域將發(fā)揮更大的價值，為科技發(fā)展注入新的活力。