中國粉體網訊  隨著科技的飛速發展和全球對高性能、高效率半導體器件需求的不斷增長，半導體襯底材料作為半導體產業鏈中的關鍵技術環節，其重要性日益凸顯。半導體襯底材料是制造半導體器件和集成電路的基礎，其性能直接影響最終產品的質量和性能，傳統的襯底材料已難以滿足這些新興領域的需求。因此，尋找并開發新一代高性能半導體襯底材料成為了行業發展的必然趨勢。

01 金剛石襯底

單晶金剛石具有超寬的禁帶寬度、低的介電常數、高的擊穿電壓、高的本征電子和空穴遷移率，以及優越的抗輻射性能，是已知的最優秀的寬禁帶高溫半導體材料。相比常規的半導體材料硅，金剛石優異的熱導率能夠及時散發電路運轉過程中的熱量，從而極大地提高精密儀器的運行功率，避免由于熱量聚集導致各類電子器件損壞。另外，金剛石的飽和載流子速度優于其他的半導體材料，加上高的電子遷移率及極高的擊穿電場，使其成為高頻半導體器件的理想襯底材料。隨著5G通信時代的到來，金剛石在高頻功率器件等方面的應用日益重要。日本等國家已成功研發出超高純大尺寸金剛石晶圓量產方法，展示了其強大的應用潛力。

常見半導體材料參數

02 生產技術

在半導體器件的制造過程中，襯底材料的生產技術是決定器件性能的關鍵環節之一。這一過程包括了晶體生長、襯底的制備和加工，以及后續的表面處理技術，每一個步驟都對最終產品的質量和性能有著深遠的影響。

半導體單晶金剛石襯底制備工藝流程

（1）單晶金剛石制備

人造金剛石行業主要有高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）兩種制備方法。其中，CVD法因其耐高壓、大射頻、低成本、耐高溫等優勢，成為制備金剛石半導體襯底的主流方法。理論上講，只要能夠獲得足夠尺寸的襯底，就可以制備出相應尺寸的單晶金剛石。根據襯底種類不同，CVD法沉積金剛石可分為異質外延和同質外延。由于高質量的單晶金剛石襯底很難獲得，因此，選擇一種合適的異質襯底進行外延生長單晶金剛石，無疑是制備英寸級單晶金剛石的最優選擇。

異質外延沉積大尺寸單晶金剛石示意圖

（2）切割與剝離

大尺寸單晶金剛石需要切割為一定的形狀和厚度。常規的線切割和機械加工產生的損耗過大，限制了大尺寸單晶金剛石的利用率，不適用于大尺寸單晶金剛石的切割。激光切割的原理是在激光的照射下，金剛石材料瞬間氣化，由于激光作用時間短，光斑小，具有速度快、切割縫窄等一系列優點，常被應用于大尺寸單晶金剛石的切割。

將CVD金剛石層從籽晶上剝離出來，需要利用離子注入技術。使用激光切割方法分離外延層時，會損耗掉一部分的金剛石，且損耗的比例隨著金剛石片的尺寸增加而變大。離子注入技術預先使用高能粒子對襯底進行轟擊，在預先拋光過的金剛石籽晶表面之下約幾百納米處形成非金剛石相，損傷層深度由注入的離子能量決定。經過離子注入的金剛石籽晶繼續利用同質外延技術生長單晶金剛石，隨后利用電化學腐蝕技術將非金剛石相去除，達到分離襯底的目的。

大尺寸單晶金剛石的剝離技術路線圖

（3）拋光

拋光技術在制備高質量單晶金剛石襯底中發揮重要的作用，其中主要包括兩個方面：其一，拋光可以用于制備CVD法同質外延生長單晶金剛石的籽晶，籽晶的表面質量將直接影響單晶金剛石的生長質量；其二，拋光可用于制備高質量單晶金剛石襯底。目前在生長得到CVD單晶金剛石之后，其表面通常會產生許多缺陷，所以對其進行平坦化拋光是非常必要的。

機械拋光（MP）：MP是利用金剛石與高速旋轉的拋光盤（鑄鐵盤、砂輪盤）相互摩擦產生脆性斷裂去除表面材料的拋光工藝，同時，由于高速旋轉的拋光盤與金剛石摩擦會產生高溫，而高溫提供了“硬”的金剛石相向“軟”的石墨相轉變的驅動力，通過利用微切削與石墨化相結合的原理實現金剛石的拋光。

MP原理示意圖

優點：設備原理簡單、操作方便、效率高、適合大規模生產等特點，能實現較為光滑和平整的表面，且對于粗、中、精拋光都適用。

缺點：高速摩擦中產生的高溫會對拋光盤產生損傷，進而影響拋光的表面質量；還會對金剛石產生亞表面損傷，且受拋光盤平整度與壓力的影響，金剛石表面易產生劃痕或裂紋，邊緣易破裂。

熱化學拋光（TCP）：TCP是以碳原子在熱金屬中的擴散、金剛石轉化為石墨和金剛石的氧化為基礎的拋光技術。

TCP裝置

優點：對樣品幾乎無壓力，無高轉速下對金剛石表面造成損傷，因此能獲得低損

傷、平整的表面。

缺點：由于需要在真空和高溫下進行，設備復雜、成本高，操作難度大，難以精確控制加熱溫度，使樣品表面均勻受熱。

化學機械拋光（CMP）：CMP通過在機械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率，是一種利用機械與化學氧化協同作用來實現工件表面平坦化的技術。

CMP裝置

優點：具有表面平整性好、粗糙度低、損傷小的特點，不僅適用于金剛石，還能處理其他硬質材料。

缺點：加工過程極為耗時，尤其在要求高精度和高質量的表面時，需要多次進行工藝的調整優化；其次高端拋光液目前還難以實現國產化，如何實現拋光液的管理回收也是需要考慮的現實問題。

等離子體刻蝕拋光（PEP）：PEP是利用將氣體（如氬氣、氧氣、氮氣等）電離形成等離子體，從而與材料表面相互作用來去除表面微小層次的物質，進而達到拋光的目的。

PEP拋光原理示意圖

優點：PEP的非接觸式處理方式避免了機械磨損、摩擦引起的表面損傷，能夠精確地去除表面微小顆粒，適用于精密的表面拋光，具有高精度、高均勻性及適應多種材料的特點。

缺點：設備復雜，成本較高，工藝控制難度大，難以控制等離子體的均勻性和強度，易造成表面殘留物，且受腔體尺寸限制，拋光金剛石的尺寸不能太大。

激光拋光（LP）：LP通過激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，達到去除材料的目的。適用于粗拋光。

LP設備示意圖

優點：效率高、不受復雜形面限制、可實現特定區域的拋光和切割等優點。

缺點：激光加工過程中，表面局部區域過熱會造成熱損傷，且由于受激光能量、角度與樣品質量的影響，需要精確控制激光參數才能減少表面的石墨殘留。

03 小結

金剛石是下一代功率器件最有希望的候選材料，而發展大尺寸高質量的單晶金剛石襯底生長技術和加工工藝是金剛石能夠在半導體領域中得以應用的基礎。除了傳統的消費電子領域外，人工智能、物聯網、5G通信等新興應用領域對高性能半導體材料的需求也在不斷增加。金剛石半導體襯底材料在這些領域具有廣闊的應用前景，將推動行業持續快速發展。

參考來源

[1]劉帥偉等.金剛石半導體襯底研磨拋光技術研究現狀及展望

[2]溫海浪等.大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術研究現狀與展望

[3]劉俊杰等.半導體用大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工研究現狀

[4]安康等.金剛石化學機械拋光研究進展

[5]半導體視界、中國地質大學北京鄭州研究院

（中國粉體網編輯整理/石語）

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