直流电弧等离子体射流CVD法制备半导体用高质量金刚石衬底及其性能

《Diamond and Related Materials》：Preparation and performance of high-quality diamond substrates for semiconductors using the DC arc plasma jet CVD

　　

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  本研究中在840–860°C沉积的4英寸半导体级多晶金刚石衬底经过抛光后厚度为一毫米，且质量优良。
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  对本研究中在840–860°C沉积的4英寸半导体级多晶金刚石衬底进行CT检测发现，金刚石内部缺陷很少。
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  本研究中在840–860°C沉积的4英寸半导体级多晶金刚石衬底在10.6 μm红外波长处的透过率为66.9%，体积电阻率为8.5 × 10¹³ Ω·cm，介电损耗为3.2 × 10^-4。

引言

随着人工智能、智能电网和6G通信等新兴技术的快速发展，硅和碳化硅等传统半导体衬底材料在满足高频、高功率和极端环境应用需求方面面临越来越多的挑战，特别是在散热、电绝缘和长期可靠性方面。作为已知最硬的天然材料，金刚石具有独特的优异性能组合，包括超高热导率（约2000 W/(m·K)）、宽带隙（约5.5 eV）和极高的电阻率（>10¹² Ω·cm；高纯度无缺陷金刚石超过10¹⁸ Ω·cm）。这些卓越的性能使金刚石能够有效为半导体器件散热，并在高温、高电场和强辐射环境等恶劣条件下保持稳定运行，因此被广泛认为是下一代半导体器件最有前景的衬底材料之一 [1]、[2]、[3]、[4]。

已有关于使用金刚石作为衬底的器件研究的众多报道。ALTMAN D等人 [5] 发现，金刚石上的GaN HEMT的热阻降低了2.7倍，面积散热密度提高了3倍，显著优于SiC上的GaN器件。Liu等人 [6] 首次展示了3英寸金刚石上的GaN HEMT。Alexander Tsai [7] 实现了SiC在(100)取向金刚石上的高质量外延生长。所有这些研究都为金刚石基半导体器件的发展奠定了坚实的基础。

作为半导体器件的衬底材料，金刚石不仅需要具有卓越的散热能力和高表面质量，还需要在高频下具有高电阻率和超低介电损耗，从而能够在高频、高功率和极端环境条件下可靠运行。目前，单晶金刚石有限的晶圆尺寸仍然是其在半导体行业中大规模应用的主要挑战。相比之下，高质量多晶金刚石通过提供所需的热、电和介电性能的组合作为一种可行的解决方案。目前制备大面积高质量金刚石薄膜的主流工艺包括微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）[8]、[9]、[10]和直流电弧等离子体喷流化学气相沉积（DC电弧等离子体喷流CVD）[11]、[12]、[13]。得益于其高能量密度和无污染的特性，MPCVD近年来已成为沉积高质量大面积金刚石薄膜的主要技术之一 [14]、[15]。然而，该方法存在沉积速率相对较低的问题，尤其是对于4英寸及以上的优质厚金刚石衬底的沉积，通常为约2 μm/h [16]、[17]、[18]、[19]。

直流电弧等离子体喷流CVD技术具有沉积速率高和大面积制备能力的优势，4英寸金刚石薄膜的最大生长速率为15 μm/h，并可生产直径高达8英寸的自支撑金刚石薄膜 [20]、[21]、[22]、[23]。该方法可以有效减少金刚石衬底制造的时间和成本。然而，直流电弧法的快速沉积导致金刚石内部缺陷显著增加，严重降低了其热导率和表面质量。根据D. G. Goodwin的研究 [24]，金刚石薄膜的生长速率与缺陷密度之间存在正相关关系。以过高速率生长的多晶化学气相沉积金刚石通常表现出随机晶体学取向。抛光金刚石薄膜的光学显微镜观察揭示了抛光表面和薄膜基体内的大量暗斑或不规则空洞，形成大量"暗色特征" [25]、[26]。这些缺陷降低了金刚石的散热性能，削弱了半导体材料与金刚石衬底之间的化学键合，显著降低了它们的有效界面附着力，最终损害了半导体器件的热管理性能。

本研究使用电子背散射衍射（EBSD）系统表征了在不同温度下沉积的金刚石薄膜的晶体学取向和晶界特征。同时，采用微观计算机断层扫描（micro-CT）定量评估内部缺陷的空间分布和密度，从而全面了解沉积温度对金刚石薄膜晶体结构和固有缺陷的影响。对红外透过率、热导率、电阻率和介电性能进行了系统比较，以评估金刚石薄膜之间的质量差异。研究结果表明，这是一种制造用于半导体应用的高质量4英寸金刚石衬底的有效策略，为开发能够在极端环境中运行的半导体器件提供了关键的物质基础。

章节摘要

实验

使用100 kW直流电弧等离子体喷流化学气相沉积系统沉积了4英寸半导体级多晶金刚石自由站立薄膜。沉积前，通过等离子体溅射在基底表面沉积了Ti/Mo复合金属中间层，作为应力释放缓冲层 [27]。随后，使用0.5 μm金刚石粉末在基底表面进行机械法种晶，以促进金刚石成核。最后，基底被

结果与讨论

图1 (a)-(c)展示了在不同沉积温度下生长的4英寸多晶金刚石自由站立薄膜的沉积后表面形貌。样品T850的生长表面呈现明亮的白色，而样品T950和T1050的表面较暗。三个自由站立薄膜的生长时间分别为295小时、255小时和261小时，对应的计算沉积速率分别为4.0–5.1 μm/h、5.2–7.1 μm/h和6.9–8.3 μm/h。金刚石薄膜的生长速率通常

结论

本研究使用直流电弧等离子体喷流CVD系统在不同温度下成功沉积了4英寸多晶金刚石薄膜。系统研究了沉积温度对金刚石薄膜微观结构、内部缺陷演变和综合性能的影响。结果表明，沉积速率随沉积温度升高而增加，同时晶粒竞争生长也得到增强。因此，薄膜

CRediT作者贡献声明

Yongji Lai（赖永吉）：撰写 – 初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据整理。Zichen Zhao（赵子辰）：方法论，形式分析，数据整理。Lijun Li（李丽君）：软件。Peng Liu（刘鹏）：验证，方法论。Chuang Zhou（周创）：资源，概念化。Ke Li（李柯）：验证。Jinlong Liu（刘金隆）：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，调查研究，经费获取。Jianjun Zhang（张建军）：资源。Junjun Wei（魏俊军）：方法论。Liangxian Chen（陈亮贤）：资源。Chengming Li（李成名）：监督，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢中国科学院过程工程研究所李海霞副教授在CT表征方面提供的帮助。

Yongji Lai|Zichen Zhao|Lijun Li|Peng Liu|Chuang Zhou|Ke Li|Jinlong Liu|Jianjun Zhang|Junjun Wei|Liangxian Chen|Chengming Li