通过SiO?纳米球中间层实现（100）单晶金刚石的异质外延生长，并有效降低晶圆翘曲

《Diamond and Related Materials》：Heteroepitaxial growth of (100) single-crystal diamond with reduced wafer bow via SiO? Nanospheres interlayer

利用二氧化硅纳米球中间层成功实现了低应力（100）单晶金刚石在A面（11-20）蓝宝石衬底上的异质外延生长，显著降低残余应力至0.15 GPa，并抑制晶片翘曲，为制造大尺寸（2英寸以上）无裂纹金刚石晶片提供了可行方案。

　　

Min Yoon|Taemyung Kwak|Joocheol Jeong|Seolyoung Oh|Yoonseok Nam|Geunho Yoo|Okhyun Nam

韩国技术大学（TUK）纳米半导体工程系

摘要

我们通过引入SiO?纳米球（SNS）作为应力缓解层，成功地在A-plane（11–20）蓝宝石衬底上实现了高质量、低应力的（100）单晶金刚石的异质外延生长。尽管严重的残余应力和晶圆弯曲长期以来一直是金刚石异质外延规模化生产的瓶颈，但我们证明了引入SNS单层可以有效缓解这些挑战。SNS中间层减少了金刚石与衬底之间的直接接触面积，从而在物理上分散了界面处产生的应力，同时提高了晶体质量并显著减少了表面缺陷。利用Stoney方程和拉曼光谱进行的定量分析——并通过多点空间均匀性测试验证——证实内部残余应力降低了4.4倍，从0.67 GPa降至0.15 GPa，曲率半径增加到了229.4 cm。这些发现为实现大面积、无裂纹的2英寸或更大尺寸的金刚石衬底提供了可行且可扩展的途径，适用于先进的工业应用。

引言

金刚石因其卓越的物理性能而被广泛认为是“终极半导体”，包括超宽的带隙（5.47 eV）、高载流子迁移率以及在所有已知材料中最高的热导率[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些优越的特性使金刚石不仅成为下一代高功率和高频电子设备的理想候选材料，也适用于极端环境，如太空探索和深海任务[6]、[7]、[8]。为了充分利用这些特性，大面积、高质量的单晶金刚石衬底的可用性至关重要。在这方面，异质外延生长长期以来一直被视为克服块状金刚石尺寸限制的有希望的方法[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。最近的研究报告了在异质外延衬底上制造的设备的优异性能，展示了未来的商业化潜力[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。然而，金刚石的异质外延面临重大挑战，主要是由于金刚石与外来衬底之间的晶格失配和热膨胀系数（TEC）差异较大[20]、[21]。这些差异会导致高密度的穿透位错和严重的残余应力，最终在生长后的冷却过程中导致晶圆严重弯曲和薄膜开裂[22]、[23]。

为了解决这些问题，提出了各种策略，包括使用错位的（非轴对称）衬底和引入多种缓冲层[24]、[25]、[26]、[27]。特别是错位衬底已被证明可以促进阶梯流生长，从而有助于方向性应变管理并减少缺陷密度。迄今为止，已有报道在Ir/YSZ/Si基结构上实现了4英寸的异质外延金刚石[28]，以及在蓝宝石衬底上实现了2英寸的异质外延金刚石[26]。然而，即使使用这样的衬底，残余应力仍然是将金刚石晶圆尺寸扩大到2英寸以上的一个关键瓶颈。

最近，Schreck等人报告称，主要由于两种材料之间的热导率（λ）与热膨胀系数（α）的比值（即λ/α）不同，硅的性能优于蓝宝石或MgO——大约好10.7倍[29]。这些发现强调了解决弯曲和残余应力问题对于实现基于蓝宝石的高质量、晶圆级单晶金刚石衬底的重要性。

在这项研究中，我们提出了一种通过引入SiO?纳米球（SNS）作为应力缓解层来减轻残余应力并提高异质外延金刚石晶体质量的策略。虽然SNS辅助生长已在其他半导体系统（如III族氮化物[30]）中成功应用，但其作为金刚石异质外延中的应力缓解中间层的应用仍相对较少被探索[31]。尽管已经探索了多种金刚石在蓝宝石上的缓冲层技术，但由于严重的热失配和随后的晶圆弯曲，实现大面积晶圆仍然是一个重大挑战。Wang等人之前报告称，异质外延金刚石的结晶度和残余应力受到Ir表面初始成核行为的显著影响[32]。与这些表面改性方法不同，我们证明了SNS中间层作为一种选择性生长掩模，可以物理上将金刚石薄膜与衬底约束分离，有效缓解宏观弯曲。通过系统地比较有无SNS中间层的金刚石薄膜，我们阐明了应力松弛和晶体质量提高的机制。通过这种方式，我们展示了在异质外延金刚石生长中减少晶圆弯曲的明确途径。

实验方法

使用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）系统，在Ir（100）/A-plane（110）蓝宝石衬底上生长了异质外延金刚石薄膜。制备过程包括三个主要阶段：（i）在Ir（100）/A-plane（110）蓝宝石模板上进行偏压增强成核（BEN），（ii）形成SiO?纳米球（SNS）中间层，以及（iii）金刚石层的外延生长（图1）。

最初使用的是市售的A-plane蓝宝石衬底（15 × 15 × 0.67 mm）

SNS嵌入金刚石的生长机制

BEN过程及随后SNS涂层后的表面形貌如图2所示。在Ir衬底上实现了超过10¹⁰ cm^?2的高成核密度（图2(a)），为后续的金刚石生长提供了连续的模板。500 nm的SNS均匀地以单层形式分布在成核表面上（图2(b)）。生长70小时后的横截面SEM分析确认SNS成功嵌入在金刚石/衬底界面

结论

总结来说，我们通过引入SiO?纳米球（SNS）作为应力缓解层，成功地在7°偏轴的A-plane（11–20）蓝宝石衬底上实现了高质量（100）单晶金刚石薄膜的异质外延生长。结构和形态表征验证了SNS中间层有效改善了表面质量，并通过管理生长界面抑制了生长丘的形成。定量应力分析证实了

CRediT作者贡献声明

Min Yoon：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，方法学，研究，形式分析，数据管理，概念化。Taemyung Kwak：撰写——审阅与编辑，验证，方法学，研究，形式分析，概念化。Joocheol Jeong：项目管理，数据管理。Seolyoung Oh：研究，形式分析，数据管理。Yoonseok Nam：研究，形式分析，数据管理。Geunho Yoo：项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了技术创新计划（工业战略技术发展计划——Alchemist项目（RS-2024-00432559，“开发太空级单片AlGaN/金刚石终极半导体”）的支持，该计划由贸易、工业与能源部（MOTIE，韩国）资助。

本工作还得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过纳米材料技术发展计划的支持，该计划由科学与信息通信部资助（编号：