單晶金剛石（SCD）作為一種超寬帶隙半導(dǎo)體材料，由于其大帶隙、高導(dǎo)熱性和高載流子遷移率等特殊性能，在高頻電力電子、高功率激光窗口和高能粒子探測器中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，為了與成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料（如SiC或GaN）競爭并實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，SCD薄膜必須達(dá)到英寸級尺寸。

       目前，許多研究人員致力于使用MPCVD方法生長大型、高質(zhì)量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生長率較低，這給在較小基底上獲得大型SCD薄膜帶來了挑戰(zhàn)。雖然已有商業(yè)化的10mm×10mm SCD基底面，但與尺寸分別達(dá)到6英寸和12英寸的碳化硅和硅晶片相比，它們的尺寸仍然小得多。此外，大型SCD基底面的質(zhì)量問題和高成本也進(jìn)一步限制了它們的應(yīng)用。因此，金剛石功能性應(yīng)用的主要障礙是缺乏英寸級的高質(zhì)量SCD晶圓。

       研究人員開發(fā)了多種方法來解決大型 SCD 薄膜的生長問題，包括重復(fù)生長法、三維和馬賽克生長法。其中，馬賽克生長法被認(rèn)為是生長大型SCD薄膜的一種相對簡單高效的方法。Yamada 團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域開展了大量工作，并提出了一種 “克隆 ”技術(shù)。該技術(shù)包括從單個籽晶中獲得多個具有相似性質(zhì)的籽晶，從而實(shí)現(xiàn)2英寸SCD薄膜的馬賽克生長。

       然而，馬賽克生長單晶的一個問題是，邊界很容易看到，而且馬賽克交界處的晶體質(zhì)量較低。由于馬賽克接合處存在高密度缺陷和不均勻應(yīng)力，這些馬賽克生長的SCD薄膜在后續(xù)加工過程中也容易開裂。雖然許多研究都對籽晶取向角、基底支架結(jié)構(gòu)和生長參數(shù)等因素進(jìn)行了研究，但與馬賽克結(jié)處晶體結(jié)合有關(guān)的因素和機(jī)制仍有待進(jìn)一步探討。

       具體方法

       所有SCD薄膜均在（100）定向HPHT種子（3mm×3mm×1mm）上同源生長。外延生長前，所有種子都在硫酸和硝酸的混合物中煮沸并浸泡1小時，然后依次用去離子水、丙酮和乙醇通過超聲清洗，以去除表面吸附的有機(jī)雜質(zhì)。

       CVD馬賽克生長是使用自主開發(fā)的MPCVD裝置進(jìn)行的，該裝置的輸入功率為3kW，頻率為2.45GHz。生長前進(jìn)行氫蝕刻，以去除表面雜質(zhì)和機(jī)械拋光劃痕，在800°C和 80torrs下20min。隨后，CVD反應(yīng)在1000℃ 和120torrs下進(jìn)行，以15/300sccm 的流速在CH4/H2混合氣體中進(jìn)行CVD反應(yīng)。生長前處理，在850°C和100torrs下進(jìn)行，CH4/H2流速為9/300sccm持續(xù)10小時，旨在改善種子表面的階梯流形態(tài)，以促進(jìn)逐漸生長過程，實(shí)現(xiàn)馬賽克生長，如下圖所示。經(jīng)過這種處理后，對種子進(jìn)行仔細(xì)清潔，檢查增強(qiáng)的形態(tài)，然后返回裝置進(jìn)行馬賽克生長。

種子厚度變化和生長前處理的示意圖  圖源：論文

       結(jié)果討論

       在研究籽晶厚度變化對馬賽克生長的影響時，選擇了6個除厚度外條件完全相同的籽晶，并將其分為三組，每組2個。各組的厚度變化分別為0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了M1、M2和M3的光學(xué)顯微鏡圖像。研究結(jié)果表明，M1在馬賽克交界處表現(xiàn)出更優(yōu)越的階梯連續(xù)性。階梯流動方向的角度很小，界面兩側(cè)階梯的寬度和高度緊密一致，形成了非常窄的接縫，如圖b所示。然而，由于晶格畸變造成的應(yīng)力集中，M1在交界處形成了多晶顆粒。與M1相似，M2 在接合處實(shí)現(xiàn)了充分的粘合，并形成了更多的多晶顆粒。值得注意的是，由于M2的厚度變化為50μm，較厚籽晶的外延層在橫向生長過程中覆蓋了接合點(diǎn)，并向較薄籽晶延伸如圖d。

馬賽克連接區(qū)域的光學(xué)顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚度變化可達(dá)100微米。盡管交界處兩側(cè)都有橫向階梯生長，但在相同的生長條件下，階梯并不能有效地結(jié)合在一起，導(dǎo)致交界區(qū)域出現(xiàn)非（100）平面。厚度的巨大差異被認(rèn)為是碳?xì)浠衔锘鶊F(tuán)在邊緣堆積的原因，從而阻礙了有效連接。隨著生長時間的延長，碳?xì)浠鶊F(tuán)聚集并失去穩(wěn)定性，導(dǎo)致從階梯流生長模式過渡到孤島生長模式，最終形成多晶顆粒，阻礙形成平滑的鑲嵌結(jié)。因此，厚度變化較大的籽晶（M3）無法實(shí)現(xiàn)有效的鑲嵌生長，而厚度變化較小的籽晶（M1）則更有利于形成平滑的鑲嵌連接。

        結(jié)論

       籽晶厚度的變化會顯著影響馬賽克交界處的晶體質(zhì)量。厚度變化在50μm以內(nèi)時，結(jié)點(diǎn)相對平滑，晶體質(zhì)量高，缺陷較少。然而，100μm的厚度變化會導(dǎo)致交界處出現(xiàn)明顯的多晶顆粒和應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降和馬賽克生長效果不佳。