現(xiàn)代科技領(lǐng)域，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展日新月異，而大尺寸晶圓的高效制備則是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。金剛石，作為一種具有卓越電學(xué)性能的材料，在電真空器件和高頻高功率固態(tài)電子器件中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，被譽(yù)為 “終極半導(dǎo)體”。

       然而，金剛石的超高硬度給晶圓復(fù)制帶來了諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的激光切割方法已無法滿足大尺寸晶圓的制備需求。因此，研發(fā)高效、低損耗的大尺寸金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)迫在眉睫。

       常規(guī)半導(dǎo)體復(fù)制技術(shù)：原理、特點(diǎn)與應(yīng)用對比

       1、線切割技術(shù)

       游離磨料多線切割

       原理：多根高速運(yùn)動(dòng)的切割線帶動(dòng)切割液中的磨料進(jìn)入鋸縫，切割線不直接切割材料，而是由磨料通過 “滾動(dòng)?壓痕” 或 “刮擦?壓痕” 方式去除材料。切割線一般為表面鍍銅鋼絲線，切割液以碳化硅或金剛石為磨料，與分散懸浮劑和溶劑混合。

多線切割原理圖 圖源：論文

       特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了多片晶圓同時(shí)生產(chǎn)，隨著切割線直徑減小，材料損耗降低，能生產(chǎn)更薄晶圓。但存在諸多問題，如至少 40% 的材料損耗，造成資源浪費(fèi)；切割液回收利用困難，可能污染環(huán)境。

       應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于 Si、SiC 等硬脆材料的加工生產(chǎn)。

       固結(jié)金剛石多線切割

       原理：高速運(yùn)動(dòng)的切割線帶動(dòng)固結(jié)在其上的金剛石磨粒直接切削材料，金剛石固結(jié)方法主要有機(jī)械嵌入、電鍍、樹脂粘接和釬焊，其中電鍍法應(yīng)用最廣泛。

切割原理圖 圖源：論文

       特點(diǎn)：在半導(dǎo)體切割速度方面有明顯改善，切片效率高于游離磨料多線切割，且采用固結(jié)金剛石磨粒取代游離磨料，極大減少了對環(huán)境的污染。然而，金剛石磨粒硬度高，容易在生產(chǎn)晶圓時(shí)對晶圓造成損傷，導(dǎo)致晶圓質(zhì)量無法保證。

       應(yīng)用：主要面向硬脆材料晶圓加工。

       2、Smart?Cut 技術(shù)

       原理：向材料中注入大劑量氫離子，在材料內(nèi)部形成受損層，氫離子注入會(huì)使材料內(nèi)部形成高密度缺陷，經(jīng)中溫退火，受損層處氫向外擴(kuò)散，缺陷擴(kuò)展形成微腔，最終材料沿受損層開裂。其流程包括在晶圓表面覆蓋介電層并注入氫離子，利用范德華力鍵合兩片晶圓，進(jìn)行中溫與高溫兩段退火，最后對晶圓表面拋光。

智能切削流程示意圖 圖源：論文

      特點(diǎn)：將離子注入技術(shù)與晶圓鍵合技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)的晶圓較薄且均勻，質(zhì)量較高，對晶圓損傷較小。但制備過程相對精細(xì)，對材料以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中存在穩(wěn)定性問題。

      應(yīng)用：用于生產(chǎn)多種異質(zhì)晶圓，如 SOI、GOI、SOG 等。

       3、激光隱形切割技術(shù)

       原理：利用可透射波長激光在材料內(nèi)部聚焦形成改質(zhì)層，然后通過機(jī)械拉伸等方式使材料與晶圓從改質(zhì)層分離，最后對材料表面加工降低粗糙度，使材料可重復(fù)使用。

激光隱形切割圖 圖源：論文

      特點(diǎn)：加工速度快、效率高，精確性與穩(wěn)定性好，幾乎沒有材料損耗，有效解決了普通激光切割產(chǎn)生的碎片、污染與晶圓損傷等問題，提高了晶圓制備質(zhì)量，適用于對其他方法難以處理的硬脆材料進(jìn)行加工。

       應(yīng)用：在處理硬脆材料方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，尤其在大尺寸金剛石切割方向有望進(jìn)一步發(fā)展。

       金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)的研究進(jìn)展

       1、離子注入剝離金剛石

       技術(shù)發(fā)展歷程

       1992 年，Parikh 等首次提出金剛石剝離技術(shù)，使用 4-5MeV 高能碳離子與氧離子注入金剛石，經(jīng)真空高溫退火、氧氣氣氛中退火或熱鉻酸溶液刻蝕等處理，成功完成 4mm×4mm 金剛石的剝離。

       1993 年，Mike Marchywka 等改進(jìn)離子注入剝離流程，在刻蝕前利用化學(xué)氣相沉積外延生長調(diào)整金剛石剝離層厚度，并使用電化學(xué)刻蝕去除受損層，實(shí)現(xiàn)定向、可觀察的剝離。此后，離子注入剝離流程被廣泛采用。

       技術(shù)原理：離子注入通過電場加速離子，將具有目標(biāo)能量的離子束轟擊到金剛石中，離子注入至一定深度形成受損層。大部分能量損失來自電子能損，對金剛石無明顯損傷，當(dāng)離子到達(dá)某一深度后，核能損急劇增加，導(dǎo)致原子位移，形成含高濃度缺陷的損傷層。每種離子存在臨界劑量，當(dāng)注入劑量達(dá)到臨界劑量，受損層在合適條件下形成可刻蝕的石墨受損層。不同離子對應(yīng)同一缺陷密度閾值，超過該閾值退火處理后受損層會(huì)石墨化。

離子注入剝離金剛石流程圖 圖源：論文

       應(yīng)用成果

       大尺寸單晶金剛石制備：

       Mokuno 等利用微波等離子體 CVD 實(shí)現(xiàn)金剛石高速率同質(zhì)外延生長，結(jié)合高能碳離子注入成功制備 10mm×10mm×(0.2-0.45) mm 大尺寸單晶金剛石，并提出與側(cè)面生長技術(shù)結(jié)合進(jìn)一步增大尺寸，實(shí)現(xiàn)半英寸單晶 CVD 金剛石制備。

金剛石擴(kuò)大流程示意圖  圖源：論文

       Yamada 等將離子注入剝離技術(shù)與馬賽克拼接技術(shù)結(jié)合，合成 1 英寸馬賽克金剛石晶圓。

1英寸馬賽克拼接單晶金剛石  圖源：論文

       超薄金剛石制備：

       Fairchild 等向單晶金剛石樣品注入雙能量氦離子，經(jīng)退火與刻蝕處理制備出高質(zhì)量亞微米單晶金剛石層，最薄可達(dá)210nm。

       Rubanov 等研究氦離子注入的高溫退火階段，Popov 等在真空高溫條件下進(jìn)行高通量 H?注入并通過退火和刻蝕制備出厚度約 30nm 的超薄單晶金剛石。

       Masante 等將 Smart?Cut 與金剛石結(jié)合，為未來制備超薄金剛石奠定基礎(chǔ)。

       低表面粗糙度金剛石襯底獲得：

       Locher 等研究表明離子注入對生長后剝離下的金剛石膜質(zhì)量影響較小，Tran Thi 等利用離子注入剝離技術(shù)可將金剛石表面粗糙度降低至亞納米程度，但也有研究發(fā)現(xiàn)離子注入可能增加表面粗糙度，不過通過一些處理可使襯底保持較好粗糙度。

技術(shù)局限：目前離子注入剝離需要 MeV 的高能離子注入，依賴加速器，且注入面積受限，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣。

       2、激光剝離金剛石

       技術(shù)原理：類似于激光隱形切割半導(dǎo)體，將激光聚焦在金剛石樣品表面以下進(jìn)行加工，在金剛石內(nèi)部形成能夠刻蝕的石墨改質(zhì)層，金剛石表面基本不變，然后通過退火、電化學(xué)刻蝕等步驟刻蝕石墨層，實(shí)現(xiàn)金剛石剝離。飛秒激光因其超短脈寬，在精度高、尺寸小的材料加工上應(yīng)用廣泛，近年來逐漸用于研究金剛石石墨化和微結(jié)構(gòu)加工。

       飛秒激光處理后金剛石橫截面SEM圖像  圖源：論文

       研究成果：

       Kononenko 等通過飛秒激光在金剛石內(nèi)部形成石墨微結(jié)構(gòu)；Fei Wang 等使用飛秒激光在金剛石約深 12μm 處形成受損層，經(jīng)外延生長和電化學(xué)刻蝕實(shí)現(xiàn)單晶金剛石剝離；北京科技大學(xué)劉金龍等利用飛秒激光在樣品表面下 241μm 處形成受損層，通過可控退火和電化學(xué)刻蝕，有望實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石晶圓的剝離，避免了傳統(tǒng)工藝的復(fù)雜和質(zhì)量惡化問題。

       未來發(fā)展趨勢與展望

       離子注入剝離和激光剝離是目前針對超硬材料有效的方法。離子注入剝離雖能制備高質(zhì)量金剛石晶圓，但存在環(huán)境要求苛刻、加工時(shí)間長、效率低等問題。激光剝離具有高精度、高質(zhì)量、低損耗等優(yōu)勢，有望成為大尺寸金剛石晶圓復(fù)制的主流技術(shù)，為金剛石在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供有力支撐。

       隨著科技的不斷進(jìn)步，相信大尺寸金剛石晶圓復(fù)制技術(shù)將不斷創(chuàng)新與突破，為半導(dǎo)體行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。讓我們共同期待這一技術(shù)在未來發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)電子器件性能邁向新的高度！