mile米乐集团 展示金刚石晶圆低缺陷复制技术

独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）泛在能源研究部[研究部主任谷本和美]金刚石器件制造研究组组长木野义明、首席研究员加藤由香子、首席研究员鹿田真一等直接晶圆技术换位气相合成我们展示了一种用于金刚石晶片的低缺陷复制技术，可以生产单晶金刚石晶片。此次，通过使用缺陷极少的衬底作为直接晶圆的籽晶衬底，并通过开发与这种衬底兼容的晶体生长技术和衬底表面处理技术，我们实现了400个cm的位错密度，比以前降低了一个数量级以上。^-2的单晶金刚石晶片是捏造的。这展示了金刚石作为电力电子材料的潜力，有望为利用具有终极材料性能的金刚石功率器件实现节能社会铺平道路。

　该研究成果由美国物理学会于2014年6月27日（日本时间）发表应用物理快报

制成的单晶金刚石晶片，左上为晶种

　金刚石具有高导热性和优异的半导体性能，如介电击穿电场和电荷迁移率，因此有望成为未来电力电子的材料。然而，为了实现其实际应用，需要制造可用于与硅和碳化硅（SiC）相同的半导体制造工艺的大面积晶圆（至少2英寸），并减少晶体缺陷（缺陷减少），这可能导致漏电流等功率损失以及由于老化劣化而导致器件损坏。对于较大面积，通过直接晶圆转换制成的复制晶圆马赛克化2 英寸尺寸（60 x 40 毫米²)大面积晶片已经实现，并且正在向实用化方向进行研究和开发。然而，在减少缺陷方面进展甚微，迫切需要开发这项技术。目前，常见的金刚石基片（位错密度：10⁴～10⁵厘米^-2)上面已经原型制作了1安培级整流元件，但为了实现实际器件所需的10安培级甚至100安培级元件，位错密度必须是当前水平的1/100或更小，即10²件厘米^-2低缺陷晶圆。

自 2003 年以来，AIST 一直致力于实现大型单晶金刚石晶圆微波等离子体CVD法进行了大单晶金刚石的合成研究，并于2004年利用高速生长成功合成了块状晶体（2004 年 3 月 23 日 AIST 新闻稿)，并于 2007 年开发了直接晶圆技术，使得直接从籽晶制造薄板晶体成为可能 (2007 年 3 月 20 日 AIST 新闻稿）。此外，2009年成功生产了05英寸大单晶马赛克晶片，2010年成功生产了1英寸大单晶马赛克晶片（2010 年 3 月 1 日 AIST 新闻稿）。与此同时，在尺寸增加的同时，人们也在努力减少使用直接晶圆技术制造的晶圆的缺陷。

　这项研究和开发得到了 JSPS KAKENHI 拨款号 25249036（2013 财年-2013 财年）的部分支持。

　直接晶圆技术是一种像复制籽晶一样制造晶圆的技术。这次，我们使用具有极低位错和极低应变的高温高压人造金刚石作为籽晶，并通过直接切片制造了复制晶圆。在直接晶片生产中，预先在距离晶种表面1至2微米的深度处形成离子注入层，并且使用微波等离子体CVD在晶种上生长金刚石。此时，进入生长金刚石层的位错主要包括从籽晶继承的位错和从籽晶与生长层之间的界面新产生的位错。因此，我们认为通过使用低缺陷籽晶，可以大幅减少从籽晶继承的位错数量，从而可以复制低缺陷晶圆。此外，由于位错主要由籽晶和生长层之间的界面产生，因此可以使用所获得的晶片的质量作为指标来直接评估直接晶片工艺的质量。

　这次，为了支持低缺陷籽晶，直接晶圆制造工艺如图1离子注入之前介绍过干法蚀刻。使用离子束蚀刻，将基板蚀刻至距基板表面约10微米的深度，完全去除在基板制造过程（例如切割和抛光）中引入的表面附近具有无序晶体结构的层。此外，在离子注入后的晶体生长期间，添加到作为主要反应气体的氢气和甲烷气体中的氮气的量可以控制在100ppm以下的水平，以抑制异常生长并稳定生长。通过调节氮的添加量，与传统方法相比，生长层中的应变可以被抑制到约1/2或更小。双折射的晶圆。

图1直接晶圆生产工艺，其中方形（□）为新改进工艺

　制造出的晶圆X射线形貌法观察到晶片内部为23×25 mm²位错密度为 400 cm^-2得到（图2）。这是典型金刚石基底位错密度的 10⁴～10⁵件厘米^-2相比，几乎小了两个数量级，这是直接晶圆化制造的晶圆的最高值。此外，迄今为止报道的气相合成金刚石的最高值（2×2 mm²400 件厘米^-2下文）。该结果表明，使用直接晶圆技术对晶圆进行低缺陷复制原则上是可能的。尽管未来还需要进一步的技术发展，例如位错密度的面内均匀性，但直接晶圆制造技术已被证实是一种强大的晶圆制造方法，可以支持未来缺陷更少的金刚石晶圆。

图2 X射线形貌图像比较（右）这次生产的晶圆（左）在传统基板上生产的单晶 箭头表示位错的位置。

　即使金刚石也具有足够的位错密度（对于电力电子应用而言为 10²厘米^-2的基板的可能性单位）。未来，我们将致力于通过改进包括晶体生长条件在内的直接晶圆技术来进一步减少缺陷，还将考虑利用我们迄今为止开发的体生长技术将低缺陷基板的尺寸增加到约10平方毫米，并进一步开发缺陷更少的英寸尺寸马赛克晶圆。最终，我们将实现超越SiC的超低损耗金刚石功率器件，现已开始投入实用，并节省能源和二氧化碳。₂我想减少开支。

国立产业技术综合研究所
泛在能源研究部钻石器件研究组
研究组组长 Yoshiaki Mokuno 电子邮件：mokuno-y*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）

泛在能源研究部
主管 Shinichi Shikata 电子邮件：s-shikata*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）

◆直接晶圆技术

一种可以大规模生产晶片状单晶金刚石的技术。如图 2 所示，在晶体生长之前，将离子注入单晶金刚石籽晶中，在表面下方引入缺陷层。晶体生长后，缺陷层变成石墨结构，因此通过电化学蚀刻等去除石墨部分。由此，能够仅取出生长层作为板状晶片。
通过这种方法，一旦生产出大面积晶片，就可以获得与“复制品”相同尺寸的晶片。[返回来源]

◆易位

它是晶体缺陷的一种，是指晶格失准呈线性的一类晶体缺陷。气相人造金刚石含有许多称为螺纹位错的位错，其中这些位错沿生长方向传播。虽然与器件特性的关系不一定明确，但推测器件中含有位错会导致器件特性劣化。因此，为了增加器件尺寸并处理功率，有必要尽可能地降低位错密度，即每单位面积的位错数量。[返回来源]

◆气相合成法

大多数工业用途的钻石都是人工大量生产的，合成方法有三种：高温高压合成，利用高压（约50,000个大气压）和高温（约1,500摄氏度）；爆炸法，利用火药爆炸的冲击波；气相合成，利用低压（约01个大气压）由甲烷和氢气组成的原料气体在等离子体等中发生反应。气相合成法可以应用于其他两种方法无法实现的技术，例如大面积生产、薄膜形成和杂质控制，并且已经作为多晶金刚石制造技术应用于工具、表面声波滤波器、传感器等。[返回参考源]

◆马赛克化

将多个单晶衬底排列成平铺图案并通过晶体生长将它们连接在一起的过程。[返回来源]

◆微波等离子体CVD法

什么是CVD化学气相沉积的缩写，是通过气相反应形成薄膜的技术的总称。一种使用微波（频率为 25 GHz 的电磁波）将甲烷和氢气等气体转变为等离子体状态并将钻石沉积在基材上的方法。这是金刚石气相合成技术的代表性方法，其特点是合成长期稳定，杂质控制精确。[返回来源]

◆离子注入

使用等离子体等使元素电离，然后通过电场加速以直接渗透到材料中的技术。根据施加电场的方式，可以将离子的能量从几 eV 改变到几 MeV。通过离子的能量可以控制其他材料晶体的渗透深度和无序性，从而可以在金刚石表面形成缺陷层。[返回参考源]

◆双折射

折射率根据材料的方向而不同。金刚石本身并不具有双折射，但是当由于晶体中存在缺陷而局部施加应力时，就会产生双折射。因此，双折射的大小被作为钻石品质的指标之一。[返回来源]

◆X射线形貌法

一种将晶体衍射X射线的强度记录为图像并观察晶体中的缺陷和变形的方法。如果晶体中存在位错等线性偏差等缺陷，则在图像中将观察到它们为阴影。在不同衍射角拍摄图像还可以提供有关晶体内缺陷类型的信息。[返回来源]