米乐(中国)官方网站仅使用化学处理和低温加热即可实现金刚石基底的原子级结合

-推动功率半导体利用金刚石的实现，为节能社会做出贡献-

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开发出利用化学表面处理将金刚石基材直接粘合到硅基材上的技术
首次实现不使用高温或超高真空工艺的金刚石基底的原子级直接键合
支持使用钻石的功率半导体的大规模生产，为高效电力转换技术的传播做出贡献

摘要

米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）集成微系统研究中心[研究中心主任 Sohei Matsumoto] MEMS 集成工艺研究团队 Takashi Matsumae，研究员、Yuichi Kurashima，研究中心首席研究员 Hideki Takagi，先进电力电子研究中心副研究主任 [研究中心主任 Hajime Okumura] 金刚石材料团队 Hitoshi Umezawa 首席研究员通过携带金刚石基板在相对较低的温度（约 200 摄氏度）下进行热处理其表面经过化学处理，与空气中的硅（Si）基板接触。直接加入我们开发了一项技术来8562_8574|

最近，利用金刚石实现高性能半导体器件的研究和开发工作变得活跃。新开发的技术利用金刚石基板和硅基板之间的表面反应，通过将它们在空气中接触并加热到约200摄氏度来实现直接键合，而且键合时金刚石晶体几乎没有紊乱。预计可以通过易于实施的工艺来生产高质量的金刚石半导体，该工艺不需要传统技术中的高温（超过1000摄氏度）或超高真空工艺。该技术执行功率控制功率半导体将有助于高效电力转换技术的普及，例如由于其效率提高而带来的节能效果，并且尺寸更小、重量更轻，这将使其能够安装在电动汽车上。

该技术的详细信息将于 2019 年 5 月 21 日至 25 日在石川县金泽市举行的第六届 3D 集成低温接合国际研讨会 (LTB-3D 2019) 上公布。

用化学品对金刚石基材进行表面处理并将其直接粘合到硅基材上的新技术

发展的社会背景

在控制和供应电力的功率半导体领域，为了提高效率、增加输出以及使模块更小、更轻，物理性能优于硅的新材料正在引起人们的关注。特别是，金刚石的价格比硅贵 15 倍 (碳化硅 (SiC)氮化镓 (GaN)的16倍、铜（Cu）的5倍）、Si的60倍（SiC的3倍、GaN的10倍）介质击穿电场等优异的物理特性，有望成为功率半导体的“终极材料”。使用金刚石实现功率半导体的技术开发正在取得进展，AIST已经³(2019 年 3 月 20 日 AIST 新闻稿）。

另一方面，仅使用金刚石基板制造功率半导体会很昂贵，因此有人提出直接键合金刚石基板和硅基板，以用更便宜的材料替代对性能贡献不大的部件。然而，传统的直接键合技术需要1000℃以上的高温处理或超高真空。溅射蚀刻需要进行处理，为此需要特殊设备。此外，粘合过程会破坏钻石的晶体结构。非晶化存在器件特性劣化的问题。

研究历史

AIST 集成微系统研究中心旨在开发在原子水平上粘合任意材料组合的技术。晶格常数和热膨胀系数的差异目前，半导体器件和 MEMS我们专注于真空密封装置，不使用导热率低的焊料或粘合剂直接粘合半导体元件和散热基板。另一方面，先进电力电子研究中心化学改性您拥有技术。

当用羟基 (-OH) 进行化学修饰的基材被加热至约 200 °C 时脱水反应发生并且结合可以通过表面之间的化学键（-O-）发生。此次，双方应用先进电力电子研究中心的金刚石表面化学改性技术，共同开发了适合直接键合的金刚石羟基改性技术。

研究内容

将金刚石基板加热至1150摄氏度并与另一基板加压可以直接接合（热压接合），但如果接合材料的热膨胀系数存在差异，则可能会产生足以损坏基板的应力。另一方面，如果在超高真空中使用氩（Ar）束通过溅射蚀刻去除金刚石和硅基板的表面层，并使暴露的表面接触，则即使在室温下也可以实现直接键合（表面活化粘合）。然而，除了需要特殊的超高真空接合设备外，表面层去除过程还会导致金刚石表面因无序晶体而变成非晶态，从而导致机械、电学和热学性能恶化的担忧。

通过羟基之间的脱水反应进行的键合（亲水键合）广泛用于由半导体材料（例如Si）制成的基板的直接键合，但迄今为止尚未发现适合于金刚石基板的直接键合的羟基改性方法。因此，这次广泛用于半导体基板的清洗硫酸/过氧化氢 (H₂所以₄/H₂O₂) 混合液体，我们开发了一种可以同时用羟基清洁和修饰金刚石表面的技术。利用该技术，通过控制加工条件，金刚石晶体的特定面[（111）平面]可以用羟基进行改性，同时保持粘合所需的光滑表面。当其与同样用羟基改性的硅衬底接触并在 200 °C 下加热时，会产生以下化学式：

Si－OH + C－OH → Si－O－C + H₂O

的脱水反应发生并且可以直接粘合（图 1 左）。这种脱水反应即使在空气中也可能发生，因此不需要特殊的真空粘合设备。此次开发的结合技术的独特之处在于，仅使用一般的清洁处理和相对较低温度的热处理即可直接结合钻石。

右图1 透射电子显微镜观察到的键合界面的纳米结构显示。随着这次开发的技术硅表面氧化膜（SiO）₂）和金刚石在原子水平上紧密接触，没有缺陷。该氧化膜厚度约为 3 nm，足够薄，因此预计对传热影响很小。另外，利用透射型电子显微镜，由于结晶部的构成原子具有规则性，所以能够以格子状(粒状)的方式进行观察。二氧化硅₂薄膜一般不会结晶，因此无法观察到晶格结构，但在金刚石一侧，可以观察到晶格结构直至结合界面。这被认为是因为即使在结合过程之后金刚石晶体也几乎不会变成非晶态，并且晶体结构得以维持。请注意，通过使用高温加热或表面溅射的常规方法无法在接合界面处观察到这种金刚石晶格结构。

新开发的技术可以使用相对简单和通用的设备直接键合金刚石基板，并且有望生产出高质量的金刚石半导体。该技术的应用将提高功率半导体的转换效率和输入/输出功率，使其冷却功能更加高效，并使它们变得更小、更轻，从而有望通过减少功率转换损耗和提高包括车辆在内的电气设备的性能来实现节能。

图1键合反应机理（左）和透射电子显微镜观察到的键合界面（右）

未来计划

这次，我们在金刚石（111）面和硅衬底表面之间实现了良好的结合（正在申请专利），但将来我们将继续应用于其他晶面，例如更容易合成和抛光的（100）面。另外，为了考虑作为散热基板和绝缘基板应用的可能性，SiC、GaN、氧化镓（Ga₂O₃）键合以及与多晶金刚石、SiO₂尝试减少层厚度。

术语解释

◆直接加入

使用粘合剂或焊料的方法称为间接粘合，虽然它们可以粘合表面粗糙的基材，但粘合剂层限制了传热等性能。另一方面，在基板表面键合原子的方法称为直接键合，其需要光滑的基板，但允许精细结构的复合并且有利于电和热连接。它已在工业上实际用于制造半导体基板和MEMS。[返回参考源]

◆功率半导体

半导体负责控制和提供电力，而不是信息信号。进行交直流转换、降压和升压、变频、电机驱动、电池充电等。提高效率和输出将带来节能和设备的更高性能，而模块的小型化和轻量化将有助于提高包括电动汽车在内的电气设备的性能。这是日本产业竞争力较高的领域。[返回来源]

◆碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）

一种被认为是替代硅 (Si) 的新型功率半导体候选材料。 SiC和GaN都作为下一代材料而受到关注，因为它们比Si具有功率半导体所需的更高的热导率、电子/空穴迁移率、介电击穿电场等，但金刚石甚至更昂贵。[返回来源]

◆介质击穿电场

当施加到绝缘基板上的电场超过一定限度时，绝缘体就会被击穿，并产生大电流。该极限值被称为介质击穿电场，对于施加大电压的功率半导体基板，需要较高的值。[返回来源]

◆溅射蚀刻

在真空中加速氩气（Ar）等惰性气体，使其与材料表面碰撞，刮掉表层的技术。它用于沉积刮削材料的表面处理和成膜过程。此外，通过去除表面上的惰性层，可以在室温下将基材粘合在一起，但对于金刚石来说，表面会变成非晶态。[返回来源]

◆非晶化

一种无序结构（无定形），如下图右侧所示。当碳原子具有如下图左侧所示的周期性结构时，它们会变成金刚石并表现出功率半导体所需的特性。然而，当结构因外界刺激而发生变化，变成如下图右所示的非晶态时，机械、电学和热学性能就会恶化。[返回参考源]

◆晶格常数和热膨胀系数的差异

连接异种材料时，如果它们的晶体结构的尺寸（晶格常数）显着不同，则无法使用晶体生长方法将它们结合在一起。在这种情况下，可采用直接接合，但如果材料的热膨胀系数差异较大，则热压接合或阳极接合等高温接合会导致翘曲或裂纹，因此需要在室温或相对较低的温度下接合。[返回来源]

◆MEMS

微机电系统的缩写。应用半导体微结构加工技术制造的微米至纳米级机器。它用于压力传感器和加速度传感器等传感器、麦克风、光学元件和电路元件。低温直接粘合用于制造复合材料结构而不破坏微观结构。[返回来源]

◆化学改性

通过化学反应转换和控制材料最外表面的化学结构。这次，我们进行了用羟基（-OH）覆盖硅氧化膜和金刚石表面的工艺。羟基可以通过氢键相互吸引，也可以通过在大气中相对较低的温度下热处理形成化学键。[返回来源]

◆脱水反应

分子（或分子内的官能团）通过加热等相互反应，形成新的键，同时产生和释放水分子的反应。这次，基材表面的羟基（-OH）被加热，引起脱水反应，导致基材之间直接键合（Si-O-C）。[返回来源]

◆表面活化粘合

在超高真空中去除材料表面的氧化膜和吸附物质，然后使暴露的活性表面彼此接触，从而直接粘合材料的方法。即使在室温下，也可以将多种类型的材料连接在一起，或者可以将不同类型的材料连接在一起。 Si 等半导体基板、铝、铜、金等多种金属，以及近年来的玻璃 (SiO₂)、SiC 和聚合物薄膜等材料的室温粘合应用正在取得进展。[返回来源]

◆硫酸/过氧化氢(H₂所以₄/H₂O₂) 混合液体