探索單（dān）晶金剛石（shí）馬賽克生長：晶種厚度及生（shēng）長前處理的（de）深入研究

       單晶金剛石（SCD）作為一種超寬帶（dài）隙半導體材（cái）料，由於其大帶隙、高導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（zhōng）顯示出巨大的應用潛（qián）力。然而，為了與成熟的寬（kuān）禁帶半導體材料（如SiC或GaN）競爭並實現實際應用，SCD薄膜必須達到（dào）英寸級尺寸。

       目前（qián），許多研（yán）究人員致力於（yú）使用MPCVD方法生長大（dà）型、高質量（liàng）的（de）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（xíng）SCD薄膜帶來了挑戰。雖然已有商業化的10mm×10mm SCD基底麵，但與尺寸分別達到6英寸和（hé）12英寸的碳化矽和矽晶片相比，它們的尺寸仍然小得多。此外，大型SCD基底麵的質量問題（tí）和高成本也進一步限製了它（tā）們（men）的應用。因此，金（jīn）剛石功能性應（yīng）用的主要障礙是缺乏英（yīng）寸級的高質量SCD晶圓。

       研究人員開發了多種方法（fǎ）來解決大型 SCD 薄膜的生（shēng）長問題，包括重複生長法、三維和馬賽克生長法。其中，馬賽克生長法被（bèi）認為是生長大型SCD薄（báo）膜的一種相對簡單高效的方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大量工作，並提出了一種 “克隆 ”技術。該技術包括從單個（gè）籽晶中獲（huò）得多個具（jù）有相似性質的籽晶，從而實現2英寸SCD薄膜的馬賽克生長。

       然而，馬賽（sài）克生長單晶的一（yī）個問題是，邊界很容易看到（dào），而且馬賽克交界處的晶體質量較低。由於馬賽克接合處存在高密度缺陷和不均勻應力，這些馬賽克生長的SCD薄膜在後續加工過程中也（yě）容易開（kāi）裂。雖然許多研（yán）究（jiū）都對籽晶取（qǔ）向角、基底支架結構和生長參數等因素進行（háng）了研（yán）究，但與馬賽克結處晶體結合有（yǒu）關的因素和機製（zhì）仍有待（dài）進一步（bù）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（yuán）生長。外延生長前，所有種子都在硫（liú）酸和硝酸的混合物中煮沸並浸（jìn）泡1小時，然後依次用去離子水、丙酮和乙醇通過超聲清洗（xǐ），以去除表麵吸附的（de）有機雜質。

       CVD馬賽克生長（zhǎng）是（shì）使（shǐ）用自主開發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸（shū）入功率為3kW，頻率為2.45GHz。生長前進行氫蝕刻，以去除表麵雜質和機械拋（pāo）光劃痕（hén），在800°C和 80torrs下20min。隨後，CVD反應在1000℃ 和120torrs下進行，以（yǐ）15/300sccm 的流速在CH4/H2混合氣體中進行CVD反應（yīng）。生長前處理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速（sù）為（wéi）9/300sccm持續10小時，旨在（zài）改（gǎi）善（shàn）種子（zǐ）表麵的階梯流（liú）形態，以促進逐漸生長過程，實現馬賽克生長，如下圖所（suǒ）示。經過這種處理後（hòu），對種子進行仔細清潔（jié），檢查增強的形態，然後返回裝置（zhì）進行馬賽克生（shēng）長。

種子（zǐ）厚度變化和生長前處理（lǐ）的示意圖  圖源：論文

       結果討論

       在（zài）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（xiàng）同的籽晶，並將其分為三組，每組2個。各組的厚（hòu）度變化分（fèn）別為0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了M1、M2和M3的光學顯微鏡圖像。研究結果表明，M1在（zài）馬賽克交（jiāo）界處表現出更優越的階梯（tī）連（lián）續性。階梯流動（dòng）方向的角度很小，界麵兩側階梯的（de）寬度和高度緊密一致，形成了（le）非常窄的接（jiē）縫，如圖b所示。然而，由於晶格畸變造成的（de）應力（lì）集中，M1在交界處形成了多晶顆粒。與M1相似，M2 在接合處實現了充分的粘合，並形成（chéng）了更多的多晶顆（kē）粒。值得（dé）注意的是，由於M2的（de）厚度變化為50μm，較厚籽晶的外延（yán）層（céng）在橫向生長過程（chéng）中覆蓋了接合點，並（bìng）向較薄籽晶（jīng）延伸如（rú）圖d。

馬賽克連接區域的光學（xué）顯微鏡圖（tú）像  圖（tú）源：論文

       M3的厚度變化可達100微米（mǐ）。盡管交界處兩側都有橫向階梯生長，但（dàn）在相同的生（shēng）長條件下，階（jiē）梯並不能有（yǒu）效地結合在一（yī）起，導致交界區域出現非（100）平麵。厚度的（de）巨大差異被認為（wéi）是碳氫（qīng）化合物基團在邊緣（yuán）堆積的原因，從而阻礙了有效連接。隨著生長時間的延長，碳氫基團聚集並失去穩定性，導（dǎo）致從階（jiē）梯流生長模式過渡（dù）到孤島生（shēng）長模式，*終形成多晶顆粒（lì），阻礙形成平滑的鑲嵌結。因（yīn）此，厚（hòu）度變化較大的籽晶（M3）無法實現有效的鑲嵌生長，而厚度（dù）變化較小的（de）籽晶（M1）則更有利於形成平滑的鑲嵌連（lián）接。

        結論（lùn）

       籽晶厚度的變化會顯著影響馬賽克交界處的晶體（tǐ）質量（liàng）。厚度變化在50μm以內時，結點相對平滑，晶體質量（liàng）高，缺陷較少。然而，100μm的厚度變（biàn）化會導致交界處出現明顯的多晶顆粒和應力集中，從而導致晶體質量下降和馬賽（sài）克生長（zhǎng）效果不佳。