先材攻克金刚石晶圆高取向均匀性难题
金刚石是目前已知热导率最高的固态材料之一，单晶金刚石室温热导率可达约2200 W/(m·K)，但大尺寸单晶金刚石的规模化制备长期受限于两个现实问题，一是大尺寸单晶籽晶稀缺、成本高昂，二是微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备的沉积面积有限，难以直接生长大面积单晶。
多晶金刚石晶圆是现实的替代路径，但传统多晶金刚石晶粒取向随机、晶界密集，声子在晶界处的散射会明显拉低热导率，同时，不同取向的晶粒具有不同的力学和化学性质（如耐磨性、抗刻蚀性），抛光后容易出现不均匀的表面质量，难以满足器件对超光滑晶圆的要求。
近日，先材(深圳)半导体科技联合王陶博士团队，成功攻克3英寸自立式高取向金刚石晶圆均匀生长技术难题，相关成果发表于国际期刊《Diamond & Related Materials》，为大尺寸金刚石晶圆走向产业化应用提供了关键工艺路径和数据支撑。
五种工艺条件下金刚石晶粒的显微形貌对比（可见SN、SO2样品晶粒均匀且规整，与其余样品形成明显反差）
团队围绕两步法工艺展开系统攻关，通过对比持续通氮气、降低生长温度等多种工艺路线，验证了两步法在高取向均匀性和热导率上的综合优势，同时将生长速率稳定控制在约5微米/小时，180~200小时左右即可获得厚度约1毫米的自立式晶圆，兼顾了工艺稳定性与生产效率。
五种样品的XRD图谱对比（样品SCH4、SN、SN2、SO2、SL，反映各自的主导晶面取向）
SN、SN2、SO2三个样品分别在晶圆边缘、中心、对侧边缘位置的XRD对比（SN、SO2在各位置图谱高度一致，SN2则随位置明显变化）
研究团队分别用激光闪射法(测面内热导率)和瞬态热反射法(测垂直方向热导率)对五种样品进行了测量，结果如下：
五种样品面内/垂直方向热导率对比（数据来源同上表）
3英寸金刚石晶圆实物照片(左)与截面SEM图(右)；右图清晰展示了柱状生长结构，是垂直方向热导率高于面内方向的直接证据
对先材而言，这项技术的突破也体现了公司在高取向、低成本快速金刚石生长工艺上的技术积累，也为后续金刚石异质外延、迈向大尺寸单晶金刚石的发展替代方案打下了基础。研究团队也在论文中提出，后续可通过采用更大尺寸的MPCVD反应腔体、调整微波频率等方式，进一步扩大晶圆尺寸，并探索硼元素掺杂对高取向调控的作用。
本文数据及图片来源于Jing Zhang, Stephan Handschuh-Wang, Haojie Xing等发表于《Diamond & Related Materials》的研究论文《Thermal conductivity of highly-textured growth of free-standing 3-inch diamond wafers》。
