来源 | Diamond & Related Materials

链接 | https://doi.org/10.1016/j.diamond.2025.112999

01

背景介绍

随着高性能计算、高功率电子器件和先进封装技术的快速发展，芯片散热已成为制约系统性能与可靠性的关键瓶颈。金刚石因其极高的热导率和优异的介电强度，被认为是下一代集成电路和封装领域极具潜力的散热材料。在后端工艺（BEOL）制造中，材料沉积温度通常需要控制在 450 °C 及以下，以避免对既有金属互连结构和器件性能造成损伤。传统低温金刚石薄膜存在缺陷 — 要么厚度超过 600nm（不适用超薄需求），要么热导率低于 100 W/m・K（如 2-5nm 超细晶金刚石仅 11 W/m・K），且易出现针孔、晶粒不均匀等问题。然而，在如此低的温度条件下制备兼具连续性、低缺陷密度与高热导率的金刚石薄膜，一直是产业和学术界面临的难题。

02

成果掠影

近日，国立成功大学微电子研究所的曾永华教授团队与台积电等的研究人员团队开发了一种450℃以下的微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，以3nm 均匀金刚石晶体为籽晶，在甲烷-二氧化碳-氢气气体混合物中添加适量石墨浆料（0.04g 最优），成功制备出100-200nm 厚的金刚石薄膜；其热导率通过时域热反射（TDTR）法测得高达300 W/m·K；研究发现薄膜热导率随金刚石晶粒尺寸增大而提升，且过量石墨浆料会引入非金刚石碳相导致热导率骤降（如 0.2g 时仅 45 W/m・K），该低温高导热金刚石薄膜为半导体芯片散热提供了可行方案。研究成果以“MPCVD diamond thin films as heat spreaders for back end of the line (BEOL) silicon chip fabrication”为题发表在《Diamond & Related Materials》期刊。

03

图文导读

图1.显示三种不同金刚石晶种的示意图：（a）相同尺寸的均匀且致密的金刚石晶体;（b）低密度不同尺寸的金刚石晶种簇;（c）具有高密度缺陷的金刚石晶种，其诱导二次成核.

图2.由不同尺寸和形状的金刚石颗粒制成的多晶金刚石膜：（a）大尺寸立方金刚石颗粒组装形成金刚石膜;（b）柱状金刚石颗粒，其在垂直于基底表面的方向上比单个金刚石颗粒的横向直径长;（c）由较小金刚石颗粒制成的颗粒之间具有填充物的反金字塔金刚石颗粒。

图3. 本研究用于测量金刚石薄膜热导率的TDTR系统示意图。

图4.在450 ℃衬底温度下，在5%CH4和1%CO2中通过MPCVD生长20分钟的金刚石膜的SEM图像，估计金刚石颗粒尺寸为（a）16.5 nm，（b）29.2 nm，（c）37.2 nm，（d）50 nm和（e）67.2 nm，石墨膏的添加量为（a）0 g，（B）0.04 g，（c）0.1 g，（d）0.2 g和（e）0.3 g。

图5.厚度为（a）11.7 nm、（b）33.3 nm、（c）45.7 nm、（d）91.2 nm和（e）142.8 nm的金刚石膜的横截面SEM图像，通过MPCVD在用H2稀释的5%CH4和1%CO2中生长20分钟，衬底温度设定为450 ℃。0 g，（b）0.04 g，（c）0.1 g，（d）0.2 g和（e）0.3 g。

图6. MPCVD等离子体在5% CH₄和1% CO₂中的光发射光谱，用0.04 g石墨膏添加剂稀释氢气。光谱在MPCVD过程开始后（a）5 min，（b）10 min，（c）15 min和（d）20 min记录。