来源 |  Applied Physics Letters

链接 | https://doi.org/10.1063/5.0319930

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背景

金刚石凭借超高热导率、超宽禁带、高击穿场强、化学惰性与优异机械硬度，成为先进电子、热管理、量子技术领域的核心前沿材料。CVD 技术的发展已实现数英寸级金刚石薄膜的制备，但面向集成器件的高精度、可扩展图案化制备，仍存在显著技术瓶颈。现有金刚石图案化技术分为自上而下刻蚀法（如 RIE 反应离子刻蚀）和自下而上选区生长法两大类，均存在难以突破的局限。

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成果掠影

近日，莱斯大学的科研团队针对集成电子与热管理领域对选区金刚石生长的迫切需求，突破了现有图案化技术可扩展性差、微观结构调控难的瓶颈，开发了基于成核工程的可扩展选区金刚石生长策略；该策略结合纳米金刚石晶种技术，可匹配光刻工艺实现微米级高保真图案制备，也可通过激光定义剥离掩模工艺实现 2 英寸晶圆级大面积金刚石图案化，兼容 Si 与 GaN 衬底；团队揭示了晶种密度对金刚石晶粒尺寸、晶向织构的调控机制，可在单次生长中实现不同结晶特性的金刚石制备，所得薄膜均具备高结晶质量；在热管理概念验证中，50μm 直径的图案化金刚石散热层可使 Si 衬底在相同电负载下工作温度降低超 23℃，性能优于连续金刚石薄膜，为微电子热管理与集成器件应用提供了高效、可扩展的技术方案。研究成果以“Scalable Selective-Area Diamond Growth for Thermal Management Applications” 为题，发表于《 Applied Physics Letters》期刊。

03

图文导读

图1.（a）选择性区域金刚石生长过程的示意图。（b-g）选择性生长的圆形金刚石图案的SEM图像，其横向直径为50 µm，100 µm，图（e-g）中的比例尺为500 µ m。（h）高放大率SEM图像显示了具有亚微米尺寸的密集堆积的金刚石颗粒。（i）图案化金刚石膜的厚度测量。（j）从代表性金刚石图案收集的拉曼光谱。

图2.（a）GaN衬底上选择性生长的猫头鹰形状金刚石微结构的光学显微镜图像。（b）相应的SEM图像，显示了整个图案化区域的均匀金刚石生长。（c）眼睛区域的高倍SEM图像。（d）基于金刚石峰的拉曼强度图。

图3.晶圆级金刚石图案化的激光定义剥离掩模工艺示意图。

图4.（a）2英寸硅晶片上选择性图案化金刚石猫头鹰的照片。（b）显示金刚石（111）和（220）反射的X射线衍射图。（c）拉曼光谱证实金刚石生长，其特征峰在~1334.9 cm ²处。（d）延伸生长后覆盖晶片的完全聚结金刚石膜的照片。（e- g）从图案化猫头鹰内部、图案边界处和图案化区域外部的区域获得的SEM图像，揭示了不同的晶粒形态。（h）从猫头鹰内部和外部的区域收集的拉曼光谱，（i）XRD图案显示图案化区域内部的主要（220）织构和外部的强（111）织构。j）当纳米金刚石晶种施加在图案化区域外部时，展示反向粒度对比度的光学图像。

图5.（a）热测试配置的示意图，其中在Si衬底上的两个金属电极之间产生焦耳热。（b-f）显示裸Si、连续金刚石膜和具有50 µm、100 µm、100 µm圆形特征的选择性图案化金刚石膜的稳态温度分布的红外热图像。（g）工作温度的定量比较。