芯耀
194
金刚石因其超宽禁带、高热导率、高击穿场强以及优异的耐辐射性能，被认为是面向高功率、高温和极端环境电子器件的重要半导体材料之一。理论和实验研究均表明，在功率电子、高温电子及高速开关等应用场景中，金刚石具备显著的性能潜力。然而，在材料性能之外，金刚石器件始终面临一个现实瓶颈——高质量、大面积单晶金刚石晶圆难以获得，这直接制约了其与现有半导体制造体系的对接。
在当前主流半导体工艺中，光刻、刻蚀和薄膜沉积等通用制造设备通常以4英寸及以上尺寸晶圆为基础。相比之下，通过同质外延方式实现单晶金刚石的大面积化仍存在应力控制、缺陷密度和成本等多方面挑战。因此，如何在不依赖单片金刚石晶圆放大的前提下，实现晶圆级加工，成为金刚石器件工程化过程中亟需解决的问题。
从“材料放大”转向“结构放大”
近日，日本产业技术综合研究所（AIST）联合 EDP 提出了一种新的解决思路：通过将小尺寸单晶金刚石晶圆贴合到大尺寸硅晶圆上，构建金刚石/硅复合晶圆，从而在结构层面实现“等效大面积”的金刚石晶圆。
这一思路的核心在于，借助成熟的硅基晶圆平台和通用半导体制造设备，使金刚石器件能够进入现有工艺体系，而不必等待单晶金刚石材料尺寸上的根本性突破。但随之而来的问题是，金刚石与硅属于典型的异质材料组合，两者在热膨胀行为上的差异，使复合晶圆在高温工艺中极易产生翘曲甚至界面失效，这将直接影响后续微细光刻加工。
围绕热翘曲这一核心难点，研究团队从材料热物性入手，对金刚石与硅的热膨胀特性进行了系统分析。研究发现，两种材料的热膨胀系数并非恒定，而是随温度变化，并在约 600 ℃ 附近出现反转现象。
在较低温区间内，硅的热膨胀量更大；而当温度继续升高后，两种材料的总热膨胀量差反而逐渐缩小。基于这一特性，研究人员提出了一种看似“反直觉”的判断：如果在更高温度下完成金刚石与硅的键合，在冷却回室温时，由于热收缩差异减小，残余应力和热翘曲反而有可能得到抑制。
为验证这一判断，研究团队将 12 mm × 12 mm 的单晶金刚石晶圆与 2 英寸硅晶圆在不同温度条件下进行高温键合，并对复合晶圆的翘曲程度及加工适应性进行了对比评估。
结果显示，在 1000 ℃ 键合条件下，复合晶圆呈现明显的凸形翘曲，高低差约为 27 µm。在这种状态下，即使使用步进式光刻设备进行 1 µm 线宽的微细加工，也仅有约 30% 的面积能够形成有效结构。
当键合温度提高至 1200 ℃ 后，复合晶圆的热翘曲显著降低，高低差缩小至约 9 µm。在此条件下，研究人员在 10 mm × 10 mm 的加工区域内，实现了约 95% 面积可用的 1 µm 线宽 Line & Space 微细结构。这一结果首次通过实验证明，提高金刚石/硅键合温度不仅不会恶化复合晶圆的平整性，反而能够显著改善其对微细光刻工艺的适配能力。
键合界面与工艺耐受性
在界面可靠性方面，透射电子显微镜观察显示，金刚石与硅之间形成了一层厚度约 5 nm 的非晶层，推测由高温键合过程中材料间的界面反应与相互扩散所致。在对硅基板施加破坏性外力后，除边缘区域外，界面未出现明显剥离，显示出较高的键合强度。
进一步的工艺兼容性测试表明，该金刚石/硅复合晶圆能够耐受 SC1、SC2、王水、HF 及 TMAH 等半导体制造中常见的化学处理，并可承受 1000 ℃ 级高温工艺而不发生界面失效。这表明该复合晶圆在材料层面之外，已经具备进入完整器件制造流程的基础条件。
最后
从工程角度看，这项工作的价值并不在于直接解决“大尺寸单晶金刚石如何生长”的材料难题，而在于率先解决了金刚石器件进入通用半导体工艺体系时最关键的接口问题。通过高温异质键合，研究团队实质上解决了复合晶圆在高温工艺后的热翘曲控制问题，并验证了其在微细光刻和多种化学处理条件下的工艺可靠性。
但同时也需要看到，这一方案并未覆盖金刚石器件产业化的全部挑战。复合晶圆路线仍然高度依赖单晶金刚石本身的材料质量，多片金刚石在硅基板上的拼接一致性、版图适配以及器件设计规则，仍有待在更大规模和更复杂器件中进一步验证。此外，高温接合工艺本身对设备能力、界面控制以及制造成本也提出了更高要求，其在量产条件下的可重复性仍需时间检验。
