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摘要
金刚石膜材料用作GaN电子器件散热器有着巨大潜力，低应力、大尺寸、高质量、原子级光滑表面的金刚石膜层是GaN器件的整体传热能力提升的关键。本研究提出了一种用于3英寸硅衬底多晶金刚石薄膜的生长和晶圆级抛光技术，以实现大尺寸金刚石膜材料在散热器方向上的应用。首先对微波谐振腔内的等离子体进行多物理场自洽建模，通过仿真模拟技术分析了2.45 GHz多模椭球谐振腔微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition， MPCVD)装置沉积大尺寸金刚石薄膜的可行性，并优化了生长工艺参数。然后对金刚石薄膜进行研磨抛光处理，以满足GaN器件的键合需求。模拟结果表明，相同的微波功率输入下，腔室压强增大导致等离子核心电子和原子H数密度增加，但径向分布均匀性变差。在优化的工艺条件下进行了金刚薄膜的沉积。实验结果表明，金刚石薄膜厚度不均匀性为17%。较高的甲烷浓度导致金刚石晶粒呈现以(111)面为主的金字塔形貌特征，并伴有孪晶的生成。Raman光谱的金刚石一阶特征峰半峰全宽(Full width at half maximum， FWHM)为7.4 cm-1。抛光后表面粗糙度达到了0.27 nm，硅衬底金刚石薄膜平均弯曲度为13.84 μm，平均内应力为-40.7 MPa。采用上述方法，成功制备了大尺寸、较高晶体质量、低内应力、原子级光滑表面的硅衬底金刚石晶圆。
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