北京科技大学李成明教授：CVD金刚石膜应力的产生、抑制和应用

金刚石具有优异的性能，在光学、电子器件热管理领域及宽禁带半导体领域有着广阔的应用前景，被誉为终代半导体。作为光学窗口需要大尺寸、厚度2 mm以上的CVD金刚石自支撑厚膜；在半导体散热中，则需要4英寸以上、100微米厚的金刚石自支撑膜与GaN等半导体材料进行键合。

但由于技术限制，大面积CVD金刚石膜的合成及应用依旧存在较大困难。一方面，沉积过程中应力会导致金刚石膜发生破裂，另一方面，残余应力会导致金刚石膜发生翘曲，导致键合质量差。因此，对金刚石膜应力的控制成为目前金刚石膜规模化、大范围应用的一个关键问题。

北京科技大学李成明教授团队整理了CVD金刚石应力的分类、来源和以及影响应力的各种因素等，详细介绍了抑制金刚石膜应力的措施。同时，总结了通过人为施加应力来改善金刚石性能的研究，包括应力改变金刚石带隙、应力提高金刚石热导率等。最后，给出了评价金刚石应力大小的方法及理论计算公式，并分析了未来金刚石膜应力研究的趋势。相关工作以“CVD 金刚石膜应力的产生、抑制、应用及测量”为题发表在《无 机 材 料 学 报》上。

图 1 不同种类缺陷尺寸对比

图 2 常见衬底材料热膨胀系数与温度的关系

图 3 300 K 下，天然金刚石和纯金刚石的热导率 ᴋNat 和 ᴋPure随压力变化

金刚石具有高导热、宽禁带、高载流子迁移率、紫外到红外范围高透过性等众多优良性质，在电子及光学领域有着广阔的应用前景。与半导体工艺流程相适应的大尺寸金刚石制备和低成本制备技术成为发展的主流。CVD 金刚石膜生长过程中的应力问题是沉积大尺寸完整金刚石膜的关键，也是金刚石膜大规模应用首先要解决的问题。相关金刚石应力几个方面需要重点予以关注：

(1)解析生长应力的各个影响因素目前是非常困难的，随着人们对残余应力认识的不断深入，未来有可能通过 AI 技术来分析生长应力的影响因素，将成为未来一段时间的重点研究方向。

(2)像在半导体材料制备的应力调控一样，发展相对准确地实现对金刚石膜中应力量化的调控方法，将是一个重要的研究方向，也可能成为金刚石作为宽禁带半导体应用的一条途径。

(3)CVD 金刚石膜残余应力的准确、整体表征依旧存在困难，急需发展一种快速、准确、便捷、低成本且无损的方法来对金刚石膜残余应力进行表征。

(4)）发展大尺寸金刚石膜应力的在线监测，是未来应用发展的必然需求和重要关联方向之一。

来源：DT半导体

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