CVD单晶金刚石凝胶抛光工具的制备及应用
发布时间：2021-07-13 16:05
CVD单晶金刚石是下一代功率器件最有希望的候选材料。但目前金刚石器件的大规模应用还面临着很多重大的挑战,特别是制备大尺寸、无位错、低电阻率的单晶金刚石衬底。其中精密抛光技术能够使金刚石获得纳米级粗糙度的表面和低的亚表面损伤,为金刚石的生长和外延创造有利条件,将会在制备大尺寸高质量金刚石衬底的过程中发挥重要作用。针对CVD单晶金刚石在半导体材料领域的抛光需求和金刚石的难抛光属性,本文设想制备出一种新型凝胶抛光工具,并使用混合磨料（金刚石磨料和氧化铈磨料）在高速下抛光CVD单晶金刚石,诱导磨料与金刚石发生机械化学反应,以期实现对CVD单晶金刚石的高效率、超精密和低损伤抛光。本文首先使用SG抛光工具探究在低速（抛光线速度1.5m/s）下凝胶工具对CVD单晶金刚石的抛光状况,为下一步研究工作打下基础。进一步研制出一种适用于高速抛光环境的新型凝胶工具。最后使用该新型凝胶工具在高速（抛光线速度15m/s）下抛光CVD单晶金刚石,并着重研究凝胶工具抛光金刚石的材料去除机理以及混合磨料抛光金刚石的机械化学反应。本文的研究成果如下:（1）研制出一种新型凝胶抛光工具,其由凝胶、基材、填充剂和磨料组成,并优...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的
华侨大学硕士学位论文41.2.3CVD单晶金刚石在半导体领域的应用前景金刚石具有极为优异的半导体特性，其优势主要体现在禁带宽度、介质击穿场强、载流子迁移率、热导率等方面。金刚石通过掺杂可实现n型导电和p型导电，性能远超GaAs，GaN和SiC等材料，如表1.2[24]所示。金刚石既能作为有源器件材料，如场效应管和功率开关；也能作为无源器件材料，如肖特基二极管等。其主要应用范围如图1.3所示[11,25]。另外，金刚石还具有热导率高和抗辐射性强等特点，可以用于制备耐高温和抗辐射的半导体器件，如紫外探测器和场发射器件等[26,27]。（a）功率器件（b）射频器件图1.3半导体单晶金刚石在高频和高功率电子器件中的应用范围表1.2各类半导体材料特性比较（不同数据来源存在一定差异）项目SiGaAs4H-SiCGaNDiamond禁带宽度（eV）1.111.433.263.395.5击穿电场（MV/cm）0.30.62.22.510熔点（℃）14201235210021004000热导率（W·cm-1·K）1.50.464.91.320相对介电常数11.812.59.69.665.5电子迁移率（cm2·V-1·s-1）1400850010004002200电子饱和漂移速度（107·cm·s-1）1.01.02.02.02.7Johnson指数（1023·W/s2）2.39.191010802350Keyes指数（107W/K·s）6.723510145Baliga指数（Si=1）1486202443938
第1章绪论51.2.4CVD单晶金刚石在半导体领域的应用要求虽然单晶金刚石在半导体领域有很大的应用前景，但金刚石器件的大规模应用还面临着一些重大的挑战，特别是制备大尺寸、无位错、低电阻率的单晶金刚石衬底[11]。想要得到大尺寸的单晶金刚石，目前最有可能的方法是化学气相沉积法。但是目前由于各种条件的限制，CVD单晶金刚石的尺寸还是难以达到商业化英寸级。考虑到生长技术的不断发展和商业化的需求，大尺寸的CVD单晶金刚石衬底片在未来是可期的。目前一种实际有效的方法是马赛克拼接法[10,28]，其操作流程如图1.4所示[29]。而抛光是制备高质量CVD单晶金刚石材料的关键技术[30]。如果在抛光过程中引入亚表面损伤，在同质外延CVD单晶金刚石时将会给生长的晶体带来缺陷，如图1.5所示[31]。其次，半导体器件对于材料的质量有很高的要求，表面缺陷的引入会给半导体材料的电学和光学性能造成严重的影响。因此，高表面质量的金刚石材料是保证其半导体应用的关键。最后，要实现金刚石的半导体功能需要对其进行有效的掺杂，使其具备良好的n型或p型导电性质[32,33]。尽管目前半导体金刚石材料生长和器件研制还存在诸多困难，但相信随着科学技术的不断发展，上述问题在未来将会被一一解决。图1.4克隆和平铺克隆的概念简图（a）高水平（b）中等水平（c）低水平的亚表面损伤图1.5在HTHP籽晶上生长CVD金刚石的X射线照片
【参考文献】：
期刊论文
[1]话说稀土抛光材料[J]. 霍知节. 新材料产业. 2019(06)
[2]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[3]第3代半导体材料在5G通讯领域的发展与机遇[J]. 陈秀芳,杨祥龙,徐现刚,杨学林,魏同波,刘建利. 新材料产业. 2018(01)
[4]第三代半导体带来的机遇与挑战[J]. 林佳,黄浩生. 集成电路应用. 2017(12)
[5]CVD法制备高质量金刚石单晶研究进展[J]. 刘晓晨,郭辉,安晓明,李义锋,姜龙. 人工晶体学报. 2017(10)
[6]金刚石半导体材料和器件的研究现状[J]. 陈亚男,张烨,郁万成,龚猛,杨霏,刘瑞,王嘉铭,李玲,金鹏,王占国. 微纳电子技术. 2017(04)
[7]N型半导体金刚石的研究现状与展望[J]. 李尚升,许安涛,王生艳,刘书强,于昆鹏,王健康,韩飞. 人工晶体学报. 2016(11)
[8]MPCVD生长半导体金刚石材料的研究现状[J]. 付方彬,金鹏,刘雅丽,龚猛,吴巨,王占国. 微纳电子技术. 2016(09)
[9]纳米金刚石场发射阴极制备及性能研究[J]. 刘巧平,杨延宁,张富春,李小敏. 人工晶体学报. 2016(07)
[10]p型半导体金刚石研究现状[J]. 王生艳,李尚升,刘书强,宋东亮,朱淑俊. 硅酸盐通报. 2015(S1)
博士论文
[1]利用化学和机械协同作用的CVD金刚石抛光机理与技术[D]. 苑泽伟.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]SG抛光膜水合抛光氮化铝的实验研究[D]. 吕小斌.华侨大学 2018
[2]溶胶凝胶抛光膜加工单晶金刚石的实验研究[D]. 童睿龙.华侨大学 2017
[3]单晶金刚石的研磨与化学机械抛光工艺[D]. 李强.大连理工大学 2013
[4]CVD金刚石膜化学机械抛光工艺研究[D]. 王坤.大连理工大学 2010
本文编号：3282372
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的
华侨大学硕士学位论文41.2.3CVD单晶金刚石在半导体领域的应用前景金刚石具有极为优异的半导体特性，其优势主要体现在禁带宽度、介质击穿场强、载流子迁移率、热导率等方面。金刚石通过掺杂可实现n型导电和p型导电，性能远超GaAs，GaN和SiC等材料，如表1.2[24]所示。金刚石既能作为有源器件材料，如场效应管和功率开关；也能作为无源器件材料，如肖特基二极管等。其主要应用范围如图1.3所示[11,25]。另外，金刚石还具有热导率高和抗辐射性强等特点，可以用于制备耐高温和抗辐射的半导体器件，如紫外探测器和场发射器件等[26,27]。（a）功率器件（b）射频器件图1.3半导体单晶金刚石在高频和高功率电子器件中的应用范围表1.2各类半导体材料特性比较（不同数据来源存在一定差异）项目SiGaAs4H-SiCGaNDiamond禁带宽度（eV）1.111.433.263.395.5击穿电场（MV/cm）0.30.62.22.510熔点（℃）14201235210021004000热导率（W·cm-1·K）1.50.464.91.320相对介电常数11.812.59.69.665.5电子迁移率（cm2·V-1·s-1）1400850010004002200电子饱和漂移速度（107·cm·s-1）1.01.02.02.02.7Johnson指数（1023·W/s2）2.39.191010802350Keyes指数（107W/K·s）6.723510145Baliga指数（Si=1）1486202443938
第1章绪论51.2.4CVD单晶金刚石在半导体领域的应用要求虽然单晶金刚石在半导体领域有很大的应用前景，但金刚石器件的大规模应用还面临着一些重大的挑战，特别是制备大尺寸、无位错、低电阻率的单晶金刚石衬底[11]。想要得到大尺寸的单晶金刚石，目前最有可能的方法是化学气相沉积法。但是目前由于各种条件的限制，CVD单晶金刚石的尺寸还是难以达到商业化英寸级。考虑到生长技术的不断发展和商业化的需求，大尺寸的CVD单晶金刚石衬底片在未来是可期的。目前一种实际有效的方法是马赛克拼接法[10,28]，其操作流程如图1.4所示[29]。而抛光是制备高质量CVD单晶金刚石材料的关键技术[30]。如果在抛光过程中引入亚表面损伤，在同质外延CVD单晶金刚石时将会给生长的晶体带来缺陷，如图1.5所示[31]。其次，半导体器件对于材料的质量有很高的要求，表面缺陷的引入会给半导体材料的电学和光学性能造成严重的影响。因此，高表面质量的金刚石材料是保证其半导体应用的关键。最后，要实现金刚石的半导体功能需要对其进行有效的掺杂，使其具备良好的n型或p型导电性质[32,33]。尽管目前半导体金刚石材料生长和器件研制还存在诸多困难，但相信随着科学技术的不断发展，上述问题在未来将会被一一解决。图1.4克隆和平铺克隆的概念简图（a）高水平（b）中等水平（c）低水平的亚表面损伤图1.5在HTHP籽晶上生长CVD金刚石的X射线照片
【参考文献】：
期刊论文
[1]话说稀土抛光材料[J]. 霍知节. 新材料产业. 2019(06)
[2]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[3]第3代半导体材料在5G通讯领域的发展与机遇[J]. 陈秀芳,杨祥龙,徐现刚,杨学林,魏同波,刘建利. 新材料产业. 2018(01)
[4]第三代半导体带来的机遇与挑战[J]. 林佳,黄浩生. 集成电路应用. 2017(12)
[5]CVD法制备高质量金刚石单晶研究进展[J]. 刘晓晨,郭辉,安晓明,李义锋,姜龙. 人工晶体学报. 2017(10)
[6]金刚石半导体材料和器件的研究现状[J]. 陈亚男,张烨,郁万成,龚猛,杨霏,刘瑞,王嘉铭,李玲,金鹏,王占国. 微纳电子技术. 2017(04)
[7]N型半导体金刚石的研究现状与展望[J]. 李尚升,许安涛,王生艳,刘书强,于昆鹏,王健康,韩飞. 人工晶体学报. 2016(11)
[8]MPCVD生长半导体金刚石材料的研究现状[J]. 付方彬,金鹏,刘雅丽,龚猛,吴巨,王占国. 微纳电子技术. 2016(09)
[9]纳米金刚石场发射阴极制备及性能研究[J]. 刘巧平,杨延宁,张富春,李小敏. 人工晶体学报. 2016(07)
[10]p型半导体金刚石研究现状[J]. 王生艳,李尚升,刘书强,宋东亮,朱淑俊. 硅酸盐通报. 2015(S1)
博士论文
[1]利用化学和机械协同作用的CVD金刚石抛光机理与技术[D]. 苑泽伟.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]SG抛光膜水合抛光氮化铝的实验研究[D]. 吕小斌.华侨大学 2018
[2]溶胶凝胶抛光膜加工单晶金刚石的实验研究[D]. 童睿龙.华侨大学 2017
[3]单晶金刚石的研磨与化学机械抛光工艺[D]. 李强.大连理工大学 2013
[4]CVD金刚石膜化学机械抛光工艺研究[D]. 王坤.大连理工大学 2010
本文编号：3282372
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