單晶金剛石（SCD）作為一種超寬帶隙半導體材料，由于其大帶隙、高導熱性和高載流子遷移率等特殊性能，在高頻電力電子、高功率激光窗口和高能粒子探測器中顯示出巨大的應用潛力。然而，為了與成熟的寬禁帶半導體材料（如SiC或GaN）競爭并實現實際應用，SCD薄膜必須達到英寸級尺寸。

       目前，許多研究人員致力于使用MPCVD方法生長大型、高質量的SCD薄膜。CVD 工藝的橫向生長率較低，這給在較小基底上獲得大型SCD薄膜帶來了挑戰。雖然已有商業化的10mm×10mm SCD基底面，但與尺寸分別達到6英寸和12英寸的碳化硅和硅晶片相比，它們的尺寸仍然小得多。此外，大型SCD基底面的質量問題和高成本也進一步限制了它們的應用。因此，金剛石功能性應用的主要障礙是缺乏英寸級的高質量SCD晶圓。

       研究人員開發了多種方法來解決大型 SCD 薄膜的生長問題，包括重復生長法、三維和馬賽克生長法。其中，馬賽克生長法被認為是生長大型SCD薄膜的一種相對簡單高效的方法。Yamada 團隊在這一領域開展了大量工作，并提出了一種 “克隆 ”技術。該技術包括從單個籽晶中獲得多個具有相似性質的籽晶，從而實現2英寸SCD薄膜的馬賽克生長。

       然而，馬賽克生長單晶的一個問題是，邊界很容易看到，而且馬賽克交界處的晶體質量較低。由于馬賽克接合處存在高密度缺陷和不均勻應力，這些馬賽克生長的SCD薄膜在后續加工過程中也容易開裂。雖然許多研究都對籽晶取向角、基底支架結構和生長參數等因素進行了研究，但與馬賽克結處晶體結合有關的因素和機制仍有待進一步探討。

       具體方法

       所有SCD薄膜均在（100）定向HPHT種子（3mm×3mm×1mm）上同源生長。外延生長前，所有種子都在硫酸和硝酸的混合物中煮沸并浸泡1小時，然后依次用去離子水、丙酮和乙醇通過超聲清洗，以去除表面吸附的有機雜質。

       CVD馬賽克生長是使用自主開發的MPCVD裝置進行的，該裝置的輸入功率為3kW，頻率為2.45GHz。生長前進行氫蝕刻，以去除表面雜質和機械拋光劃痕，在800°C和 80torrs下20min。隨后，CVD反應在1000℃ 和120torrs下進行，以15/300sccm 的流速在CH4/H2混合氣體中進行CVD反應。生長前處理，在850°C和100torrs下進行，CH4/H2流速為9/300sccm持續10小時，旨在改善種子表面的階梯流形態，以促進逐漸生長過程，實現馬賽克生長，如下圖所示。經過這種處理后，對種子進行仔細清潔，檢查增強的形態，然后返回裝置進行馬賽克生長。

種子厚度變化和生長前處理的示意圖  圖源：論文

       結果討論

       在研究籽晶厚度變化對馬賽克生長的影響時，選擇了6個除厚度外條件完全相同的籽晶，并將其分為三組，每組2個。各組的厚度變化分別為0μm（M1）、50μm（M2）和100μm（M3）。下圖顯示了M1、M2和M3的光學顯微鏡圖像。研究結果表明，M1在馬賽克交界處表現出更優越的階梯連續性。階梯流動方向的角度很小，界面兩側階梯的寬度和高度緊密一致，形成了非常窄的接縫，如圖b所示。然而，由于晶格畸變造成的應力集中，M1在交界處形成了多晶顆粒。與M1相似，M2 在接合處實現了充分的粘合，并形成了更多的多晶顆粒。值得注意的是，由于M2的厚度變化為50μm，較厚籽晶的外延層在橫向生長過程中覆蓋了接合點，并向較薄籽晶延伸如圖d。

馬賽克連接區域的光學顯微鏡圖像  圖源：論文

       M3的厚度變化可達100微米。盡管交界處兩側都有橫向階梯生長，但在相同的生長條件下，階梯并不能有效地結合在一起，導致交界區域出現非（100）平面。厚度的巨大差異被認為是碳氫化合物基團在邊緣堆積的原因，從而阻礙了有效連接。隨著生長時間的延長，碳氫基團聚集并失去穩定性，導致從階梯流生長模式過渡到孤島生長模式，最終形成多晶顆粒，阻礙形成平滑的鑲嵌結。因此，厚度變化較大的籽晶（M3）無法實現有效的鑲嵌生長，而厚度變化較小的籽晶（M1）則更有利于形成平滑的鑲嵌連接。

        結論

       籽晶厚度的變化會顯著影響馬賽克交界處的晶體質量。厚度變化在50μm以內時，結點相對平滑，晶體質量高，缺陷較少。然而，100μm的厚度變化會導致交界處出現明顯的多晶顆粒和應力集中，從而導致晶體質量下降和馬賽克生長效果不佳。