CN100547722C - 钻石底半导体装置形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钻石底半导体装置(200)及其形成方法，是提供一具有一介面表面(212)相反匹配钻石层(204)的装置表面(210)构造的模具(220)，之后将一被动钻石层(204)沉积于模具(220)的钻石介面表面(212)上，一基层(202)结合于该被动钻石层(204)的形成面(222)上，至少去除一部分模具(220)来外露钻石的装置表面(210)，其与模具钻石介面表面的构造是相反对应，该模具(220)可由合适的半导体材料形成，其进一步削薄以制造最终装置，选择性地，该半导体材料可在去除模具(220)后结合至该钻石层(204)。

Description

钻石底半导体装置形成方法
技术领域
本发明涉及一种包括超硬材料的半导体装置，如钻石或类钻材料，以及形成这种装置的方法。更进一步地，本发明利用气相沉积来制造包括钻石材料的半导体装置。
背景技术
钻石或类钻材料有很多特性，如耐磨、导热、电绝缘、可传导声音，不易被腐蚀，使得它们适于各种工业应用。为此，钻石或类钻材料被用于制成用于各种用途的工具，如锯条、钻头以及如表面声波筛检程式之电子装置。将钻石及类钻材料制成工具的方法包括一些已知的制程，如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。
各种CVD技术已经用于有关将钻石或类钻材料沉积在基层上的制程。典型的CVD技术用气体反应物在涂层或膜上沉积钻石或类钻材料。这些气体通常包括少量的含碳气体(例如低于5％)，如用氢气稀释的甲烷。多种专门的CVD过程，包括设备和条件，都是本技术领域内熟知的。
在用CVD技术在基层上形成钻石或类钻材料的涂层，大量的钻砂，或“颗粒”可能会先掉落在基层上。在运用CVD技术本身的时候，使用比如施加偏置电压、抛光微米级的钻石、或领域内其他熟知的方法，这个“颗粒”的掉落过程有可能完成。随着碳蒸气在基层上沉积，这些“颗粒”就像钻石核一样运动，促进钻石层从基层向外形成。结果，这个钻石层的形成边界在粒度上变得越来越粗糙，最终要被磨光和抛光成光洁表面，比如通过机械手段，使得它适合各种工业应用。但是，因为钻石或类钻材料是属于最硬的材料种类，这样的材料磨光和抛光不但困难，而且缓慢。进一步地，这种抛光的成本通常超过了制作钻石膜本身的成本。另外，机械抛光不可避免地会导致细微裂缝或是钻石表面的变化。这种裂缝和变化对特定的应用而言是有害的。
这种半导体工业最近扩展到了制造绝缘半导体装置(SOI)。这些装置使得基层和其上任何数目的有用半导体装置之间电气绝缘。典型而言，这些半导体装置包括一些绝缘层，这些绝缘层导热性较差、高度热扩张不协调以及/或硅或其他材料外延形成有困难。根据其中的一些困难，人们作了一些努力，将钻石作为绝缘层而取得了一些成功。然而，这种绝缘半导体装置在之后的加工中仍然很受益，如降低制造成本，性能更好等。
同样地，提高性能并减少制造成本的SOI装置和制造包括SOI装置的钻石的方法仍然在探索中。
发明内容
相应地，本发明提供一种钻石底半导体装置(SOD)和制造这种装置的方法，可处理上述提到的困难。同样地，本发明装置和方法能够提供具有改良的绝缘性能的SOD装置，特别适合用于绝缘半导体等装置。
一方面，本发明的SOD装置可包括一个基层，其上具有一以气相沉积法设置的被动钻石层。该被动钻石层的装置表面系远离基层。进一步地，一半导体层可结合到钻石层的装置表面。该半导体层可直接形成在中间层上或其他的中间层上。
在一种情况中，该半导体层可通过一中间层连接，该中间层材料如氮化铝，氮化铬，硅，碳化硅，氮化硅，碳化钨，氮化镓，类钻碳和以上之复合物。
在一种更详细的情况中，该半导体层的表面厚度(Ra)可从约1nm到约1μm间。
通常而言，根据本发明制造SOD装置的方法开始是提供一模具，该模具的介面构造系相反地对应钻石SOD装置的装置表面的构造。一被动钻石层可利用气相沉积技术形成于模具的钻石层介面。随着钻石形成，该被动钻石层会有一形成面相对于装置表面，该形成面结合于基层或支撑层。一半导体层也可结合于装置表面。
在一个实施例中，可去除至少一部分模具。在有些情况中，模具可被削薄以形成半导体层和/或中间层。这样该模具的材料选择要适合于结合最终的SOD装置。选择性地，该模具也可以完全的去除以于曝光后钻石装置表面形成半导体层及选择性的中间层。
在另一个可替换的情况中，一种制造SOD装置的方法包括提供一具有一介面的模具。一被动钻石层可通过气相沉积形成于该介面上，该被动钻石层具有一相对于该介面的形成面。一半导体层可结合于该钻石层的形成面上。
这只是概要、广泛的描述，本发明更重要的特征将于以下进行更详细的描述以更佳的理解，这样对技术的贡献也可更好地得到评量。本发明的其他特征于以下的详细描述中，伴随相应的图式和申请专利范围，或相应的实施例，将会更加的清楚。
附图说明
图1是本发明一实施例的SOD装置的侧剖面图。
图2是本发明一可替换实施例的SOD装置的侧剖面图。
图3A到3D是表示本发明制造SOD装置的一种方法的侧剖面图。
图4A到4C是表示本发明另一制造SOD装置方法的侧剖面图。
具体实施方式
图1是本发明一实施例的SOD装置的侧剖面图。图2是本发明一可替换实施例的SOD装置的侧剖面图。图3A到3D是表示本发明制造SOD装置的一种方法的侧剖面图。图4A到4C是表示本发明另一制造SOD装置方法的侧剖面图。以上图式只是用于例证目的，真实层的尺寸和特征可能与图式有出入。
在揭露及叙述本发明之前，吾人应知本发明并不限于此揭露的特定结构、过程步骤或材料，其可延及到相关技术领域内普通技术人员所能理解的相当技术。吾人更应所知的，在此用到的术语仅是为了描述特定的实施例，而并非用以限制。
需要注意的一点是，在说明书和相应的申请专利范围中，单数形式“一个”和“这个”是亦包括复数的物件，除非前后文有明确的说明。例如，提到“一个中间层”是包括一个或多个这样的层，提到“一个碳源”包括一个或多个这样的碳源，提到“CVD技术”包括一个或多个这样的技术。
定义
在对本发明的描述和申请专利范围中，将根据如下定义用到以下术语。
这里所提到的“超硬(super hard)”和“耐磨的(superabrasive)”可交替使用，指的是任何结晶的，或多晶的，或他们混合的材料，其莫氏硬度在8左右或更高。在某些方面，其莫氏硬底可能会达到9.5或更高。这样的材料包括但不限于钻石、多晶钻石(PCD)、立方氮化硼、多晶立方氮化硼(PCBN)，还有其他一些本领域内熟知的超硬材料。超硬材料可以多种形式应用在本发明中，像微粒、粗砂、薄膜、涂层等。
这里所提到的“基层”：指的是无钻石表面，各种材料都可以在其上形成SOD装置。该基层可为任何形状、厚度或材料，依需求以对应能得到特定的结果，并且包括但并不限于金属、合金、陶瓷，或是上述材料的混合。进一步地，在某些方面，基层本身就是就一种现成的半导体装置或晶片，或者可能是一种用于适合的装置材料。在一些另外的方面，基层可能是一种曾结合于被动钻石层的材料，有足够的完整性来防止涂层离开模具后改变形状。
这里所提到的“金属的”指的是其主要成分是金属的任何种类的材料或复合材料。同样的，各种氧化物、氮化物和碳化合物，以及其他材料或复合材料，其包括的非金属成分多于金属成分，并不会被认为是“非金属的”。在本发明中被认为特别有用的金属包括有但并不限制于铝、钨、钼、钽、锆、钒、铬、铜和这些金属之间的合金。
这里所提到的“陶瓷”指的是非钻石、非金属材料，其硬度高、抗热性好、防腐蚀，并可被抛光至表面粗糙度(Ra)低于一微米。进一步地，这里提到的“陶瓷”可能包括至少一种选自于如下的群组：铝，硅，锂，锌和镓。包括上述元素的氧化物、氮化物和各种复合物是在本领域中熟知的陶瓷。
其他在此提到的被认为是“陶瓷的”有玻璃，也是本领域熟知的。本发明中被认为特别有用的陶瓷是包括但并不限制有：硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆、砷化镓、磷化镓、钽酸锂、铌酸锂、氧化锌以及比如钠玻璃等的玻璃。
这里提到的“介面”指的是模具表面，或是暂时性模具或是其他传递该模具形状的材料层，其上放置用于形成钻石层或膜的材料。该材料包括钻石或其他超硬颗粒，还有运用CVD技术来让钻石层形成的周边材料，如钻石成核促进物。该介面可为模具的自身表面或者也可包括来自于模具上材料薄层的外露表面，该材料薄层并不显著地影响原模具表面的轮廓和粗糙度，并传递了这种外形结构。这种薄层包括成核促进材料、压电材料和其他可形成足够薄的层以维持与原模具表面大致相同的表面材料。
这里所提到的模具“外表面”指的是模具上并不与钻石层直接接触的表面。
这里所提到“被动的”是指不能独立维持自身形状或强度的层面。例如，没有模具或支撑层，这种被动的钻石层就容易卷曲或变形。鉴于多方面原因，这种层面的被动特性还是需要的，其中一个原因就是这样的层面可以做到极薄。
这里所提到的“成核促进物”指的是一种材料，使得一些通过CVD过程形成钻石核的钻石层可经由该材料提高品质。一方面，该成核促进物可以减少钻石层的移动，或固定钻石核。成核促进物包含有下述材料但并不限制于其中：金属及各种金属复合物，如碳化物以及碳化材料。
这里提到的成核促进层和中间层中，所称“薄”指的是层的厚度或深度足够的小，这样从介面外形到设备表面预定外形的传输不会受到大的干扰。有些情况，该成核促进层的厚度可能小于0.1微米。另一些情况，该厚度可能小于10纳米。还有一些情况，该厚度可能小于5纳米。
这里提到的“装置表面”，指的是钻石层的表面，该表面接触半导体或其他电子设备。
这里提到的“钻石层”指的是具有任何形状结构而可用于SOD装置的钻石材料。例如，一种钻石膜部分或全部地覆盖一表面就是意含于该术语中。又，如一个材料层，如金属、合金或复合物，只要其中含有钻石颗粒亦意含于该术语中。
这里提到的“包含钻石的材料”指的是任何包括碳原子结合，且至少一部分碳结合呈sp3键的材料。该包括钻石的材料可以包括但并不限制于：天然的或人造的钻石、多晶钻石、类钻碳、无晶形钻石等。通常，本发明的钻石层是由类钻碳和/或无晶形钻石所形成。
这里提到的“由气相沉积的”指的是通过气相沉积技术所形成的材料。
这里提到的“气相沉积”指的是通过气相将材料沉积在基层上的制程。气相沉积包括但并限制于其中的任何制程：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。各种气相沉积的变化在很大范围内都是本领域所熟知的技术。气相沉积方法的一些例子包括热灯丝CVD、RF等离子CVD、雷射CVD(LCVD)、金属-有机CVD(MOCVD)、溅镀、蒸镀PVD、离子化金属PVD(IMPVD)、电子束PVD以及反应性PVD等。
这里提到的“化学气相沉积”或“CVD”指的是任何以化学方式在蒸汽中沉积钻石或其他微粒至一表面上的方法。各种CVD技术都是本领域所熟知的。
这里提到的“CVD惰性材料”指的是用CVD方法无法将钻石或其他材料大量地直接沉积于其上的材料。一种关于沉积钻石的CVD惰性材料的例子就是铜。因为，在CVD制程中，碳不会沉积在铜上，而它只沉积在CVD活性材料上，比如硅、钻石，或其他已知材料。然而，CVD惰性材料的惰性只是相对于某些材料而言，比如碳化物可以成功地大量沉积形成在铜上。
这里提到的“相反对应”指的是钻石装置表面结构和模具介面结构的关系，当这两个表面于同一方向上的装置表面结构是来自于模具介面结构。换句话说，当装置表面形成于模具介面上时，如果这两个面分开后，同一方向的对向面的两个面是相反对应。在某些情况中，相反对应会引起镜像效果。
这提到的“成核边界”、“成核表面”和类似术语可以交替使用，指的是在钻石层的边界或表面上的钻石微粒成核地方。另外的描述是，钻石层的成核表面是首先沉积在模具表面上的边或面。在很多情况下，这种成核表面可能成为工具的装置表面。
这里提到的“形成边”、“形成的边”和“形成面”可交替使用，指的是在CVD制程中所形成的超硬膜或层的面。
这里提到的“Ra”指的是表面粗糙度，其是由峰和最邻近的谷之间的高度差决定的。进一步地，“Rmax”表示的表面粗糙度是表面最高的峰和最低的谷之间的高度差决定的。
关于确定的特性和条件，“大体上”指的是偏差非常小，而不会对确定的特性和条件产生显著的损害。在某些情况下，可以接受的偏差是由特定的环境决定。比如，一种原材料的某种成分大体上在某个特定范围内，在实验中该成分和相关特性的误差可能会达到百分之几，比如1％到3％。
这里提到的浓度、数量和其他数字资料会以一个范围的形式来表达。吾人应知，这样一个范围形式仅仅是为了说明的方便和简洁，应当弹性地解释为不仅仅包括清楚列出的作为范围限制的数值，也包括在这个范围里单独的数值以及包含范围，即使它们没有被清楚地表示出。
举例说明，一个数值范围为“包括大约1微米到大约5微米，应被解释为不仅仅包括清楚表示的大约1微米和大约5微米，还包括此范围间单独的数值和包含范围。这样包括在这个范围里的有单独的数值2、3、4和包含范围比如1-3，2-4，3-5等。
这个原则也同样应用于只列举了一个数值的范围。比如“少于5微米”应被解释为0-5间的所有数值和包含范围，也包括0微米。进一步地，这样的解释可延伸到任何宽度的范围及特征。
发明
请参见图1，本发明的一实施例是一绝缘半导体(SOI)装置200。一基层202用于提供SOI装置的支撑和/或功能特性。多种材料可用作该基层材料。典型地，该基层可由满足特定需求的指定材料所形成。如在某些实施例中，机械强度、热膨胀、导热性、电阻性等等都很重要。几种适合的但非限制的基层材料包括：钨、硅、碳化硅、氮化硅、碳化钡、氮化钛、氮化硼、石墨、其他陶瓷、玻璃、钼、锆、钽、铬、氮化铝、类钻碳和上述的复合物。一个含钨的基层可以提供特别好的机械支援和较低的热膨胀。类似的，一个含硅的基层可以与各种结合的半导体装置/产品高度相容。尽管很多材料都可以作为合适的基层，但最好是热膨胀系数较低的材料。这是至少部分地考虑到减少基层和相邻材料的邻介面的热膨胀力。如：类钻碳、硅、氮化镓、砷化镓等。
该基层202之上亦可以设有一被动钻石层204。该被动钻石层有一个远离基层的装置表面210。该被动钻石层可包括含钻石的材料。典型地，该被动层即如下提到与本发明相关，是用气相沉积的方法所形成的。该被动层有多种使用于SOD装置上的有利特性。通常该钻石层的厚度是约10纳米至约100微米，在某些情况下，约为100纳米到约30微米。进一步地，对一些应用而言，该钻石层小于约10微米比较适合。在一个特定的实施例中，该钻石层的厚度可从大约10纳米到小于100微米的范围内。通常地，该被动的钻石层厚度少于30微米可提供预期的绝缘效果，同时减少生产时间和成本。
另外需要考虑装置表面210的表面粗糙度。更具体地，一个非常光滑的装置表面可获得多种的需求效果。一些考量包括有：半导体的粘附、改善形成特征的结果，改善结合系数等。例如，这里所提到的方法和装置主要是集中在SOD装置，不包括在该装置上以这里描述的方法的延伸或组合所形成的特征和半导体装置。在各种装置的形成过程中，光源的焦点深度会影响最小形体尺寸和解析度，如，行宽等，还会影响使用专门设备的可能性。焦点深度指的是一个图像正好聚焦于晶片或基层表面的深度。如果在不同的深度，一个暴露的图像就会聚焦较差或边线不清楚。典型的焦点深度是1微米至2微米，尽管在此范围以外也是已知的。此外，一个粗糙的表面会影响解析度，特别是粗糙度达到了所用设备的焦点深度。因此，只有暴露表面的粗糙度减小，才能获得改善的解析度和装置密度。换句话说，在某些情况下，表面粗糙度对装置解析度和密度而言是一个限制因素。
根据本发明，表面粗糙度的显著降低无需通过价格较贵的钻石层或硅层的抛光来达到。关于这个方面，以下会更详细地描述相关方法。因此，为了达到所欲结果的基本限制可是藉由设备的使用以取代晶片或外露材料。比如，装置表面210的粗糙度(Ra)可在1纳米至1微米间，更好是在1纳米至大约20纳米，并且最好是在1纳米至大约10纳米。
半导体层206可置于钻石层204的装置表面210，该半导体层可直接置于该装置表面或通过另外一层间接置于装置表面。该半导体层可为包括适合形成电子装置、半导体装置等的任何材料。大部分的半导体装置是基于硅、镓、铟及锗。不过半导体层的合适材料还包括但非限制的有：硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、锗、硫化锌、磷化镓、锑化镓、镓铟砷磷化物、铝镓砷化物、氮化镓、氮化硼、氮化铝、砷化铟、磷化铟、锑化铟、氮化铟和上述的复合物。在一个实施例中，半导体层可包括硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝或以上材料的复合物。在某些另外的实施例中，无硅装置可由砷化镓、氮化镓、锗、氮化硼、氮化铝、基于铟的材料和上述材料的复合物形成。其他可用的半导体材料尚包括Al2O3、BeO、W、Mo、c-Y2O3、c-(Y0.9La0.1)2O3、c-Al23O27N5、c-MgAl2O4、t-MgF2、石墨和以上的混合物。但是，现在大部分的半导体设备是基于硅材料的。
请参见图2，半导体层206可以是通过一个中间层208结合于装置表面210。该中间层有很多好处，比如但非限制的有：改善热膨胀匹配、提供较好的外延形成的晶格匹配、提供专门的电子特性、热导性等等。中间层的一些合适材料的例子包括但非限制的有：氮化铝、氮化铬、硅、碳化硅、氮化硅、碳化钨、氮化镓、氮化硼、W、Mo、Ta、Cr和上述材料的复合物或合金。在某些实施例中，该中间层可包括氮化铝、氮化铬、氮化硅、碳化钨、氮化镓以及上述的复合物。在另外一个实施例中，该中间层可以是如下群组中所选出的材料：氮化铝、氮化铬、碳化钨和上述材料的复合物。现在中间层多用氮化铝。氮化铝对典型的半导体材料的外延形成很有好处。比如基于硅和镓的材料，在氮化铝上就益于晶格匹配。
选择性地，选择性的中间层可包含导电材料。合适的导电材料包括但非限制的有：铜、铝、钨、钽和以上材料的合金。这个选择性的中间层使得半导体的正负极可设计在绝缘层的任何一面。
典型地，该中间层的厚度不会使被动层的外形和光滑程度有实质性的变化。但是，有些变化还是会产生，通常的厚度从50纳米到10微米，最好400纳米到5微米，要看具体应用和装置。
请参见图3A-3D，其显示根据本发明制造SOD装置的一种方法。图3A中有一模具220，其具有一介面表面212，该介面相反对应于SOD装置的装置表面210。在本发明方法中所使用的模具可为任何能够进行气相沉积和/或其他的层形成制程的材料，并且也能进行钻石膜或其他中间层的形成。另外，这个模具也可设计为形成一个或多个SOD装置，以获得最终的SOD装置。以下讨论的概要，只要被动的钻石层形成后，这个模具就可以全部或部分地移除。这个模具可包括几乎所有的合适材料，在某些情况下，可包括一种适用于中间层或半导体层的材料。
尽管许多材料都可以用，该模具材料可包括：钨、硅、钛、铬、锆、钼、钽、锰、这些金属的碳化物、陶瓷和上述的复合物及合金。但是，在某种情况下，该模具可能是由金属，或大部分为金属的材料所制成。该金属材料可选自于以下的群组，包括：铜、钨、钼、钽、锆、钒和铬。在另一个实施例中，该模具是由非金属，或大部分为非金属所制成，如碳化物和陶瓷，包括玻璃、氧化物、氮化物材料。碳化物材料的例子包括但非限制的有：碳化钨(WC)，碳化硅(SiC)，碳化钛(TiC)，碳化锆(ZrC)以及上述的混合材料。氧化物的例子包括但非限制的有：石英(如二氧化硅结晶)、钻砂或蓝宝石(如氧化铝)、LiTaO3、LiNbO3、ZnO以及上述材料的混合材料。氮化物材料的例子包括但非限制的有：氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)以及上述的混合材料。玻璃的例子包括如苏打玻璃等所有种类的玻璃。选择性地，该模具材料也可包括上述适合于半导体或中间层的材料。
该模具可被抛光以形成一极为光滑的介面表面212。抛光模具介面可使用本领域所熟知技术的各种方法。但是，在抛光步骤中，微米或纳米级钻石微粒的应用可提供很好的成核促进层以气相沉积钻石。该介面粗糙度可对应于装置表面210的粗糙度来进行抛光。确信的非金属材料，比如以上列举的碳化物和陶瓷材料，由于它们的硬度和能够到达到表面光滑程度，在本发明中特别适合作为模具材料。当制造一个需要光滑装置表面的SOD装置时，一个光滑的介面就尤为重要。在很多情况中，陶瓷材料的介面抛光达到表面粗糙度小于10微米。在另一些情况中，表面粗糙度可以小于5微米。基于装置而言，表面粗糙度小于1微米的可以提供比较好的结果。在某些情况下，一个非常光滑的介面可是非常理想的，表面粗糙度可能会小于20纳米。随着行宽解析度的降低，表面粗糙度小于1纳米在提供改良的曝光解析度和图像敏度时是很有好处的。进行介面抛光以达到这样的光滑程度有许多方法，比如利用钻石或纳米级的钻砂或钻石浆，或其他钻石工具，这些都是本领域熟知的技术。
请参见图3A，被动钻石层204可通过气相沉积技术形成于模具220上，任何已知的气相沉积技术都可以形成该被动钻石层。如果是为了获得相似的特性和结果，类似的方法都可以用，不过最常见的气相沉积技术是包括CVD和PVD。当前最好的钻石形成方法是CVD技术，如热灯丝、微波等离子、氧炔焰和直流电弧技术。在该技术中用到的反应性气体可是任何在本领域内熟知的，可以利用CVD技术安全地完成钻石层的制作。不过有些情况，该应用于CVD技术的气体是甲烷和氢气的组合。被动钻石层的厚度如上所述，不过有某些情况中，可形成稍厚的钻石层，这样形成面可细致地进行抛光以达到所期望的厚度。
一个可选的成核促进层可形成于介面上以改善钻石的品质和沉积时间。特别地，该钻石层装置表面可由适何的核沉积而形成，如钻石核沉积于模具的表面，然后运用气相沉积技术形成膜或层。虽然陶瓷或其他非金属材料能够达到这样光滑的表面，这些材料如氧化物，但是它们无法将钻石成核并很好地保持它原来的位置。因此，为了克服这样的缺陷，在本发明的一种情况中，在模具的介面上应使用一种很薄的成核促进层。钻石核是置于该成核促进层上，这样钻石层的形成就可以通过上述的CVD技术。
在本领域的普通技术人员看来，很多材料都可以制作成核促进层。本发明的一种情况中，该成核促进层可选自于下述群组，包含：金属、金属合金、金属复合物、碳化物、碳化物形成元素以及上述材料的混合物。碳化物形成元素材料包括但非限制的有：钨(W)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铬(Cr)、钼(Mo)、硅(Si)及锰(Mn)。另外碳化物的例子包括碳化钨(WC)，碳化硅(SiC)，碳化钛(TiC)，碳化锆(ZrC)及以上的混合物。
该应用的成核促进层足够薄，不会影响介面的构造传递至装置表面。在一种情况中，该成核促进层的的厚度可能会小于0.1微米。在另一种情况中，该成核促进层的厚度可能小于10纳米，在另一种情况中，该成核促进层的厚度可能小于5纳米。在本发明还有一种情况中，该成核促进层的厚度小于3纳米。
因为该钻石层的成核表面可为工具的装置表面，应该注意确保该表面达到尽可能高的品质和完整性。在气相沉积过程中可能会得到不同的品质级别，可分别应用于制造的特定装置。本领域的普通技术人员易知在不同的条件和技术下便会得到相应的品质级别，而且不需过度的实验便可得到各种品质级别。
由气相沉积形成的钻石层的成核表面，可通过多种方法来提高钻石的品质。如：钻石微粒品质可通过减少甲烷的流量来提高，以及在早期的钻石沉积过程中增加总气压。这样的方式减少了碳的分解率，使氢原子更集中。这样显著提高了碳以SP3键形式的沉积百分比，也就提高了钻石核的形成品质。另外，沉积于模具介面或沉积于成核促进层的钻石微粒的成核率也可能提高以减少钻石微粒的间隙。增加成核率的方法包括但非限制的有：在模具的钻石介面加以适当的负偏压，通常约100V；用上等的钻石膏或钻砂来抛光模具的钻石表面，这些膏或砂可能部分地留在介面上；利用PVD或PECVD技术，通过碳、硅、铬、锰、钛、钒、锆、钨、钼、钽等的离子注入来控制钻石介面的成分。PVD制程通常是在比CVD制程更低的温度下进行，在有些情况下低于200℃，比如150℃。其他增加钻石成核的方法对本领域技术人员而言是显而易见的。
当需要极光滑的表面时，用钻砂或钻石膏抛光特别有用。较好的钻石膏用来抛光表面时，许多钻石微粒会嵌入钻石介面以作为增加成核率的种子。已知某些金属，比如铁、镍、钴和它们的合金，在高温下能够促进钻石变成无晶形碳或石墨(如高于700℃)。这样，通过限制模具介面上的这种成分含量，钻石转变为石墨的量就大为减少，并且成核表面的总品质也提高了。
本发明更详细的一个方面是，模具介面可通过微痕蚀刻来增强成核。微痕蚀刻的一种方法就是将模具沉浸在悬浮有微米级钻石微粒的丙酮中。然后提供模具或流体超音波能量。将模具由超音波浴移走后，一部分的微米级钻石会留在表面上作为形成钻石的种子。
本发明另一个详细的方面就是在模具上施加较强负偏压的电流来选择性地增强成核。大约120V的电压可将成核密度增加到百万倍.
一种情况中，碳化钨可用作模具的材料，包括其上的钻石介面。通过限制其中所含的钴黏结剂的量在低于4％w/w，钻石的催化作用的发生率就会显著减少。进一步发现，无黏结剂的碳化钨可显著降低钻石催化。另外，发现用非常好的或次微米级的碳化钨颗粒可制成非常光滑的钻石介面以增加钻石的成核率。另外，介面的光滑表面结构会传递到钻石层的装置表面。
请再参看图3A，装置表面210可在模具介面表面212上制成，其上形成钻石层204。随着钻石层的形成，该形成介面开始变得越来越粗糙。当CVD制程完成后，形成面222仍然处于外露状态，和装置表面相比也很粗糙。正如上面提到的，该被动层是不能自我支撑的，如果模具移走只留下钻石层，该层便会卷曲或变形，导致表面无法在SOD装置使用。典型地，该被动层的厚度少于30微米，如在5微米到20微米间，尽管其他厚度可能也可适于特定的应用。
图3B例举了本发明的一个实施例，为了防止被动层的变形，在移去模具220之前，在形成面222上增加一基层214，或是部分覆盖以防止该被动层的卷曲。本发明的一种情况，是将基层用焊接的方法置于形成面上。多种焊接合金都可以适用，最好的是铜焊合金，包括碳化物形成元素，如钛、铬、硅、锆、锰和以上的混合物。几种典型的铜焊合金包括Ag-Cu-Ti、Ag-Cu-Sn-Ti、Ni-Cr-B-Si、Ni-Cu-Zr-Ti、Cu-Mn和以上的混合物。该铜焊合金可以任何已知的方式提供，如粉状或薄片。典型的焊接温度在1000℃以下，如900℃左右。
进一步地，基层最好包括一种相对于钻石而言具有热膨胀性质的材料，在焊接温度冷却下来时，可防止损害被动层。在钻石层粗糙的形成面上焊接具有另外的好处就是提高钻石层和基层的焊接强度。
在本发明的一些实施例中，需要用非碳化物形成的材料作模具。比如，当模具是非碳化物形成材料如铜，钻石层就会在模具冷却后与模具分离。焊接片在冷却前后都可置于被动钻石层的形成面上。随后，基层置于该焊接片上并加热压紧，也可在真空下进行，这样可以将钻石层焊接到基层上。在这个实施例中，钻石层没有固定在模具上，可被轻松地移走。
选择性地，该被动钻石层的装置表面贴靠于一压紧面，该压紧面上可覆盖一层防止该压紧面与钻石层粘合的材料，如氮化硼气溶胶。仔细地摊平卷曲的钻石层，将铜箔放在该被动钻石层的形成面上，然后将基层压在铜箔上，然后如上所述进行铜焊。放入基层后，便可移去模具而不破坏该被动钻石层。该钻石的装置表面可抛光以去除残留的石墨键，不过倒不一定要非常光滑。这样的抛光是很微小的，可在埃这样的级别，有时也会是纳米级，而不会是微米级。
另外，该基层可在结合半导体层的前后设置到形成面上。典型地，该基层是在半导体层结合前设置。不过，如果模具是用来形成中间层或半导体层的，该基层可在半导体层或装置形成之后再结合到形成面上。各个层的形成顺序的选择基础是基于便利、层的强度以及预留的设备规划等。
在一种情况，复数的钻石层可通过气相沉积技术在模具中层层叠加，或是在初始的钻石层形成后且由模具移走并形成所需厚度的巩固层后再形成。该钻石层可能在初始的膜沉积后会增厚，运用的是非蒸气技术，其在钻石制造和合并领域是已知技术。本发明的另一种情况，当初始的钻石层还在模具中时，或在去除模具后(比如溶解在酸或KOH中)，有可能发生增厚的情况，。
在特定的实施例中，可去除整个模具或仅去除一部分。图3C例举的实施例中，整个模具都被去除以外露被动钻石层204的装置表面210。该模具及/或选择地成核促进层可从钻石层分离，该分离手段是适合于去除制造模具和成核促进层的材料者。在本发明的一种情况，该模具可用化学手段从钻石上分离，如通过酸或碱溶液溶解，如KOH或等离子腐蚀。在另一种情况，该模具可用物理手段从钻石上分离，如喷砂处理或机械抛光。还有一种去除模具的方式是加热或致冷，比如用熔炉熔解模具或液态氮来冰冻然后粉碎模具。进一步地，通过加热或致冷使模具与钻石层分离是由于模具材料和钻石材料的热膨胀特性有所不同。
根据图3D的实施例。半导体层206可结合在被动钻石层204的装置表面210上，该半导体层可包括任何之前提到的材料或任何适合于制造特定装置的材料。本发明的另一种情况，该半导体材料可由单一的晶锭获得以控制结晶方向、减少晶体缺陷，并提供高机电性能的结合系数。该晶锭可从熔化的液体中得到而非气相。这样的晶锭比气相沉积形成的晶体的缺陷少，也消除了关于包括钻石的材料上半导体层的外延生长的棘手问题。
进一步地，在去除模具和如果使用到的成核促进层后，在外露的装置表面上可形成其他的装置。可用本发明制造的装置可以是任何种类的，只要它能结合钻石成为绝缘层。本发明的SOD装置可结合各种电子装置例如但非限制的有：逻辑晶片、存储记忆体、如蓝色LED的发光二极管、微波发生器和其他的半导体装置。本领域的技术人员了解本发明的SOD装置潜在的优点和这样的装置结合到其他各种装置(如上所述或是半导体装置)的方法。在很多需要光滑表面的应用中，一个很大的优点是，因为在去除模具后，几乎不需要加工设备表面，因此显著地减少或根本没有通过加工产生的变化、微裂纹或裂缝。这样极大地提高了最终产品的品质。进一步地，半导体装置或部件可以与上述的步骤同时形成在半导体层上，或根据已知的半导体制造技术在单独的步骤中形成。
另外一种方式是，模具本身也可作为基层。在这种情况下，在结合半导层之前，形成面需要先进行抛光。
图4A到4C例举了另外一个实施例，其中至少一部分模具是留下以形成SOD装置层。图4A例举了一被动钻石层204形成在模具220的装置表面212。一基层214可依先前的方式形成或结合。或者，基层可在一部分模具去除后再结合。
图4B中，该模具220可薄至一定的厚度，如图中的线218所示的厚度。图4C显示了在去掉部份模具之后的SOD装置。在这样的情况下，留下的模具就成为最后成品的一个完整部分。为了在这个条件下完成产品，如果在钻石层的制造前没有进行过这样的工作，有的情况下需要将模具的表面进行抛光或塑形以提供一个所需的表面结构或厚度。薄化模具的方法有磨削、抛光或化学蚀刻至所需厚度。
在一种情况下，原来模具可为任何厚度或表面构造，以制造特定的设备。该预定的厚度可大于1毫米，或在有些情况下可大于5毫米。有另外一种情况下，该模具的表面可抛光或塑形以获得一个制造特定装置的表面构造。进一步的情况，该模具可抛光或塑形成为厚度小于1微米的层。在另外一种情况，该厚度可小于0.1微米。
在一个实施例中，该模具可包括一适合用于半导体层的材料，在这种情况下，形成被动钻石层和结合半导体层的步骤是同时的，如半导体层是形成于模具之外。既适合模具亦可作为半导体层的材料包括但非限制的有：硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝以及以上的复合物。
在另一个实施例中，可通过提供一些合适材料的模具来作为中间层，然后在结合半导体之前去除一部分的模具。选择性地，也可在模具移去之后形成中间层。
另外，可部分地去除模具以外露至少一部分的装置表面。典型地，可在去除部分模具后再设置基层以提供机械支撑。不过如果只去除部分的模具，模具剩下部分的材料可对随后结合的基层提供足够的支撑。在较简便地处理或其他原因，如单一过程中形成多个装置，就需要用到如上的方式。通过该半导体层至少形成于装置表面的外露部分，该半导体层可结合于装置表面。或者，一中间层可形成于装置表面的外露部分，然后半导体层形成于该中间层上。在这样的实施例中，该半导体和/或中间层可通过气相沉积、铜焊、胶粘或其他已知的方法形成。较佳地，这些层可通过气相沉积形成。
某些SOD装置是利用一层中间材料。在本发明的一个方面，一薄的中间层可接触置于钻石层的光滑装置表面。在本发明的一个实施例中，一中间层可在钻石层形成之前置于介面表面上。在这样的实例中，该中间层可包括适合成核和其上形成钻石的材料，其也可以通过上述提到的成核促进层促进形成。通过沉积一薄层材料，该模具轮廓和光滑表面保留在该薄层上。该模具，或模具的一部分，可在形成该被动钻石层和/或在形成面上结合基层后再去除。
或者，中间层可在模具移走后，结合于钻石层的装置表面。典型地，该中间层可通过溅镀形成于钻石层或其他的装置表面。通过气相技术沉积材料到钻石表面在本领域中是熟知技术，比如CVD、PVD或溅镀在加热的基层上。随后的热处理可用来制造特定的晶体和点阵结构，它们可用于特定的实施例中。
在本发明的一个替换实施例中，可使用一个具有实际厚度的单晶体。典型的单晶体可形成晶锭，其可切割下来用于各种设备。另外，在本发明的一种情况，单晶体可选择性地覆盖上碳化物形成元素。
但是，根据本发明的一种情况，这些单晶体可通过一种极薄的连接材料层连接到钻石层的装置表面。在连接到装置表面前，该单晶体首先要抛光至非常光滑，其表面粗糙度和相应的装置表面有对应性。该表面粗糙度是依赖于所欲的最终产品。但在有些情况，表面粗糙度是小于1纳米的，较佳地是小于5埃，是最合适的。之后，该极薄的连接材料层可通过在装置表面或是光滑的半成品表面形成连接材料层，然后将这两个面一起压紧以减少连接层的厚度至小于1微米，最好是小于10纳米(即只有几个分子那么厚)。该连接材料可包括一如环氧树脂的有机粘接剂或活性金属如钛、硅、锆、铬、钼、钨、锰或以上的混合物。在活性金属的情况下，该金属可溅渡于装置表面或光滑的半成品表面，然后在加热及真空条件下紧压于另一面。在厚度极薄时，该连接材料在较高温度下就更稳定。比如，典型的环氧树脂薄层无论其在更高温度下有多牢固，在温度高于200℃左右时，它是没有效力的。进一步地，SOD装置在机械应用中不需要同样级别的强度。因此，这些连接材料的薄层对SOD装置而言是很适合的。该连接的半成品可通过碾磨和抛光来获得所需的厚度，例如在SOD装置中小于2微米。
或者，本发明的SOD装置可通过如下方法形成：提供一具有介面表面的模具，在介面表面上用气相沉积形成被动钻石层。一半导体层可直接连接到被动钻石层的形成面。该模具可去除、可削薄或留下作为基层。另外，一中间层可形成在形成面上。该半导体层可形成在该中间层上。选择性地，该钻石层的形成面可在半导体层结合前进行抛光。
本发明为了大量地制造SOD装置，模具可为足够尺寸的晶片先驱物以在该单一的晶片上制造复数SOD装置。当被动钻石层形成、该半导体层亦形成且基层亦设置后，该较大的晶片先驱物可被分割成为单独的SOD装置。通常，钻石层的热膨胀系数和模具是不同的而会导致层的分离。如果只是几毫米的差异并不是问题，不过经济型地大量生产下，通常会要求这样的装置形成在晶片上，然后从晶片上切割下来。另外，晶片尺寸通常是6英时，较新的生产制程利用的晶片尺寸在8-12英时。随着晶片尺寸的增大，热膨胀差异所导致的问题会更大。
因此，根据本发明的另一方面，在模具的介面表面上可形成一些小的凹槽。这些凹槽会形成栅格，细分的每一格的表面就对应于一个SOD装置。该凹槽可通过蚀刻、切削或其他已知方式形成。钻石或中间层沉积于其上时，该凹槽可固定模具并隔离每个栅格的热膨胀。这样当模具在气相沉积制程后冷却下来，模具的收缩就受到凹槽中所沉积钻石的限制。例如，一单晶体压电LiNdO3模具从结晶方向900℃冷却下来，其热收缩是钻石的5倍。
这些凹槽可为任何深度及宽度，一现有实施例的凹槽的宽度和深度在1微米到10微米之间，最好是5微米左右。任何合适的方法都可用来形成这些凹槽，如钻石划线器、化学蚀刻等。用这个方法的好处是当部分地去除模具时(并结合于最终装置)，尽管这并不是必需的，凹槽的深度可对应于半导体层或中间层的厚度。如该模具是由合适的半导体材料制成，之后将基层设置到钻石层的形成面，该模具可进行抛光直至凹槽中的钻石外露。在本实施例中，留下的模具材料被用在最终产品中。
进一步地，外露的钻石级别可通过抛光表面时电阻的上升来探测(钻石是绝缘的)。该电阻可在整个晶片两端进行测量，以保持大体上相同的厚度。这样，如果晶片一端的电阻不成比例地增加，晶片的另一端就要增加抛光和外露率。指导性地，凹槽深度的统一有助于确保横跨整个晶片先驱物的半导体层的厚度相同。其他组成可连接到该半导体层材料上，然后铺上最后的封装材料。最终装置可通过已知技术切割分离以得到最终装置，其可结合各种产品。尽管尺寸可以不同，SOD装置尺寸通常为总厚度在0.5毫米，其中半导体层和钻石层大约30微米。
本发明的另一种变化是利用陶瓷模具上的凹槽，一种CVD钻石惰性材料是沉积在该凹槽中。合适的CVD惰性材料包括任何钻石无法在CVD条件下形成的材料，如铜、银、氧化硅、氧化铝、氮化硼、石墨和以上的混合物。铜是现在最好的CVD钻石惰性材料。在CVD制程中，钻石会在介面表面上形成，但不会在CVD惰性材料上形成。当SOD装置完成后，CVD惰性材料可通过酸溶解或机械外力去除。本发明的改变使得单独的装置从晶片先驱物分离的成本因为不需要切割钻石而降低。另一种实施方式中，CVD惰性材料置于对应单独的SOD装置的模型中以取代在模具表面所开设的凹槽。
实施例
实施例1
将一直径为100毫米、厚度为0.6毫米的硅晶片抛光至表面光滑度低于1微米。该抛光表面之后用钻石划线器沿着格线划下约2微米深的划痕。然后将该硅晶片放置于含有丙酮和分散的微米级钻石微粒的超音波浴中。处理后，硅晶片的抛光表面上会有一微米级的钻石微粒的薄层。然后将该硅晶片置于一热灯丝CVD系统，该系统气氛为1％的甲烷及氢平衡在40托耳。在这样的条件下持续30小时左右，在此制程中，会沉积厚度为30微米的钻石膜。然后将覆盖钻石的硅晶片从CVD系统中移走。将一100毫米直径和0.5毫米厚度的钨碟片通过NICROBRAZLM焊接在钻石的形成边上，在1005℃，10-5托耳的真空下保持12分钟。之后将该硅基层以划痕中的钻石为引导削薄到1微米的厚度以保持切削的均匀性。在钻石晶片上的硅可进一步进行处理以形成各种的半导体设备。
实施例2
和实施例1的制程相同，只是钨碟片由PVD溅镀钨替代。
实施例3
将一直径为100毫米、厚度为0.6毫米的硅晶片抛光至表面厚度低于1微米。然后将该硅晶片放置于含丙酮和分散的微米级钻石微粒的超音波浴中。这样硅晶片的抛光表面上会有一微米级的钻石微粒的薄层。然后将该硅晶片置于一热灯丝CVD系统，该系统中气氛为1％的甲烷及氢平衡在40托耳。在这样的条件下持续30小时左右，在此制程中，会沉积厚度为30微米的钻石膜。然后覆盖钻石的硅晶片从CVD系统中移走。将一100毫米直径和0.5毫米厚度的钨碟片通过NICROBRAZLM焊接在钻石的形成边上，在1005℃、10-5托耳的真空下保持12分钟。该硅基层之后通过溶解在热浓缩的氢氧化钠溶液中完全去除。将外露的钻石表面进行轻度抛光，然后用PVD技术沉积1微米厚的氮化铝层。该CVD制程包括在真空环境氮气中的铝靶材。沉积的氮化铝与底面(0002)优先结合，即平行于硅表面。氮化镓的半导体层沉积其上以形成SOD装置。该SOD晶片可进一步处理以形成各种的半导体装置。
实施例4
与实施例3的制程相同，只是以单晶硅沉积于氮化铝中间层上而代替氮化镓层。
实施例5
与实施例1的制程同样，只是硅晶片由砷化镓晶片替代。进一步地，将相同尺寸的硅晶片焊接到CVD钻石上。然后将砷化镓层进行抛光至厚度大约5微米。
当然，吾人应知上述的方法只是本发明原则应用的举例。本领域的技术人员可在不违背本发明的精神、不超越本发明的范围下作出各种改善和替换，如下的权利要求用以涵盖这样的改善和方法。如上关于对本发明的特殊性和细节的描述与目前认为是最实用和最优的实施方式、改善对本领域的普通技术人员而言是显而易见的，包括但非限制的有：尺寸变化、材料、形状、形式、功能和操作方法、装配和应用都可以在不违背这里所述的原则和概念下进行改变。

Claims (20)

1、一种制造钻石底半导体装置的方法，其特征在于包括如下步骤：
a)提供一模具，其具有一介面表面相反匹配于钻石底半导体装置的装置表面构造；
b)在模具上运用气相沉积技术形成一被动钻石层，该被动钻石层相对于该装置表面具有一形成面；
c)去除至少一部分模具；和
d)在该被动钻石层的装置表面结合一半导体层。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该模具是选自于以下的群组：钨、硅、钛、锆、钼、钽、锰和以上的复合物或合金。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于其进一步包括薄化模具的步骤。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于其中薄化模具的步骤是形成半导体层。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于其中薄化模具的步骤是形成中间层。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中去除模具的步骤包括外露至少一部分装置表面。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于其中结合半导体层的步骤是通过至少在装置表面的外露部分形成半导体层来完成的。
8、如权利要求6所述的方法，其特征在于其中结合半导体层的步骤是通过至少在装置表面的外露部分形成一中间层，然后在中间层上形成半导体层来完成。
9、如权利要求3或6所述的方法，其特征在于其进一步包括在形成被动钻石层之前，在模具介面表面形成中间层的步骤。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于其进一步包括在被动钻石层的形成面上结合一基层的步骤。
11、如权利要求10所述的方法，其特征在于其中在被动钻石层的形成面上结合一基层是通过用含碳元素介质的铜焊合金进行焊接来完成。
12、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该装置表面的表面粗糙度在1纳米到1微米间。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于其中该表面粗糙度小于10纳米，并在1纳米以上。
14、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中该被动钻石层的厚度小于30微米。
15、如权利要求5所述的方法，其特征在于其中该中间层的材料是选自以下群组：氮化铝、氮化铬、硅、碳化硅、氮化硅、碳化钨、氮化镓、氮化硼、类钻碳、钨、钼、钽、铬和以上的复合物或合金。
16、如权利要求9所述的方法，其特征在于其中该中间层的材料是选自以下群组：氮化铝、氮化铬、硅、碳化硅、氮化硅、碳化钨、氮化镓、氮化硼、类钻碳、钨、钼、钽、铬和以上的复合物或合金。
17、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的半导体层是直接结合于被动钻石层的装置表面。
18、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的被动钻石层的厚度在0.1微米到30微米之间。
19、如权利要求1所述的方法，其特征在于该钻石底半导体装置是发光二极管。
20.如权利要求10所述的方法，其特征在于其中所述的基层的材料是选自以下群组：钨、硅、碳化硅、氮化硅、碳化钛、氮化钛、氮化硼、石墨、陶瓷、玻璃、钼、锆、钽、铬、氮化铝、类钻碳和如上的复合物。
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