ダイヤモンドデバイス用の大面積ウエハー実現に向けた新手法~ダイヤモンドウエハーとシリコンウエハーは高温で接合するほど熱反りが減少することを実証~

2026-02-02 産業技術総合研究所

産総研(AIST)とイーディーピー(EDP)の共同研究は、ダイヤモンドデバイス量産の障壁である“大面積ウエハー化”に向け、単結晶ダイヤモンド片をシリコンウエハー上に高温接合して実効的な大面積基板を作る新手法を示した。異種材料接合では熱膨張差による反りが問題だが、ダイヤモンドとシリコンの熱膨張係数が約600℃付近で逆転する点に着目し、高温ほど冷却後の熱反りが小さくなることを実証。12mm角ダイヤモンドを2インチSiに接合した例では、1000℃接合で高低差27µmだった反りが、1200℃で9µmへ低減し、ステッパー露光で1µm幅パターンを面積の約95%に形成できた。さらに洗浄液や1000℃工程でも剥離しない強固な界面を確認し、汎用半導体装置でのダイヤモンドデバイス製造・社会実装を加速すると期待される(論文:ACS Applied Engineering Materials, 2026/2/2)。

ダイヤモンドデバイス用の大面積ウエハー実現に向けた新手法~ダイヤモンドウエハーとシリコンウエハーは高温で接合するほど熱反りが減少することを実証~

<関連情報>

Reduction of Thermal Warpage in Diamond/Si Wafer by High Temperature Bonding

Takashi Matsumae,Yuichi Kurashima,Hideki Takagi,Hitoshi Umezawa,Hideaki Yamada,Masayuki Furuhashi,Keiko Momotani,and Naoji Fujimori
ACS Applied Engineering Materials  Published: February 1, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsaenm.5c01087

Abstract

For the wafer-scale fabrication of diamond electronic devices, diamond/Si composite wafers were fabricated with low warpage using high-temperature bonding. Typically, thermal warpage increases with the bonding temperature because of the mismatch in the thermal expansion coefficients. However, in the diamond/Si system, thermal stress can be reduced at higher bonding temperatures because the coefficients of thermal expansion of diamond and Si reverse at approximately 600 °C. This study compares the warpage of diamond/Si wafers bonded at 1000 and 1200 °C. The height difference between the highest and lowest points of a vacuum-chucked wafer was 26 and 9 μm, respectively. The reduced surface warpage enables precise patterning of 1 μm-wide line-and-space structures using stepper lithgraphy, confirming the bonded wafer’s compatibility with the micropatterning process. Additionally, high-temperature bonding formed a 5 nm-thick interfused layer containing Si–O, C–O, and Si–C bonding networks. This contributes to a high tensile bonding strength of 14 MPa, thermal tolerance up to 1000 °C annealing, and chemical durability against NH4OH, HCl, H2SO4, H2O2, and HF. These results demonstrate that diamond/Si composite wafers are promising platforms for wafer-scale diamond electronics, effectively overcoming the size limitations associated with homoepitaxially grown diamond substrates.

0703金属材料
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