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作者：Junsha Wang1, Kai Takeuchi1, Izumi Kataoka2, Tadatomo Suga1

Here is the translation of your provided text into Chinese:

摘要——气团离子束（GCIB）被用来抛光CVD钻石基板，以便直接与功率器件进行键合。经过粗抛光和精抛光后，钻石的表面粗糙度Ra从334 nm降低到0.5 nm。经过抛光的钻石基板通过表面激活键合（SAB）方法，在室温下成功与GaN键合，并使用Si纳米层作为中介。

关键词——CVD钻石、气团离子束、表面激活键合、GaN

I. 引言
钻石被认为是作为第四代半导体材料用于高功率和高频功率器件的最有前途的候选材料，因为它在所有半导体中具有最高的击穿电场、高载流子迁移率和饱和速度[1]。此外，钻石优异的热导率使其适合作为功率器件的热扩散材料[2]。当钻石基板通过直接键合方式如表面激活键合（SAB）与功率器件键合时，通常要求其表面粗糙度小于1 nm。由于钻石是一种超硬且脆弱的材料，高效且低损伤地抛光钻石是一项巨大的挑战。

传统的钻石抛光方法是机械抛光或化学机械抛光（CMP）。在此过程中，磨料与钻石基板之间的机械接触不可避免地会导致损伤，并在基板中产生表面和亚表面缺陷[3]，这将对钻石基板的机械性能产生重大影响。

为了避免钻石基板因机械接触造成的损伤，已经开发出非接触式抛光技术来抛光钻石基板，这些技术可以直接用于器件应用。与等离子体和反应离子刻蚀（RIE）相比，气团离子束（GCIB）允许数千个低能量（约eV）的原子同时攻击钻石基板的一个小区域。横向溅射结合低能量可以实现表面平滑，且损伤极低，这在硅表面抛光中已有展示[4]。根据与钻石的反应，气体分为反应气体（如O2）和非反应气体（如Ar）。尽管O2气团离子对CVD钻石的溅射产额较大，但Ar气团离子在表面平滑方面更为有效，但会引发石墨形成[5]。随着Ar GCIB离子剂量的增加，钻石的表面粗糙度Ra降低[6]。

在本研究中，我们研究了使用Ar GCIB对CVD生长钻石基板进行粗抛光，以及使用SF6 GCIB进行精抛光。为了检验最终的抛光质量，我们通过SAB方法进行了钻石与GaN的直接键合。

代工 #团簇离子束抛光 #金刚石和氮化镓键合 #表面活化键合 

划重点：

提供金刚石基氮化镓键合小片 ，尺寸10*10，非晶硅作为中间层 

II. 方法
选择Ar和SF6作为GCIB辐照的源气体。由于SF6 GCIB难以通过纯SF6产生，因此使用He作为载气。由于He的沸点较低，它不包含在气团中。

对于粗抛光，采用加速电压为30 keV、离子剂量为1E18 ions/cm²的Ar GCIB对CVD生长的多晶钻石进行辐照，芯片尺寸为10x10 mm²。辐照后，使用针式轮廓仪（Dektak XT-S）测量刻蚀深度。对于精抛光，采用加速电压为30 keV、离子剂量为4E16 ions/cm²的SF6 GCIB对钻石进行辐照。在抛光过程中，使用动态力显微镜（DFM, L-trace II）记录钻石表面粗糙度的变化。

为了验证GCIB抛光钻石的质量，购买了一块生长有约3微米厚GaN外延层、基底为约680微米厚蓝宝石的GaN模板进行键合演示。键合过程在超高真空键合机中进行。使用功率为1.3 kV、400 mA的Ar快速原子束进行表面激活和Si纳米层的溅射沉积。完成钻石和GaN的表面准备后，将两块样品接触并在室温下加压键合。键合后，样品浸泡在蒸馏水中，并使用表面声波显微镜（SAM, Hitachi FineSAT FS300）观察接口处的键合状态。

III. 结果与讨论

图 2. 经氩气真空等离子体束 (Ar GCIB) 粗抛光后的金刚石的 DFM 图像，

Ra 粗糙度值为 42 nm，尺寸为 20 x 20 um²。

图 3. 经 Ar GCIB 照射的钻石蚀刻深度。

图 4. 经 SF6 GCIB 精细抛光后的金刚石的 DFM 图像，其中 Ra 粗糙度值为 0.5 nm，尺寸为 10 x 10 um2。

图 5. 扩展硅纳米层SAB键合金刚石/GaN的自组装电子显微镜(SAM)图像

CVD金刚石经SF6 GCIB进一步抛光后，图4中10 x 10μm²处的表面粗糙度Ra达到0.5 nm，满足直接键合的要求。

采用扩展硅纳米层SAB键合金刚石衬底与GaN。从图5中的SAM图像可以看出，整个区域键合良好，无空洞。

四、结论

通过GCIB辐照获得了Ra为0.5 nm的超光滑CVD金刚石表面，该表面可通过SAB与GaN基功率器件进行良好的键合。这为金刚石晶片的平滑化和平坦化奠定了良好的基础。