Diamond - ดาวดวงอนาคตของเซมิคอนดักเตอร์

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีและความต้องการทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพสูง วัสดุซับสเตรตของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นตัวเชื่อมโยงทางเทคนิคที่สำคัญในห่วงโซ่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จึงมีความสำคัญมากขึ้น ในบรรดาเพชรเหล่านั้น เพชรซึ่งเป็นวัสดุ "เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงสุด" รุ่นที่สี่ที่มีศักยภาพ กำลังค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยและเป็นที่ชื่นชอบของตลาดใหม่ในด้านวัสดุซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่ยอดเยี่ยม

คุณสมบัติของเพชร

เพชรเป็นผลึกอะตอมทั่วไปและคริสตัลพันธะโควาเลนต์ โครงสร้างผลึกแสดงในรูปที่ 1 (a) ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนตรงกลางที่จับกับอะตอมของคาร์บอนอีกสามอะตอมในรูปของพันธะโควาเลนต์ รูปที่ 1(b) คือโครงสร้างเซลล์หน่วย ซึ่งสะท้อนถึงคาบของกล้องจุลทรรศน์และความสมมาตรของโครงสร้างของเพชร

รูปที่ 1 เพชร (a) โครงสร้างผลึก; (b) โครงสร้างเซลล์หน่วย

Diamond เป็นวัสดุที่ยากที่สุดในโลกที่มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์และคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมในด้านกลศาสตร์ไฟฟ้าและเลนส์ดังแสดงในรูปที่ 2: Diamond มีความแข็งสูงเป็นพิเศษและความต้านทานการสึกหรอเหมาะสำหรับการตัดวัสดุ . และใช้อย่างดีในเครื่องมือขัด (2) เพชรมีค่าการนำความร้อนสูงสุด (2200W/(M · K)) ท่ามกลางสารธรรมชาติที่รู้จักกันดีซึ่งมากกว่าซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC) 4 เท่ามากกว่าซิลิกอน 13 เท่า (SI), มากกว่า 43 เท่ามากกว่า 43 เท่า Gallium Arsenide (GAAs) และมากกว่าทองแดงและเงิน 4 ถึง 5 เท่าและใช้ในอุปกรณ์พลังสูง มันมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเช่นค่าสัมประสิทธิ์การขยายความร้อนต่ำ (0.8 × 10-6-1.5 × 10^-6K^-1) และโมดูลัสยืดหยุ่นสูง มันเป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมพร้อมโอกาสที่ดี 

การเคลื่อนที่ของหลุมคือ 4500 cm2 · V^-1· s^-1และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนคือ 3800 cm2·V^-1· s^-1ซึ่งทำให้ใช้งานกับอุปกรณ์สลับความเร็วสูง ความแรงของสนามสลายคือ 13MV/cm ซึ่งสามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์แรงดันสูง รูป Baliga ของบุญสูงถึง 24664 ซึ่งสูงกว่าวัสดุอื่น ๆ มาก (ยิ่งค่ามากเท่าใดก็ยิ่งมีศักยภาพในการใช้งานในอุปกรณ์สลับ) 

Polycrystalline Diamond ยังมีผลการตกแต่ง การเคลือบเพชรไม่เพียง แต่มีเอฟเฟกต์แฟลช แต่ยังมีสีที่หลากหลาย มันถูกใช้ในการผลิตนาฬิการะดับสูงการเคลือบตกแต่งสำหรับสินค้าฟุ่มเฟือยและโดยตรงเป็นผลิตภัณฑ์แฟชั่น ความแข็งแรงและความแข็งของเพชรคือ 6 เท่าและ 10 เท่าของแก้วคอร์นนิ่งดังนั้นจึงใช้ในการแสดงโทรศัพท์มือถือและเลนส์กล้อง

รูปที่ 2 คุณสมบัติของเพชรและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

การเตรียมเพชร

การเจริญเติบโตของเพชรส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นวิธี HTHP (อุณหภูมิสูงและวิธีแรงดันสูง) และวิธีการวิธี CVD (วิธีการสะสมไอสารเคมี)- วิธี CVD ได้กลายเป็นวิธีการหลักในการเตรียมพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์เพชรเนื่องจากข้อดีเช่นความต้านทานแรงดันสูงความถี่วิทยุขนาดใหญ่ต้นทุนต่ำและความต้านทานอุณหภูมิสูง วิธีการเติบโตสองวิธีมุ่งเน้นไปที่แอปพลิเคชันที่แตกต่างกันและพวกเขาจะแสดงความสัมพันธ์ที่สมบูรณ์เป็นเวลานานในอนาคต

วิธีการอุณหภูมิสูงและความดันสูง (HTHP) คือการสร้างคอลัมน์แกนกราไฟท์โดยการผสมผงกราไฟท์ ผงตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ และสารเติมแต่งตามสัดส่วนที่กำหนดโดยสูตรวัตถุดิบ จากนั้นจึงทำการบด การกดแบบคงที่ ลดสุญญากาศ การตรวจสอบ การชั่งน้ำหนัก และกระบวนการอื่นๆ จากนั้น คอลัมน์แกนกราไฟต์จะถูกประกอบเข้ากับบล็อกคอมโพสิต ชิ้นส่วนเสริม และสื่อส่งผ่านแรงดันแบบปิดผนึกอื่นๆ เพื่อสร้างบล็อกสังเคราะห์ที่สามารถใช้เพื่อสังเคราะห์ผลึกเดี่ยวของเพชรได้ หลังจากนั้นจึงนำไปวางบนเครื่องกดด้านบน 6 ด้านเพื่อให้ความร้อนและแรงดัน และคงค่าไว้คงที่เป็นเวลานาน หลังจากที่การเติบโตของคริสตัลเสร็จสิ้น ความร้อนจะหยุดลงและความดันจะถูกปล่อยออกมา และตัวกลางส่งผ่านความดันที่ปิดผนึกจะถูกเอาออกเพื่อให้ได้คอลัมน์สังเคราะห์ ซึ่งจากนั้นจะถูกทำให้บริสุทธิ์และคัดแยกเพื่อให้ได้ผลึกเดี่ยวแบบเพชร

รูปที่ 3 โครงสร้างโครงสร้างของการกดด้านบนหกด้าน

เนื่องจากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ อนุภาคเพชรที่เตรียมโดยวิธี HTHP ทางอุตสาหกรรมจึงมักมีสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องอยู่บ้าง และเนื่องจากการเติมไนโตรเจน จึงมีสีเหลือง หลังจากการอัพเกรดเทคโนโลยี การเตรียมเพชรที่อุณหภูมิสูงและความดันสูงสามารถใช้วิธีการไล่ระดับอุณหภูมิเพื่อผลิตผลึกเดี่ยวเพชรคุณภาพสูงที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเกรดการขัดถูอุตสาหกรรมเพชรไปเป็นเกรดอัญมณี

รูปที่ 4 สัณฐานวิทยาของเพชร

การสะสมไอเคมี (CVD) เป็นวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการสังเคราะห์ฟิล์มเพชร วิธีการหลักรวมถึงการสะสมไอสารเคมีร้อน (HFCVD) และการสะสมไอสารเคมีในพลาสมาไมโครเวฟ (MPCVD).

(1) การสะสมไอสารเคมีใส

หลักการพื้นฐานของ HFCVD คือการชนกันของปฏิกิริยาก๊าซด้วยลวดโลหะที่อุณหภูมิสูงในห้องสุญญากาศเพื่อสร้างกลุ่ม "ไม่มีค่า" ที่มีการใช้งานสูง อะตอมคาร์บอนที่สร้างขึ้นจะถูกฝากไว้ในวัสดุพื้นผิวเพื่อสร้าง nanodiamonds อุปกรณ์ใช้งานง่ายมีต้นทุนการเติบโตต่ำใช้กันอย่างแพร่หลายและง่ายต่อการผลิตอุตสาหกรรม เนื่องจากประสิทธิภาพการสลายตัวของความร้อนต่ำและการปนเปื้อนของอะตอมโลหะร้ายแรงจากเส้นใยและอิเล็กโทรด HFCVD มักใช้เพื่อเตรียมฟิล์มเพชรโพลีคริสตัลลีนที่มีปริมาณคาร์บอนเฟส SP2 จำนวนมากที่ขอบเขตของเมล็ด .

รูปที่ 5 (a) ไดอะแกรมอุปกรณ์ HFCVD, (b) ไดอะแกรมโครงสร้างห้องสูญญากาศ

(2) การสะสมไอสารเคมีในพลาสมาไมโครเวฟ

วิธี MPCVD ใช้แมกนีตรอนหรือแหล่งกำเนิดโซลิดสเตตเพื่อสร้างไมโครเวฟที่มีความถี่เฉพาะ ซึ่งถูกป้อนเข้าไปในห้องปฏิกิริยาผ่านท่อนำคลื่น และสร้างคลื่นนิ่งที่เสถียรเหนือสารตั้งต้นตามมิติทางเรขาคณิตพิเศษของห้องปฏิกิริยา 

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มข้นสูงจะสลายก๊าซมีเทนและไฮโดรเจนที่เกิดปฏิกิริยาที่นี่เพื่อสร้างลูกบอลพลาสม่าที่เสถียร กลุ่มอะตอมที่อุดมด้วยอิเล็กตรอน อุดมด้วยไอออน และแอคทีฟจะเกิดนิวเคลียสและเติบโตบนพื้นผิวที่อุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม ทำให้เกิดการเจริญเติบโตแบบโฮโมอีพิแทกเซียลอย่างช้าๆ เมื่อเปรียบเทียบกับ HFCVD จะหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของฟิล์มเพชรที่เกิดจากการระเหยของลวดโลหะร้อน และเพิ่มความบริสุทธิ์ของฟิล์มนาโนไดมอนด์ สามารถใช้ก๊าซปฏิกิริยาในกระบวนการได้มากกว่า HFCVD และผลึกเดี่ยวของเพชรที่สะสมไว้จะมีความบริสุทธิ์มากกว่าเพชรธรรมชาติ ดังนั้นจึงสามารถเตรียมหน้าต่างโพลีคริสตัลไลน์เพชรเกรดออปติคัล, คริสตัลเดี่ยวเพชรเกรดอิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ จึงสามารถเตรียมได้

รูปที่ 6 โครงสร้างภายในของ MPCVD

การพัฒนาและภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของเพชร

ตั้งแต่เพชรเทียมแรกได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จในปี 2506 หลังจากการพัฒนามานานกว่า 60 ปีประเทศของฉันได้กลายเป็นประเทศที่มีเพชรเทียมที่ใหญ่ที่สุดในโลกคิดเป็นมากกว่า 90% ของโลก อย่างไรก็ตามเพชรของจีนส่วนใหญ่มีความเข้มข้นในตลาดแอปพลิเคชันระดับต่ำสุดและระดับกลางเช่นการบดขัด, ทัศนศาสตร์, การบำบัดน้ำเสียและสาขาอื่น ๆ การพัฒนาของเพชรในประเทศมีขนาดใหญ่ แต่ไม่แข็งแรงและเป็นข้อเสียในหลาย ๆ ด้านเช่นอุปกรณ์ระดับสูงและวัสดุระดับอิเล็กทรอนิกส์ 

ในแง่ของความสำเร็จทางวิชาการในสาขา CVD Diamonds การวิจัยในสหรัฐอเมริกาญี่ปุ่นและยุโรปอยู่ในตำแหน่งผู้นำและมีงานวิจัยดั้งเดิมค่อนข้างน้อยในประเทศของฉัน ด้วยการสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญของ "แผนห้าปีที่ 13" ผลึกเพชรขนาดใหญ่ขนาดใหญ่ epitaxial ในประเทศได้กระโดดไปสู่ตำแหน่งชั้นหนึ่งของโลก ในแง่ของผลึกเดี่ยว epitaxial ต่างกันยังมีช่องว่างขนาดใหญ่ในขนาดและคุณภาพซึ่งอาจเกินกว่าใน "แผนห้าปีที่ 14"

นักวิจัยจากทั่วทุกมุมโลกได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับการเจริญเติบโต การเติมสารต้องห้าม และการประกอบอุปกรณ์ของเพชร เพื่อให้ตระหนักถึงการนำเพชรไปใช้ในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และตอบสนองความคาดหวังของผู้คนเกี่ยวกับเพชรในฐานะวัสดุอเนกประสงค์ อย่างไรก็ตาม ช่องว่างของแถบเพชรสูงถึง 5.4 eV ค่าการนำไฟฟ้าชนิด p สามารถทำได้โดยการเติมโบรอน แต่จะยากมากที่จะได้ค่าการนำไฟฟ้าชนิด n นักวิจัยจากหลายประเทศได้เจือสิ่งเจือปน เช่น ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และซัลเฟอร์ ให้เป็นผลึกเดี่ยวหรือเพชรหลายคริสตัลไลน์ ในรูปแบบของการแทนที่อะตอมของคาร์บอนในโครงตาข่าย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระดับพลังงานของผู้บริจาคที่ลึกหรือความยากลำบากในการแตกตัวเป็นไอออนของสิ่งสกปรก จึงไม่ได้รับการนำไฟฟ้าชนิด n ที่ดี ซึ่งจำกัดการวิจัยและการประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เพชรเป็นอย่างมาก 

ในเวลาเดียวกัน เพชรผลึกเดี่ยวในพื้นที่ขนาดใหญ่เป็นเรื่องยากที่จะเตรียมในปริมาณมาก เช่น เวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยว ซึ่งเป็นปัญหาอีกประการหนึ่งในการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เพชร ปัญหาสองข้อข้างต้นแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีการเติมเซมิคอนดักเตอร์และการพัฒนาอุปกรณ์ที่มีอยู่เป็นเรื่องยากที่จะแก้ปัญหาของการเติมยาสลบชนิดเพชรและการประกอบอุปกรณ์ มีความจำเป็นต้องแสวงหาวิธีการเติมสารเจือปนอื่นๆ หรือแม้แต่พัฒนาหลักการพัฒนาอุปกรณ์และสารต้องห้ามใหม่ๆ

ราคาที่สูงเกินไปยังจำกัดการพัฒนาของเพชรอีกด้วย เมื่อเทียบกับราคาของซิลิคอน ราคาของซิลิคอนคาร์ไบด์คือ 30-40 เท่าของซิลิคอน ราคาของแกลเลียมไนไตรด์คือ 650-1300 เท่าของซิลิคอน และราคาของวัสดุเพชรสังเคราะห์อยู่ที่ประมาณ 10,000 เท่าของซิลิคอน ราคาที่สูงเกินไปจะจำกัดการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เพชร วิธีลดต้นทุนถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการทำลายภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของการพัฒนา

มุมมอง

แม้ว่าเซมิคอนดักเตอร์เพชรกำลังเผชิญกับความยากลำบากในการพัฒนา แต่ก็ยังถือว่าเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงความถี่สูงความถี่สูงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สูญเสียพลังงานต่ำ ปัจจุบันเซมิคอนดักเตอร์ที่ร้อนแรงที่สุดถูกครอบครองโดยซิลิคอนคาร์ไบด์ ซิลิกอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างของเพชร แต่ครึ่งหนึ่งของอะตอมของมันคือคาร์บอน ดังนั้นจึงถือได้ว่าเป็นครึ่งเพชร ซิลิกอนคาร์ไบด์ควรเป็นผลิตภัณฑ์เฉพาะกาลจากยุคคริสตัลซิลิกอนจนถึงยุคเซมิคอนดักเตอร์เพชร

วลีที่ว่า "เพชรอยู่ตลอดไป และเพชรหนึ่งเม็ดคงอยู่ตลอดไป" ทำให้ชื่อของเดอ เบียร์ส โด่งดังมาจนถึงทุกวันนี้ สำหรับเซมิคอนดักเตอร์เพชร การสร้างความรุ่งโรจน์อีกรูปแบบหนึ่งอาจต้องมีการสำรวจอย่างถาวรและต่อเนื่อง

VeTek Semiconductor เป็นผู้ผลิตมืออาชีพของจีนการเคลือบ Tantalum Carbide, การเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์, ผลิตภัณฑ์กาน,กราไฟท์พิเศษ, เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และเซรามิกเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ- Vetek Semiconductor มุ่งมั่นที่จะจัดหาโซลูชั่นขั้นสูงสำหรับผลิตภัณฑ์เคลือบผิวต่างๆสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติมโปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

ม็อบ/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

อีเมล: anny@veteksemi.com