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鉆石，成為半導體終極材料

自1959年硅(gui)(gui)晶片誕生(sheng)以來(lai)，半(ban)導(dao)體工業不(bu)斷地突破和創新。從(cong)硅(gui)(gui)發展到現在(zai)大火大熱的(de)碳化硅(gui)(gui)(SiC)/氮(dan)化鎵(GaN)等(deng)寬禁帶半(ban)導(dao)體材料(liao)，再(zai)到對氧化鎵的(de)探(tan)索(suo)，產(chan)業界(jie)始終在(zai)探(tan)索(suo)具有更優導(dao)熱和電絕緣性能的(de)新材料(liao)，以應對不(bu)斷升級的(de)技術要求。而鉆石(shi)晶圓，就目前已經(jing)探(tan)到的(de)材料(liao)而言，可(ke)以說是(shi)終極的(de)半(ban)導(dao)體材料(liao)了。

眾(zhong)多(duo)周知(zhi)，整個半導體產業(ye)遵循著(zhu)摩爾定律(lv)已(yi)經(jing)來到了3納(na)(na)米(mi)，蘋果(guo)的(de)(de)3納(na)(na)米(mi)芯片已(yi)經(jing)伴隨(sui)iPhone15 Pro和(he)Pro max悄然(ran)到了消費(fei)者手中。隨(sui)著(zhu)我(wo)們正在(zai)向2納(na)(na)米(mi)、1納(na)(na)米(mi)甚至是(shi)埃(ai)米(mi)(Angstrom，1埃(ai)=十億分之(zhi)一米(mi))級別邁進。依靠現(xian)在(zai)的(de)(de)硅基材料(liao)顯(xian)然(ran)是(shi)有(you)很大難度(du)的(de)(de)，物理極限的(de)(de)問題不斷顯(xian)現(xian)，熱挑戰也在(zai)困擾(rao)著(zhu)行(xing)業(ye)。與當今現(xian)有(you)的(de)(de)材料(liao)相比，鉆石展現(xian)了其多(duo)項超群的(de)(de)特性。

首先，按照DF公司的(de)說(shuo)法，他(ta)們可以(yi)實(shi)(shi)現(xian)將鉆石(shi)直(zhi)接以(yi)原子方式與(yu)集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以(yi)達(da)到(dao)埃級精(jing)度，這不僅凸顯了其粘合精(jing)度之高，而且為(wei)半導(dao)體產業(ye)未來(lai)向納米甚至埃米級別進展提供(gong)了堅實(shi)(shi)的(de)技術基礎(chu)。

其次，單(dan)晶鉆石是已知熱(re)導(dao)率(lv)最高的(de)材料(liao)。典型(xing)的(de)硅的(de)熱(re)導(dao)率(lv)為(wei)150W/(m·K)，銅(Copper)是380W/(m·K)，而鉆石的(de)熱(re)導(dao)率(lv)遠高于硅和(he)銅，高達2400W/(m·K)，這(zhe)就意(yi)味(wei)著它能更有效(xiao)地傳(chuan)導(dao)熱(re)量，使集成電路能夠更快地運行且壽命(ming)更長。

鉆石還有一個很(hen)大的(de)(de)(de)優(you)勢是(shi)極(ji)高的(de)(de)(de)絕緣(yuan)(yuan)性。衡量(liang)不同材(cai)料(liao)絕緣(yuan)(yuan)性好(hao)壞的(de)(de)(de)一大重(zhong)要指(zhi)標是(shi)擊(ji)穿(chuan)電(dian)(dian)場強度(du)，表示(shi)材(cai)料(liao)能承(cheng)受的(de)(de)(de)最(zui)大電(dian)(dian)壓(ya)不造成(cheng)電(dian)(dian)擊(ji)穿(chuan)。作為(wei)對比，硅材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)(dian)場強度(du)為(wei)0.3 MV/cm左右，SiC為(wei)3 MV/cm，GaN為(wei)5 MV/cm，而鉆石則為(wei)10 MV/cm。而且即使是(shi)非常(chang)薄的(de)(de)(de)鉆石切片(pian)也具有非常(chang)高的(de)(de)(de)電(dian)(dian)絕緣(yuan)(yuan)性，能夠抵抗(kang)非常(chang)高的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)。這對于功率電(dian)(dian)子學領域中的(de)(de)(de)器件微型(xing)化是(shi)非常(chang)重(zhong)要的(de)(de)(de)。

因此，憑(ping)借極高的導熱性(xing)和(he)電(dian)絕緣性(xing)以及可(ke)與集(ji)成電(dian)路(lu)晶圓直(zhi)接粘合的特點，使得鉆(zhan)石成為(wei)理(li)想的半導體基底材料。

世界上首個110克拉、晶圓大小(xiao)的(de)鉆石(shi)是如何制造出來的(de)?

創造出(chu)世界首個DF公司(si)(si)的(de)創始(shi)團隊由麻(ma)省理工(gong)學(xue)院、斯坦福(fu)大學(xue)和(he)普林斯頓大學(xue)的(de)工(gong)程師組成，大約(yue)2012年之前，他(ta)們還是(shi)(shi)一(yi)家(jia)太(tai)陽(yang)能發(fa)電科技公司(si)(si)，但是(shi)(shi)該(gai)公司(si)(si)由于(yu)某些原因在商業上失(shi)敗了，然而他(ta)們卻發(fa)現類似(si)太(tai)陽(yang)能的(de)技術(shu)卻可以生(sheng)產(chan)(chan)更高價值的(de)鉆石(shi)。因此，自(zi)2012年開(kai)始(shi)，該(gai)團隊開(kai)始(shi)設計(ji)生(sheng)長鉆石(shi)的(de)等離(li)子體(ti)(ti)反應(ying)器，2014年啟(qi)動了第一(yi)個等離(li)子體(ti)(ti)反應(ying)器。2015年他(ta)們生(sheng)產(chan)(chan)出(chu)了第一(yi)顆(ke)單(dan)晶鉆石(shi)。2016年他(ta)們的(de)鉆石(shi)開(kai)始(shi)大量(liang)生(sheng)產(chan)(chan)，被消費者搶售一(yi)空。事(shi)實證明，鉆石(shi)確實是(shi)(shi)一(yi)門好生(sheng)意，很快(kuai)該(gai)公司(si)(si)就實現了盈利(li)。

他(ta)們開始制(zhi)造(zao)越(yue)(yue)來越(yue)(yue)大的鉆石，并開始追求半導體晶(jing)(jing)圓大小的鉆石。2023年10月，他(ta)們成(cheng)功制(zhi)造(zao)出了世界(jie)上(shang)第一(yi)塊單晶(jing)(jing)鉆石晶(jing)(jing)圓，直徑100毫米、重(zhong)110克拉。

這不是易(yi)事，長期以來，生(sheng)產晶(jing)圓大小的單晶(jing)鉆石(shi)一直是難以實現(xian)的技術(shu)圣杯。單晶(jing)鉆石(shi)的制(zhi)(zhi)造過程一直受到(dao)兩(liang)大技術(shu)挑戰的制(zhi)(zhi)約(yue)：

一(yi)方面(mian)，使用傳統的(de)高(gao)壓高(gao)溫(HPHT)技(ji)術培育大尺寸單晶鉆石(shi)所需承(cheng)受的(de)壓力遠超任(ren)何已知材料的(de)極(ji)限;

另一方面，按照單(dan)晶(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)生(sheng)長的(de)基(ji)本原則(ze)：在(zai)生(sheng)長單(dan)晶(jing)(jing)(jing)材(cai)料(liao)時，通常需要一個已有(you)的(de)同(tong)種(zhong)材(cai)料(liao)的(de)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)體作(zuo)為(wei)“種(zhong)子”，這(zhe)個種(zhong)子會指導新(xin)添加(jia)(jia)的(de)原子在(zai)何處(chu)正確(que)地定位(wei)自己，以保持原有(you)的(de)晶(jing)(jing)(jing)體結(jie)構(gou)(gou)不變。簡(jian)單(dan)來(lai)說，就(jiu)像是在(zai)已有(you)的(de)秩(zhi)序(xu)(xu)(xu)排列(lie)的(de)隊列(lie)中加(jia)(jia)入新(xin)成(cheng)員，如(ru)果沒有(you)一個明確(que)的(de)示范，新(xin)來(lai)的(de)成(cheng)員就(jiu)不會知道如(ru)何加(jia)(jia)入隊列(lie)以保持隊列(lie)的(de)整齊。在(zai)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)生(sheng)長的(de)情況下(xia)，這(zhe)種(zhong)“隊列(lie)”的(de)秩(zhi)序(xu)(xu)(xu)是原子排列(lie)的(de)規則(ze)性和周期性，也(ye)就(jiu)是晶(jing)(jing)(jing)格結(jie)構(gou)(gou)。如(ru)果沒有(you)一個模板(ban)來(lai)指導這(zhe)種(zhong)秩(zhi)序(xu)(xu)(xu)的(de)創建，那么新(xin)增加(jia)(jia)的(de)原子就(jiu)無(wu)法形成(cheng)所需的(de)單(dan)晶(jing)(jing)(jing)結(jie)構(gou)(gou)，可能會導致多晶(jing)(jing)(jing)或非晶(jing)(jing)(jing)結(jie)構(gou)(gou)的(de)形成(cheng)，這(zhe)些(xie)結(jie)構(gou)(gou)的(de)性質與單(dan)晶(jing)(jing)(jing)大不相同(tong)。

因此，要(yao)想采(cai)用(yong)薄膜原(yuan)子(zi)分層(ceng)技術(shu)制造鉆(zhan)石則需要(yao)一個(ge)(ge)與晶圓同樣(yang)大小的基體來指導(dao)原(yuan)子(zi)沉積，但世界(jie)上(shang)并不存在晶圓大小的鉆(zhan)石，必須(xu)要(yao)弄清楚(chu)如何制造第一個(ge)(ge)用(yong)于(yu)生產更多晶圓的“母”晶圓。

DF公司首(shou)先采用了(le)(le)一種稱為(wei)鉆(zhan)石(shi)晶圓異質(zhi)外延的極其復雜的技(ji)術，據其官網的描(miao)述：“我們制(zhi)(zhi)造的設(she)(she)備能夠精確(que)控制(zhi)(zhi)十(shi)個原(yuan)子層如何(he)撞擊硅(gui)晶片上銥和釔穩定氧化鋯(gao)的納米級(ji)特殊夾(jia)層，我們設(she)(she)法(fa)讓(rang)前十(shi)個原(yuan)子誤以為(wei)底部有單(dan)晶鉆(zhan)石(shi)，而(er)實際上并(bing)沒有，從而(er)為(wei)后續(xu)單(dan)晶鉆(zhan)石(shi)的制(zhi)(zhi)造奠定了(le)(le)基礎。”

然后(hou)在其(qi)等離子體(ti)設備(bei)中(zhong)(zhong)利用晶錠生(sheng)長反應堆技術(shu)，嚴(yan)格控制鉆石(shi)單晶的生(sheng)長過程。據(ju)悉，他們為生(sheng)產的每克(ke)拉鉆石(shi)收集超過10億個數(shu)據(ju)點，在生(sheng)長過程中(zhong)(zhong)動態調整這些參數(shu)。

實(shi)現單晶(jing)(jing)(jing)鉆石(shi)(shi)晶(jing)(jing)(jing)片的挑(tiao)戰并不止于制造出晶(jing)(jing)(jing)圓大(da)小(xiao)的母晶(jing)(jing)(jing)。接下來的挑(tiao)戰是如何切割(ge)地球上最堅硬的材料。他們為此又開發了晶(jing)(jing)(jing)圓切割(ge)機，用來將單晶(jing)(jing)(jing)鉆石(shi)(shi)錠切割(ge)成薄片。

接下(xia)來就是要(yao)對切割下(xia)來的(de)薄(bo)片進行表面拋光。為了(le)能夠嵌(qian)入原子尺(chi)寸(cun)的(de)晶體(ti)管，鉆石(shi)晶圓片也必(bi)須(xu)要(yao)滿足現在(zai)半導體(ti)晶圓的(de)表明要(yao)求(qiu)。

為了能(neng)將他們制(zhi)造的(de)鉆(zhan)石晶圓應用到(dao)半導體行業當(dang)中去，DF公司又開發(fa)了芯片鍵合技(ji)術。能(neng)與當(dang)今眾多的(de)大功(gong)率(lv)硅芯片、SiC功(gong)率(lv)芯片以及GaN通信芯片直接進行原子(zi)化連接。為更多的(de)應用帶來(lai)無限的(de)潛力。

可(ke)以說，DF這家公司以其(qi)革命(ming)性(xing)的技術，已經打通了鉆(zhan)石材料在(zai)半導體行業應用(yong)的全流程。接下來就(jiu)看其(qi)在(zai)各應用(yong)當中的潛力了。

鉆石，要革芯片散熱的“命”

在(zai)當(dang)下人工智(zhi)能、云計(ji)算(suan)和(he)(he)電動汽車和(he)(he)無線通(tong)信等(deng)領(ling)域，復雜的(de)(de)芯(xin)(xin)片設計(ji)使(shi)得熱(re)(re)(re)管(guan)理(li)成為一大挑(tiao)戰，尤其是(shi)在(zai)高(gao)性(xing)能計(ji)算(suan)任務中，這種熱(re)(re)(re)量(liang)(liang)的(de)(de)產生尤為顯著(zhu)。如果熱(re)(re)(re)量(liang)(liang)不能有效散(san)發(fa)，會(hui)在(zai)芯(xin)(xin)片上形成“熱(re)(re)(re)點”，長期存(cun)在(zai)熱(re)(re)(re)點會(hui)影響芯(xin)(xin)片的(de)(de)穩定性(xing)和(he)(he)壽(shou)命。但是(shi)鉆石的(de)(de)高(gao)熱(re)(re)(re)導率可以幫(bang)助(zhu)(zhu)快速均勻地分散(san)這些熱(re)(re)(re)點，并幫(bang)助(zhu)(zhu)芯(xin)(xin)片上產生的(de)(de)熱(re)(re)(re)量(liang)(liang)散(san)發(fa)出去。由于熱(re)(re)(re)效率的(de)(de)提高(gao)，芯(xin)(xin)片則可以在(zai)更(geng)高(gao)的(de)(de)頻率下穩定運(yun)行而不會(hui)過(guo)熱(re)(re)(re)。這將使(shi)得芯(xin)(xin)片的(de)(de)處理(li)速度(du)可以提高(gao)，實現(xian)更(geng)快的(de)(de)計(ji)算(suan)速度(du)。所以，鉆石材料最大的(de)(de)優勢是(shi)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)最終的(de)(de)熱(re)(re)(re)量(liang)(liang)散(san)發(fa)解(jie)決(jue)方案來(lai)加速硅(gui)芯(xin)(xin)片的(de)(de)性(xing)能。

據(ju)DF描述，鉆(zhan)石晶(jing)(jing)圓(yuan)在芯(xin)片(pian)內的(de)(de)(de)高工(gong)作負荷晶(jing)(jing)體管(guan)的(de)(de)(de)原(yuan)子級距離內提供一個熱(re)(re)量(liang)超(chao)高速通道，按(an)(an)照(zhao)理(li)想散(san)(san)熱(re)(re)的(de)(de)(de)情(qing)況(kuang)分析，能使(shi)人工(gong)智(zhi)能和云計算領域(yu)的(de)(de)(de)硅芯(xin)片(pian)速度提升3倍。按(an)(an)照(zhao)他(ta)們所剖出(chu)的(de)(de)(de)原(yuan)理(li)圖，他(ta)們將原(yuan)本被動硅的(de)(de)(de)部分替換成為鉆(zhan)石，使(shi)用(yong)鉆(zhan)石基板作為熱(re)(re)導層，在晶(jing)(jing)體管(guan)工(gong)作產生熱(re)(re)量(liang)時，熱(re)(re)量(liang)可(ke)以(yi)更(geng)快(kuai)速、更(geng)有效率地從活躍硅層傳遞到銅層并散(san)(san)發(fa)出(chu)去。

芯片散熱的原理：熱量從活躍硅(gui)層(ceng)產生，需要通過被動硅(gui)層(ceng)傳導到銅層(ceng)，然(ran)后散發出去(圖源：DF公司(si))

在(zai)電(dian)動汽車(che)(che)領域，逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)是核(he)心之一(yi)。目(mu)前(qian)電(dian)動汽車(che)(che)的(de)(de)代表特(te)(te)斯拉的(de)(de)Tesla 3逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)可以說是業界最小型的(de)(de)逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)，但是基于鉆石晶圓(yuan)的(de)(de)導熱性(xing)和電(dian)絕緣性(xing)的(de)(de)極(ji)端特(te)(te)性(xing)使得新穎的(de)(de)架構能(neng)夠從根本上(shang)推進小型化(hua)、效(xiao)率和魯棒性(xing)。據DF公司稱，他們所(suo)打造的(de)(de)新型逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)比Tesla 3的(de)(de)逆(ni)(ni)變(bian)器(qi)尺寸縮小六倍(如下(xia)圖所(suo)示)，而且(qie)還(huan)超越了(le)其性(xing)能(neng)和效(xiao)率。第一(yi)批DF Perseus原型已經在(zai)一(yi)級(ji)汽車(che)(che) OEM 實驗室中完成并成功(gong)進行了(le)測(ce)試。

我(wo)們都知道，GaN在高(gao)效(xiao)無線通(tong)信領域的應(ying)(ying)用越來越重要，如果將鉆(zhan)(zhan)石(shi)與(yu)GaN結合(he)使用，使用鉆(zhan)(zhan)石(shi)晶圓的GaN MOSFET能(neng)夠達到非鉆(zhan)(zhan)石(shi)GaN設備(bei)的三(san)倍(bei)功率密度。這是(shi)因(yin)為(wei)鉆(zhan)(zhan)石(shi)基(ji)底能(neng)顯著提高(gao)散熱(re)(re)效(xiao)率，降低因(yin)高(gao)功率運作而(er)產生的熱(re)(re)應(ying)(ying)力。此外，通(tong)過(guo)在設備(bei)中(zhong)將GaN原(yuan)子與(yu)DF單(dan)晶鉆(zhan)(zhan)石(shi)互連(lian)，不(bu)僅增強了其熱(re)(re)傳導效(xiao)率，還大幅提高(gao)了整(zheng)個(ge)設備(bei)的可靠性(xing)和穩定性(xing)。

結語

綜上所述(shu)，鉆(zhan)石材(cai)料的(de)采用很可(ke)(ke)能(neng)會成(cheng)為當今(jin)高性能(neng)計算應用領域技術進步的(de)一個(ge)重要推動力(li)。然而，面(mian)臨的(de)挑(tiao)戰同樣不容小覷，尤其(qi)是成(cheng)本問題(ti)(ti)——“鉆(zhan)石”二字往往讓人聯(lian)想到高昂的(de)價值(zhi)。不過，我(wo)們(men)可(ke)(ke)以(yi)從SiC材(cai)料的(de)發展歷(li)程中汲(ji)取啟示。早期，SiC的(de)成(cheng)本和良率問題(ti)(ti)確(que)實使得(de)許(xu)多(duo)產業望而卻(que)步，但隨著時間的(de)推移，憑借(jie)業內多(duo)家(jia)企(qi)業和專家(jia)的(de)持續努力(li)，SiC技術的(de)成(cheng)熟進展速度已經(jing)取得(de)令(ling)人矚目的(de)成(cheng)果。類似的(de)努力(li)也在日本針對鉆(zhan)石量(liang)產技術的(de)研究(jiu)中體(ti)現。我(wo)們(men)有理由相信，在眾多(duo)行業共同推動下，鉆(zhan)石材(cai)料將(jiang)為我(wo)們(men)的(de)科技生(sheng)活帶(dai)來深遠的(de)影(ying)響。