Diamond - ดาวเด่นแห่งอนาคตของเซมิคอนดักเตอร์

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีและความต้องการทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูงและประสิทธิภาพสูง วัสดุซับสเตรตของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งเป็นตัวเชื่อมโยงทางเทคนิคที่สำคัญในห่วงโซ่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จึงมีความสำคัญมากขึ้น ในบรรดาเพชรเหล่านั้น เพชรซึ่งเป็นวัสดุ "เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงสุด" รุ่นที่สี่ที่มีศักยภาพ กำลังค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยและเป็นที่ชื่นชอบของตลาดใหม่ในด้านวัสดุซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่ยอดเยี่ยม

คุณสมบัติของเพชร

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

รูปที่ 1 โครงสร้างเพชร (a) ผลึก; (b) โครงสร้างเซลล์หน่วย

เพชรเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดในโลก โดยมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ และมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในด้านกลศาสตร์ ไฟฟ้า และทัศนศาสตร์ ดังแสดงในรูปที่ 2: เพชรมีความแข็งสูงและทนต่อการสึกหรอ เหมาะสำหรับการตัดวัสดุและหัวกด ฯลฯ . และใช้ในเครื่องมือขัดได้ดี (2) เพชรมีค่าการนำความร้อนสูงสุด (2200W/(m·K)) ในบรรดาสารธรรมชาติที่ทราบจนถึงปัจจุบัน ซึ่งมากกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) 4 เท่า มากกว่าซิลิคอน (Si) 13 เท่า และมากกว่าซิลิคอน (Si) 43 เท่า แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) มากกว่าทองแดงและเงิน 4 ถึง 5 เท่า และใช้ในอุปกรณ์กำลังสูง มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ (0.8×10-6-1.5×10^-6K^-1) และโมดูลัสยืดหยุ่นสูง เป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ดีเยี่ยมและมีแนวโน้มที่ดี 

ความเคลื่อนที่ของรูคือ 4500 cm2·V^-1·ส^-1และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนคือ 3800 cm2·V^-1·ส^-1ซึ่งทำให้ใช้ได้กับอุปกรณ์สวิตชิ่งความเร็วสูง ความแรงของสนามพังทลายคือ 13MV/cm ซึ่งสามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง เลขบุญบาลิกาสูงถึง 24664 ซึ่งสูงกว่าวัสดุอื่นมาก (ยิ่งค่ามาก ศักยภาพในการนำไปใช้ในอุปกรณ์สวิตชิ่งก็จะยิ่งมากขึ้น) 

เพชรโพลีคริสตัลไลน์ยังมีเอฟเฟกต์การตกแต่งอีกด้วย การเคลือบเพชรไม่เพียงแต่มีเอฟเฟกต์แสงแฟลชเท่านั้น แต่ยังมีสีที่หลากหลายอีกด้วย ใช้ในการผลิตนาฬิการะดับไฮเอนด์ เคลือบตกแต่งสำหรับสินค้าฟุ่มเฟือย และใช้เป็นผลิตภัณฑ์แฟชั่นโดยตรง ความแข็งแรงและความแข็งของเพชรนั้นมากกว่ากระจก Corning 6 เท่าและ 10 เท่า ดังนั้นจึงใช้บนจอแสดงผลโทรศัพท์มือถือและเลนส์กล้องด้วย

รูปที่ 2 คุณสมบัติของเพชรและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

การเตรียมเพชร

การเจริญเติบโตของเพชรแบ่งออกเป็นวิธี HTHP เป็นหลัก (วิธีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง) และวิธี CVD (วิธีการสะสมไอสารเคมี)- วิธี CVD กลายเป็นวิธีการหลักในการเตรียมซับสเตรตเซมิคอนดักเตอร์แบบเพชร เนื่องจากมีข้อดี เช่น ความต้านทานแรงดันสูง ความถี่วิทยุขนาดใหญ่ ต้นทุนต่ำ และทนต่ออุณหภูมิสูง วิธีการเติบโตทั้งสองวิธีมุ่งเน้นไปที่การใช้งานที่แตกต่างกัน และจะแสดงความสัมพันธ์ที่เกื้อกูลกันในระยะยาวในอนาคต

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

รูปที่ 3 แผนผังโครงสร้างของการกดบนหกด้าน

เนื่องจากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ อนุภาคเพชรที่เตรียมโดยวิธี HTHP ทางอุตสาหกรรมจึงมักมีสิ่งเจือปนและข้อบกพร่องอยู่บ้าง และเนื่องจากการเติมไนโตรเจน จึงมีสีเหลือง หลังจากการอัพเกรดเทคโนโลยี การเตรียมเพชรที่อุณหภูมิสูงและความดันสูงสามารถใช้วิธีการไล่ระดับอุณหภูมิเพื่อผลิตผลึกเดี่ยวเพชรคุณภาพสูงที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเกรดการขัดถูอุตสาหกรรมเพชรไปเป็นเกรดอัญมณี

รูปที่ 4 สัณฐานวิทยาของเพชร

การสะสมไอสารเคมี (CVD) เป็นวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการสังเคราะห์ฟิล์มเพชร วิธีการหลัก ได้แก่ การตกสะสมไอสารเคมีของเส้นใยร้อน (HFCVD) และการสะสมไอสารเคมีในพลาสมาไมโครเวฟ (MPCVD).

(1) การสะสมไอสารเคมีของเส้นใยร้อน

หลักการพื้นฐานของ HFCVD คือการชนก๊าซปฏิกิริยากับลวดโลหะอุณหภูมิสูงในห้องสุญญากาศ เพื่อสร้างกลุ่ม "ที่ไม่มีประจุ" ที่มีการเคลื่อนไหวสูงหลากหลายรูปแบบ อะตอมของคาร์บอนที่สร้างขึ้นจะถูกสะสมไว้บนวัสดุซับสเตรตเพื่อสร้างเพชรนาโน อุปกรณ์นี้ใช้งานง่าย มีต้นทุนการเติบโตต่ำ มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย และง่ายต่อการบรรลุการผลิตทางอุตสาหกรรม เนื่องจากประสิทธิภาพในการสลายตัวด้วยความร้อนต่ำและการปนเปื้อนของอะตอมโลหะอย่างรุนแรงจากเส้นใยและอิเล็กโทรด HFCVD จึงมักใช้เพื่อเตรียมฟิล์มเพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่มีสิ่งเจือปนคาร์บอนเฟส sp2 จำนวนมากที่ขอบเขตของเกรน ดังนั้นโดยทั่วไปจึงมีสีเทา-ดำ .

รูปที่ 5 (a) แผนภาพอุปกรณ์ HFCVD, (b) แผนภาพโครงสร้างห้องสุญญากาศ

(2) การสะสมไอสารเคมีในพลาสมาไมโครเวฟ

วิธี MPCVD ใช้แมกนีตรอนหรือแหล่งกำเนิดโซลิดสเตตเพื่อสร้างไมโครเวฟที่มีความถี่เฉพาะ ซึ่งถูกป้อนเข้าไปในห้องปฏิกิริยาผ่านท่อนำคลื่น และสร้างคลื่นนิ่งที่เสถียรเหนือสารตั้งต้นตามมิติทางเรขาคณิตพิเศษของห้องปฏิกิริยา 

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

รูปที่ 6 โครงสร้างภายในของ MPCVD

การพัฒนาและภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของเพชร

นับตั้งแต่เพชรเทียมเม็ดแรกได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จในปี พ.ศ. 2506 หลังจากพัฒนามากว่า 60 ปี ประเทศของฉันได้กลายเป็นประเทศที่มีผลผลิตเพชรเทียมมากที่สุดในโลก คิดเป็นกว่า 90% ของโลก อย่างไรก็ตาม เพชรของจีนส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในตลาดการใช้งานระดับล่างและระดับกลาง เช่น การเจียรแบบมีฤทธิ์กัดกร่อน เลนส์ การบำบัดน้ำเสีย และสาขาอื่นๆ การพัฒนาเพชรในประเทศมีขนาดใหญ่แต่ไม่แข็งแกร่ง ทำให้เสียเปรียบในหลายด้าน เช่น อุปกรณ์ระดับไฮเอนด์และวัสดุเกรดอิเล็กทรอนิกส์ 

ในแง่ของความสำเร็จทางวิชาการในด้านเพชร CVD การวิจัยในสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และยุโรปอยู่ในตำแหน่งผู้นำ และมีงานวิจัยต้นฉบับในประเทศของฉันค่อนข้างน้อย ด้วยการสนับสนุนของการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญของ "แผนห้าปีฉบับที่ 13" ผลึกเดี่ยวเพชรขนาดใหญ่แบบ epitaxial ที่ประกบในประเทศได้ก้าวขึ้นสู่ตำแหน่งอันดับหนึ่งของโลก ในแง่ของผลึกเดี่ยวชนิดอีพิเทเชียลที่ต่างกัน ยังคงมีช่องว่างขนาดใหญ่ในด้านขนาดและคุณภาพ ซึ่งอาจแซงหน้าได้ใน "แผนห้าปีฉบับที่ 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

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

แนวโน้ม

แม้ว่าปัจจุบันเซมิคอนดักเตอร์เพชรกำลังเผชิญกับความยากลำบากในการพัฒนา แต่ก็ยังถือว่าเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง ความถี่สูง อุณหภูมิสูง และสูญเสียพลังงานต่ำรุ่นต่อไป ปัจจุบันเซมิคอนดักเตอร์ที่ร้อนแรงที่สุดถูกครอบครองโดยซิลิคอนคาร์ไบด์ ซิลิคอนคาร์ไบด์มีโครงสร้างของเพชร แต่อะตอมครึ่งหนึ่งเป็นคาร์บอน จึงถือได้ว่าเป็นเพชรครึ่งเดียว ซิลิคอนคาร์ไบด์ควรเป็นผลิตภัณฑ์เปลี่ยนผ่านจากยุคซิลิคอนคริสตัลไปจนถึงยุคเซมิคอนดักเตอร์เพชร

วลีที่ว่า "เพชรอยู่ตลอดไป และเพชรหนึ่งเม็ดคงอยู่ตลอดไป" ทำให้ชื่อของเดอ เบียร์ส โด่งดังมาจนถึงทุกวันนี้ สำหรับเซมิคอนดักเตอร์เพชร การสร้างความรุ่งโรจน์อีกรูปแบบหนึ่งอาจต้องมีการสำรวจอย่างถาวรและต่อเนื่อง

VeTek Semiconductor เป็นผู้ผลิตมืออาชีพของจีนการเคลือบแทนทาลัมคาร์ไบด์, การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์, ผลิตภัณฑ์กาน,กราไฟท์พิเศษ, เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และเซรามิกเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ- VeTek Semiconductor มุ่งมั่นที่จะนำเสนอโซลูชั่นขั้นสูงสำหรับผลิตภัณฑ์การเคลือบต่างๆ สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

หากคุณมีข้อสงสัยหรือต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา

ม็อบ/WhatsAPP: +86-180 6922 0752

อีเมล์: anny@veteksemi.com