在不遠(yuǎn)的將來，“人手一顆鉆石”可能不再是遙不可及的夢想。不過，這顆鉆石不是裝飾品，而是作為每一臺電子設(shè)備心臟——芯片——的部件。2023年，一家名為Diamond Foundry（簡稱DF）的公司創(chuàng)造出了世界上首個單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer），開啟了一場可能顛覆整個半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)革命。按照該公司的規(guī)劃，在2023年以后，他們計劃在每個芯片后安裝一顆單晶鉆石用于散熱，到2033年以后，推動鉆石材料在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用，如用于制造晶體管或其他半導(dǎo)體元件的基底材料。


鉆石，成為半導(dǎo)體終極材料

自1959年硅晶片誕生以來，半導(dǎo)體工業(yè)不斷地突破和創(chuàng)新。從硅發(fā)展到現(xiàn)在大火大熱的碳化硅（SiC）/氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導(dǎo)體材料，再到對氧化鎵的探索，產(chǎn)業(yè)界始終在探索具有更優(yōu)導(dǎo)熱和電絕緣性能的新材料，以應(yīng)對不斷升級的技術(shù)要求。而鉆石晶圓，就目前已經(jīng)探到的材料而言，可以說是終極的半導(dǎo)體材料了。

眾多周知，整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律已經(jīng)來到了3納米，蘋果的3納米芯片已經(jīng)伴隨iPhone15 Pro和Pro max悄然到了消費者手中。隨著我們正在向2納米、1納米甚至是埃米（Angstrom，1埃=十億分之一米）級別邁進(jìn)。依靠現(xiàn)在的硅基材料顯然是有很大難度的，物理極限的問題不斷顯現(xiàn)，熱挑戰(zhàn)也在困擾著行業(yè)。與當(dāng)今現(xiàn)有的材料相比，鉆石展現(xiàn)了其多項超群的特性。

首先，按照DF公司的說法，他們可以實現(xiàn)將鉆石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達(dá)到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來向納米甚至埃米級別進(jìn)展提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

其次，單晶鉆石是已知熱導(dǎo)率最高的材料。典型的硅的熱導(dǎo)率為150W/（m·K），銅（Copper）是380W/（m·K），而鉆石的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于硅和銅，高達(dá)2400W/（m·K），，這就意味著它能更有效地傳導(dǎo)熱量，使集成電路能夠更快地運行且壽命更長。

鉆石還有一個很大的優(yōu)勢是極高的絕緣性。衡量不同材料絕緣性好壞的一大重要指標(biāo)是擊穿電場強度，表示材料能承受的最大電壓不造成電擊穿。作為對比，硅材料的擊穿電場強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鉆石則為10 MV/cm。而且即使是非常薄的鉆石切片也具有非常高的電絕緣性，能夠抵抗非常高的電壓。這對于功率電子學(xué)領(lǐng)域中的器件微型化是非常重要的。

因此，憑借極高的導(dǎo)熱性和電絕緣性以及可與集成電路晶圓直接粘合的特點，使得鉆石成為理想的半導(dǎo)體基底材料。


世界上首個110克拉、晶圓大小的鉆石是如何制造出來的？

創(chuàng)造出世界首個DF公司的創(chuàng)始團(tuán)隊由麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的工程師組成，大約2012年之前，他們還是一家太陽能發(fā)電科技公司，但是該公司由于某些原因在商業(yè)上失敗了，然而他們卻發(fā)現(xiàn)類似太陽能的技術(shù)卻可以生產(chǎn)更高價值的鉆石。因此，自2012年開始，該團(tuán)隊開始設(shè)計生長鉆石的等離子體反應(yīng)器，2014年啟動了第一個等離子體反應(yīng)器。2015年他們生產(chǎn)出了第一顆單晶鉆石。2016年他們的鉆石開始大量生產(chǎn)，被消費者搶售一空。事實證明，鉆石確實是一門好生意，很快該公司就實現(xiàn)了盈利。

他們開始制造越來越大的鉆石，并開始追求半導(dǎo)體晶圓大小的鉆石。2023年10月，他們成功制造出了世界上第一塊單晶鉆石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。

這不是易事，長期以來，生產(chǎn)晶圓大小的單晶鉆石一直是難以實現(xiàn)的技術(shù)圣杯。單晶鉆石的制造過程一直受到兩大技術(shù)挑戰(zhàn)的制約：

一方面，使用傳統(tǒng)的高壓高溫（HPHT）技術(shù)培育大尺寸單晶鉆石所需承受的壓力遠(yuǎn)超任何已知材料的極限；

另一方面，按照單晶材料生長的基本原則：在生長單晶材料時，通常需要一個已有的同種材料的單晶體作為“種子”，這個種子會指導(dǎo)新添加的原子在何處正確地定位自己，以保持原有的晶體結(jié)構(gòu)不變。簡單來說，就像是在已有的秩序排列的隊列中加入新成員，如果沒有一個明確的示范，新來的成員就不會知道如何加入隊列以保持隊列的整齊。在單晶生長的情況下，這種“隊列”的秩序是原子排列的規(guī)則性和周期性，也就是晶格結(jié)構(gòu)。如果沒有一個模板來指導(dǎo)這種秩序的創(chuàng)建，那么新增加的原子就無法形成所需的單晶結(jié)構(gòu)，可能會導(dǎo)致多晶或非晶結(jié)構(gòu)的形成，這些結(jié)構(gòu)的性質(zhì)與單晶大不相同。

因此，要想采用薄膜原子分層技術(shù)制造鉆石則需要一個與晶圓同樣大小的基體來指導(dǎo)原子沉積，但世界上并不存在晶圓大小的鉆石，必須要弄清楚如何制造第一個用于生產(chǎn)更多晶圓的“母”晶圓。

DF公司首先采用了一種稱為鉆石晶圓異質(zhì)外延的極其復(fù)雜的技術(shù)，據(jù)其官網(wǎng)的描述：“我們制造的設(shè)備能夠精確控制十個原子層如何撞擊硅晶片上銥和釔穩(wěn)定氧化鋯的納米級特殊夾層，我們設(shè)法讓前十個原子誤以為底部有單晶鉆石，而實際上并沒有，從而為后續(xù)單晶鉆石的制造奠定了基礎(chǔ)?！?/span>

然后在其等離子體設(shè)備中利用晶錠生長反應(yīng)堆技術(shù)，嚴(yán)格控制鉆石單晶的生長過程。據(jù)悉，他們?yōu)樯a(chǎn)的每克拉鉆石收集超過10億個數(shù)據(jù)點，在生長過程中動態(tài)調(diào)整這些參數(shù)。

實現(xiàn)單晶鉆石晶片的挑戰(zhàn)并不止于制造出晶圓大小的母晶。接下來的挑戰(zhàn)是如何切割地球上最堅硬的材料。他們?yōu)榇擞珠_發(fā)了晶圓切割機，用來將單晶鉆石錠切割成薄片。

接下來就是要對切割下來的薄片進(jìn)行表面拋光。為了能夠嵌入原子尺寸的晶體管，鉆石晶圓片也必須要滿足現(xiàn)在半導(dǎo)體晶圓的表明要求。

為了能將他們制造的鉆石晶圓應(yīng)用到半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)中去，DF公司又開發(fā)了芯片鍵合技術(shù)。能與當(dāng)今眾多的大功率硅芯片、SiC功率芯片以及GaN通信芯片直接進(jìn)行原子化連接。為更多的應(yīng)用帶來無限的潛力。

可以說，DF這家公司以其革命性的技術(shù)，已經(jīng)打通了鉆石材料在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用的全流程。接下來就看其在各應(yīng)用當(dāng)中的潛力了。


晶圓廠家的進(jìn)步促進(jìn)研發(fā)

金剛石半導(dǎo)體研發(fā)被限制的主要原因之一是金剛石晶圓的直徑尺寸過小，無法滿足需求。產(chǎn)總研下屬企業(yè)一一EDP株式會社（日本大阪府豐中市，以下簡稱為：“EDP”）自2009年創(chuàng)業(yè)之初就以擴大晶圓尺寸為使命，長期以來在半導(dǎo)體行業(yè)一直默默無聞、研發(fā)新技術(shù)，以促進(jìn)企業(yè)增長。

企業(yè)狀況的好轉(zhuǎn)源于寶石(鉆石)市場的興起。作為飾品的鉆石，一般以天然鉆石受人們歡迎，而人造鉆石的價值較低。在2015年一一2019年期間，大型鉆石廠家賦予人工鉆石以高昂的價值，從而使飾品類人工鉆石的市場迅速擴大。而EDP公司的單晶金剛石作為晶種，需求驟增，成為了企業(yè)增長的“催化劑”。因此，2022年EDP成功上市，并獲得了可以保證半導(dǎo)體晶圓研發(fā)的資源基礎(chǔ)。

由于全球經(jīng)濟情況直接影響用作飾品的金剛石市場，因此EDP公司近期的業(yè)績一直低迷。但是，中長期來看，考慮到發(fā)展中國家的環(huán)境保護(hù)問題、勞動者權(quán)利保護(hù)問題等因素，天然鉆石轉(zhuǎn)為人工鉆石這一趨勢是不會變化的，EDP公司作為半導(dǎo)體方向金剛石的支撐性企業(yè)，其地位會越來越重要。

此外，Orbray株式會社也在積極推進(jìn)金剛石材質(zhì)的晶圓業(yè)務(wù)?！癘rbray”研發(fā)了一種以藍(lán)寶石（Sapphire）為襯底，異質(zhì)外延生長（Heteroepitaxial Growth）金剛石晶圓的生產(chǎn)方法，如今已經(jīng)成功制造出直徑為2英寸的晶圓。目標(biāo)是未來生產(chǎn)出4英寸、6英寸的晶圓。此外，除了半導(dǎo)體應(yīng)用方向外，“Orbray”還在利用其它生長方法研發(fā)用于量子計算機的超高純度晶圓，并以實現(xiàn)商用為目標(biāo)。

半導(dǎo)體晶圓的研發(fā)工作、擴充產(chǎn)能工作目前都處于發(fā)展階段，“與以往相比，現(xiàn)在更容易獲得用于研發(fā)的晶圓”（金剛石半導(dǎo)體研發(fā)技術(shù)員）。如今，如果某位研究員對研發(fā)型晶圓抱有興趣，即可輕松獲得實物，與以往相比，已有明顯的進(jìn)步。


越來越多的單位在推進(jìn)金剛石半導(dǎo)體的實用化

如今，已經(jīng)有越來越多的單位正在將金剛石半導(dǎo)體從研發(fā)階段推向?qū)嵱没Ｈ毡咀糍R大學(xué)的嘉數(shù)誠教授已經(jīng)對研發(fā)金剛石半導(dǎo)體研發(fā)了二十多年。大概五年前，嘉數(shù)誠教授了解到“Orbray”的金剛石晶圓，并認(rèn)識到可以用作研發(fā)，從此雙方開啟了共同研發(fā)之路。2022年5月，雙方利用2英寸晶圓，研發(fā)出了輸出功率為875MW/cm2（為全球最高）、高壓達(dá)2568V的半導(dǎo)體。就此次研發(fā)成果而言，作為金剛石半導(dǎo)體其性能首屈一指，而且，從半導(dǎo)體的性能來看，僅次于美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，簡稱為：“MIT”）利用氮化鎵（GaN）實現(xiàn)的成果。

嘉數(shù)誠教授認(rèn)為，必須要把對半導(dǎo)體的驗證工作從研發(fā)階段推向?qū)嵱秒A段，并提出了五年內(nèi)研發(fā)出金剛石晶體管的目標(biāo)。此外，嘉數(shù)誠教授還在和封裝（Packaging）、鍵合（Bonding）等周邊技術(shù)相關(guān)的企業(yè)共同推進(jìn)研發(fā)，同時也在測定晶體管的壽命、以驗證其長期信賴性。此外，嘉數(shù)誠教授還計劃通過試做功率電子線路，以驗證其工作情況。

此外，日本產(chǎn)總研也在有效利用其長期積累的“一條龍”式（從結(jié)晶生長、晶圓加工，到制成芯片）的技術(shù)經(jīng)驗，以推進(jìn)芯片的實用化。其目標(biāo)是利用大面積芯片（Chip）實現(xiàn)現(xiàn)有芯片所要求的性能（如電流值、電壓值等）。其方針是晶圓、芯片同時“兩手抓”。

2022年8月，誕生了一家以“實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體實用化”為業(yè)務(wù)目標(biāo)的初創(chuàng)型企業(yè)，即日本早稻田大學(xué)下屬的Power Diamond Systems（簡稱為：“PDS”）。該公司的目標(biāo)是把金剛石半導(dǎo)體行業(yè)的先驅(qū)一一川原田洋教授的研發(fā)成果推向?qū)嵱没?/span>

川原田教授曾利用金剛石半導(dǎo)體的基礎(chǔ)技術(shù)（氫終端表面），研發(fā)了金剛石場效應(yīng)晶體管（FET），并為業(yè)界熟知。川原田教授的研發(fā)成果成為了PDS公司的核心技術(shù)，但PDS公司還計劃與外部企業(yè)合作共同進(jìn)一步進(jìn)行研發(fā)，而不是單純的“閉門造車”。PDS計劃諸多企業(yè)（如晶圓廠家、功率半導(dǎo)體廠家、電氣設(shè)備廠家等）、大學(xué)、研發(fā)機構(gòu)合作，以實現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體的實用化。PDS的目標(biāo)是構(gòu)筑一個從材料、芯片，到系統(tǒng)的完整生態(tài)系統(tǒng)，以實現(xiàn)該司成為業(yè)界“主角”的目標(biāo)。


國產(chǎn)實力落后，壟斷格局前或可成形

不過中國金剛石產(chǎn)業(yè)主要集中在中低端應(yīng)用市場，就像前面提到的工業(yè)加工領(lǐng)域。當(dāng)然，在珠寶領(lǐng)域的人造鉆石市場也在國內(nèi)蓬勃發(fā)展，但在功能性應(yīng)用的領(lǐng)域，國內(nèi)對金剛石材料的開發(fā)則較為落后。

西安電子科技大學(xué)蕪湖研究院副院長王東曾在報告中提到，國內(nèi)金剛石發(fā)展大而不強，在高端裝備、電子級材料等眾多領(lǐng)域處于落后。在CVD金剛石研究領(lǐng)域，從專利分布來看，美國、歐洲、日本的研究處于領(lǐng)先地位，我國發(fā)展相對緩慢，原創(chuàng)性研究偏少。

在“十三五”重點研發(fā)計劃支持下，國內(nèi)拼接外延大尺寸金剛石單晶已經(jīng)達(dá)到國際并跑的水平；在異質(zhì)外延單晶方面，國內(nèi)已經(jīng)取得開創(chuàng)性進(jìn)展，但尺寸和質(zhì)量仍存在較大差距，計劃“十四五”實現(xiàn)追趕或超越。

其中，半導(dǎo)體應(yīng)用中高載流子遷移率壽命乘積的電子級、探測器級單晶至今仍是英國元素六公司的壟斷產(chǎn)品，國內(nèi)仍有待攻克。

但作為一種新興的材料，相比于硅基半導(dǎo)體，市場格局仍遠(yuǎn)未形成壟斷，在半導(dǎo)體領(lǐng)域商業(yè)化仍未實現(xiàn)規(guī)?；虼宋磥砣杂泻艽蟮氖袌鰴C會。