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(tái)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(gè)單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer），開啟了一場可能顛覆整個(gè)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(jì)劃在每個(gè)芯片后安裝一顆單晶鉆石用于散熱，到2033年以后，推動(dòng)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(jí)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(gè)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(fèi)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(jí)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(xiàng)超群的特性。
首先，按照DF公司的說法，他們可以實(shí)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(jí)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(jí)別進(jìn)展提供了堅(jiān)實(shí)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(yùn)行且壽命更長。
鉆石還有一個(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，使得鉆石成為理想的半導(dǎo)體基底材料。
世界上首個(gè)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(gè)DF公司的創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)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(jià)值的鉆石。因此，自2012年開始，該團(tuán)隊(duì)開始設(shè)計(jì)生長鉆石的等離子體反應(yīng)器，2014年啟動(dòng)了第一個(gè)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(fèi)者搶售一空。事實(shí)證明，鉆石確實(shí)是一門好生意，很快該公司就實(shí)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(shí)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(shí)，通常需要一個(gè)已有的同種材料的單晶體作為“種子”，這個(gè)種子會(huì)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(duì)列中加入新成員，如果沒有一個(gè)明確的示范，新來的成員就不會(huì)知道如何加入隊(duì)列以保持隊(duì)列的整齊。在單晶生長的情況下，這種“隊(duì)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(gè)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(huì)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(gè)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(gè)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(gè)原子層如何撞擊硅晶片上銥和釔穩(wěn)定氧化鋯的納米級(jí)特殊夾層，我們設(shè)法讓前十個(gè)原子誤以為底部有單晶鉆石，而實(shí)際上并沒有，從而為后續(xù)單晶鉆石的制造奠定了基礎(chǔ)。”
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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在生長過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整這些參數(shù)。
實(shí)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(jiān)硬的材料。他們?yōu)榇擞珠_發(fā)了晶圓切割機(jī)，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。
鉆石，要革芯片散熱的“命”
在當(dāng)下人工智能、云計(jì)算和電動(dòng)汽車和無線通信等領(lǐng)域，復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)使得熱管理成為一大挑戰(zhàn)，尤其是在高性能計(jì)算任務(wù)中，這種熱量的產(chǎn)生尤為顯著。如果熱量不能有效散發(fā)，會(huì)在芯片上形成“熱點(diǎn)”，長期存在熱點(diǎn)會(huì)影響芯片的穩(wěn)定性和壽命。但是鉆石的高熱導(dǎo)率可以幫助快速均勻地分散這些熱點(diǎn)，并幫助芯片上產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。由于熱效率的提高，芯片則可以在更高的頻率下穩(wěn)定運(yùn)行而不會(huì)過熱。這將使得芯片的處理速度可以提高，實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度。所以，鉆石材料最大的優(yōu)勢是通過使用最終的熱量散發(fā)解決方案來加速硅芯片的性能。
據(jù)DF描述，鉆石晶圓在芯片內(nèi)的高工作負(fù)荷晶體管的原子級(jí)距離內(nèi)提供一個(gè)熱量超高速通道，按照理想散熱的情況分析，能使人工智能和云計(jì)算領(lǐng)域的硅芯片速度提升3倍。按照他們所剖出的原理圖，他們將原本被動(dòng)硅的部分替換成為鉆石，使用鉆石基板作為熱導(dǎo)層，在晶體管工作產(chǎn)生熱量時(shí)，熱量可以更快速、更有效率地從活躍硅層傳遞到銅層并散發(fā)出去。
芯片散熱的原理：熱量從活躍硅層產(chǎn)生，需要通過被動(dòng)硅層傳導(dǎo)到銅層，然后散發(fā)出去（圖源：DF公司）
在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，逆變器是核心之一。目前電動(dòng)汽車的代表特斯拉的Tesla 3逆變器可以說是業(yè)界最小型的逆變器，但是基于鉆石晶圓的導(dǎo)熱性和電絕緣性的極端特性使得新穎的架構(gòu)能夠從根本上推進(jìn)小型化、效率和魯棒性。據(jù)DF公司稱，他們所打造的新型逆變器比Tesla 3的逆變器尺寸縮小六倍（如下圖所示），而且還超越了其性能和效率。第一批DF Perseus原型已經(jīng)在一級(jí)汽車 OEM 實(shí)驗(yàn)室中完成并成功進(jìn)行了測試。
我們都知道，GaN在高效無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來越重要，如果將鉆石與GaN結(jié)合使用，使用鉆石晶圓的GaN MOSFET能夠達(dá)到非鉆石GaN設(shè)備的三倍功率密度。這是因?yàn)殂@石基底能顯著提高散熱效率，降低因高功率運(yùn)作而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。此外，通過在設(shè)備中將GaN原子與DF單晶鉆石互連，不僅增強(qiáng)了其熱傳導(dǎo)效率，還大幅提高了整個(gè)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。
結(jié)語
綜上所述，鉆石材料的采用很可能會(huì)成為當(dāng)今高性能計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要推動(dòng)力。然而，面臨的挑戰(zhàn)同樣不容小覷，尤其是成本問題——“鉆石”二字往往讓人聯(lián)想到高昂的價(jià)值。不過，我們可以從SiC材料的發(fā)展歷程中汲取啟示。早期，SiC的成本和良率問題確實(shí)使得許多產(chǎn)業(yè)望而卻步，但隨著時(shí)間的推移，憑借業(yè)內(nèi)多家企業(yè)和專家的持續(xù)努力，SiC技術(shù)的成熟進(jìn)展速度已經(jīng)取得令人矚目的成果。類似的努力也在日本針對鉆石量產(chǎn)技術(shù)的研究中體現(xiàn)。我們有理由相信，在眾多行業(yè)共同推動(dòng)下，鉆石材料將為我們的科技生活帶來深遠(yuǎn)的影響。