金刚石能否代替芯片的基体材料硅? EDP单晶金刚石

时间:2022-05-19 02:42:08 作者:admin 61977
EDP单晶金刚石

金刚石能否代替芯片的基体材料硅?

金刚石要能代替芯片的基本材料硅的话,母猪都能上树。在半导体发展历史上,最初流行锗半导体,不久就被硅半导体打败,最终硅统治了半导体王国,锗半导体仅在少数领域刷存在感。实话实说,金刚石虽然能俘虏女人的心,但在半导体行业人士眼里,商业价值甚至比不过锗。

下面,我条分缕析,一一解析原因。

要替代硅,元素含量必须丰富,容易开采

硅被称为“上帝赐给人类的财富”,原因之一是,它占地壳总质量的26.4%,是仅次于氧的含量第二丰富的元素,随便抓起一把沙子、泥土,拿起一块石头,里面都含有大量的硅的氧化物——二氧化硅。

相比之下,锗的含量只有100万分之7,含量十分稀少,而且几乎没有比较集中的锗矿,

这就造成锗的开采成本是硅的几百倍,商业价值很低。

金刚石虽然有集中的金刚石矿,但含量太少了。2015年,全球半导体级的多晶硅需求超过6万吨,每年都在增长。想要替代硅的话,上哪去找每年6万多吨的金刚石?

金刚石提纯难

金刚石含有或多或少的杂质,要去除这些杂质,以目前的科技,很难做到。而硅的提纯相对容易得多,将硅石在电弧炉中熔化,用碳或石墨还原,得到硅含量98.5%的工业硅(又叫“金属贵”),然后粉碎成微细粉末,与液态氯化氢(不是盐酸,盐酸是氯化氢的水溶液)在大约300摄氏度发生反应,生成三氯氢硅,经蒸馏、精制,获得很高的纯度,然后将高纯三氯氢硅与超高纯氢发生还原反应,得到纯度99.999999999%的多晶硅(比纯金多7个9),然后拉制单晶硅。

一根直径12英寸(目前最大)的单晶硅棒,高约2米,重约350公斤,纯度99.999999999%,相当于100亿个硅原子中,允许1个杂质原子存在。


从上述过程可以看出,硅的提纯就是一系列连续的氧化、还原反应。要让化学反应产生,元素的化学性质需要相对活泼,但金刚石的主要成分是碳元素,碳的化学性质远不及硅活泼,难以进行去除杂质的氧化、还原反应,纯度提升很难。

金刚石加工难

在提纯难关之后,加工的难题才是最大的难题。制作芯片前,单晶硅棒需要切成薄片,硅的硬度虽然高,但可以利用自然界最硬的物质金刚石进行切割。

但,用金刚石做芯片基体材料,切割将是难题,用金刚石切割金刚石,效率低,费用高,只能用硬度更高的人造物质。

目前已知硬度最高的人造物质是碳炔,硬度是金刚石的40倍,但还处于试验阶段,未到大规模商业化阶段。如何将金刚石切片,现在还没有很好的解决办法。

就算不久的将来,碳炔能顺利商用,金刚石能被切成薄片,真正的难题来了:如何制造绝缘膜?

在硅片上制造绝缘膜非常方便,将硅片放到900摄氏度左右的高温水蒸气环境中,硅片就会与氧发生热氧化反应,在表面生长硅氧化膜——二氧化硅(玻璃的主要成分),然后对其涂抹光刻胶,进行刻蚀,再配合其它工艺和材料,就可以得芯片。硅氧化膜具有不吸潮、耐酸碱、导热性好、光学性能稳定、绝缘性能良好的特点(感觉抽象的,脑想想玻璃的特点),是芯片制作的前提,而且通过硅这种基体材料就可以方便地得到硅氧化膜,正是因为硅氧化膜如此重要,得来又如此容易,加上硅含量丰富,所以硅才被称为“上帝赐给人类的财富”。

金刚石做芯片基体的话,氧化膜从那里来?金刚石本身是纯碳,其氧化物是二氧化碳,常温下是气态,充当绝缘?那是不可能的,一形成人家就跑到空气中逍遥自在了。用其它氧化物?试验验证、工艺流程研发、设备改造,花钱海去了,还不一定能成功。

总之,用金刚石做芯片基体材料,不仅含量少,而且加工极难,商业价值极低,由于这些缺点,根本不可能取代硅在芯片行业的地位。


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