「鑽石」晶片，真的要來了？

在不遠的將來，「人手一顆鑽石」可能不再是遙不可及的夢想。不過，這顆鑽石不是裝飾品，而是作為每個電子設備心臟——晶片——的零件。2023年，一家名為Diamond Foundry（簡稱DF）的公司創造了世界上首個單晶鑽石晶圓（Diamond Wafer），開啟了一場可能顛覆整個半導體產業的技術革命。按照該公司的規劃，在2023年後，他們計劃在每個晶片後安裝一顆單晶鑽石用於散熱，到2033年以後，推動鑽石材料在半導體行業的應用，如用於製造晶體管或其他半導體元件的基底材料。

鑽石，成為半導體終極材料

自1959年矽晶片誕生以來，半導體產業不斷突破與創新。從矽發展到現在大火大熱的碳化矽（SiC）/氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體材料，再到對氧化鎵的探索，產業界始終在探索具有更優導熱和電絕緣性能的新材料，以應對不斷升級的技術要求。而鑽石晶圓，就目前已經探到的材料而言，可以說是終極的半導體材料了。

眾多周知，整個半導體產業遵循著摩爾定律已經來到了3奈米，蘋果的3奈米晶片已經伴隨iPhone15 Pro和Pro max悄悄到了消費者手中。隨著我們正在朝向2奈米、1奈米甚至是艾米（Angstrom，1埃=十億分之一公尺）等級邁進。依靠現在的矽基材料顯然是有很大難度的，物理極限的問題不斷顯現，熱挑戰也困擾著產業。與現今現有的材料相比，鑽石展現了其多項超群的特性。

首先，根據DF公司的說法，他們可以實現將鑽石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導體產業未來向奈米甚至埃米級進展提供了堅實的技術基礎。

其次，單晶鑽石是已知熱導率最高的材料。典型的矽的熱導率為150W/（m·K），銅（Copper）是380W/（m·K），而鑽石的熱導率遠高於矽和銅，高達2400W/（m·K） ，，這意味著它能更有效地傳導熱量，使積體電路能夠更快地運作且壽命更長。

鑽石還有一個很大的優點是極高的絕緣性。衡量不同材料絕緣性好壞的一大重要指標是擊穿電場強度，表示材料能承受的最大電壓不會造成電擊穿。作為對比，矽材質的擊穿電場強度為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鑽石則為10 MV/cm。而且即使是非常薄的鑽石切片也具有非常高的電絕緣性，能夠抵抗非常高的電壓。這對於功率電子學領域的裝置微型化是非常重要的。

因此，憑藉極高的導熱性和電絕緣性以及可與積體電路晶圓直接黏合的特點，使得鑽石成為理想的半導體基底材料。

世界上首個110克拉、晶圓大小的鑽石是如何製造出來的？

創造出世界首個DF公司的創始團隊由麻省理工學院、史丹佛大學和普林斯頓大學的工程師組成，大約2012年之前，他們還是一家太陽能發電科技公司，但是該公司由於某些原因在商業上失敗了，然而他們卻發現類似太陽能的技術卻可以生產更高價值的鑽石。因此，自2012年開始，團隊開始設計生長鑽石的等離子體反應器，並於2014年啟動了第一個等離子體反應器。2015年他們生產了第一顆單晶鑽石。2016年他們的鑽石開始大量生產，被消費者搶售一空。事實證明，鑽石確實是一門好生意，很快該公司就實現了盈利。

他們開始製造越來越大的鑽石，並開始追求半導體晶圓大小的鑽石。2023年10月，他們成功製造了世界上第一顆單晶鑽石晶圓，直徑100毫米、重110克拉。

這不是易事，長期以來，生產晶圓大小的單晶鑽石一直是難以實現的技術聖杯。單晶鑽石的製造過程一直受到兩大技術挑戰的限制：

• 一方面，使用傳統的高壓高溫（HPHT）技術培育大尺寸單晶鑽石所需承受的壓力遠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構不變。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範，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」的秩序就是原子排列的規則性和週期性，也就是晶格結構。如果沒有一個模板來指導這種秩序的創建，那麼新增加的原子就無法形成所需的單晶結構，可能會導致多晶或非晶結構的形成，這些結構的性質與單晶大不相同。

因此，要採用薄膜原子分層技術製造鑽石則需要一個與晶圓相同大小的基體來指導原子沉積，但世界上並不存在晶圓大小的鑽石，必須弄清楚如何製造第一個用於生產更多晶圓的“母”晶圓。

DF公司首先採用了一種稱為鑽石晶圓異質外延的極其複雜的技術，據其官網的描述：「我們製造的設備能夠精確控制十個原子層如何撞擊矽芯片上銥和釔穩定氧化鋯的奈米級特殊夾層，我們設法讓前十個原子誤以為底部有單晶鑽石，而實際上並沒有，從而為後續單晶鑽石的製造奠定了基礎。”

然後在其等離子體設備中利用晶錠生長反應器技術，嚴格控制鑽石單晶的生長過程。據悉，他們為生產的每克拉鑽石收集超過10億個數據點，在生長過程中動態調整這些參數。

實現單晶鑽石晶片的挑戰不止於製造出晶圓大小的母晶。接下來的挑戰是如何切割地球上最堅硬的材料。他們為此又開發了晶圓切割機，用來將單晶鑽石錠切割成薄片。

接下來就是要將切割下來的薄片進行表面拋光。為了能夠嵌入原子尺寸的晶體管，鑽石晶圓片也必須滿足現在半導體晶圓的顯示要求。

為了能將他們製造的鑽石晶圓應用到半導體產業當中去，DF公司又開發了晶片鍵合技術。能與現今眾多的高功率矽晶片、SiC功率晶片以及GaN通訊晶片直接進行原子化連接。為更多的應用帶來無限的潛能。

可以說，DF這家公司以其革命性的技術，已經打通了鑽石材料在半導體產業應用的完整流程。接下來就看其在各應用當中的潛力了。

鑽石，要革晶片散熱的“命”

在當下人工智慧、雲端運算和電動車和無線通訊等領域，複雜的晶片設計使得熱管理成為一大挑戰，尤其是在高效能運算任務中，這種熱量的產生尤其顯著。如果熱量不能有效散發，會在晶片上形成“熱點”，長期存在熱點會影響晶片的穩定性和壽命。但是鑽石的高熱導率可以幫助快速均勻地分散這些熱點，並幫助晶片上產生的熱量散發出去。由於熱效率的提高，晶片則可以在更高的頻率下穩定運行而不會過熱。這將使得晶片的處理速度可以提高，以實現更快的運算速度。所以，鑽石材料最大的優勢是透過使用最終的熱散發解決方案來加速矽晶片的性能。

根據DF描述，鑽石晶圓在晶片內的高工作負荷電晶體的原子級距離內提供一個熱量超高速通道，按照理想散熱的情況分析，能使人工智慧和雲端運算領域的矽晶片速度提升3倍。按照他們所剖出的原理圖，他們將原本被動矽的部分替換成為鑽石，使用鑽石基板作為熱導層，在晶體管工作產生熱量時，熱量可以更快速、更有效率地從活躍矽層傳遞到銅層並散發出去。

在電動車領域，逆變器是核心之一。目前電動車的代表特斯拉的Tesla 3逆變器可以說是業界最小型的逆變器，但是基於鑽石晶圓的導熱性和電絕緣性的極端特性使得新穎的架構能夠從根本上推進小型化、效率和魯棒性。據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），而且還超越了其性能和效率。第一批DF Perseus原型已經在一級汽車OEM 實驗室中完成並成功進行了測試。

我們都知道，GaN在高效無線通訊領域的應用越來越重要，如果將鑽石與GaN結合使用，使用鑽石晶圓的GaN MOSFET能夠達到非鑽石GaN設備的三倍功率密度。這是因為鑽石基盤能顯著提高散熱效率，並降低因高功率運作而產生的熱應力。此外，透過在設備中將GaN原子與DF單晶鑽石互連，不僅增強了其熱傳導效率，還大幅提高了整個設備的可靠性和穩定性。

結語

綜上所述，鑽石材料的採用很可能會成為當今高效能運算應用領域技術進步的重要推動力。然而，面臨的挑戰同樣不容小覷，尤其是成本問題──「鑽石」二字往往讓人聯想到高昂的價值。不過，我們可以從SiC材料的發展歷程中汲取啟示。在早期，SiC的成本和良率問題確實使得許多產業望而卻步，但隨著時間的推移，憑藉業內多家企業和專家的持續努力，SiC技術的成熟進展速度已經取得令人矚目的成果。類似的努力也在日本針對鑽石量產技術的研究中體現。我們有理由相信，在眾多產業共同推動下，鑽石材料將為我們的科技生活帶來深遠的影響。（半導體產業觀察）