突破金剛石膜大規模生產瓶頸:港大團隊用「一步法」剝離晶圓級金剛石膜,生產成本比傳統工藝降低1000倍
「我們首次在晶圓尺度(2 英吋)上製備出大面積且平整、表面粗糙度達到 1 納米以下的多晶金剛石薄膜,而此前領域最大的尺寸僅能做到釐米級。此外,我們還計劃成立初創公司將該技術向產業化推進。」談及團隊近期在 Nature 發表的成果,香港大學褚智勤副教授如是說。
在這項研究中,香港大學課題組與合作者還發現了一種全新的宏觀、可感知的金剛石形態:超薄和超柔韌。基於尺寸效應,當金剛石薄膜變薄到一定程度時,會變得像塑料紙一樣柔軟,可 360° 彎曲,這與金剛石「最堅硬」物質的特性形成了鮮明對比。
這種可摺疊、可捲曲的新特性帶來了諸多機會,例如支持對金剛石的電學和光學等性質進行調控。這些在晶圓級別的宏觀調控,是此前在納米尺度上對單個器件或金剛石納米結構進行調控所無法想像的。
香港大學博士後景紀祥、博士生孫富強、北京大學工程師王忠強是共同第一作者,香港大學褚智勤副教授和林原教授、北京大學王琦教授、南方科技大學李攜曦助理教授擔任共同通訊作者。
圖丨相關論文(來源:Nature)
跳出傳統思維:從最堅硬的物質中「摳」出柔軟的薄膜
金剛石是理想的電子和光子學材料。從 20 世紀 80 年代開始,通過化學氣相沉積生長的高品質人造金剛石技術開始得到發展。
儘管其已發展了幾十年,但人造金剛石並未在日常生活中大規模應用,主要原因在於其生產設備稀缺和生產難度較高,這導致它的生產成本較高。不可忽視的是,金剛石製造始終面臨著一個核心問題:如何獲得可工作的平整表面。
在半導體工藝中,必須足夠平整才能進行堆疊和組裝,因此材料表面的平整性是非常重要的前提條件之一。傳統的拋光或刻蝕等加工方法,無論是化學方法還是物理方法,都會對金剛石樣品造成損傷,尤其是對於大面積的金剛石,要實現高平整度的加工充滿挑戰。
金剛石是目前已知最硬的材料,傳統的拋光方法對於其他硬度較低的材料可能有效,但對於金剛石來說,沒有比它更硬的材料可以用來拋光,而此前已有的技術都無法滿足這一要求。
這項研究始於 2019 年,當時,該團隊打算在金剛石薄膜上加工特定結構,但發現市場上沒有合適的產品,於是決定嘗試自行開展研發製作。研究人員最初的想法是在已有的金剛石上刻蝕,但進展非常緩慢,甚至導致課題差點放棄。
「我找到課題組的一位博士後負責這項工作,他在 6 個月內只能製作出一片釐米大小的樣品,而且過程中還可能因各種步驟中的失誤導致樣品損壞,製作過程非常痛苦,後來他也離開了團隊。」褚智勤回憶道。
轉機出現在一次補做實驗時一塊樣品碎裂了,實驗室成員無意中發現金剛石角落有脫落跡象,薄膜似乎自己「拱」了起來。
基於這一現象激發了他們大膽猜測:金剛石或許在特定條件下可以與襯底剝離。經過多次討論和嘗試,證實了二者可剝離的可能性。隨後,一位從事理論研究的合作者調控生產工藝,並獲得了更利於剝離的條件,理論模型也很好地解釋了剝離的可行性。
研究團隊受到單層材料如石墨烯成功製備的啟發,採用邊緣暴露剝離技術,實現了超薄金剛石膜的製備和轉移。
他們完全摒棄了傳統方法中複雜的拋光和刻蝕過程,而是採用了一種完全物理的、可簡單製備的「一步法」,直接從生長襯底上剝離金剛石,這一過程不會對金剛石本身的性質造成損傷,並保留了其原有的特性。
剝離後,可獲得一個非常平整的可工作平面,使金剛石能重新融入現有的半導體工藝,並加工和處理。研究人員進一步將金剛石報膜轉移到柔性聚二甲基矽氧烷襯底上,併成功演示了其作為柔性金剛石應變傳感器原型的功能,在 2% 的應變條件下,該傳感器能夠承受超過 10000 次的變形循環。
有意思的是,在生長過程中,金剛石上表面起伏不平;而下表面(生長界面)卻非常平整,這種平整的下表面能夠支撐薄膜在彎折時不會損壞。褚智勤表示,這種方法可推廣到其他材料或材料體系,借鑒這種設計理念在襯底上剝離材料,剝離過程類似捲紙,上表面彎曲而下表面是拉伸的。
褚智勤表示:「要將金剛石從硬質襯底上直接剝離,其難度之大,就如同試圖從一塊世界上最堅硬的石頭上‘摳’下一種物質。」他坦言,在成功剝離之前,原本以為它的性質會非常脆,出乎意料的是,大片的金剛石膜竟會擁有如此出色的柔性。
此外,與標準單晶塊金剛石相比,該團隊所開發的金剛石薄膜還表現出優異的光學性能(450nm 波長的折射率約為 2.36)、熱導率(約 1300W·m-1·K-1)和電阻率(約 1010Ω·m)。
生產成本比傳統方法降低 1000 倍
該方法的顯著優勢在於,它並非完全摒棄了傳統的生長工藝,而是在原有生產工藝基礎上微調,通過獨特的改進即可獲得理想的金剛石薄膜,且與現有生產設備兼容。其類似於簡單的機械操作,不需要依賴極其繁瑣或高精尖設備,從而使原本在工業上無法使用的毛坯材料變為高質量產品。
需要瞭解的是,傳統工藝通常會生長較厚的金剛石膜,例如 1000 微米或 2000 微米,而新工藝只需生長 1 微米厚的薄膜。「從成本角度來看,這意味著我們的成本比傳統方法降低了 1000 倍。」褚智勤說。
並且,這種方法非常高效,在實驗室中需要秒量級的時間(約 10 秒);如果將其轉化為自動化生產線,速度可以在 1 秒內處理多張金剛石膜,為批量工業生產奠定良好基礎。
此外,這種剝離工藝具有可擴展性。在該研究中所使用的是 2 英吋的樣品演示,但目前實驗室已經能夠做到更大尺寸。據研究人員預測,這種方法有望未來擴展到 8 英吋甚至 12 英吋的工業級尺寸。
隨著技術的發展和市場需求的變化,一方面,電子器件呈現出體積不斷變小而功率增大的趨勢;另一方面,AI 芯片面臨著算力提升和功耗高的雙重挑戰。因此,無論是電子器件還是 AI 芯片,如何實現有效散熱已成為亟待解決的重要問題。
金剛石薄膜導熱率極高,平整表面可以直接貼附芯片等電子器件,因此其有望迅速在電子器件的散熱方面得到廣泛應用。褚智勤表示:「我相信金剛石未來在提升 AI 芯片算力,特別是在三維堆疊芯片等技術方面,會是非常優秀的解決方案。」
更長遠地來看,金剛石作為第四代半導體的核心材料之一,有望對人們的生活產生深遠影響。「可以預見的是,一旦未來金剛石半導體技術成熟並廣泛應用,它或許可以像矽基半導體一樣,全面影響我們的生活。」褚智勤說。
除此之外,這種大片完整的金剛石薄膜可用於光學應用,加工光學結構;也可用於聲學,研究製造換能器,探索其在機械共振等方面的應用;還可用於製作紫外光探測器或與 X 射線相關的設備。因而在國防、航空航天以及極端環境探測器等領域,都具有重要的應用場景。
據瞭解,該課題組計劃在香港成立初創公司,推動這項技術的發展和產業化應用,他們的目標是為工業界和學術界穩定提供高質量的金剛石薄膜。
褚智勤表示:「論文發佈後,很多中外科學家們都表現出了極高的合作熱情,希望能與我們共同探索這一領域。我非常高興能夠為領域提供這種平台技術,我覺得這是一件極具成就感的事情。」
將致力於利用金剛石製造半導體器件
褚智勤課題組的研究重點集中在三個方向:金剛石材料的生產、工程化以及器件製備;利用金剛石量子缺陷進行傳感和量子探測;結合優質的金剛石材料和先進的探測設備,探索其在各領域的應用。
他特別關注金剛石量子探測在生物醫學領域的應用。例如,研究單細胞與襯底之間的力學相互作用、單細胞或亞細胞尺度上的熱傳導行為。希望通過量子探測這一新工具,攻克生物醫學領域中一些目前尚未解決的基礎科學難題。
在這項研究中,該團隊成功實現了金剛石薄膜剝離,並製備出多晶金剛石薄膜。這種薄膜本身是一種優秀的半導體材料,目前所使用的是未摻雜的本征金剛石(絕緣體),而金剛石是可進行摻雜的。
現在,研究人員正在研究摻雜硼的金剛石薄膜,其同樣表現出可剝離且具有獨特的性能。摻雜後的金剛石薄膜仍然是半導體,這意味著它有可能帶來許多新的應用機會。
接下來,該課題組將致力於進一步提升金剛石薄膜的品質,例如改善其力學、光學和熱學性質,使其更接近單晶金剛石的性能。同時,他們還計劃開發單晶金剛石薄膜,並探索其可擴展的大規模生產方法。
「我們非常看好金剛石在半導體行業的發展潛力,因此將投入大量時間和精力研究如何利用金剛石製造半導體器件,並通過優化設計充分發揮其作為電子材料的優勢。」褚智勤表示。
1.Jing, J., Sun, F., Wang, Z.et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08218-x
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