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(不是盐酸,盐酸是的水溶液)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。
原创回答,搬运必究。
(1)澜晶光伏老板:
回答这个问题,必须弄清三方面问题:芯片对基体材料有哪些要求。
金刚石能否满足这些要求。
金刚石相比硅,是否有优势。
我认为,金刚石不能代替芯片的基体材料硅。
哪些材料能用于芯片基体?能用于制作芯片基体的半导体材料有如下几类:
元素半导体材料:以单一元素组成的半导体,属于这一材料的有硼、金刚石、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等,其中以锗、硅、锡研究较早,制备工艺相对成熟。
复合半导体材料:由两种或两种以上无机物化合成的半导体,种类繁多,已知的二元化合物就有数百种。
三五半导体:由Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成,比如砷化镓(GaAs);它们都具有闪锌矿结构,在应用方面仅次于Ge、Si。
二六半导体:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物,是一些重要的光电材料;ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。
四六半导体:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。
由上述分类可以看出,金刚石的确是半导体材料,有做成芯片基体的潜能。接下来需要考虑,金刚石能否满足芯片对基体材料的要求。
金刚石能否替代硅?这个问题需要从两者的化学特性和工业制作成本来考虑。
一、化学特性对比
硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体,晶体硅为灰黑色,无定形硅为黑色,密度2.32-2.34克/立方厘米,熔点1410℃,沸点2355℃,晶体硅属于原子晶体。不溶于水、硝酸和盐酸,溶于氢氟酸和碱液。硬而有金属光泽。
硅的电导率与其温度有很大关系,随着温度升高,电导率增大,在1480℃左右达到最大,而温度超过1600℃后又随温度的升高而减小。
金刚石它是一种由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体,金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。其结构是正八面体晶体,晶体中每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个相邻的碳原子形成共价键,每四个相邻的碳原子均构成正四面体。晶体类型金刚石中的CC键很强,所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以金刚石硬度非常大,不导电,熔点在3815℃。金刚石在纯氧中燃点为720~800℃,在空气中为850~1000℃。
二、工业制作对比
1.原料成本
硅也是极为常见的一种元素,然而它极少以单质的形式在自然界出现,而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式,广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。在地壳中,它是第二丰富的元素,构成地壳总质量的26.4%,仅次于第一位的氧(49.4%)。
世界上有20多个国家赋存有金刚石矿产,主要分布在澳大利亚、非洲西部和南部,以及俄罗斯的亚洲部分。目前,全世界金刚石产量每年超过100百万克拉,其中宝石级15%,近宝石级38%,工业级47%。
相比于硅的来源,金刚石因存量少,原料成本是相当高的。
2.制作成本
金刚石的出产是很复杂的,它需要经过采矿、粉碎、冲洗、沉淀、挑选、分类、切割、打磨以及抛光等诸多工序之后才能出现在市场上。从开采的大块岩石中将钻石分离出来是相当困难的。即使有先进的技术,发掘的过程仍然十分复杂。而生产一颗切磨好的1克拉重的金刚石,必须从钻石矿藏中挖出至少约250吨的矿土进行加工处理而成。
金刚石还因硬度太高,难以加工;此外,相比于单晶硅,金刚石提纯工艺复杂,很难提纯到6个9或7个9的等级。
总结金刚石从理论上来说,是可以作为芯片基体材料的。但是,从工业制作的角度来说,原料储存少、加工难度大的金刚石,不适合替代硅制作芯片,即便制作出来了,价格也是难以承受的。