Japan entwickelt neue Laserschneidtechnologie für Diamanthalbleiter

Diamant ist ein vielversprechendes Material für die Halbleiterindustrie, aber es in dünne Wafer zu schneiden, kann ein echtes Problem und eine echte Herausforderung sein.
In einer aktuellen Studie hat ein Forscherteam der Universität Chiba eine neue laserbasierte Technik entwickelt, mit der Diamanten entlang der optimalen Kristallebene geschnitten werden können. Diese Entdeckung wird dazu beitragen, dieses Material für eine effiziente Energieumwandlung in Elektrofahrzeugen und Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologien kostengünstiger zu machen.
Obwohl die Eigenschaften von Diamant für die Halbleiterindustrie attraktiv sind, war die Anwendung von Diamantmaterialien bisher durch den Mangel an Technologie auf dem Markt zum effizienten Schneiden von Diamant in dünne Scheiben begrenzt. Da es kein effizientes Schneiden gibt, müssen die Wafer einzeln synthetisiert werden, was ihre Herstellungskosten in den meisten Branchen unerschwinglich macht.
Eine japanische Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Hirofumi Hidai von der Graduate School of Engineering der Universität Chiba hat kürzlich eine Lösung für dieses Problem gefunden.
In einer kürzlich in der Fachzeitschrift Diamonds and Related Materials veröffentlichten Studie berichten sie über eine neue laserbasierte Schneidtechnik, mit der Diamanten entlang der optimalen Kristalloberfläche sauber geschnitten werden können, um glatte Wafer herzustellen.
Die Eigenschaften der meisten Kristalle, einschließlich Diamant, variieren entlang verschiedener Kristallebenen (Oberflächen, die hypothetisch die Atome enthalten, aus denen der Kristall besteht). Beispielsweise kann Diamant problemlos entlang der Oberfläche von ｛111｝ geschnitten werden. Allerdings ist das Schneiden von ｛100｝ eine Herausforderung, da es auch Risse entlang der zerfallenen Oberfläche ｛111｝ erzeugt, was den Kerbverlust erhöht.
Um die Ausbreitung dieser unerwünschten Risse zu verhindern, entwickelten die Forscher eine Diamantbearbeitungstechnik, die kurze Laserimpulse auf ein schmales, sich verjüngendes Volumen innerhalb des Materials fokussiert.
Prof. Hidai erklärt: „Durch fokussierte Laserbestrahlung wird Diamant in amorphen Kohlenstoff umgewandelt, der eine geringere Dichte als Diamant hat. Dadurch nimmt die Dichte des durch die Laserpulse veränderten Bereichs ab und es können sich Risse bilden.“
Indem die Forscher diese Laserpulse in einem quadratischen Gittermuster auf eine Probe aus transparentem Diamant strahlten, erzeugten sie im Inneren des Materials ein Gitter, das aus kleinen Bereichen bestand, die anfällig für Risse waren. Wenn der Abstand zwischen den modifizierten Regionen im Gitter und die Anzahl der in jeder Region verwendeten Laserimpulse optimal sind, sind alle modifizierten Regionen durch kleine Risse miteinander verbunden, die sich vorzugsweise entlang der ｛100｝-Ebene ausbreiten. So kann ein glatter Wafer mit einer Oberfläche von ｛100｝ leicht vom Rest des Blocks getrennt werden, indem einfach eine scharfe Wolframnadel auf eine Seite der Probe geschoben wird.
Insgesamt ist die obige Technik ein wichtiger Schritt, um Diamant zu einem geeigneten Halbleitermaterial für zukünftige Technologien zu machen. In diesem Zusammenhang sagt Prof. Hidai: „Die Fähigkeit von Diamantscheiben, qualitativ hochwertige Wafer zu geringen Kosten herzustellen, ist entscheidend für die Herstellung von Diamant-Halbleiterbauelementen. Somit bringt uns diese Forschung der Verwirklichung der verschiedenen Anwendungen von Diamant einen Schritt näher.“ Halbleiter in der Gesellschaft, wie zum Beispiel die Verbesserung der Stromumwandlungsrate von Elektroautos und Zügen.“