Mỹ phát triển tinh thể kim cương mới, mở hướng tản nhiệt cho chip thế hệ mới

Diamond Foundry, công ty có trụ sở tại San Francisco (Mỹ), công bố đã phát triển thành công tinh thể kim cương đơn tinh thể đường kính 200 mm (7,9 inch), được giới thiệu là sản phẩm đầu tiên trên thế giới đạt kích thước này. Thành tựu đánh dấu bước tiến mới trong hành trình kéo dài 25 năm nhằm mở rộng quy mô sản xuất tinh thể kim cương chất lượng cao.

TỪ TINH THỂ 100 MM ĐẾN CỘT MỐC 200 MM

Điểm đáng chú ý của mẫu kim cương mới là cấu trúc đơn tinh thể liên tục trên toàn bộ vật liệu, thay vì ghép từ nhiều viên kim cương nhỏ hoặc sử dụng đĩa kim cương đa tinh thể gồm nhiều vùng tinh thể khác nhau. Sự khác biệt này có ý nghĩa đối với các ứng dụng bán dẫn, bởi ranh giới giữa các hạt tinh thể và những khiếm khuyết cấu trúc có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt cũng như các đặc tính điện của vật liệu.

Kim cương có cấu trúc mạng tinh thể hình thành từ các nguyên tử carbon liên kết chặt chẽ, tạo nên độ cứng và khả năng dẫn nhiệt đặc biệt. Tuy nhiên, việc duy trì trật tự nguyên tử đồng nhất trên một diện tích lớn là thách thức đáng kể. Chỉ những sai lệch nhỏ trong quá trình phát triển cũng có thể tạo ra khuyết tật, làm suy giảm các đặc tính mà ngành công nghiệp bán dẫn cần khai thác.

Các phương pháp tổng hợp kim cương truyền thống sử dụng áp suất và nhiệt độ cao có thể tạo ra kim cương nhân tạo, nhưng việc mở rộng quy mô để sản xuất tinh thể đơn có kích thước tương đương wafer bán dẫn vẫn gặp nhiều hạn chế. Một hướng tiếp cận khác là lắng đọng hơi hóa học (CVD), trong đó kim cương được phát triển từ khí chứa carbon trong môi trường được kiểm soát. Công nghệ CVD plasma vi sóng cũng được nghiên cứu nhằm tạo ra những tinh thể kim cương kích thước lớn, chất lượng cao.

Trước cột mốc 200 mm, Diamond Foundry từng công bố chế tạo wafer kim cương đơn tinh thể đường kính 100 mm (3,9 inch) bằng phương pháp dị epitaxy kim cương (diamond heteroepitaxy). Đây là kỹ thuật phát triển tinh thể trên một vật liệu nền khác, đồng thời định hướng để mạng tinh thể kim cương hình thành có trật tự.

Tuy nhiên, doanh nghiệp chưa công bố liệu tinh thể 200 mm mới có được phát triển bằng chính quy trình này hay không.

Theo Martin Roscheisen, Giám đốc điều hành Diamond Foundry, thành tựu mới đòi hỏi những tiến bộ đồng thời trong vật lý plasma, thiết kế lò phản ứng, hóa học tăng trưởng, kỹ thuật tinh thể và kiểm soát sản xuất. Ông cũng ghi nhận đóng góp của Stefan Gsell và Martin Fischer, những người đã bắt đầu nghiên cứu mở rộng quy mô tinh thể kim cương đơn từ 25 năm trước.

KHẢ NĂNG TẢN NHIỆT MỞ RA HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG BÁN DẪN

Lý do khiến kim cương thu hút sự quan tâm của ngành bán dẫn nằm ở khả năng dẫn nhiệt vượt trội. Kim cương đơn tinh thể có độ tinh khiết cao có thể đạt độ dẫn nhiệt khoảng 2.000 W/m·K ở nhiệt độ phòng, cao hơn nhiều lần so với đồng.

Đặc tính này có thể giúp giải quyết một trong những thách thức ngày càng lớn của ngành công nghiệp chip: kiểm soát nhiệt lượng phát sinh khi hiệu năng xử lý tăng lên.

Các bộ xử lý phục vụ trí tuệ nhân tạo (AI) và hệ thống điện toán hiệu năng cao ngày càng tập trung công suất điện lớn trong không gian nhỏ. Nhiệt lượng tích tụ tại những điểm nóng trên chip có thể làm giảm hiệu suất vận hành, gia tăng yêu cầu làm mát và đẩy nhanh quá trình xuống cấp của linh kiện.

Trong bối cảnh đó, kim cương có thể được sử dụng làm vật liệu tản nhiệt hoặc đế nền trong các hệ thống đóng gói chip tiên tiến. Nhờ khả năng dẫn nhiệt cao, vật liệu này có tiềm năng phân tán nhiệt từ những khu vực tập trung nhiệt lượng, hỗ trợ duy trì hoạt động ổn định của các bộ xử lý công suất lớn.

Ngoài khả năng dẫn nhiệt, kim cương còn có vùng cấm năng lượng rộng khoảng 5,47 electron-volt. Đặc tính này khiến vật liệu trở thành ứng viên đáng chú ý cho các thiết bị điện tử công suất cao và tần số cao, vốn phải hoạt động trong điều kiện điện áp và nhiệt độ khắc nghiệt.

Dù vậy, kim cương chưa thể thay thế silicon trong sản xuất chip. Một trong những trở ngại lớn là việc kiểm soát đặc tính điện thông qua quá trình pha tạp (doping) vẫn còn phức tạp. Bên cạnh đó, tích hợp kim cương với các vật liệu bán dẫn và quy trình chế tạo hiện có cũng đòi hỏi thêm nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ.

Do đó, giá trị trước mắt của kim cương có thể không nằm ở việc thay thế trực tiếp silicon để chế tạo toàn bộ chip, mà ở khả năng bổ sung những đặc tính vật liệu mà các giải pháp hiện tại còn hạn chế, đặc biệt trong quản lý nhiệt và các ứng dụng điện tử công suất.

BÀI TOÁN SẢN XUẤT CÔNG NGHIỆP

Theo trang Interesting Engineering, dù được đánh giá là một cột mốc công nghệ, tinh thể kim cương 200 mm của Diamond Foundry hiện chưa phải wafer sẵn sàng đưa vào sản xuất bán dẫn.

Mẫu vật được doanh nghiệp giới thiệu vẫn ở trạng thái nguyên bản sau quá trình tăng trưởng, chưa qua đánh bóng. Để có thể sử dụng trong chế tạo chip, vật liệu cần trải qua các công đoạn xử lý và kiểm định nhằm đáp ứng yêu cầu về độ dày đồng nhất, độ phẳng bề mặt, mật độ khuyết tật cũng như các đặc tính điện và nhiệt trên toàn bộ diện tích wafer.

Quan trọng hơn, nhà sản xuất phải chứng minh khả năng duy trì chất lượng ổn định qua nhiều chu kỳ sản xuất. Đây là điều kiện cần thiết để chuyển một thành tựu trong phòng thí nghiệm hoặc ở quy mô mẫu thử thành vật liệu có thể sản xuất công nghiệp.

Diamond Foundry cho biết thành công với tinh thể 200 mm tạo cơ sở để hướng tới kích thước 300 mm (11,8 inch), tương đương đường kính wafer silicon phổ biến trong các dây chuyền bán dẫn tiên tiến. Tuy nhiên, công ty chưa đưa ra thời gian cụ thể cũng như các dữ liệu kỹ thuật chi tiết cho bước phát triển tiếp theo.

Song song với nghiên cứu vật liệu, doanh nghiệp đang mở rộng tham vọng sản xuất thông qua dự án trị giá 2,77 tỷ USD tại Tây Ban Nha, nhận được hỗ trợ từ Đạo luật Chip châu Âu (European Chips Act).

Mục tiêu của Diamond Foundry là đưa kim cương đơn tinh thể từ một loại vật liệu chuyên dụng, có quy mô cung ứng hạn chế, trở thành vật liệu công nghiệp phục vụ ngành bán dẫn.