金刚石能否代替芯片的基体材料硅？

一语惊醒梦中人1年前 (2023-12-15)阅读数 7#综合百科

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，与液态氯化氢（不是盐酸，盐酸是氯化氢的水溶液）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。

回答这个问题，必须弄清三方面问题：

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：

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。

特殊情况，特殊对待。一般是没有那么替的

不会，因为它不具备半导体特性，而且加工提纯困难。

碳化硅（SIC）是半导体界公认的“一种未来的材料”，是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后5 10年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅（SI）材料的负载量已到达极限，以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。而金刚石虽然说本质也是碳，但原子排列不一样，目前不能代替芯片材料！至少是几十年以内！

未来碳基芯片有可能替代硅基芯片。

金刚石是可以代替芯片的基体材料硅。

硅被采用作为芯片的基本材料，第一个是因为它储量巨大。硅在自然界并不单独存在，最常见的化合物是二氧化硅和硅酸盐，广泛存在于岩石、砂砾和尘土。如此作为芯片制造的基本材料，是非常容易得到。

第二个原因是硅提纯技术发展成熟，人类可以生产近乎完美的硅晶体

第三个原因是硅性质稳定，包括化学性质和物理性质。例如曾经做过芯体材料的锗，当温度达到75 以上时，其导电率有较大变化。对于芯片而言，此现象将会引发其性能的稳定性。硅相比锗，就优秀的多。

尽管硅有如此多的优点，作为半导体材料，用来制作芯片的基本组件晶体管。但是，随着现代经济的发展，在越来越多的需要提高速度、减少延迟和光检测的应用中，硅正在达到性能的极限。为此需要寻求新材料的突破，从而制造全新的芯片。

金刚石，俗称钻石，如果用纯天然的钻石制造芯片，价格昂贵，且芯片总体数量是可预估的。但是金刚石原料的储量是可以依靠人造钻石来解决。

其次，在性质表现方面，钻石作为半导体材料具有最好的绝缘耐压性和最高的热传导率。人们通常观念里认为钻石不导电，该说法不严谨，实际上钻石电阻非常大。但是目前日本研究员在钻石中掺进杂质解决了该问题，并首次制成双极型晶体管，为研究节能半导体元件开辟了道路。

设想钻石作为半导体制作的手机芯片出现，由于耐受高温的特性，电子元器件的老化会得到有效遏制，自然智能手机的电子寿命会延长。其次该芯片能够减少发热量，手机会变得更薄，省下来的空间也可以用来提升手机性能。这仅仅是手机领域，像重工业和航天工业借助钻石芯片受惠更多。

金刚石是可以替代硅的，只是目前还存在一定的技术难度，需要科研人员努力探索。

硅的性质，氧化二氧化硅，可作绝缘材料，单晶硅，渗其它元素后，形成极性，可外延可，气相叠加，可化学刻录图案，而金刚石，是碳，有以工能吗，如有气相叠加单晶硅，有可以作极性材料，一是散热率，二导电率。

对这个问题我们首先分析这两种材料的特性之后再做判断。

一、硅

化学成分

硅是重要的半导体材料，化学元素符号Si。电活性杂质磷和硼在合格半导体和多晶硅中应分别低于0.4ppb和0.1ppb。拉制单晶时要掺入一定量的电活性杂质，以获得所要求的导电类型和电阻率。重金属铜、金、铁等和非金属碳都是极有害的杂质，它们的存在会使PN结性能变坏。硅中碳含量较高，低于1ppm者可认为是低碳单晶。碳含量超过3ppm时其有害作用已较显著。硅中氧含量甚高。氧的存在有益也有害。直拉硅单晶氧含量在5 40ppm范围内；区熔硅单晶氧含量可低于1ppm。

硅的性质

硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.12电子伏。载流子迁移率较高，电子迁移率为1350厘米2/伏·秒，空穴迁移率为480厘米2/伏·秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3 105欧·厘米,掺杂后电阻率可控制在104 10-4 欧·厘米的宽广范围内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长,在几十微秒至1毫秒之间。

热导率较大。化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属-氧化物-半导体结构,制造MOS场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压、反向漏电流小、效率高、使用寿命长、可靠性好、热传导好，并能在200高温下运行等优点。

技术参数

硅单晶主要技术参数有导电类型、电阻率与均匀度、非平衡载流子寿命、晶向与晶向偏离度、晶体缺陷等。

导电类型导电类型由掺入的施主或受主杂质决定。P型单晶多掺硼，N型单晶多掺磷,外延片衬底用N型单晶掺锑或砷。

电阻率与均匀度拉制单晶时掺入一定杂质以控制单晶的电阻率。由于杂质分布不匀，电阻率也不均匀。电阻率均匀性包括纵向电阻率均匀度、断面电阻率均匀度和微区电阻率均匀度。它直接影响器件参数的一致性和成品率。

非平衡载流子寿命光照或电注入产生的附加电子和空穴瞬即复合而消失，它们平均存在的时间称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命同器件放大倍数、反向电流和开关特性等均有关系。寿命值又间接地反映硅单晶的纯度，存在重金属杂质会使寿命值大大降低。

晶向与晶向偏离度常用的单晶晶向多为 (111)和(100)（见图）。晶体的轴与晶体方向不吻合时，其偏离的角度称为晶向偏离度。

单晶硅的制作

硅单晶按拉制方法不同分为无坩埚区熔(FZ)单晶与有坩埚直拉(CZ)单晶。区熔单晶不受坩埚污染，纯度较高，适于生产电阻率高于20欧·厘米的N型硅单晶（包括中子嬗变掺杂单晶）和高阻 P型硅单晶。由于含氧量低，区熔单晶机械强度较差。

大量区熔单晶用于制造高压整流器、晶体闸流管、高压晶体管等器件。直接法易于获得大直径单晶，但纯度低于区熔单晶，适于生产20欧·厘米以下的硅单晶。由于含氧量高,直拉单晶机械强度较好。大量直拉单晶用于制造MOS集成电路、大功率晶体管等器件。外延片衬底单晶也用直拉法生产。硅单晶商品多制成抛光片，但对FZ单晶片与CZ单晶片须加以区别。外延片是在硅单晶片衬底（或尖晶石、蓝宝石等绝缘衬底）上外延生长硅单晶薄层而制成，大量用于制造双极型集成电路、高频晶体管、小功率晶体管等器件。

单晶硅的应用

单晶硅在太阳能电池中的应用，高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。

二、金刚石

金刚石俗称“金刚钻”。也就是我们常说的钻石的原身，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。金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。也是贵重宝石。

化学性质

金刚石是在地球深部高压、高温条件下形成的一种由碳元素组成的单质晶体，是指经过琢磨的金刚石。金刚石是无色正八面体晶体，其成分为纯碳，由碳原子以四价键链接，为目前已知自然存在最硬物质。由于金刚石中的C-C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，熔点在华氏6900度，金刚石在纯氧中燃点为720~800 ，在空气中为850~1000 ，而且不导电。

结构性质

金刚石结构分为；等轴晶系四面六面体立方体与六方晶系钻石。

在钻石晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于钻石中的C-C键很强，所以所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电。在工业上，钻石主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，形状完整的还用于制造手饰等高档装饰品，其价格十分昂贵。

结论：金刚石不能代替芯片的基体材料硅。

不要再提豫金刚石啦，它已经被关啦

晶体结构与性质晶体结构与性质知识点

他们都是原子晶体

在原子晶体中,原子半径越小,共价键越牢固,熔点越高

而原子半径的关系是：金刚石(C)>水晶(SiO2)>SiC>晶体硅(Si)

所以熔点的大小关系也是：金刚石(C)>水晶(SiO2)>SiC>晶体硅(Si)

第34讲晶体结构与性质（一）

考纲要求

1、理解离子键的形成，能根据离子化合物的结构特征解释其物理性质。

2、了解原子晶体的特征，能描述金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质的关系。

3、理解金属键的含义，能用金属键理论解释金属的一些物理性质。

4、了解化学键和分子间作用力的区别。

5、了解氢键的存在对物质性质的影响，能列举含有氢键的物质。

6、了解分子晶体与原子晶体、离子晶体、金属晶体的结构微粒、微粒间作用力的区别。

7、了解简单配合物的成键情况。

课前预习区

一、认识晶体

1、晶体的定义：微观粒子在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质

2、晶体的特性：

（1）有规则的几何外形（自范性：在适宜的条件下，晶体能够自发的呈现封闭的、规则的多面

体外形。）（2）有确定的熔点

（3）各向异性：在不同的方向上表现不同的性质（4）具有特定的对称性

3、晶体是由晶胞堆积得到的，故晶胞就能反映整个晶体的组成。利用晶胞可以求化学式——均

摊法。

均摊法是指每个晶胞平均拥有的粒子数目。若某个粒子为N 个晶胞所共有，则该粒子有1/N

属于此晶胞。以正方体晶胞为例，晶胞中不同位置的粒子对晶胞的贡献为：

顶点原子_______属于此晶胞棱上原子_______属于此晶胞

面上原子_______属于此晶胞体内原子完全属于此晶胞

若晶胞为六棱柱，则顶点原子有________属于此晶胞，棱上有________属于此晶胞。

练习、硼镁化合物刷新了金属化合物超导温度的最高记录。该化合

物晶体结构中的重复结构单元如图所示。十二个镁原子间形成正六

棱柱，两个镁原子分别在棱柱上底、下底的中心；六个硼原子位于

棱柱内。则该化合物的化学式可表示为

A 、Mg 14B 6 B 、MgB 2 （） ● ○ Mg B

C 、Mg 5B 12 D 、Mg 3B 2

二、晶体结构

1、金属晶体

（1）金属键：_____________________________________________________________

成键微粒：________________________

特征：

影响金属键强弱因素及对金属性质的影响：

（2）金属晶体：

（3）金属晶体物理性质的解释

2、离子晶体

（1）离子键：____________________________________________________________

成键微粒：_________________ 特征：____________________________

影响离子键强弱因素：

（2）离子晶体定义：

（3）晶格能：

①影响因素

②与离子晶体性质的关系：晶格能越大，形成的离子晶体越，且熔点越，硬度

越。

（4）常见的晶胞类型

①氯化钠型

配位数：________。即每个钠离子周围距离最近且相等的氯离子有_____个，每个氯离子周

围距离最近且相等的钠离子有_____个，每个钠离子周围距离最近且相等的钠离子有_____个，每个氯离子周围距离最近且相等的氯离子有______个。晶胞中Na +和Cl -的数目分别为：________

②氯化铯型

配位数：________。即每个铯离子周围距离最近且相等的氯离子有______个，每个氯离子周

围距离最近且相等的铯离子有______个，每个铯离子周围距离最近且相等的铯离子有_______个，每个氯离子周围距离最近且相等的氯离子有______个。

晶胞中Cs +和Cl -的数目分别为：_________

3、原子晶体

（1）概念：________________________________________________________________

（2）几种常见的原子晶体

①金刚石：结构：空间网状结构，碳原子以______杂化与它紧邻的四个碳原子以共价键结合。

键角_______。晶体内最小环为______元环。12克金刚石含_______摩尔共价键。

②晶体硅：与金刚石结构相同

③水晶：在晶体硅结构中的每个Si —Si 键中插入一个氧原子，便可得到以硅氧四面体为骨架

的二氧化硅的结构。最小环为______元环。

第34讲晶体结构与性质（一）

课堂互动区

考点一、晶体空间结构及相关计算

例1、1987年2月，朱经武教授等发现钇钡铜氧

化物在90K 温度下即具有超导性。若该化合物

的结构单元如右图所示，该化合物的化学式可能

为（）

A 、YBa 2CuO 7－x B 、YBa 2Cu 2O 7－x

C 、YBa 2Cu 3O 7－x D 、YBa 2Cu 4O 7－x

变式1、许多物质在通常条件下是以晶体的形式存在，而一种晶

体又可视做由若干相同的基本结构单元构成，这些基本结构单

元在结构化学中被称作晶胞。已知某化合物是由钙、钛、氧三

种元素组成的晶体，其晶胞结构如图所示，则该物质的化学式

为___________

例2、（06江苏卷）下列关于晶体的说法一定正确的是（）

A 、分子晶体中都存在共价键

B 、CaTiO 3晶体中每个Ti 4+和12个O 2相紧邻－

C 、SiO 2晶体中每个硅原子与两个氧原子以共价键相结合

D 、金属晶体的熔点都比分子晶体的熔点高

面形成的I x O y n 的化学式为 —CaTiO 3晶体结构模型 2＋2－4＋图中Ca 、O 、Ti 体心、面心和顶点

—分别位于立方体的变式2、碘元素有多种价态，可以形成多种含氧阴离子I x O y 。由2个IO 62正八面体共用一个

— n — — （） D 、I 2O 1210 — A 、I 2O 94

规律小结：

— B 、I 2O 106 C 、I 2O 118

考点二、晶体微粒间的作用力及物理性质的比较

例3、（2008全国Ⅰ卷）下列化合物，按其品体的熔点由高到低排列正确的是（）

A 、SiO 2 CsCl CBr 4 CF 4 B 、SiO 2 CsCl CF 4 CBr 4

C 、CsCl SiO 2 CBr 4 CF 4 D 、CF 4 CBr 4 CsCl SiO 2

变式3、（06广东卷）下列物质性质的变化规律，与共价键的键能大小有关的是（）

A 、F 2、Cl 2、Br 2、I 2的熔点、沸点逐渐升高

B 、HF 、HCl 、HBr 、HI 的熔点、沸点依次升高

C 、金刚石的硬度、熔点、沸点都高于晶体硅

D 、NaF 、NaCl 、NaBr 、NaI 的熔点依次降低

例4、下列说法错误的是（）

A 、原子晶体中只存在非极性共价键

B 、分子晶体的状态变化，只需克服分子间作用力

C 、金属晶体通常具有导电、导热和良好的延展性 D 、离子晶体在熔化状态下能导电

变式4、X 是核外电子数最少的元素，Y 是地壳中含量最丰富的元素，Z 在地壳中的含量仅次于Y ，W 可以形成自然界最硬的原子晶体。下列叙述错误的是．．（）

A 、WX 4是沼气的主要成分 B 、固态X 2Y 是分子晶体

C 、ZW 是原子晶体 D 、ZY 2的水溶液俗称“水玻璃”

规律小结：

晶体熔沸点高低的比较：