Ansökan: Ett nytt kisel på diamant på kiselkarbid-hybridsubstrat (SODSiC) med optimal värmeledning för framtidens elektronikkomponenter

Tidsperiod:

1 januari 2010 – 31 december 2012

Projektledare:

Hans Norström

Projektdeltagare:

Jörgen Olsson

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

2 364 000 SEK

Det övergripande målet med detta projekt är att utveckla och optimera ett nytt utgångsmaterial för elektronikkomponenter: en skiva med tunna skikt av kisel och diamant på tjockare kiselkarbid. Det nya materialet kommer att tillåta högre elektrisk effekt än idag och de goda elektroniska egenskaperna hos materialen kommer att leda till att komponenter som arbetar vid än högre frekvenser kan utvecklas.

Kisel är det absolut vanligaste materialet vid tillverkning av elektronikkomponenter och det fungerar mycket bra i de flesta fall. Själva komponenterna serietillverkas i och på ytan av kiselskivor, men det mesta av materialet fungerar endast som bärare av ytan. När elektronikkomponenterna skall användas vid höga frekvenser och vid hög effekt, som till exempel vid mobiltelefoni, kan dock den overksamma delen ställa till besvär.

Vid höga frekvenser så kommer en del av signalen som behandlas i komponenterna att läcka till den inre, overksamma, delen av skivan. Detta läckage ger upphov till signalstörningar och effektförluster. Man kan delvis lösa problemet genom att placera ett lager av elektriskt isolerande kiseldioxid mellan ytan och det inre av skivan. Olyckligtvis så kommer en del av signalen att läcka ändå, och dessutom har man infört ett material med 100 gånger sämre värmeledningsförmåga än kisel.

Vid höga effekter alstras det mycket värme i komponenterna. Denna värme måste hållas nere för att inte kretsen skall bli förstörd. Om man som idag använder skikt av kiseldioxid som elektrisk isolering så måste man ta till avancerade och energikrävande kylsystem. Genom att byta till elektriska isolatormaterial med många hundra gånger bättre termisk ledningsförmåga än kiseldioxid behövs ingen aktiv kylning. Diamant är den allra bästa värmeledaren, men man kan idag inte göra stora skivor av kompakt diamant; däremot går det bra att belägga i tunna skikt. Polykristallin kiselkarbid har också mycket god värmeledningsförmåga och kan dessutom tillverkas i stora skivor lämpliga för halvledarindustrin.

Vår projektansökan syftar till att överföra ett tunt kiselskikt till en diamantbelagd kiselkarbidskiva, för att på så sätt samtidigt kunna dra nytta av etablerad kiseltillverkningsteknik, god värmeledning och goda högfrekvensegenskaper. Mellan kisel och diamant vill vi lägga ett tunt skikt av polykristallint kisel. Skiktet har flera uppgifter. Den första är att fungera som ett spackel som kan slipas absolut plant. Diamant är mycket hårt och därför svårt att polera till den helt plana spegelblanka yta som krävs för sammanfogningen. Den andra uppgiften är att fungera som ett begravt elektriskt ledande skikt som avskärmar komponenterna från kiselkarbiden. Den tredje uppgiften är att fungera som en fälla för föroreningar i ytskiktet. Polykristallint kisel har många kristalldefekter. Vid en värmebehandling diffunderar oönskade ämnen runt i materialet, ämnen som kan påverka funktionen. När de passerar en kristalldefekt fastnar de där och blir ofarliga.

För att kunna förverkliga den nya högfrekvens- och högeffektskivan måste vi undersöka materialstacken noggrant. Vi måste undersöka vilka ytegenskaper och vilken temperatur som krävs för att sammanfoga skivorna. Vi måste också försöka hitta optimal tjocklek av det polykristallina kiselskiktet och vilken storlek på kiselkornen som fungerar bäst för att fånga in föroreningar. Och vi måste tillverka elektroniska komponenter på det nya substratet och göra elektriska mätningar för att verifiera de nya goda egenskaperna.