Il Giappone sviluppa una nuova tecnologia di taglio laser per semiconduttori diamantati

Il diamante è un materiale promettente per l'industria dei semiconduttori, ma tagliarlo in wafer sottili può essere un vero grattacapo e una vera sfida.
In uno studio recente, un team di ricercatori dell’Università di Chiba ha sviluppato una nuova tecnica basata sul laser in grado di tagliare il diamante lungo il piano cristallino ottimale. Questa scoperta contribuirà a rendere questo materiale più conveniente per un’efficiente conversione di potenza nei veicoli elettrici e nelle tecnologie di comunicazione ad alta velocità.
In precedenza, sebbene le proprietà del diamante fossero interessanti per l’industria dei semiconduttori, l’applicazione dei materiali diamantati era limitata dalla mancanza di tecnologia attualmente sul mercato per tagliare in modo efficiente il diamante in fette sottili. In assenza di un affettamento efficiente, i wafer devono essere sintetizzati uno per uno, rendendo proibitivi i costi di produzione nella maggior parte dei settori.
Un gruppo di ricerca giapponese guidato dal professor Hirofumi Hidai della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba ha recentemente trovato una soluzione a questo problema.
In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Diamonds and Related Materials, viene riportata una nuova tecnica di taglio basata sul laser che può essere utilizzata per tagliare in modo pulito i diamanti lungo la superficie ottimale del cristallo per produrre wafer lisci.
Le proprietà della maggior parte dei cristalli, compreso il diamante, variano lungo diversi piani cristallini (superfici che ipoteticamente contengono gli atomi che compongono il cristallo). Ad esempio, il diamante può essere facilmente tagliato lungo la superficie di ｛111｝. Tuttavia, lo slicing ｛100｝ è impegnativo perché produce anche crepe lungo la superficie disintegrata ｛111｝, che aumenta la perdita di notch.
Per prevenire la propagazione di queste crepe indesiderate, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di lavorazione del diamante che concentra brevi impulsi laser su un volume stretto e rastremato all'interno del materiale.
Il professor Hidai spiega: "L'irradiazione laser focalizzata converte il diamante in carbonio amorfo, che ha una densità inferiore a quella del diamante. Di conseguenza, la densità dell'area alterata dagli impulsi laser diminuisce e si possono formare delle crepe".
Irradiando questi impulsi laser su un campione di diamante trasparente secondo uno schema a griglia quadrata, i ricercatori hanno creato una griglia all'interno del materiale costituita da piccole regioni soggette a crepe. Se la spaziatura tra le regioni modificate nella griglia e il numero di impulsi laser utilizzati in ciascuna regione è ottimale, tutte le regioni modificate sono collegate tra loro da piccole fessure che si propagano preferenzialmente lungo il piano ｛100｝. Pertanto, un wafer liscio con una superficie di ｛100｝ può essere facilmente separato dal resto del blocco semplicemente spingendo un ago di tungsteno affilato su un lato del campione.
Nel complesso, la tecnica di cui sopra è un passo fondamentale per rendere il diamante un materiale semiconduttore adatto per le tecnologie future. A questo proposito, il Prof. Hidai afferma: "La capacità delle fette di diamante di produrre wafer di alta qualità a basso costo è cruciale per la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore di diamante. Pertanto, questa ricerca ci porta un passo avanti verso la realizzazione delle varie applicazioni del diamante semiconduttori nella società, come il miglioramento del tasso di conversione della potenza delle auto e dei treni elettrici."