ญี่ปุ่นพัฒนาเทคโนโลยี Laser Slicing ใหม่สำหรับ Diamond Semiconductor

เพชรเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แต่การหั่นเป็นแผ่นเวเฟอร์บางๆ อาจเป็นเรื่องที่น่าปวดหัวและท้าทายอย่างยิ่ง
ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยชิบะได้พัฒนาเทคนิคที่ใช้เลเซอร์ใหม่ ซึ่งสามารถตัดเพชรไปตามระนาบคริสตัลที่เหมาะสมที่สุด การค้นพบนี้จะช่วยทำให้วัสดุนี้คุ้มค่ามากขึ้นสำหรับการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในยานพาหนะไฟฟ้าและเทคโนโลยีการสื่อสารความเร็วสูง
ก่อนหน้านี้ แม้ว่าคุณสมบัติของเพชรจะน่าสนใจสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แต่การนำวัสดุเพชรไปประยุกต์ใช้นั้นถูกจำกัดเนื่องจากขาดเทคโนโลยีที่มีอยู่ในตลาดในปัจจุบันในการเจียระไนเพชรให้เป็นชิ้นบางๆ อย่างมีประสิทธิภาพ ในกรณีที่ไม่มีการแบ่งส่วนที่มีประสิทธิภาพ เวเฟอร์จะต้องถูกสังเคราะห์ทีละชิ้น ซึ่งทำให้ต้นทุนการผลิตเป็นสิ่งที่ห้ามปรามในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่
กลุ่มวิจัยของญี่ปุ่นซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ฮิโรฟุมิ ฮิได จากบัณฑิตวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยชิบะ เพิ่งค้นพบวิธีแก้ไขปัญหานี้
ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Diamonds and Related Materials พวกเขารายงานเทคนิคการหั่นด้วยเลเซอร์แบบใหม่ที่สามารถใช้เพื่อตัดเพชรอย่างหมดจดตามพื้นผิวคริสตัลที่ดีที่สุดเพื่อสร้างเวเฟอร์ที่เรียบ
คุณสมบัติของคริสตัลส่วนใหญ่ รวมทั้งเพชร จะแตกต่างกันไปตามระนาบคริสตัลที่แตกต่างกัน (พื้นผิวที่สมมุติว่ามีอะตอมที่ประกอบเป็นคริสตัล) ตัวอย่างเช่น เพชรสามารถเจียระไนตามพื้นผิว ｛111｝ ได้อย่างง่ายดาย อย่างไรก็ตาม การตัด ｛100｝ เป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากยังทำให้เกิดรอยแตกตามพื้นผิวที่แตกสลาย ｛111｝ ซึ่งจะเพิ่มการสูญเสียรอยบาก
เพื่อป้องกันการแพร่กระจายของรอยแตกที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้ นักวิจัยได้พัฒนาเทคนิคการประมวลผลเพชรที่เน้นพัลส์เลเซอร์สั้นบนปริมาตรที่แคบและเรียวภายในวัสดุ
ศาสตราจารย์ ฮิได อธิบายว่า "การฉายรังสีด้วยเลเซอร์แบบมุ่งเน้นจะเปลี่ยนเพชรให้เป็นคาร์บอนอสัณฐาน ซึ่งมีความหนาแน่นต่ำกว่าเพชร ผลก็คือ ความหนาแน่นของพื้นที่ที่ถูกเปลี่ยนแปลงโดยพัลส์เลเซอร์จะลดลงและอาจเกิดรอยแตกร้าวได้"
ด้วยการฉายรังสีพัลส์เลเซอร์เหล่านี้ไปยังตัวอย่างเพชรโปร่งใสในรูปแบบตารางสี่เหลี่ยม นักวิจัยได้สร้างตารางภายในวัสดุที่ประกอบด้วยบริเวณเล็กๆ ที่มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าว หากระยะห่างระหว่างขอบเขตที่แก้ไขในตารางและจำนวนพัลส์เลเซอร์ที่ใช้ในแต่ละภูมิภาคมีความเหมาะสม ขอบเขตที่แก้ไขทั้งหมดจะเชื่อมต่อถึงกันด้วยรอยแตกเล็กๆ ที่แพร่กระจายไปตามระนาบ ｛100｝ โดยเฉพาะ ดังนั้น แผ่นเวเฟอร์เรียบที่มีพื้นผิว ｛100｝ จึงสามารถแยกออกจากส่วนที่เหลือของบล็อกได้อย่างง่ายดาย เพียงกดเข็มทังสเตนแหลมคมไปที่ด้านหนึ่งของตัวอย่าง
โดยรวมแล้ว เทคนิคข้างต้นเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำให้เพชรเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับเทคโนโลยีในอนาคต ในเรื่องนี้ ศาสตราจารย์ Hidai กล่าวว่า "ความสามารถของชิ้นเพชรในการผลิตเวเฟอร์คุณภาพสูงด้วยต้นทุนที่ต่ำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เพชร ดังนั้น การวิจัยนี้ทำให้เราเข้าใกล้การตระหนักถึงการใช้งานต่างๆ ของเพชรมากขึ้นอีกก้าวหนึ่ง เซมิคอนดักเตอร์ในสังคม เช่น การปรับปรุงอัตราการแปลงพลังงานของรถยนต์ไฟฟ้าและรถไฟ"