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第423章 钻石囚笼（第1页）

江州，pfl实验室。警报声虽然停了，但空气中依然弥漫着一股焦糊味。那块集成了微型锁模激光器的测试芯片，虽然产生了克尔孤子，但在运行了不到10分钟后，还是烧毁了。“热流密度太高了。”王海冰看着失效分析报告，脸色灰败。“激光器区域的瞬时热流密度达到了1500w2。”“这是什么概念？太阳表面的热流密度大约是6000w2。我们相当于在指甲盖大小的地方，造了四分之一个太阳。”“现有的双相流体回路只能处理500w2以下的热量。超过这个阈值，工质会瞬间膜态沸腾，形成气膜，锁死热传导。芯片瞬间就会积热熔化。”“必须上金刚石。”李振声教授断言，“只有金刚石的声子导热机制，才能在不导电的情况下，把这么恐怖的热量瞬间抽走。”“但是，”李振声指着显微镜下那堆昂贵的废墟，“怎么把金刚石弄上去？”“直接生长？不行。cvd金刚石生长需要800度高温，光子芯片里的铌酸锂和激光器400度就废了。”“低温键合？金刚石太硬，表面粗糙度很难抛光到纳米级。贴不紧，中间有空气层，热阻就会爆炸。”这是一个物理死结。要么热死，要么烫死，要么碎死。林远看着那堆废墟，沉默了片刻。“去河南。”“去找黄河。”“如果世界上有人能驯服金刚石，那一定是在那里。”河南，柘城。这里是全球人造钻石的中心，生产了全世界50以上的工业金刚石。空气中飘浮着石墨粉尘的味道。在一座巨大的厂房里，林远见到了黄河博士。他不像个海归博士，倒像个炼钢工人。穿着满是油污的工装，正对着一台六面顶压机咆哮。“压力不够！再加两千个大气压！我要的是电子级，不是磨刀石！”看到林远一行人，黄河擦了擦脸上的黑灰，咧嘴一笑，露出一口白牙。“林董，稀客啊。怎么，想买钻戒送人？”“不，我想要晶圆。”林远开门见山，“4英寸，电子级，多晶金刚石晶圆。”“还要抛光到ra＜1n。”黄河的笑容凝固了。他上下打量了林远一眼，像是在看一个疯子。“林董，你知道你在说什么吗？”他随手拿起一块黑乎乎的金刚石片，扔在桌上。“这是我们目前能做到的最好的。热导率1200，表面粗糙度50纳米。用来做大功率激光器的散热片勉强够用。”“你要ra＜1n？”黄河冷笑，“金刚石是地球上最硬的东西。要想把它磨平，你得用更硬的东西去磨它。但没有比它更硬的了。”“我们用的是化学机械抛光，用强氧化剂腐蚀表面，再配合金刚石微粉磨。磨一片2英寸的片子，要两周！成本比金子还贵十倍！”“你要4英寸？还要量产？”“做不到。”黄河拒绝得很干脆。“做不到也要做。”林远拿出了那块烧毁的芯片照片。“1500w2。没有你的钻石，我的芯片就是废铁。”“黄博士，我给你投20个亿。”“我要你在三个月内，解决大尺寸金刚石晶圆生长和超精密抛光两个问题。”“20亿？”黄河的眼皮跳了一下。这笔钱，足够他买下半个柘城的工厂了。“钱是好东西。但物理规律不认钱。”黄河叹了口气，指了指厂房深处的一个封闭车间。“跟我来。让你看看真正的难点在哪。”封闭车间里，摆放着几台进口的微波等离子体化学气相沉积设备。这是生长高品质金刚石的神器。利用微波激发甲烷和氢气，产生等离子体，碳原子在基底上层层沉积，长成钻石。“看这个。”黄河指着视窗里那团耀眼的紫色光球。“我们要长4英寸的片子，需要极高功率的微波源和极大的等离子体球。”“但是，当等离子体球变大时，边缘的温度和中心温度就会不一致。”“结果就是翘曲。”黄河拿出一片废弃的4英寸金刚石晶圆，放在平整的桌面上。肉眼可见，晶圆像薯片一样翘了起来。“翘曲度：500微米。”“林董，你的光子芯片是平的。我的钻石是弯的。”“强行压在一起？啪！两个都碎。”“这是内应力造成的。金刚石生长时温度800度，冷却到室温，热胀冷缩，内应力巨大。”“不解决应力问题，钻石永远只能做首饰，做不了晶圆。”林远看着那片“薯片”。“既然一次长不平……”“能不能拼？”“拼？”黄河一愣。“对。马赛克拼接。”林远提出了方案。“我们不需要一整块4英寸的钻石。我们只需要在芯片发热最厉害的那个区域，垫一块小钻石。”，！“把大问题拆解成小问题。”“我们把高品质10x10的小块金刚石，像贴瓷砖一样，拼在一个硅载体上。”“小块的翘曲度可以控制在微米级。然后再进行统抛光。”黄河摸了摸下巴：“拼接这倒是可行。但是，缝隙怎么办？激光器要是正好跨在缝隙上，热量散不出去，还是炸。”“那就用晶圆级精准对位。”王海冰插话道，“我们在设计芯片时，避开缝隙。让发热源精准地落在每一块瓷砖的中心。”“这需要极高的工艺控制。但比控制应力要简单。”黄河思考了良久。“行。拼！我负责种瓷砖，你们负责贴。”解决了“大”，还要解决“平”。哪怕是小块的钻石，表面依然是粗糙的多晶面，像砂纸一样。要把它磨成镜面，才能和芯片键合。“p太慢了。”林远看着黄河的抛光机，“我们要换个思路。”“不用磨的。用刻的。”“等离子体刻蚀抛光。”林远调出了之前在“普罗米修斯”计划中获得的资料。“利用高能氧离子束，以极低的角度掠射金刚石表面。”“突起的部分，会被优先氧化成二氧化碳气体飞走。凹陷的部分，保留下来。”“这叫原子级刨平。”“这需要昂贵的电感耦合等离子体刻蚀机。”黄河皱眉，“那是半导体设备，我这里只有压机。”“我给你调。”林远立刻拨通了孙大炮的电话，“把江钢工业之心备用的那台国产刻蚀机，拉到柘城来！”一个月后。第一批马赛克金刚石晶圆制作完成。表面粗糙度终于降到了2纳米。虽然还不够完美，但已经是国内极限。接下来，是最关键的一步键合。把这块金刚石晶圆，和那块脆弱的铌酸锂光子芯片，永久地粘在一起。pfl实验室。李振声教授看着两块晶圆，手心出汗。“我们不能用胶水。胶水导热太差，会成为热瓶颈。”“必须用范德华力直接键合。”“也就是，让两个表面的原子，靠得足够近，利用分子间作用力吸在一起。”“但是，金刚石太硬，铌酸锂太脆。稍微有一点点灰尘，或者一点点不平，键合就会失败，甚至产生空洞。”“一旦有空洞，热量积聚，芯片必炸。”“试试表面活化+中间层。”林远建议。“在金刚石表面，镀一层极薄的非晶硅。在铌酸锂表面，也镀一层非晶硅。然后，利用硅和硅之间的键合。硅比较软，可以填补金刚石表面的微小坑洼。”“但这会增加热阻。”李振声担心。“5纳米的硅，热阻可以忽略不计。”林远计算了一下，“只要能贴紧，比什么都强。”实验开始。真空键合机内，两片晶圆缓缓靠近。压力施加：2000牛顿。温度：室温。“接触波扩散……”李振声盯着红外显微镜。屏幕上，代表键合区域的黑色斑点开始迅速扩大，那是原子正在吸合的标志。一切看起来都很顺利。“键合完成。开始退火。”温度缓慢上升到200度。突然。“啪！”一声清脆的响声，在寂静的实验室里，如同枪声般刺耳。所有人的心都凉了。打开舱门。那块昂贵的lnoi光子芯片，已经碎成了蜘蛛网。而底下的金刚石晶圆，完好无损，冷漠地闪烁着光芒。“热失配。”李振声痛苦地闭上眼睛。“金刚石的热膨胀系数是1ppk。铌酸锂是15ppk。”“加热时，铌酸锂想膨胀，但金刚石死死拉住它不让动。”“应力超过了铌酸锂的断裂强度。它自杀了。”失败。彻底的失败。物理规律再次展示了它的无情。硬要把两个性格不合的材料凑在一起，结果只能是毁灭。林远捡起一块碎片，锋利的边缘划破了他的手指。鲜血滴在金刚石上，瞬间滑落。“不能加热。”林远看着血滴。“必须在室温下，完成所有强度的固化。”“但是，室温下的范德华力太弱了，经不起后续的切割工艺。”李振声摇头。“那就用纳米胶钉。”林远眼中闪过一丝狠厉。“我们在金刚石表面，刻蚀出无数个纳米级的倒钩。”“在铌酸锂表面，对应位置，刻蚀出凹槽。”“然后，在中间层引入一种特殊的液态金属。”“液态金属在室温下是液体，可以流动，填充缝隙，缓解应力。”“但它导热极好，远超胶水。”“我们不搞刚性连接。我们搞柔性导热连接！”“让芯片浮在金刚石上！”这是一个极其疯狂的构想。用液态金属做热界面材料，这在电脑cpu散热上常用。但在微米级的光子芯片内部使用，闻所未闻。小主，这个章节后面还有哦，，后面更精彩！“这液态金属会侧漏的，会短路！”王海冰反对。“用密封环。”林远在白板上画了一个圈。“在芯片的边缘，用光刻胶做一个密封圈，把液态金属锁在里面。”“这就像是一个三明治。”“上面是芯片，下面是金刚石，中间是液态金属馅料。”“热量通过液态金属传导，应力通过液体的流动释放。”“这是流体软着陆！”一周后。采用了“液态金属软着陆”方案的测试芯片，再次上机。锁模激光器启动。功率拉满。热流密度：1500w2。所有人都盯着温度传感器。85度……90度……92度……温度停住了！没有飙升到熔点，而是稳定在了一个安全区间。液态金属像一条高效的河流，将热量源源不断地搬运到金刚石基底上，再由金刚石瞬间扩散到整个封装壳体。而芯片本身，因为“浮”在液体上，没有受到任何热应力的拉扯，完好无损。“稳住了！”汪韬大喊，“量子噪声被压制了！算力输出稳定！”林远长长地出了一口气。他看着那个在显微镜下，散发着幽幽蓝光的“三明治”芯片。这是最硬的石头与最软的金属的结合。这是火与冰的平衡。他终于，在这个物理学的死胡同里，凿开了一条缝。但代价是巨大的。为了这块芯片，他消耗了大量的镓资源，也耗尽了黄河工厂半年的产能。而且，这种手搓出来的工艺，良率低得可怕。要想量产，要想把成本降下来，他必须解决“液态金属封装”的自动化问题。而这，需要一种全新的设备“微流控封装机”。这种设备，全球只有一家公司能做。瑞士，lintec。那个被cia投资的公司。那个燕清池说绝对搞不定的公司。林远的目光，再次投向了西方。“看来，还是得去一趟瑞士。”“既然买不到，那就换。”：（）官道红颜：她们助我一路升迁