第423章 钻石囚笼

　　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1500 w\/cm2。”

　　“这是什么概念？太阳表面的热流密度大约是6000 w\/cm2。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500 w\/cm2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 ＜ 1nm。”

　　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 ＜ 1nm？”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。

　　“1500 w\/cm2。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10mm x 10mm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。

　　“cmp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1 ppm\/K。铌酸锂是15 ppm\/K。”

　　“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。

　　“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：1500 w\/cm2。

　　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，Ligentec。

　　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。”
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