Einführung in Diamant-Wafer: Monokristallin vs. Polykristallin

Gegenwärtig werden Diamantscheiben aufgrund ihrer außergewöhnlichen Härte und ihrer exklusiven Eigenschaften in der High-Tech-Industrie für elektronische und optische Zwecke sowie zum Schneiden und Polieren verwendet. Diamantscheiben werden insbesondere wegen ihrer außerordentlichen Widerstandsfähigkeit gegen extreme Bedingungen wie hohe Temperaturen und starke mechanische Beanspruchung geschätzt. Die gängigsten Arten von Diamantplättchen sind monokristallin und polykristallin; beide Arten haben einige unterschiedliche Merkmale und Vorteile für bestimmte Anwendungen.

Was sind Diamantplättchen?

Ein Diamant-Wafer ist ein dünnes, flaches Stück synthetischen Diamantmaterials, das im Allgemeinen durch Verfahren wie CVD- oder HPHT-Methoden hergestellt wird. Diese Wafer werden auf eine bestimmte Größe zugeschnitten und werden hauptsächlich als Substrate in verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt. Die Härte und Wärmeleitfähigkeit von Diamant machen ihn zu einem Material, das in Bereichen eingesetzt werden kann, in denen herkömmliche Materialien versagen könnten.

Abb. 1 CVD-Diamant-Wafer

Monokristalline Diamant-Wafer

Die monokristalline Diamantscheibe wird aus einem einzigen, durchgehenden Diamantkristall hergestellt. Mit anderen Worten, der gesamte Wafer wird aus einer einheitlichen Struktur hergestellt, in der alle Atome in der gleichen Weise angeordnet sind. Diese Einheitlichkeit verleiht monokristallinen Diamanten einzigartige Eigenschaften, darunter:

- Hohe Wärmeleitfähigkeit: Dank ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit eignen sich monokristalline Diamanten perfekt für Anwendungen in der Hochleistungselektronik oder zur einfachen Wärmeableitung.

- Hohe mechanische Festigkeit: Monokristalline Diamanten besitzen aufgrund ihrer Kristallstruktur eine außergewöhnlich hohe Festigkeit, die sie für Anwendungen wie Schneiden, Schleifen und Bohren sehr effektiv macht.

- Optische Klarheit: Aufgrund ihrer Fähigkeit, Licht mit minimaler Verzerrung zu übertragen, können diese Wafer in der Präzisionsoptik eingesetzt werden. Dies bietet große Vorteile für die Lasertechnologie und spezielle Bildgebungsgeräte.

Die Züchtung monokristalliner Diamanten ist wesentlich zeitaufwändiger und teurer als die anderer Formen, aber das Endprodukt erfreut sich einer sehr starken Nachfrage bei Anwendungen mit kritischer Leistung, z. B. in der High-End-Halbleiterfertigung, im Quantencomputing und sogar in der Luft- und Raumfahrt.

Anwendungen von monokristallinen Diamantwafern:

• Leistungsstarke Elektronik: Verwendet in Leistungsgeräten, Kühlkörpern.
• Halbleiterindustrie: Als Substrate für fortschrittliche Halbleiterbauelemente.
• Optik und Laser: Dazu gehören Laserfenster und hochpräzise Linsen.
• Industrielles Schneiden und Bohren: Werkzeuge, die extrem verschleißfest sein müssen.

Polykristalline Diamantplättchen

Polykristalline Diamantscheiben hingegen werden durch das Sammeln von Diamantkristallen hergestellt, die miteinander verschmolzen werden. Diese Kristalle sind zwar aus Diamant, aber nicht in einer einzigen kontinuierlichen Struktur ausgerichtet. Das Ergebnis ist ein Material, das im Vergleich zu einkristallinem Diamant unterschiedliche mechanische und thermische Eigenschaften aufweist.

Abb. 2 Polykristalliner Diamant [1]

Zu den wichtigsten Merkmalen von polykristallinen Diamantscheiben gehören:

- Niedrigere Kosten: Polykristalline Diamanten sind in der Regel preiswerter als ihre monokristallinen Gegenstücke, was auf einen effizienteren Wachstumsprozess zurückzuführen ist. Dies macht polykristalline Diamantscheiben zu einer wirtschaftlichen Wahl für viele Anwendungen.

- Hohe Abriebfestigkeit: Obwohl er keine einkristalline Struktur hat, ist polykristalliner Diamant außerordentlich zäh und findet daher breite Anwendung beim Schneiden, Schleifen und Bohren, wo eine hohe Verschleißfestigkeit erforderlich ist.

- Vielseitigkeit: Die Anwendungsbereiche für polykristalline Diamanten sind aufgrund ihrer Flexibilität in der Produktion und ihrer Kosteneffizienz viel breiter gefächert.

Allerdings neigen polykristalline Diamantscheiben dazu, eine geringere Wärmeleitfähigkeit und eine geringere optische Klarheit als ihre monokristallinen Gegenstücke zu besitzen. Folglich können sie nicht in der Hochpräzisionsoptik eingesetzt werden oder wenn ein besseres Wärmemanagement erforderlich ist.

Anwendungen von polykristallinen Diamantplättchen:

• Industrielle Schneidwerkzeuge: Für Werkzeuge, die bei der maschinellen Bearbeitung, im Bergbau und bei anderen abrasiven Anwendungen eingesetzt werden.
• Kühlkörper: Wo eine hohe Wärmeleitfähigkeit weniger zwingend erforderlich ist.

• Verschleißfeste Beschichtungen für Komponenten, die unter schwierigen Umweltbedingungen arbeiten.

Vergleich: Monokristalline vs. polykristalline Diamantplättchen

Hier ist eine verfeinerte Vergleichstabelle mit einer klareren Struktur und spezifischen Datenpunkten, wo anwendbar:

Wichtigste Erkenntnisse:

• Thermische Leitfähigkeit: Monokristalline Diamanten sind bei der Wärmeableitung weit überlegen, was sie ideal für Hochleistungselektronik oder Umgebungen macht, die ein effizientes Wärmemanagement erfordern.
• Mechanische Festigkeit: Zwar sind beide Arten von Diamanten sehr widerstandsfähig, doch sind monokristalline Diamanten den polykristallinen in Bezug auf Gleichmäßigkeit und Zugfestigkeit überlegen.
• Kosteneffizienz: Polykristalline Diamantscheiben sind wesentlich kostengünstiger, was sie zu einer attraktiven Wahl für industrielle Anwendungen macht, bei denen die ultimative Leistung nicht so entscheidend ist.
• Optische Klarheit: Monokristalline Diamanten zeichnen sich aufgrund ihrer gleichmäßigen Kristallstruktur durch ihre optische Klarheit aus, während polykristalline Diamanten weniger transparent sind.

Schlussfolgerung

Die Wahl zwischen monokristallinen und polykristallinen Diamantplättchen hängt in der Regel von einer Reihe spezifischer Anwendungsanforderungen ab. Monokristalline Diamanten eignen sich aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Festigkeit viel besser für Hochpräzisionsanwendungen in der Halbleiterfertigung, der modernen Elektronik und der Optik. Polykristalline Diamantscheiben eignen sich für Anwendungen, die eine lange Lebensdauer erfordern, wie z. B. industrielles Schneiden und Bohren.

In dem Maße, wie sich Forschung und Technologie weiter verbessern, wird die Rolle von Diamantscheiben in vielen Industriezweigen weiter zunehmen, so dass diese Materialien für die Entwicklung effizienter, robuster und komplexer Technologien unverzichtbar werden. Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenz:

[1] Sobolev, Nikolay & Tomilenko, A. & Bul'bak, Taras & Logvinova, Alla. (2019). Composition of Hydrocarbons in Diamonds, Garnet, and Olivine from Diamondiferous Peridotites from the Udachnaya Pipe in Yakutia, Russia. Engineering. 5. 10.1016/j.eng.2019.03.002.