Diamenty najlepszym przyjacielem mikroelektroniki

Odporność diamentu na elastyczne (odwracalne) zmiany kształtu pod wpływem obciążenia (przy wysokim module Younga) umożliwia tworzenie rezonatorów o bardzo wysokiej częstotliwości i wysokiej dobroci. Diament nanokrystaliczny zachowuje przy tym kompatybilność z istniejącymi technologiami krzemowych półprzewodników CMOS, co jest ważną zaletą w porównaniu z wieloma innymi materiałami stosowanymi w układach mikroelektromechanicznych.

Głównym celem utworzenia finansowanego ze środków UE projektu "Microelectromechanical systems from nanocrystalline diamond" (DIAMEMS) było zoptymalizowanie wzrostu i planaryzacji diamentów nanokrystalicznych. Umiejętność wytwarzania gładkich i ciągłych diamentów nanokrystalicznych obejmujących duże powierzchnie i wykazujących właściwości większych diamentów mogłaby przyczynić się do obniżenia cen istniejących zastosowań diamentów. Dodatkowo pozwoliłaby badać nowe zastosowania poza samą mikroelektromechaniką, na przykład w powłokach trybologicznych.

Zoptymalizowanie zarodkowania i osadzania chemicznego z fazy gazowej we względnie niskich temperaturach (400°C) pozwoliło uzyskać jednolite warstwy diamentów nanokrystalicznych o grubości 30 nm. Pomyślna planaryzacja do bardzo niskiej szorstkości metodą polerowania chemiczno-mechanicznego została opisana w artykule opublikowanym w prestiżowym piśmie.

Opracowano dwie różne metody integrowania azotku glinu (AlN) — materiału ceramicznego powszechnie używanego w mikroelektronice. Pierwsza, bardziej tradycyjna metoda polegająca na hodowaniu AlN na wypolerowanej powierzchni z diamentu nanokrystalicznego umożliwiła stworzenie układów przetwarzania akustycznych fal powierzchniowych (często używanych w roli filtrów lub oscylatorów o wysokiej częstotliwości) pracujących z częstotliwościami przekraczającymi 15 GHz. Zaprezentowanie wynikowych czujników ciśnienia o dużej precyzji i odporności na niesprzyjające warunki otoczenia pozwoliło pozyskać inwestora w postaci dużego przedsiębiorstwa telekomunikacyjnego. Rozwijanie tej metody opisano w trzech kolejnych publikacjach.

Druga metoda polega na manipulowaniu różnicą napięcia między powierzchnią zarodków diamentów nanokrystalicznych a roztworem osadzania masowego (potencjałem elektrokinetycznym). Wyeliminowanie etapu planaryzacji pozwoliło znacznie obniżyć koszty. Podejście to umożliwiło zademonstrowanie układów mikroelektromechanicznych o wysokiej częstotliwości. Prace nad azotkiem glinu i diamentem nanokrystalicznym przyniosły łącznie sześć publikacji.

Domieszkowanie np. borem pozwala zmienić diament nanokrystaliczny z jednego z najlepszych izolatorów elektrycznych w nadprzewodnik. Badania nad wykorzystaniem tego zjawiska w układach mikroelektromechanicznych doprowadziły do demonstracji nadprzewodzącego nanorezonatora, opisanego w kolejnej publikacji.

Projekt DIAMEMS w pełni dowiódł przydatności nanostruktur diamentowych w układach elektronicznych, otwierając drogę do znacznego zmniejszenia kosztów w licznych dziedzinach. Wyniki będą mieć istotny wpływ socjoekonomiczny, o czym najlepiej świadczą poważne inwestycje przemysłowe w dalsze prace.