? ? 探究大尺寸單晶金剛石合成的路徑與挑戰(zhàn)

???金剛石，因其出色的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的電學(xué)特性、卓越的熱傳導(dǎo)性以及獨(dú)特的光學(xué)性能，在眾多領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。而如何實(shí)現(xiàn)大尺寸金剛石的合成，成為了當(dāng)前科研和工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的關(guān)鍵性問題。這一挑戰(zhàn)不僅關(guān)乎金剛石材料的進(jìn)一步拓展應(yīng)用，更對(duì)推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步具有重要意義。

合成大尺寸金剛石的主要路線

HPHT法，作為傳統(tǒng)的金剛石合成方法，雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石的批量生產(chǎn)，但其受到高壓設(shè)備體積的限制，使得晶體尺寸的提升空間有限。此外，HPHT法在合成過程中需要引入催化劑來促進(jìn)成核，這往往導(dǎo)致金剛石內(nèi)部雜質(zhì)含量較高，難以有效減少。

相比之下，CVD法展現(xiàn)出了更大的優(yōu)勢(shì)。它擁有更大的有效生長(zhǎng)空間，且使用的原材料純度較高，從而能夠合成出純度更高的金剛石。尤其在摻雜處理方面，CVD法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。其中，微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）更是被廣泛認(rèn)為是目前合成單晶金剛石的最佳方法。

在CVD法合成金剛石的過程中，根據(jù)襯底種類的不同，可以進(jìn)一步分為異質(zhì)外延法和同質(zhì)外延法。而合成大尺寸金剛石則主要存在三種具體路線：

1、三維生長(zhǎng)（單顆生長(zhǎng)）：這種方法通過優(yōu)化生長(zhǎng)條件，使得金剛石在單個(gè)籽晶上實(shí)現(xiàn)三維方向的均勻生長(zhǎng)。其優(yōu)勢(shì)在于能夠制備出高質(zhì)量的晶體，且位錯(cuò)密度較低。然而，隨著晶體尺寸的增大，生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。同時(shí)，由于生長(zhǎng)界面的不斷變化，內(nèi)部缺陷和位錯(cuò)逐漸增多，即使對(duì)表面進(jìn)行打磨再生長(zhǎng)，最終切割后仍有較高的破損概率。由于受到各種加工因素的限制，三維生長(zhǎng)法并不是最優(yōu)的選擇。

2、拼接生長(zhǎng)：該方法通過精確控制多個(gè)小尺寸金剛石的生長(zhǎng)方向和晶向，將它們拼接在一起形成大尺寸的金剛石。雖然這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸金剛石的制備，但拼接區(qū)域的晶向匹配和應(yīng)力控制成為技術(shù)難點(diǎn)。

3、異質(zhì)外延法：由于高質(zhì)量的單晶金剛石襯底難以獲得，因此選擇合適的異質(zhì)襯底進(jìn)行單晶金剛石的外延生長(zhǎng)成為制備英寸級(jí)單晶金剛石的理想方案。在CVD沉積過程中，生長(zhǎng)過程可以分為形核和晶體長(zhǎng)大階段。初始形核通過重組周圍碳原子的排列，不斷擴(kuò)大形核區(qū)域，最終形成規(guī)則的金剛石晶體。提高形核密度以及選擇合適的異質(zhì)襯底是成功實(shí)現(xiàn)金剛石異質(zhì)外延生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。在襯底材料的選擇方面，經(jīng)過多年的研究探索，被認(rèn)為是最優(yōu)的選擇，它是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、大尺寸金剛石異質(zhì)外延生長(zhǎng)的襯底材料。?

異質(zhì)外延是一個(gè)物理學(xué)名詞。外延生長(zhǎng)的薄膜材料和襯底材料不同，或者說生長(zhǎng)化學(xué)組分、甚至是物理結(jié)構(gòu)和襯底完全不同的外延層，相應(yīng)的工藝就叫做異質(zhì)外延；這類工藝復(fù)雜、成本較低。

中文名異質(zhì)外延法

外文名heteroepitaxy

這種方法在晶體生長(zhǎng)中應(yīng)用的比較多，能夠改善晶體的生長(zhǎng)，可以用來形成自然界中沒有的人工結(jié)構(gòu)材料。

在半導(dǎo)體應(yīng)用中，異質(zhì)外延材料的選擇是根據(jù)其能帶間隙和晶格匹配來決定的。對(duì)于光學(xué)應(yīng)用，還需要考慮光子躍遷方式。

技術(shù)攻克

金剛石襯底的尺寸需求正不斷向英寸級(jí)大晶圓面積邁進(jìn)，特別是在化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)。鑒于天然大尺寸金剛石材料儲(chǔ)備稀缺、價(jià)格昂貴且質(zhì)量參差不齊，難以滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)化應(yīng)用需求，因此，利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)制備英寸級(jí)單晶金剛石已成為亟待攻克的核心技術(shù)難題。

在切割與剝離環(huán)節(jié)，單晶金剛石在籽晶上完成生長(zhǎng)后，需具備便捷、無損的切割與剝離能力。當(dāng)前，CVD單晶金剛石的剝離主要依賴于激光切割技術(shù)，然而，該技術(shù)在大尺寸金剛石領(lǐng)域還需要不斷探索，雖然目前水導(dǎo)激光已經(jīng)能夠解決，但是，其昂貴的設(shè)備成本和較長(zhǎng)的加工時(shí)間，仍需繼續(xù)努力才能批量化工業(yè)應(yīng)用。

? 我們河南合贏激光，下一步將重點(diǎn)圍繞水導(dǎo)激光切割金剛石領(lǐng)域進(jìn)行突破，如有相關(guān)資源，歡迎推薦。

? 至于研磨與拋光工序，單晶金剛石表面的粗糙度及面型精度必須嚴(yán)格符合功能器件的高標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是在半導(dǎo)體襯底器件領(lǐng)域，這些指標(biāo)更是至關(guān)重要。

? 實(shí)現(xiàn)英寸級(jí)單晶金剛石的高精度研磨與拋光，依然是一個(gè)亟待解決的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

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