金剛石因其在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)方面的優(yōu)異性能，被廣泛認(rèn)為具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，當(dāng)前工業(yè)上通過高溫高壓法大規(guī)模生產(chǎn)的單晶金剛石通常尺寸較小，一般不超過10毫米，這限制了其在許多高端領(lǐng)域的實際應(yīng)用。尤其是在需要大面積、連續(xù)材料的應(yīng)用場景中，這一尺寸瓶頸成為發(fā)展的障礙。因此，實現(xiàn)大尺寸金剛石的穩(wěn)定合成不僅是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，也關(guān)系到其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前研究和產(chǎn)業(yè)化中亟需解決的重要問題。

       合成路線

       當(dāng)前金剛石的合成技術(shù)主要有兩種：高壓高溫法（HPHT）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）。

       HPHT法由于設(shè)備在高壓條件下的體積限制，金剛石晶體尺寸的提升存在較大困難。此外，HPHT法需要通過引入催化劑來促進晶體成核，這使得合成的金剛石內(nèi)部雜質(zhì)難以避免，導(dǎo)致純度受限。相比之下，CVD法在合成中具備明顯的優(yōu)勢，不僅能夠提供更大的生長空間，原材料的純度也較高，從而使得最終合成的金剛石純度優(yōu)于HPHT法，特別是在摻雜處理的應(yīng)用中展現(xiàn)出較強的靈活性。目前，微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）被認(rèn)為是合成高質(zhì)量單晶金剛石的最有效途徑。

       理論上，只要有足夠大的襯底，就可以通過CVD法制備出相應(yīng)尺寸的單晶金剛石。根據(jù)襯底的不同，CVD法又可以分為異質(zhì)外延法和同質(zhì)外延法。

       在合成大尺寸金剛石的過程中，主要有三種技術(shù)路徑可供選擇，即三維單晶生長、拼接生長和異質(zhì)外延生長。這些方法各具特點，針對不同應(yīng)用場景，能夠為大尺寸金剛石的制造提供多樣化的解決方案。

大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       三維生長法的主要優(yōu)勢在于能夠獲得高質(zhì)量的晶體，其位錯密度較低，晶體結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。此外，該方法還可以為拼接生長提供大尺寸的籽晶，從而提高面積擴展的效率。在拼接生長或異質(zhì)外延生長之后，再進行外延層的擴展時，通常需要依賴三維單顆生長的技術(shù)基礎(chǔ)。然而，隨著生長次數(shù)的增加，晶體外延層的原子錯排問題逐漸加劇，導(dǎo)致尺寸擴展的難度加大。同時，由于生長界面的不斷變化，晶體內(nèi)部的缺陷和位錯也會逐漸增加。即使在生長過程中對表面進行打磨修整，最終切割后的晶體仍有較大可能出現(xiàn)破損的現(xiàn)象。

       因此，受限于這些加工過程中的問題，三維生長法在大尺寸金剛石的合成中雖然具備一定優(yōu)勢，但并不是最優(yōu)的選擇。

單顆金剛石多晶面三維生長 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       拼接生長法能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸單晶金剛石的制備，但其面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是籽晶的晶向問題。由于外延層的晶向會繼承籽晶的取向，如果籽晶的晶向存在偏差，拼接區(qū)域會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而影響晶體質(zhì)量。為了解決這一問題，需要對籽晶的結(jié)晶取向進行精確調(diào)節(jié)，確保在拼接時各個籽晶的晶向和厚度保持一致。只有這樣，才能通過馬賽克拼接法獲得大面積且高質(zhì)量的單晶金剛石。  

馬賽克拼接法制備大尺寸金剛石 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       異質(zhì)外延法是一種通過在異質(zhì)襯底上進行外延生長來制備單晶金剛石的技術(shù)，尤其適用于難以獲得高質(zhì)量大尺寸單晶金剛石襯底的情況。選擇合適的異質(zhì)襯底進行外延生長，成為制備英寸級單晶金剛石的理想方案。CVD沉積過程中，外延生長分為形核和長大兩個階段。初期的形核通過調(diào)整周圍碳原子的排列，使其逐漸形成規(guī)則的金剛石晶體結(jié)構(gòu)。因此，提高形核密度以及選擇合適的異質(zhì)襯底，是實現(xiàn)成功外延生長的關(guān)鍵。

       經(jīng)過長期研究，Ir（銥）被認(rèn)為是目前制備高質(zhì)量、大尺寸異質(zhì)外延單晶金剛石的最佳襯底材料，成為唯一能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定生長的選擇。

異質(zhì)外延法沉積大尺寸金剛石 圖源：公開網(wǎng)絡(luò)

       技術(shù)難題

       金剛石襯底尺寸

       為了滿足工業(yè)化應(yīng)用需求，化學(xué)氣相沉積法（CVD）需要制備英寸級的大面積單晶金剛石。然而，天然大尺寸金剛石資源稀缺、價格昂貴，且質(zhì)量不均衡，難以適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。因此，MPCVD法沉積英寸級單晶金剛石的技術(shù)突破，成為當(dāng)前急需解決的核心問題之一。

       切割與剝離

       在單晶金剛石通過CVD方法生長于籽晶后，必須能實現(xiàn)自由切割與剝離。目前，CVD單晶金剛石的剝離主要依靠激光切割技術(shù)，但該方法存在易碎、效率低等問題，亟需改進。

       研磨與拋光

       單晶金剛石在研磨和拋光后的表面粗糙度和面型精度，必須達到功能器件的嚴(yán)格要求。尤其在半導(dǎo)體領(lǐng)域，器件對襯底的表面質(zhì)量有著極高標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何實現(xiàn)英寸級單晶金剛石的高精度研磨和拋光，成為另一重大挑戰(zhàn)。

       結(jié)語    

       大尺寸單晶金剛石的合成問題一直是限制其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。雖然國內(nèi)外的高校和研究機構(gòu)已經(jīng)在大尺寸單晶金剛石的生長、切割、以及研磨拋光等技術(shù)方面進行了大量探索，部分制備的金剛石晶圓已能應(yīng)用于熱沉和光學(xué)領(lǐng)域。然而，這些成果在性能、尺寸和工藝控制上仍無法滿足電子級半導(dǎo)體行業(yè)的高精度要求。電子級單晶金剛石不僅對晶體尺寸有嚴(yán)格限制，還要求其具有極高的純度、完美的晶向和優(yōu)異的表面光潔度，這些都是現(xiàn)有技術(shù)所面臨的難題。因此，大尺寸單晶金剛石在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用仍需進一步的技術(shù)突破。          

       未來，應(yīng)當(dāng)進一步完善大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工工藝，不斷提高晶體質(zhì)量，為研究金剛石功率器件的進一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。