中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2024年12月24日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”在河南鄭州成功召開。大會(huì)圍繞半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料的應(yīng)用前景、技術(shù)難點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、設(shè)備應(yīng)用等方向，深入探討了當(dāng)前行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，共同展望了行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到與會(huì)嘉賓做客“對(duì)話”欄目，進(jìn)行視頻訪談。本期，我們邀請(qǐng)到的是來自河南工業(yè)大學(xué)的栗正新教授。
河南工業(yè)大學(xué) 教授 栗正新
中國(guó)粉體網(wǎng)：栗教授，高溫高壓(HPHT)法相對(duì)于新興的CVD工藝有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？
栗教授：高溫高壓合成金剛石與微波等離子化學(xué)氣相沉積法各有優(yōu)劣。從能耗、成本和生長(zhǎng)速率來看，高溫高壓法優(yōu)勢(shì)顯著。
首先，能耗成本方面，高溫高壓合成金剛石生長(zhǎng)能耗低，折合成萬(wàn)克拉標(biāo)準(zhǔn)煤約為33kg左右，而CVD法合成大單晶金剛石為137噸左右。在當(dāng)前雙碳政策戰(zhàn)略背景下，高溫高壓法成本優(yōu)勢(shì)突出。其次，在晶體生長(zhǎng)形態(tài)上，CVD法受原理限制，放置板狀晶種后沿Z方向生長(zhǎng)；高溫高壓法放入晶種后向三個(gè)方向生長(zhǎng)，能長(zhǎng)出等積形晶體，還可通過溫度、壓力調(diào)控形貌，如形成六面體、八面體等。最后，生長(zhǎng)速率對(duì)比鮮明，以常用的油缸缸徑800毫米的六面頂壓機(jī)為例，合成金剛石時(shí)，一個(gè)合成棒三天就能長(zhǎng)一克拉，一般放置20個(gè)晶種，九天左右單個(gè)晶種就能長(zhǎng)到3克拉以上，九天最高可產(chǎn)出100克拉，生長(zhǎng)速度極快；CVD法，高品質(zhì)生長(zhǎng)時(shí)每小時(shí)生長(zhǎng)速率尚未突破10微米，長(zhǎng)1毫米（即1000微米）需約100小時(shí)，生長(zhǎng)速率較慢。不過，CVD法對(duì)金剛石純度控制相對(duì)容易，其氣源如甲烷、氫氣等純度易控，雜質(zhì)含量可達(dá)PPM級(jí)以上；高溫高壓合成金剛石所用石墨、觸媒等要達(dá)到同等雜質(zhì)控制水平難度較大。
中國(guó)粉體網(wǎng)：在利用高溫高壓制備大尺寸單晶金剛石時(shí)，隨著尺寸的增大，不可避免會(huì)遇到壓力、溫度場(chǎng)均勻性難題，請(qǐng)問有哪些方法來克服這些難題？
栗教授：這需要技術(shù)創(chuàng)新。早期合成金剛石，缸徑320毫米，合成棒尺寸僅十幾毫米；如今油缸缸徑可達(dá)一米甚至一米二，合成棒直徑能做到60、70毫米甚至更大，空間增大使得溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布不均，影響金剛石生長(zhǎng)、性能與質(zhì)量。
解決方法如下：一是優(yōu)化合成棒結(jié)構(gòu)組裝。合成金剛石有直接加熱（石墨自身發(fā)熱）和間接加熱（加發(fā)熱管）兩種方式，從發(fā)熱元件角度進(jìn)行合成棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變發(fā)熱元件的電阻率分布和結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)均勻，這在科學(xué)和技術(shù)層面均可行。二是保障壓力場(chǎng)均勻。相較而言，壓力場(chǎng)均勻化難度更高，因尺寸越大，壓力傳遞與分布受影響越大。關(guān)鍵在于優(yōu)化合成塊結(jié)構(gòu)，目前采用葉臘石塊、白云石等作為高溫高壓密封、保溫和傳壓材料，其密封性、傳壓與保溫性能越好，內(nèi)部溫度與壓力分布就越均勻。三是實(shí)現(xiàn)壓力場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)下這仍是瓶頸，目前多采用實(shí)驗(yàn)室利用金屬相變檢測(cè)內(nèi)部壓力的方法，探索新的實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力差的方法對(duì)控制壓力場(chǎng)均勻意義重大，相關(guān)研發(fā)正在推進(jìn)。
中國(guó)粉體網(wǎng)：對(duì)于多晶金剛石制備，其晶界結(jié)構(gòu)顯著影響最終性能，從HPHT工藝角度，如何精準(zhǔn)把控晶粒生長(zhǎng)方向與晶界特性，來滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)多晶金剛石力學(xué)、熱學(xué)等差異化性能需求？
栗教授：多晶金剛石制備有多種途徑。一種是在合成金剛石時(shí)加入弱化晶體生長(zhǎng)的材料，使其形成微米尺度小晶粒構(gòu)成的類似陶瓷結(jié)構(gòu)的多晶金剛石，多為黑色，常用于工業(yè)金剛石以增強(qiáng)自銳性。控制其晶界需深入研究加入氧化物等弱化材料的量和種類，從而調(diào)控晶粒大小與晶界分布。另一種是聚晶金剛石（PCD），生長(zhǎng)時(shí)添加結(jié)合劑及促進(jìn)D-D鍵生長(zhǎng)的材料。晶界控制一方面依賴結(jié)合劑種類與數(shù)量，另一方面受溫度、壓力影響極大。一般期望多晶金剛石晶粒越小越好，對(duì)于高溫高壓原位生長(zhǎng)的，靠壓力、溫度調(diào)控；對(duì)于PCD這種燒結(jié)法制備的，原料金剛石微粉粒度至關(guān)重要，當(dāng)前做金剛石刀具鍍晶材料的微粉粒度約15微米，相比3微米甚至納米尺度，比表面積小、晶界少，性能較弱。理論上，金剛石微粉粒度越小，晶界越多，抗沖擊能力越高，應(yīng)從原料粒度入手控制多晶金剛石性能。
中國(guó)粉體網(wǎng)：BDD在電極等應(yīng)用潛力巨大，HPHT合成BDD過程中面臨著哪些挑戰(zhàn)？硼元素?fù)诫s量及均勻性一直是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，您在這方面研發(fā)出了哪些獨(dú)特?fù)诫s工藝？
栗教授：高溫高壓合成硼摻雜金剛石（BDD），現(xiàn)在市面上也有企業(yè)在做，現(xiàn)在的制作難度在于硼濃度的提升，因?yàn)榕鸷徒饎偸影霃胶芙咏鄬?duì)來講它是容易進(jìn)入到金剛石的晶格中，但是怎樣讓它進(jìn)的更多，或者可控的控制摻雜的濃度，這個(gè)難度非常大，目前方法也很多。例如實(shí)驗(yàn)室嘗試將硼單質(zhì)、硼原子插層到石墨多層結(jié)構(gòu)中，利用石墨多層特性，探索提高硼濃度的可能，實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行。還有提高壓力和溫度、優(yōu)化硼源選擇等方法，硼源有硼單質(zhì)（晶體、非晶態(tài)）及硼化合物等多種，都在試驗(yàn)探索階段。目前高溫高壓制備BDD尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，多為初步實(shí)驗(yàn)。從制備工具實(shí)驗(yàn)看，其耐熱性能可從600度提升至900度左右，韌性也有提高，但BDD在電極及其他功能性金剛石材料應(yīng)用上，仍需著力研發(fā)提高硼摻雜濃度與電導(dǎo)率。
中國(guó)粉體網(wǎng)：最后請(qǐng)問，您認(rèn)為我國(guó)目前在HPHT制備功能金剛石材料領(lǐng)域與國(guó)際前沿相比，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪？
栗教授：總體上來講我國(guó)高溫高壓制備功能金剛石在國(guó)際上目前是處于領(lǐng)先的地位。主要現(xiàn)在國(guó)外高溫高壓制備金剛石的產(chǎn)量很少，90%都在中國(guó)。國(guó)外現(xiàn)在圍繞著功能金剛石的應(yīng)用，還是集中在電子和量子領(lǐng)域，也就是就是半導(dǎo)體材料，包括用金剛石做襯底，包括摻雜等等，真正用高溫高壓來制備聲光熱電方面的功能金剛石國(guó)外很少有報(bào)道。我國(guó)在該領(lǐng)域一開始就發(fā)揮引領(lǐng)、開拓作用，盡管難度大，但作為戰(zhàn)略新型產(chǎn)業(yè)與藍(lán)海市場(chǎng)，前景廣闊。只要持續(xù)創(chuàng)新研發(fā)，推動(dòng)上中下游產(chǎn)業(yè)鏈融合，我國(guó)高溫高壓制備工程金剛石必將迎來新輝煌。
中國(guó)粉體網(wǎng)：感謝栗教授接受我們的采訪。
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