? ? 探究大尺寸單晶金剛石合成的路徑與挑戰(zhàn)

???金剛石，因其出色的機械強度、優(yōu)異的電學特性、卓越的熱傳導性以及獨特的光學性能，在眾多領域都展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。而如何實現(xiàn)大尺寸金剛石的合成，成為了當前科研和工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的關鍵性問題。這一挑戰(zhàn)不僅關乎金剛石材料的進一步拓展應用，更對推動相關領域的科技進步具有重要意義。

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成核，這往往導致金剛石內(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。它擁有更大的有效生長空間，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。其中，微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）更是被廣泛認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（單顆生長）：這種方法通過優(yōu)化生長條件，使得金剛石在單個籽晶上實現(xiàn)三維方向的均勻生長。其優(yōu)勢在于能夠制備出高質(zhì)量的晶體，且位錯密度較低。然而，隨著晶體尺寸的增大，生長界面的穩(wěn)定性成為制約其進一步發(fā)展的關鍵因素。同時，由于生長界面的不斷變化，內(nèi)部缺陷和位錯逐漸增多，即使對表面進行打磨再生長，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，三維生長法并不是最優(yōu)的選擇。

2、拼接生長：該方法通過精確控制多個小尺寸金剛石的生長方向和晶向，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)域的晶向匹配和應力控制成為技術難點。

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)襯底進行單晶金剛石的外延生長成為制備英寸級單晶金剛石的理想方案。在CVD沉積過程中，生長過程可以分為形核和晶體長大階段。初始形核通過重組周圍碳原子的排列，不斷擴大形核區(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)襯底是成功實現(xiàn)金剛石異質(zhì)外延生長的關鍵因素。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)外延生長的襯底材料。?

異質(zhì)外延是一個物理學名詞。外延生長的薄膜材料和襯底材料不同，或者說生長化學組分、甚至是物理結構和襯底完全不同的外延層，相應的工藝就叫做異質(zhì)外延；這類工藝復雜、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中應用的比較多，能夠改善晶體的生長，可以用來形成自然界中沒有的人工結構材料。

在半導體應用中，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。對于光學應用，還需要考慮光子躍遷方式。

技術攻克

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

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

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? 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格符合功能器件的高標準要求，特別是在半導體襯底器件領域，這些指標更是至關重要。

? 實現(xiàn)英寸級單晶金剛石的高精度研磨與拋光，依然是一個亟待解決的重大技術挑戰(zhàn)。

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