鉆石與芯片——如何在硅上生長金剛石？

（寫在前面：中國為什么要對金剛石出口管制？）

中國對人造金剛石實施出口管制主要基于以下原因：

1、保障國家安全和戰略利益

人造金剛石在半導體制造、軍工裝備（如導彈整流罩、芯片散熱材料）等領域具有不可替代的作用，通過出口管制可防止敏感技術外流，降低被用于軍事目的的風險。 ?

2、強化全球產業鏈主導權

中國是全球最大的人造金剛石生產國，產量占全球95%以上，河南占全國80%以上。通過調控出口，中國能更有效地主導超硬材料供應鏈，應對國際科技博弈中的外部壓力（如美日芯片限制）。 ?

3、推動國內產業升級

管制措施倒逼國內企業優先將高端金剛石用于本土半導體、光伏等產業鏈，促進關鍵材料自主可控和高端化發展。 ?

4、履行國際防擴散義務

根據《出口管制法》，中國實施管制符合國際慣例，體現其在防擴散領域的合規性。

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金剛石：兼具顏值與性能的 “硬核材料”

提及鉆石，人們腦海中最先浮現的往往是它晶瑩剔透的光澤與象征永恒愛戀的鉆戒。但鉆石的價值遠不止于情感寄托，其本體 —— 金剛石，更有著令科研界驚嘆的卓越性能，是在多個尖端領域都能發揮關鍵作用的 “全能型” 材料。

在化學領域，金剛石被定義為?“自然界天然存在的硬度最高物質”，純凈金剛石的莫氏硬度達到最高級別的 10 級

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（如上圖所示，莫氏硬度是衡量礦物硬度相對大小的標準，金剛石處于該標準的頂端）。

這份極致硬度，讓金剛石擺脫了 “裝飾性” 的單一標簽：它既能被雕琢成象征忠貞的鉆石，也能在工業場景中化身無堅不摧的切割工具 —— 無論是切割堅硬的玻璃、剖開致密的大理石，還是對航空發動機葉片進行高精度加工，金剛石都能輕松勝任。

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不僅如此，金剛石的性能優勢還體現在多個維度：它的導熱效率是銅的 5 倍以上，屬于頂級散熱材料；其禁帶寬度約為 5.45 eV（對比之下，常用的硅材料禁帶寬度僅 1.12 eV），在常溫環境下呈現絕緣特性，但通過硼、磷等元素的摻雜處理，或在極端條件下激發后，就能轉變為性能頂尖的下一代半導體材料，具備可控導電性，且能在高溫、高壓等極端環境中保持穩定工作狀態。

金剛石與芯片：突破硅基材料的性能瓶頸

當前，芯片集成度持續提升，單個芯片容納的晶體管數量不斷增加，但傳統硅材料的物理極限也日益凸顯。當芯片制程從 14nm 逐步向 5nm 甚至更小節點邁進時，晶體管如同 “高度密集的立體納米建筑群”，被壓縮在指甲蓋大小的硅片上。在這一尺度下，硅基材料在散熱效率與結構穩定性上已逐漸 “力不從心”，成為制約芯片性能提升的關鍵瓶頸。

于是，顏值與實力并重的金剛石作為解決方案之一，走進了科學家的視野，憑借其極高的熱導率和穩定的物理化學特性，金剛石與芯片“聯手”，有望解決芯片散熱與穩定性的瓶頸問題。

如今，金剛石已在多個芯片及電子器件相關場景實現落地應用：

散熱應用：金剛石可加工成晶圓級散熱片，直接生長或集成到 5G 基站設備、新能源汽車電控系統、AI 芯片等大功率器件內部，快速導出器件運行時產生的熱量，大幅提升器件的工作性能與使用壽命。

半導體器件應用：利用金剛石極高的載流子遷移率，以及出色的耐高壓、耐高溫特性，通過異質外延技術在硅襯底上生長金剛石，為研發下一代高頻、高功率金剛石基半導體器件創造了可能。

光學應用：金剛石具有極寬的透光譜段和極高的物理穩定性，通過硅上生長金剛石技術，可制備用于高功率激光器、導彈整流罩等極端環境的特殊光學窗口元件。

量子技術應用：金剛石中的特殊晶格缺陷是實現量子技術的優異平臺。通過硅上集成金剛石量子器件，為與傳統硅基電子學融合、推動量子技術實用化提供了重要路徑。

不過，要實現金剛石與硅基芯片的 “強強聯合”，必須解決一個核心問題：如何讓金剛石與當前主流的硅半導體制造工藝兼容？這就需要突破最關鍵的技術環節 —— 在硅襯底上生長高質量的金剛石薄膜。

硅襯底上金剛石的生長原理

硅上生長金剛石的技術路線，與碳化硅外延生長技術相似，均以 CVD（化學氣相沉積）技術為基礎。目前，在硅片上制備金剛石薄膜的主流技術是 MPCVD（微波等離子體化學氣相沉積，英文全稱為 Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition）。該技術的核心原理是利用微波能量激發反應氣體形成等離子體，再以等離子體為化學反應提供能量，最終在硅襯底表面沉積出高質量的金剛石薄膜，具體過程可分為四個步驟：

1、通入反應氣體

首先完成前置準備工序：將硅片襯底放入反應腔，對腔室進行抽真空處理，并將襯底溫度加熱至 700~1000℃。隨后，向反應腔室內通入含有C原子的氣體

2、微波激發等離子體

啟動微波發生器，產生高頻微波并傳輸至反應腔室。微波能量被甲烷 - 氫氣混合氣體吸收后，氣體分子的分子鍵被 “擊穿” 而斷裂，進而電離產生大量電子、氫離子、碳自由基等帶電粒子，最終形成等離子體。

3、等離子體化學反應

等離子體中的高能粒子（如電子、活性自由基）與甲烷分子發生劇烈碰撞，觸發一系列復雜的化學反應。這一過程類似 “篩選零件”：

4、金剛石薄膜生長

經過篩選的 “標準零件”被輸送至硅片襯底表面，隨后緩慢 “移動” 到合適的位置，按照金剛石晶體的固定結構規則逐層堆疊，最終逐步形成連續、致密且與硅片結合緊密的金剛石薄膜。

通過調節微波功率、反應氣體的成分比例、襯底溫度等關鍵參數，能夠有效控制金剛石薄膜的結晶質量、厚度與表面形態。

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而金剛石是目前世界上硬度最高的材料，無論是單晶還是多晶，目前的主流加工工藝就是——激光加工。

河南合贏激光，目前圍繞著河南的優勢產業——超硬材料，金剛石行業，目前已經開發了單晶鉆石激光研磨機、多晶鉆石激光研磨機、鉆石激光切割機、CVD人工培育鉆石4P激光切割機、鉆石同軸視覺激光打標機、CVD內腔激光清洗機、PDC-3D激光雕刻機（金剛石復合片3D激光雕刻機）、PCD激光研磨減薄機、PCD激光切割機、PCD缺陷識別激光標記機等設備，歡迎大家垂詢。