中國粉體網(wǎng)訊 隨著航空航天、人工智能、5G/6G通訊及集成電路等尖端科技的快速迭代，高性能導熱材料面臨更為嚴苛的應用標準。在眾多備選方案中，金剛石憑借其卓越的導熱性能，成為上述領(lǐng)域散熱解決方案的核心考量對象。以功率器件芯片為例，散熱效率直接決定其性能與壽命。數(shù)據(jù)顯示，芯片溫度每升高2°C，其運行可靠性便會下降10%；此外，約55%的器件失效問題，根源均在于散熱能力不足。面對尖端領(lǐng)域?qū)Ω咝岬钠惹行枨�，開發(fā)大尺寸、高性能且低成本的金剛石，成為當前亟待突破的關(guān)鍵課題。
金剛石的合成方法有高溫高壓（HTHP）法和化學氣相沉積（CVD）法兩大類。CVD法是利用氣態(tài)的碳源，在較低壓力條件下通過化學反應生成金剛石薄層。CVD法可以精確控制碳源氣體的組成比例，從而合成出氮含量極低的高純金剛石。CVD法根據(jù)襯底的不同，可分為：①異質(zhì)外延法：在不同的材料表面生長金剛石薄膜；②同質(zhì)外延法：在金剛石襯底上繼續(xù)生長金剛石，獲得高質(zhì)量的單晶金剛石。
大尺寸單晶金剛石
目前制備大尺寸單晶金剛石的技術(shù)主要有反復生長法、異質(zhì)外延法和馬賽克拼接法。馬賽克拼接法是精選厚度一致、晶向取向一致、方形的優(yōu)質(zhì)小金剛石單晶片作為籽晶，并拼接成面積較大的單晶金剛石襯底，其中，必須保證種晶接觸位置的晶向要盡可能完美匹配，然后在較大的單晶金剛石襯底上同質(zhì)外延生長單晶金剛石，最后得到大面積單晶金剛石。由于合成的單晶襯底缺陷與位錯密度小，因此馬賽克拼接法是目前研究合成英寸級單晶金剛石最優(yōu)的技術(shù)。
馬賽克拼接法生長示意圖
多晶金剛石薄膜
CVD法可實現(xiàn)在較低的生產(chǎn)成本下制備出大尺寸高品質(zhì)金剛石膜。CVD法包括熱絲法、直流等離子體噴射法、微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）等。各種CVD方法沉積金剛石膜的原理基本相同，都是利用高度激發(fā)的包含有活性氫原子和含碳基團的反應氣體在襯底表面的不斷置換來實現(xiàn)金剛石相的沉積，同時利用氫原子對石墨的刻蝕作用抑制非金剛石相的生成。不同點僅在于它們采用的氣體激活方式不同。其中MPCVD法具有無電極污染、等離子體密度高、質(zhì)量高且可控、沉積的面積大等優(yōu)點，成為制備高品質(zhì)金剛石膜尤其是光學級金剛石膜的首選。
2025年11月5日，中國粉體網(wǎng)將在河南•鄭州舉辦“2025半導體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會”。屆時，我們將邀請到中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所王躍忠研究員出席本次大會并作題為《CVD單晶/多晶金剛石材料的低成本化制備策略思考及光熱功能化應用研究》的報告。報告將介紹大尺寸單晶金剛石（馬賽克拼接法）、多晶金剛石薄膜制備及應用等相關(guān)成果，為金剛石材料的低成本化應用提供參考。
個人簡介
王躍忠，中國科學院寧波材料所研究員/博士生導師，國家重點研發(fā)項目首席科學家（金剛石方向）、中國科學院高層次人才計劃、寧波市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。面向航空航天、功率芯片3D封裝應用等領(lǐng)域，主要從事光、熱功能金剛石設計、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應用基礎(chǔ)研究。2021年加入中國科學院寧波材料所，以負責人身份負責國家重點研發(fā)計劃重點專項、國家自然科學基金等10余項。擔任中國國際科技促進會半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展分會專家委員會委員、中國機械工程學會工程陶瓷分會理事、中國機械工程學會金剛石及制品分會青工委員，在J.Adv. Ceram.、Diamond & Related Materials、Infrared Physics and Technology等期刊上發(fā)表論文60余篇，申請與授權(quán)發(fā)明專利20余項。
參考來源：
舒國陽等：大尺寸單晶金剛石同質(zhì)連接技術(shù)
黎振坤等：馬賽克法生長大尺寸單晶金剛石的研究
李義鋒等：化學氣相沉積大尺寸多晶金剛石膜及其應用研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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