中國粉體網訊 2024年12月24日，由中國粉體網主辦的“2024半導體行業用金剛石材料技術大會”在河南鄭州成功召開。大會圍繞半導體行業用金剛石材料的應用前景、技術難點、產業發展、設備應用等方向，深入探討了當前行業的發展現狀，共同展望了行業發展趨勢。會議期間，我們邀請到與會嘉賓做客“對話”欄目，進行視頻訪談。本期，我們邀請到的是來自河南工業大學的栗正新教授。
河南工業大學 教授 栗正新
中國粉體網：栗教授，高溫高壓(HPHT)法相對于新興的CVD工藝有哪些獨特的優勢？
栗教授：高溫高壓合成金剛石與微波等離子化學氣相沉積法各有優劣。從能耗、成本和生長速率來看，高溫高壓法優勢顯著。
首先，能耗成本方面，高溫高壓合成金剛石生長能耗低，折合成萬克拉標準煤約為33kg左右，而CVD法合成大單晶金剛石為137噸左右。在當前雙碳政策戰略背景下，高溫高壓法成本優勢突出。其次，在晶體生長形態上，CVD法受原理限制，放置板狀晶種后沿Z方向生長；高溫高壓法放入晶種后向三個方向生長，能長出等積形晶體，還可通過溫度、壓力調控形貌，如形成六面體、八面體等。最后，生長速率對比鮮明，以常用的油缸缸徑800毫米的六面頂壓機為例，合成金剛石時，一個合成棒三天就能長一克拉，一般放置20個晶種，九天左右單個晶種就能長到3克拉以上，九天最高可產出100克拉，生長速度極快；CVD法，高品質生長時每小時生長速率尚未突破10微米，長1毫米（即1000微米）需約100小時，生長速率較慢。不過，CVD法對金剛石純度控制相對容易，其氣源如甲烷、氫氣等純度易控，雜質含量可達PPM級以上；高溫高壓合成金剛石所用石墨、觸媒等要達到同等雜質控制水平難度較大。
中國粉體網：在利用高溫高壓制備大尺寸單晶金剛石時，隨著尺寸的增大，不可避免會遇到壓力、溫度場均勻性難題，請問有哪些方法來克服這些難題？
栗教授：這需要技術創新。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和壓力場分布不均，影響金剛石生長、性能與質量。
解決方法如下：一是優化合成棒結構組裝。合成金剛石有直接加熱（石墨自身發熱）和間接加熱（加發熱管）兩種方式，從發熱元件角度進行合成棒結構設計，改變發熱元件的電阻率分布和結構，可實現溫度場均勻，這在科學和技術層面均可行。二是保障壓力場均勻。相較而言，壓力場均勻化難度更高，因尺寸越大，壓力傳遞與分布受影響越大。關鍵在于優化合成塊結構，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，內部溫度與壓力分布就越均勻。三是實現壓力場實時監控。當下這仍是瓶頸，目前多采用實驗室利用金屬相變檢測內部壓力的方法，探索新的實時檢測壓力差的方法對控制壓力場均勻意義重大，相關研發正在推進。
中國粉體網：對于多晶金剛石制備，其晶界結構顯著影響最終性能，從HPHT工藝角度，如何精準把控晶粒生長方向與晶界特性，來滿足不同應用場景對多晶金剛石力學、熱學等差異化性能需求？
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加入弱化晶體生長的材料，使其形成微米尺度小晶粒構成的類似陶瓷結構的多晶金剛石，多為黑色，常用于工業金剛石以增強自銳性。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，從而調控晶粒大小與晶界分布。另一種是聚晶金剛石（PCD），生長時添加結合劑及促進D-D鍵生長的材料。晶界控制一方面依賴結合劑種類與數量，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，對于高溫高壓原位生長的，靠壓力、溫度調控；對于PCD這種燒結法制備的，原料金剛石微粉粒度至關重要，當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，應從原料粒度入手控制多晶金剛石性能。
中國粉體網：BDD在電極等應用潛力巨大，HPHT合成BDD過程中面臨著哪些挑戰？硼元素摻雜量及均勻性一直是關鍵挑戰，您在這方面研發出了哪些獨特摻雜工藝？
栗教授：高溫高壓合成硼摻雜金剛石（BDD），現在市面上也有企業在做，現在的制作難度在于硼濃度的提升，因為硼和金剛石原子半徑很接近，相對來講它是容易進入到金剛石的晶格中，但是怎樣讓它進的更多，或者可控的控制摻雜的濃度，這個難度非常大，目前方法也很多。例如實驗室嘗試將硼單質、硼原子插層到石墨多層結構中，利用石墨多層特性，探索提高硼濃度的可能，實驗仍在進行。還有提高壓力和溫度、優化硼源選擇等方法，硼源有硼單質（晶體、非晶態）及硼化合物等多種，都在試驗探索階段。目前高溫高壓制備BDD尚未實現產業化，多為初步實驗。從制備工具實驗看，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用上，仍需著力研發提高硼摻雜濃度與電導率。
中國粉體網：最后請問，您認為我國目前在HPHT制備功能金剛石材料領域與國際前沿相比，優勢體現在哪？
栗教授：總體上來講我國高溫高壓制備功能金剛石在國際上目前是處于領先的地位。主要現在國外高溫高壓制備金剛石的產量很少，90%都在中國。國外現在圍繞著功能金剛石的應用，還是集中在電子和量子領域，也就是就是半導體材料，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外很少有報道。我國在該領域一開始就發揮引領、開拓作用，盡管難度大，但作為戰略新型產業與藍海市場，前景廣闊。只要持續創新研發，推動上中下游產業鏈融合，我國高溫高壓制備工程金剛石必將迎來新輝煌。
中國粉體網：感謝栗教授接受我們的采訪。
（中國粉體網編輯整理/留白）
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