“种”金刚石记 | 科技自立自强之路

因为一块刻有校训的金刚石中国科学院大学2021年的本科录取通知书被称为“最硬”通知书而制作这批“校训金刚石”的正是中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）
金刚石，更为人熟知的名字是钻石经过切割、打磨后璀璨夺目在饰品市场颇受追捧同时金刚石更是精密切削以及精密加工的关键从光学镜头到我国大科学装置的反射盘都离不开金刚石刀具的超精密加工
经过多年努力宁波材料所成功打通从原理探索到装备与工艺国产化再到高品质大尺寸单晶的高效制备规模量产的全链条成功研发我国首条化学气相沉积（CVD）大单晶金刚石生产示范线为我国在半导体技术领域实现弯道超车抢占未来产业的制高点以及国家发展战略的实施提供了支撑

▲CVD单晶金刚石。

东北汉子江南，在国外深耕材料领域多年深知只有回到祖国才有机会让自己所学发挥最大价值2012年，江南归国入职宁波材料所力求实现CVD制备单晶金刚石面对同行“使用国外设备”的建议他颇有信心：不必迷信国外也就一两位博士主持研发我们为何不行！后来这也成为整个团队的信念
20世纪60年代开始出现CVD法培育金刚石这个过程类似种庄稼以一块小尺寸的金刚石作为籽晶甲烷等碳源气体为 “养料”在超真空培养舱中从气体原料中分离出的碳原子一层一层沉积在籽晶片上逐渐长“厚”成长为更厚、更大的金刚石晶体与天然金刚石相比两者具有相同的结构、化学成分和物理性质人造金刚石反而拥有更高的纯净度可以说天然金刚石是大自然的馈赠人造金刚石则是人类科技硬实力的展现
江南团队采用的是微波等离子CVD（MPCVD）法能有效提高单晶金刚石的沉积速率和质量但他们首先面临的是缺乏相关设备进口又太贵，一台300万元团队决定就在国产设备的基础上进行研发让国产化实现得彻彻底底
团队找到生产厂家进行一次次磨合、一步步改进2013年，一台相对“靠谱”的MPCVD设备终于造出来了这台设备几乎成了研发团队的全部世界早也看、晚也看随时观察记录参数波动，应对突发情况设备出现问题他们自己拆、自己改、自己装有时候一天拆两次3个多月内拆了不下100次终于，在设备升级后各方面都得到了优化2014年元旦钟声响起前第一颗金刚石“种”成了！

▲生长中的CVD金刚石。

这颗3mm×3mm×1.5mm的金刚石
是一份特殊而厚重的新年礼物它的诞生不仅意味着人造金刚石产业链条的生态可能改变更意味着我国人造金刚石的高技术应用不再受制于人
然而，研发团队面临一个窘迫局面尽管这台MPCVD设备成本不到30万元只有进口机的1/10但仅凭课题组的经费难以实现CVD单晶金刚石的规模化制备于是在宁波材料所的大力支持下江南与同单位的激光专家张文武富有生产经营经验的企业家张军安夫妇合作创办宁波晶钻公司边研发、边产业化
企业进入实质性运营后CVD单晶金刚石技术和国产化生产就此驶入快车道2014年3月第二台MPCVD设备制成等离子体更大，生产效率更提高在此基础上，第三批10台设备“一气呵成”2014年下半年我国首条CVD大单晶金刚石生产示范线正式投产在不断的优化、迭代中设备和工艺都完全实现国产化

▲国内自主设计的首条CVD单晶金刚石生产线。

截至2023年底全球约有1万台MPCVD设备宁波晶钻拥有1000余台成为全球规模最大的CVD单晶金刚石生产商之一还实现了全自动化机器人监控运转产品尺寸最大达到42mm×42mm品质对标世界先进水平
自国内首条自主研发的CVD单晶金刚石生产线起多个分支行业随之建立：2英寸级金刚石MPCVD装备国产化制造金刚石衬底激光切割剥离技术与装备国产化制造金刚石热化学研磨抛光技术与装备国产化制造……培育钻石、金刚石工具等新兴产业终端市场规模超千亿元

▲CVD单晶金刚石全自动化生长车间。（本文图片均由宁波材料所提供）

如今宁波材料所的科研人员已从原来的跟跑、并跑真正进入了领跑的“无人区”他们希望建立起金刚石半导体产业高端新赛道实现金刚石在芯片、微电子、量子通信、光学、超精密加工、高端医疗等工业领域的创新应用
团队成员李赫坦言现在心里是忐忑的 “国内外都没有参照物了压力一定是有的但我们寻求突破的动力也是如此之强。”但江南仍充满信心 “未来几年通过国内优势单位的跨界协同、联合创新完全能够率先打通金刚石晶圆制造的新赛道撬动万亿级高端新市场打造出半导体领域新质生产力。”

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来源：中国科学报

责任编辑：宋同舟