“种”金刚石记 | 科技自立自强之路

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中科院之声

2024-06-28 17:00中科院之声官方账号

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


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▲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！


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▲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


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▲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


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▲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。”