钻石到芯片：如何在硅上生长金刚石？揭秘大功率MPCVD设备

发布时间：2025-10-11 17:48:18 | 浏览量： 30次

金刚石：兼具颜值与性能的 “硬核材料”

提及钻石，人们脑海中最先浮现的往往是它晶莹剔透的光泽与象征永恒爱恋的钻戒。但钻石的价值远不止于情感寄托，其本体 —— 金刚石，更有着令科研界惊叹的卓越性能，是在多个尖端领域都能发挥关键作用的 “全能型” 材料。

在化学领域，金刚石被定义为 “自然界天然存在的硬度最高物质”，纯净金刚石的莫氏硬度达到最高级别的 10 级






（如图 1 所示，莫氏硬度是衡量矿物硬度相对大小的标准，金刚石处于该标准的顶端）。

这份极致硬度，让金刚石摆脱了 “装饰性” 的单一标签：它既能被雕琢成象征忠贞的钻石，也能在工业场景中化身无坚不摧的切割工具 —— 无论是切割坚硬的玻璃、剖开致密的大理石，还是对航空发动机叶片进行高精度加工，金刚石都能轻松胜任。




不仅如此，金刚石的性能优势还体现在多个维度：它的导热效率是铜的 5 倍以上，属于顶级散热材料；其禁带宽度约为 5.45 eV（对比之下，常用的硅材料禁带宽度仅 1.12 eV），在常温环境下呈现绝缘特性，但通过硼、磷等元素的掺杂处理，或在极端条件下激发后，就能转变为性能顶尖的下一代半导体材料，具备可控导电性，且能在高温、高压等极端环境中保持稳定工作状态。

金刚石与芯片：突破硅基材料的性能瓶颈

当前，芯片集成度持续提升，单个芯片容纳的晶体管数量不断增加，但传统硅材料的物理极限也日益凸显。当芯片制程从 14nm 逐步向 3nm 甚至更小节点迈进时，晶体管如同 “高度密集的立体纳米建筑群”，被压缩在指甲盖大小的硅片上。在这一尺度下，硅基材料在散热效率与结构稳定性上已逐渐 “力不从心”，成为制约芯片性能提升的关键瓶颈。




于是，颜值与实力并重的金刚石作为解决方案之一，走进了科学家的视野，凭借其极高的热导率和稳定的物理化学特性，金刚石与芯片“联手”，有望解决芯片散热与稳定性的瓶颈问题。




如今，金刚石已在多个芯片及电子器件相关场景实现落地应用：

散热应用：金刚石可加工成晶圆级散热片，直接生长或集成到 5G 基站设备、新能源汽车电控系统、AI 芯片等大功率器件内部，快速导出器件运行时产生的热量，大幅提升器件的工作性能与使用寿命。




半导体器件应用：利用金刚石极高的载流子迁移率，以及出色的耐高压、耐高温特性，通过异质外延技术在硅衬底上生长金刚石，为研发下一代高频、高功率金刚石基半导体器件创造了可能。




光学应用：金刚石具有极宽的透光谱段和极高的物理稳定性，通过硅上生长金刚石技术，可制备用于高功率激光器、导弹整流罩等极端环境的特殊光学窗口元件。




量子技术应用：金刚石中的特殊晶格缺陷是实现量子技术的优异平台。通过硅上集成金刚石量子器件，为与传统硅基电子学融合、推动量子技术实用化提供了重要路径。




不过，要实现金刚石与硅基芯片的 “强强联合”，必须解决一个核心问题：如何让金刚石与当前主流的硅半导体制造工艺兼容？这就需要突破最关键的技术环节 —— 在硅衬底上生长高质量的金刚石薄膜。

硅衬底上金刚石的生长原理

硅上生长金刚石的技术路线，与碳化硅外延生长技术相似，均以 CVD（化学气相沉积）技术为基础。目前，在硅片上制备金刚石薄膜的主流技术是 MPCVD（微波等离子体化学气相沉积，英文全称为 Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition）。该技术的核心原理是利用微波能量激发反应气体形成等离子体，再以等离子体为化学反应提供能量，最终在硅衬底表面沉积出高质量的金刚石薄膜，具体过程可分为四个步骤：

1、通入反应气体

首先完成前置准备工序：将硅片衬底放入反应腔，对腔室进行抽真空处理，并将衬底温度加热至 700~1000℃。随后，向反应腔室内通入含有C原子的气体

2、微波激发等离子体

启动微波发生器，产生高频微波并传输至反应腔室。微波能量被甲烷 - 氢气混合气体吸收后，气体分子的分子键被 “击穿” 而断裂，进而电离产生大量电子、氢离子、碳自由基等带电粒子，最终形成等离子体。

3、等离子体化学反应

等离子体中的高能粒子（如电子、活性自由基）与甲烷分子发生剧烈碰撞，触发一系列复杂的化学反应。这一过程类似 “筛选零件”：

4、金刚石薄膜生长

经过筛选的 “标准零件”被输送至硅片衬底表面，随后缓慢 “移动” 到合适的位置，按照金刚石晶体的固定结构规则逐层堆叠，最终逐步形成连续、致密且与硅片结合紧密的金刚石薄膜。




通过调节微波功率、反应气体的成分比例、衬底温度等关键参数，能够有效控制金刚石薄膜的结晶质量、厚度与表面形态。而要完成这一系列精密的化学反应，离不开可提供纯净、可控反应环境的先进装备 —— 大功率 MPCVD 设备。

大尺寸金刚石MPCVD生长设备

碳方程的50200A MPCVD设备在生长多晶产品方面优势显著，设备采用915MHZ的微波频率，单炉可生产8英寸多晶产品，若用于生产单晶金刚石，单炉能够稳定产出多达489 片尺寸为 7*7mm 的单晶金刚石。设备运行功率方面，采用50KW大功率装置，更大尺寸的多晶产品意味着更高的生产效率和更低的单位成本，能够满足客户大规模生产的需求。同时，我们的设备在技术方面也有着诸多创新和突破，确保了产品的高质量和稳定性。有效降低生产成本，提高产品的市场竞争力。






高性能 MPCVD 装备的成熟与量产，为金刚石从 “潜力型材料” 转变为 “实用型材料” 提供了关键的工艺支撑。正是依托这一装备，金刚石与芯片的 “协同合作” 才真正从理论走向现实，为下一代半导体器件、高效散热系统等领域的技术突破奠定了基础。

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