金剛石因其在力學、電學、熱學和光學方面的優異性能，被廣泛認為具有巨大的應用潛力。然而，當前工業上通過高溫高壓法大規模生產的單晶金剛石通常尺寸較小，一般不超過10毫米，這限制了其在許多高端領域的實際應用。尤其是在需要大面積、連續材料的應用場景中，這一尺寸瓶頸成為發展的障礙。因此，實現大尺寸金剛石的穩定合成不僅是技術上的挑戰，也關系到其在更廣泛領域的應用前景，成為當前研究和產業化中亟需解決的重要問題。

       合成路線

       當前金剛石的合成技術主要有兩種：高壓高溫法（HPHT）和化學氣相沉積法（CVD）。

       HPHT法由于設備在高壓條件下的體積限制，金剛石晶體尺寸的提升存在較大困難。此外，HPHT法需要通過引入催化劑來促進晶體成核，這使得合成的金剛石內部雜質難以避免，導致純度受限。相比之下，CVD法在合成中具備明顯的優勢，不僅能夠提供更大的生長空間，原材料的純度也較高，從而使得最終合成的金剛石純度優于HPHT法，特別是在摻雜處理的應用中展現出較強的靈活性。目前，微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）被認為是合成高質量單晶金剛石的最有效途徑。

       理論上，只要有足夠大的襯底，就可以通過CVD法制備出相應尺寸的單晶金剛石。根據襯底的不同，CVD法又可以分為異質外延法和同質外延法。

       在合成大尺寸金剛石的過程中，主要有三種技術路徑可供選擇，即三維單晶生長、拼接生長和異質外延生長。這些方法各具特點，針對不同應用場景，能夠為大尺寸金剛石的制造提供多樣化的解決方案。

大尺寸單晶金剛石生長路線示意圖 圖源：公開網絡

       三維生長法的主要優勢在于能夠獲得高質量的晶體，其位錯密度較低，晶體結構相對穩定。此外，該方法還可以為拼接生長提供大尺寸的籽晶，從而提高面積擴展的效率。在拼接生長或異質外延生長之后，再進行外延層的擴展時，通常需要依賴三維單顆生長的技術基礎。然而，隨著生長次數的增加，晶體外延層的原子錯排問題逐漸加劇，導致尺寸擴展的難度加大。同時，由于生長界面的不斷變化，晶體內部的缺陷和位錯也會逐漸增加。即使在生長過程中對表面進行打磨修整，最終切割后的晶體仍有較大可能出現破損的現象。

       因此，受限于這些加工過程中的問題，三維生長法在大尺寸金剛石的合成中雖然具備一定優勢，但并不是最優的選擇。

單顆金剛石多晶面三維生長 圖源：公開網絡

       拼接生長法能夠實現大尺寸單晶金剛石的制備，但其面臨的關鍵挑戰是籽晶的晶向問題。由于外延層的晶向會繼承籽晶的取向，如果籽晶的晶向存在偏差，拼接區域會產生較大的應力，從而影響晶體質量。為了解決這一問題，需要對籽晶的結晶取向進行精確調節，確保在拼接時各個籽晶的晶向和厚度保持一致。只有這樣，才能通過馬賽克拼接法獲得大面積且高質量的單晶金剛石。  

馬賽克拼接法制備大尺寸金剛石 圖源：公開網絡

       異質外延法是一種通過在異質襯底上進行外延生長來制備單晶金剛石的技術，尤其適用于難以獲得高質量大尺寸單晶金剛石襯底的情況。選擇合適的異質襯底進行外延生長，成為制備英寸級單晶金剛石的理想方案。CVD沉積過程中，外延生長分為形核和長大兩個階段。初期的形核通過調整周圍碳原子的排列，使其逐漸形成規則的金剛石晶體結構。因此，提高形核密度以及選擇合適的異質襯底，是實現成功外延生長的關鍵。

       經過長期研究，Ir（銥）被認為是目前制備高質量、大尺寸異質外延單晶金剛石的最佳襯底材料，成為唯一能夠實現穩定生長的選擇。

異質外延法沉積大尺寸金剛石 圖源：公開網絡

       技術難題

       金剛石襯底尺寸

       為了滿足工業化應用需求，化學氣相沉積法（CVD）需要制備英寸級的大面積單晶金剛石。然而，天然大尺寸金剛石資源稀缺、價格昂貴，且質量不均衡，難以適應大規模生產的要求。因此，MPCVD法沉積英寸級單晶金剛石的技術突破，成為當前急需解決的核心問題之一。

       切割與剝離

       在單晶金剛石通過CVD方法生長于籽晶后，必須能實現自由切割與剝離。目前，CVD單晶金剛石的剝離主要依靠激光切割技術，但該方法存在易碎、效率低等問題，亟需改進。

       研磨與拋光

       單晶金剛石在研磨和拋光后的表面粗糙度和面型精度，必須達到功能器件的嚴格要求。尤其在半導體領域，器件對襯底的表面質量有著極高標準。因此，如何實現英寸級單晶金剛石的高精度研磨和拋光，成為另一重大挑戰。

       結語    

       大尺寸單晶金剛石的合成問題一直是限制其大規模商業化應用的關鍵挑戰。雖然國內外的高校和研究機構已經在大尺寸單晶金剛石的生長、切割、以及研磨拋光等技術方面進行了大量探索，部分制備的金剛石晶圓已能應用于熱沉和光學領域。然而，這些成果在性能、尺寸和工藝控制上仍無法滿足電子級半導體行業的高精度要求。電子級單晶金剛石不僅對晶體尺寸有嚴格限制，還要求其具有極高的純度、完美的晶向和優異的表面光潔度，這些都是現有技術所面臨的難題。因此，大尺寸單晶金剛石在電子器件領域的應用仍需進一步的技術突破。          

       未來，應當進一步完善大尺寸單晶金剛石襯底制備及加工工藝，不斷提高晶體質量，為研究金剛石功率器件的進一步應用奠定基礎。