科普丨HPHT与CVD金刚石长晶制备技术详解
科普栏目深入探讨半导体行业相关知识，本期将对比讲解关于半导体长晶领域的两个关键技术—HPHT高温高压法和CVD化学气相沉积法 HPHT与CVD是什么？ 两者均是制备人造金刚石的技术简称，HPHT（High Pressure High Temperature）即高温高压法，又称晶种触媒法，是模拟天然金刚石在地幔中形成的环境，使得碳源在金属催化剂作用下形成金刚石的制备方法。CVD (Chemical Vapor Deposition)即化学气相沉积法，是在低压条件下，使含碳气体和氢气在特定能量源的激发下产生等离子体，碳原子或碳基基团在衬底(籽晶)表面沉积并生长出金刚石薄膜或石块的制备方法。 技术起源 合成金刚石技术历史可追溯到20世纪50-60年代，美国通用电气(GE)公司和科学家团队首次采用高温高压法成功合成出人造金刚石，标志着现代人工金刚石产业的诞生。1980年代，日本国立无机材料研究所(NIRIM)的研究取得了突破，使得CVD金刚石薄膜技术走向实用化。90年代至今，随着技术的成熟，HPHT法主要应用在生产工业级和宝石级小颗粒金刚石，而CVD法凭借着技术优势成为大尺寸、高质量单晶金刚石的主流方法；进入21世纪后，异质外延(在Ir/YSZ/Si等衬底上生长大面积准单晶金刚石)和马赛克拼接技术取得进展，旨在突破籽晶尺寸的限制。 高温高压法 vs 化学气相沉积法 特性 HPHT CVD 晶体尺寸 受腔体限制 受籽晶尺寸限制 异质外延可突破 晶体质量 较好 但有金属包裹体 极高纯度，缺陷少 可达IIa型 掺杂控制 较困难 精确可控 易于实现 n型/p型掺杂 产品形态 单晶颗粒 微粉 单晶 多晶薄膜 厚膜 成本 工业级成本低 宝石级成本高 单件成本随 技术发展下降 主要应用 磨料 切割工具 珠宝首饰 高端珠宝 光学窗口 热沉 半导体 量子技术 电化学 工艺原理与设备 HPHT法是在5-6 GPa的高压和1300-1600°C的高温下，熔融的金属催化剂可以降低石墨向金刚石转化的能垒，使碳原子在金刚石籽晶上重新排列结晶从而实现向金刚石的转变。 六面顶压设备 核心是产生高压高温的装置，如主流的六面顶压机，利用硬质合金顶锤和叶蜡石传压介质来产生和保持稳定的高压高温环境。 CVD法在低压(通常低于1个大气压)和800-1200°C的温度下，通过微波、热丝、电弧等方式将反应气体(通常是CH4和H2的混合气)电离成等离子体。氢气被解离成原子氢，原子氢能刻蚀掉石墨形态的碳，并稳定金刚石结构的SP3键，从而使含碳基团(如CH3)在籽晶表面以金刚石结构外延生长。 MPCVD设备 核心是产生和维持等离子体的反应腔，微波等离子体MPCVD晶体设备是目前生长高品质单晶金刚石的主流设备，其关键正是利用微波谐振腔装置产生无电极、高密度、低污染的等离子体，并维持一个稳定、可控的等离子体球。 卓远｜MPCVD长晶设备 “技术融合”“大尺寸”“功能智造”是未来金刚石制备技术的发展方向 HPHT和 CVD是两种技术路径迥异但相辅相成的人造金刚石制备方法。HPHT法以成熟、高效、低成本的特点，在工业磨削、切削和中低端珠宝市场建立了稳固的地位；CVD法则以其高纯度、高质量和卓越的可控性，代表着人造金刚石的未来方向，是高奢珠宝以及开拓高端功能应用(如半导体、量子科技)的核心技术。 技术融合:出现HPHT和CVD的混合技术，例如先用HPHT法制备高质量籽晶，再用CVD法进行快速同质外延增厚，以兼顾成本和质量。 大尺寸:无论是HPHT的大型压机，还是CVD的异质外延与拼接技术，其目标都是突破尺寸瓶颈，制备出英寸级甚至更大尺寸的单晶金刚石晶圆。 功能智造:研究的重点将从“生长材料”转向“制造器件”，如何在金刚石上实现高性能的晶体管、量子芯片、生物传感器等，将是未来的核心竞争领域。
