突破金刚石膜大规模生产瓶颈：港大团队用“一步法”剥离晶圆级金刚石膜，生产成本比传统工艺降低1000倍

科技 2025-01-14 15:06 北京

“我们首次在晶圆尺度（2 英寸）上制备出大面积且平整、表面粗糙度达到 1 纳米以下的多晶金刚石薄膜，而此前领域最大的尺寸仅能做到厘米级。此外，我们还计划成立初创公司将该技术向产业化推进。”谈及团队近期在 Nature 发表的成果，香港大学褚智勤副教授如是说。

在这项研究中，香港大学课题组与合作者还发现了一种全新的宏观、可感知的金刚石形态：超薄和超柔韧。基于尺寸效应，当金刚石薄膜变薄到一定程度时，会变得像塑料纸一样柔软，可 360° 弯曲，这与金刚石“最坚硬”物质的特性形成了鲜明对比。

图丨褚智勤（来源：褚智勤）

这种可折叠、可卷曲的新特性带来了诸多机会，例如支持对金刚石的电学和光学等性质进行调控。这些在晶圆级别的宏观调控，是此前在纳米尺度上对单个器件或金刚石纳米结构进行调控所无法想象的。

日前，相关论文以《超薄超柔性金刚石膜》（Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane）为题发表在 Nature 上[1]。

香港大学博士后景纪祥、博士生孙富强、北京大学工程师王忠强是共同第一作者，香港大学褚智勤副教授和林原教授、北京大学王琦教授、南方科技大学李携曦助理教授担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature）

跳出传统思维：从最坚硬的物质中“抠”出柔软的薄膜

金刚石是理想的电子和光子学材料。从 20 世纪 80 年代开始，通过化学气相沉积生长的高品质人造金刚石技术开始得到发展。

尽管其已发展了几十年，但人造金刚石并未在日常生活中大规模应用，主要原因在于其生产设备稀缺和生产难度较高，这导致它的生产成本较高。不可忽视的是，金刚石制造始终面临着一个核心问题：如何获得可工作的平整表面。

在半导体工艺中，必须足够平整才能进行堆叠和组装，因此材料表面的平整性是非常重要的前提条件之一。传统的抛光或刻蚀等加工方法，无论是化学方法还是物理方法，都会对金刚石样品造成损伤，尤其是对于大面积的金刚石，要实现高平整度的加工充满挑战。

金刚石是目前已知最硬的材料，传统的抛光方法对于其他硬度较低的材料可能有效，但对于金刚石来说，没有比它更硬的材料可以用来抛光，而此前已有的技术都无法满足这一要求。

图丨剥离晶圆级金刚石膜（来源：Nature）

这项研究始于 2019 年，当时，该团队打算在金刚石薄膜上加工特定结构，但发现市场上没有合适的产品，于是决定尝试自行开展研发制作。研究人员最初的想法是在已有的金刚石上刻蚀，但进展非常缓慢，甚至导致课题差点放弃。

“我找到课题组的一位博士后负责这项工作，他在 6 个月内只能制作出一片厘米大小的样品，而且过程中还可能因各种步骤中的失误导致样品损坏，制作过程非常痛苦，后来他也离开了团队。”褚智勤回忆道。

转机出现在一次补做实验时一块样品碎裂了，实验室成员无意中发现金刚石角落有脱落迹象，薄膜似乎自己“拱”了起来。

基于这一现象激发了他们大胆猜测：金刚石或许在特定条件下可以与衬底剥离。经过多次讨论和尝试，证实了二者可剥离的可能性。随后，一位从事理论研究的合作者调控生产工艺，并获得了更利于剥离的条件，理论模型也很好地解释了剥离的可行性。

研究团队受到单层材料如石墨烯成功制备的启发，采用边缘暴露剥离技术，实现了超薄金刚石膜的制备和转移。

他们完全摒弃了传统方法中复杂的抛光和刻蚀过程，而是采用了一种完全物理的、可简单制备的“一步法”，直接从生长衬底上剥离金刚石，这一过程不会对金刚石本身的性质造成损伤，并保留了其原有的特性。

图丨剥离金刚石膜的详细表征（来源：Nature）

剥离后，可获得一个非常平整的可工作平面，使金刚石能重新融入现有的半导体工艺，并加工和处理。研究人员进一步将金刚石报膜转移到柔性聚二甲基硅氧烷衬底上，并成功演示了其作为柔性金刚石应变传感器原型的功能，在 2% 的应变条件下，该传感器能够承受超过 10000 次的变形循环。

有意思的是，在生长过程中，金刚石上表面起伏不平；而下表面（生长界面）却非常平整，这种平整的下表面能够支撑薄膜在弯折时不会损坏。褚智勤表示，这种方法可推广到其他材料或材料体系，借鉴这种设计理念在衬底上剥离材料，剥离过程类似卷纸，上表面弯曲而下表面是拉伸的。

褚智勤表示：“要将金刚石从硬质衬底上直接剥离，其难度之大，就如同试图从一块世界上最坚硬的石头上‘抠’下一种物质。”他坦言，在成功剥离之前，原本以为它的性质会非常脆，出乎意料的是，大片的金刚石膜竟会拥有如此出色的柔性。

此外，与标准单晶块金刚石相比，该团队所开发的金刚石薄膜还表现出优异的光学性能（450nm 波长的折射率约为 2.36）、热导率（约 1300W·m^-1·K^-1）和电阻率（约 10¹⁰Ω·m）。

生产成本比传统方法降低 1000 倍

该方法的显著优势在于，它并非完全摒弃了传统的生长工艺，而是在原有生产工艺基础上微调，通过独特的改进即可获得理想的金刚石薄膜，且与现有生产设备兼容。其类似于简单的机械操作，不需要依赖极其繁琐或高精尖设备，从而使原本在工业上无法使用的毛坯材料变为高质量产品。

需要了解的是，传统工艺通常会生长较厚的金刚石膜，例如 1000 微米或 2000 微米，而新工艺只需生长 1 微米厚的薄膜。“从成本角度来看，这意味着我们的成本比传统方法降低了 1000 倍。”褚智勤说。

并且，这种方法非常高效，在实验室中需要秒量级的时间（约 10 秒）；如果将其转化为自动化生产线，速度可以在 1 秒内处理多张金刚石膜，为批量工业生产奠定良好基础。

此外，这种剥离工艺具有可扩展性。在该研究中所使用的是 2 英寸的样品演示，但目前实验室已经能够做到更大尺寸。据研究人员预测，这种方法有望未来扩展到 8 英寸甚至 12 英寸的工业级尺寸。

图丨应用于可穿戴电子的柔性金刚石膜（来源：Nature）

随着技术的发展和市场需求的变化，一方面，电子器件呈现出体积不断变小而功率增大的趋势；另一方面，AI 芯片面临着算力提升和功耗高的双重挑战。因此，无论是电子器件还是 AI 芯片，如何实现有效散热已成为亟待解决的重要问题。

金刚石薄膜导热率极高，平整表面可以直接贴附芯片等电子器件，因此其有望迅速在电子器件的散热方面得到广泛应用。褚智勤表示：“我相信金刚石未来在提升 AI 芯片算力，特别是在三维堆叠芯片等技术方面，会是非常优秀的解决方案。”

更长远地来看，金刚石作为第四代半导体的核心材料之一，有望对人们的生活产生深远影响。“可以预见的是，一旦未来金刚石半导体技术成熟并广泛应用，它或许可以像硅基半导体一样，全面影响我们的生活。”褚智勤说。

除此之外，这种大片完整的金刚石薄膜可用于光学应用,加工光学结构；也可用于声学,研究制造换能器，探索其在机械共振等方面的应用；还可用于制作紫外光探测器或与 X 射线相关的设备。因而在国防、航空航天以及极端环境探测器等领域，都具有重要的应用场景。

据了解，该课题组计划在香港成立初创公司，推动这项技术的发展和产业化应用，他们的目标是为工业界和学术界稳定提供高质量的金刚石薄膜。

褚智勤表示：“论文发布后，很多中外科学家们都表现出了极高的合作热情，希望能与我们共同探索这一领域。我非常高兴能够为领域提供这种平台技术，我觉得这是一件极具成就感的事情。”

将致力于利用金刚石制造半导体器件

褚智勤课题组的研究重点集中在三个方向：金刚石材料的生产、工程化以及器件制备；利用金刚石量子缺陷进行传感和量子探测；结合优质的金刚石材料和先进的探测设备，探索其在各领域的应用。

他特别关注金刚石量子探测在生物医学领域的应用。例如，研究单细胞与衬底之间的力学相互作用、单细胞或亚细胞尺度上的热传导行为。希望通过量子探测这一新工具，攻克生物医学领域中一些目前尚未解决的基础科学难题。

图丨褚智勤课题组（来源：褚智勤）

在这项研究中，该团队成功实现了金刚石薄膜剥离，并制备出多晶金刚石薄膜。这种薄膜本身是一种优秀的半导体材料，目前所使用的是未掺杂的本征金刚石（绝缘体），而金刚石是可进行掺杂的。

现在，研究人员正在研究掺杂硼的金刚石薄膜，其同样表现出可剥离且具有独特的性能。掺杂后的金刚石薄膜仍然是半导体，这意味着它有可能带来许多新的应用机会。

接下来，该课题组将致力于进一步提升金刚石薄膜的品质，例如改善其力学、光学和热学性质，使其更接近单晶金刚石的性能。同时，他们还计划开发单晶金刚石薄膜，并探索其可扩展的大规模生产方法。

“我们非常看好金刚石在半导体行业的发展潜力，因此将投入大量时间和精力研究如何利用金刚石制造半导体器件，并通过优化设计充分发挥其作为电子材料的优势。”褚智勤表示。

参考资料：

1.Jing, J., Sun, F., Wang, Z.et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08218-x

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