哈工大自研設備產大尺寸金剛石 強攻高端半導體賽道 中國「智造」超級鑽 破國外技術封鎖
走進哈爾濱工業大學實驗室，多台沉積設備同步運行，一邊生產珠寶鑽石，一邊製備半導體級金剛石。兩塊外觀相似的晶體，生產標準完全不同。一場博士集體婚禮，讓哈工大培育鑽石意外成為互聯網熱話。這是學校為青年科研新人準備的溫馨禮物。「前年30分，去年50分，今年1克拉。」哈爾濱工業大學航天學院教授、博士生導師朱嘉琦笑着告訴香港文匯報記者，「尺寸、純度、均勻度，每一年都在跨越。」
這份校園浪漫的背後，是朱嘉琦團隊十餘載攻堅人造金剛石的縮影。他帶領團隊突破一系列關鍵核心技術，攻克大尺寸金剛石晶體生長技術，研製成套自主裝備，實現全鏈條自主可控，啃下高端芯片散熱的「卡脖子」難題。
在技術突破的帶動下，國產金剛石徹底跳出「磨料、首飾」的低端定位，參與競逐半導體散熱、特種光學、精密探測等高價值賽道。
●文：香港文匯報記者 于海江、王欣欣 哈爾濱報道
圖：香港文匯報哈爾濱傳真、香港文匯報記者于海江 攝
站在團隊自研的大功率微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）裝備前，朱嘉琦逐項調試生長參數。真空腔體內等離子體光暈穩定閃爍，碳原子逐層析出，慢慢「長出」晶圓級單晶金剛石。
傳統高溫高壓工藝只能產出小顆粒金剛石，多用於磨具、磨料。「磨料生意回款快，很少企業願意耗時十年攻堅高端材料。」朱嘉琦團隊2013年提前布局MPCVD路線，歷經十餘年反覆試驗，如今實現金剛石複合材料穩定量產。
佔全球九成產能 卻處產業鏈底端
「過去幾十年，我們是世界最大人造金剛石生產國，但一直處在產業鏈底端。」朱嘉琦直言。全球近九成金剛石產能集中在中國，但長期以微粉、金剛線、切割耗材為主。門檻低、競爭卷，多數企業只求穩現金流，不願投入長期技術攻堅。
行業真正的轉折點，來自第三代半導體與AI算力產業爆發。芯片功率越來越大，散熱瓶頸越來越突出，傳統材料已經頂不住高端製造需求。金剛石材料熱脹冷縮幅度，和碳化硅、氮化鎵這類第三代半導體高度匹配。做成基板可以快速帶走芯片熱量，讓器件長時間穩定滿負荷運轉。海外巨頭英偉達，已經把金剛石複合散熱定為下一代顯卡的核心方案，而這套製備技術，此前長期被國外把持。
「產業風口變了。」朱嘉琦告訴香港文匯報記者，「低端耗材不缺人做，電子級、大尺寸，才是卡脖子的關鍵。」
超高導熱 破芯片散熱難點
走入芯片測試展區，兩塊散熱樣板，把行業痛點直觀擺在眼前。普通純銅散熱片導熱能力平平，很難快速散出高熱；金剛石銅複合基板、純金剛石基板散熱能力成倍躍升，散熱效率拉開巨大差距。
「如今AI服務器芯片功耗越來越大，普通銅片根本扛不住持續升溫。芯片一過熱，算力立刻被強制降速，海內外廠商都在四處尋找新一代散熱材料。」朱嘉琦手拿樣品，道出全行業共同面對的難題。
「核心設備必須攥在自己手裏」
「國內外都能造出8英寸碳化硅襯底，大尺寸金剛石晶圓曾是我們的短板。」朱嘉琦團隊自研設備穩定產出8英寸金剛石，精準匹配新一代半導體製造標準。行業預測未來將新增萬台沉積設備需求。朱嘉琦表示，五千台設備的市場空間，就能帶動產業化企業實現跨越式發展，「科研最終要落地創造產業價值。」
十餘年前，海外對中國禁運高端MPCVD設備，核心裝備、核心工藝全部封鎖，意圖鎖死中國高端金剛石發展路徑。封鎖倒逼突破，朱嘉琦團隊從零起步，自主攻關整套MPCVD裝備技術。「別人不賣，我們就自己造。」朱嘉琦表示，「材料強國，核心設備必須攥在自己手裏。」
哈工大金剛石實驗室，這裏是國產大尺寸金剛石的製造車間。天然鑽石需要在地底億萬年沉澱成型，而這間百餘平方米實驗室裏，僅需數天就能培育出珠寶級、晶圓級金剛石，核心突破口就在朱嘉琦團隊自主研發的MPCVD設備。這套完全擺脫進口依賴的國產設備，攻克了大尺寸晶體生長均勻性難題，穩定支撐大尺寸金剛石晶圓批量製備。
金剛石功能材料迎來廣闊藍海
實驗操作台整齊擺放着指甲蓋大小的金剛石籽晶，博士生佩戴防靜電手套，小心將籽晶放置在樣品台，腔體達到真空後通入甲烷、氫氣混合反應氣體。朱嘉琦現場講解，混合氣體就是鑽石生長的「營養液」，大功率微波激發氣體形成等離子體，解離出的碳原子在籽晶表面有序堆疊，每小時晶體厚度可增長數十微米。
目前，團隊自研核心設備已實現自主可控，關鍵技術嚴格管控，形成穩固國產技術護城河。「MPCVD技術路線最大的優勢，就是能『長出』大尺寸、高純度金剛石。」
科研人員反覆優化金剛石表面金屬化工藝，大幅減小熱量傳導阻力，順利打通金剛石與銅牢固複合的技術難關。
朱嘉琦十分看好這條新賽道。今年芯片散熱市場迎來爆發，短短半年產業規模急速擴張，資本市場也給出熱烈反饋，多家超硬材料上市企業股價年內實現翻番，金剛石功能材料正迎來廣闊藍海。
