中國科學院大學2021年本科錄取通知書曾被稱為“最硬”通知書，皆因其中嵌著一塊刻有校訓“博學篤志、格物明德”的金剛石。

       這批刻有校訓的金剛石，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）制作完成。

       經過多年努力，該所成功打通了從理論探索到裝備與工藝國產化，再到高品質大尺寸單晶高效制備和規模量產的全鏈條，成功研發出我國首條化學氣相沉積（CVD）大單晶金剛石生產示范線，為我國在半導體技術領域實現彎道超車、搶占未來產業的制高點，以及實施國家發展戰略提供了支撐。

       國內自主設計的首條CVD單晶金剛石生產線。

       1?江南回江南

       2010年，作為美國應用納米材料控股公司的科學家，東北漢子江南得知，成立不到7年的寧波材料所面向全球招聘研究人員。

       江南深耕材料領域多年，一直牽掛祖國的發展。他深知，只有回國才有機會讓所學的知識發揮出最大價值，于是很快與時任寧波材料所所長崔平取得聯系。

       兩人科研理念一致，尤其讓江南心動的是，寧波材料所非常重視成果落地及產業化，這與他在產業界多年形成的認知不謀而合。

       不過江南希望在更合適的時機回來，寧波材料所愿意給人才更多的時間思考和成長。之后的兩年，崔平一直與江南保持聯系，交流學界、產業界新動態。

       到2012年，江南已經手握中、日、美專利50余項，發表學術論文80余篇。經過梳理和沉淀，他希望在CVD單晶金剛石制備及相關生產設備上發力。“更合適”的時機到來了。

       CVD單晶金剛石。

       當時，國際上已經有個別機構能夠使用CVD法生產金剛石，但售價很高。國內個別廠家雖然有生產裝備，但由于腔體設計有缺陷、等離子體不穩定、氣密性及合成工藝有問題，沒有成功生產的先例。

       回國前就有人建議江南使用國外設備，因為“國內設備長不出單晶金剛石”。

       江南卻頗有信心，他說：“不必迷信，國外有的機構也就一兩位博士主持研發，而國內那么多科研力量，我們一定行！”這也是后來進入研發團隊的許多人秉持的信念。

       江南加入寧波材料所前的人才引進評審會由中國工程院院士、時任寧波材料所科學技術委員會主任薛群基主持。

       薛群基介紹，當時國內用高溫高壓法生產金剛石的企業很多，出口量也很大，但缺乏高技術層面的應用。

       “有專家對江南要做的CVD單晶金剛石研發不看好，畢竟那時連靠譜的國產設備都沒有。”薛群基回憶說，“當時雖然寧波材料所很年輕，但作為國家戰略科技力量的一員，應當圍繞高技術應用、面向國家戰略需求開展研究，這就需要有水平、有信念的人才。”

       而江南正是這樣的人才，因此他順利成為寧波材料所的一員。

       2?“種”鉆石

       金剛石聽起來就很貴重，事實也是如此。它更為人熟知的名字是“鉆石”，由于其切割、打磨后璀璨奪目，因此在飾品市場頗受追捧。

       克拉級透明鉆石和彩色鉆石。

       此外，金剛石是精密切削和精密加工的關鍵。“幾乎所有高端制造業產品都依賴它。”江南介紹，從光學鏡頭到我國大科學裝置的反射盤，都離不開金剛石刀具的超精密加工。

       然而，天然金剛石十分稀有，很難在工業領域實現大規模應用。

       20世紀50年代，美國通用公司開始采用高溫高壓法，模擬天然金剛石“老家”地幔層的溫度與壓力，制備金剛石。由于具有綜合優勢，目前依然有大量國內外企業使用這種方法制備金剛石。

       但高溫高壓法生產出的金剛石顆粒形貌、大小和品質各異，難以應用于半導體及微電子等高技術領域，于是從20世紀60年代開始，美國學者就嘗試用CVD法培育金剛石。

       “培育過程有點像種莊稼，需要‘種子’與‘養料’。”江南介紹，開始培育時，需要一塊小尺寸的金剛石作為籽晶，也就是“種子”，以甲烷等碳源氣體作“養料”，在超真空培養艙中，將氣體原料中的碳原子分離出來，讓它們一層一層沉積在籽晶片上，逐漸長厚，最終籽晶就成長為更厚、更大的金剛石晶體了。

       CVD人造金剛石與天然金剛石結構相同、化學成分相同，就連物理性質也相同，而且由于技術進步和生長環境更加潔凈無瑕，反而比天然金剛石純凈度更高。

       江南認為，天然金剛石是大自然的饋贈，而人造金剛石則是人類科技硬實力的展現。

       3?造設備

       2012年底回國的時候，江南只身一人，攜帶簡單的個人用品，輕裝出發。那時寧波材料所經費并不充裕，但仍為江南提供了當時最高的科研啟動經費。

       江南團隊的第一位成員是科研兼行政助理戴丹，第二位成員是來自湖北的碩士畢業生呂繼磊，專業方向是金剛石。

       幫手有了，江南決定盡快啟動科研工作。他們想用微波等離子CVD（MPCVD）法實現單晶金剛石的同質外延生長。原理是在微波能量的作用下，將原料氣體激發成等離子體狀態，直到實現輝光發電，腔體中充滿過飽和原子氫和含碳基團，從而有效提高單晶金剛石的沉積速率和質量。為此，先要配備相關設備。

       當時，國外已經實現CVD金剛石的生產，但進口一臺設備要花近300萬元，太貴了，而且只買一臺也不能滿足批量生產需求。江南決定在國產設備基礎上進行研發，讓國產化實現得更徹底。

       呂繼磊跟著江南到成都等地的幾家設備廠商尋求定制。“江老師很有經驗，也不多說廢話，直接去設備現場，結果發現設備確實非常不成熟。比如腔體做得不均勻、材料本身不均勻，甚至有的地方用鐵替代不銹鋼，就連等離子體都是偏的……”對于10多年前的那段經歷，已成為企業家的呂繼磊記憶猶新。

       這一輪定制之旅，用了很多天，白天測試、晚上總結。當他們將這些優化意見提交給廠家時，對方很吃驚。廠家每年只生產幾臺設備，沒想到買家這么“麻煩”。不過，意見提得有理有據，廠家只能按要求進行修改。

       就這樣，2013年盛夏，一臺相對靠譜的MPCVD設備終于造出來了。那天，來自寧波材料所的科研人員離開設備廠區后，驅車一個多小時到成都市中心的武侯祠喝茶，心情很好。

       4?“種”成了

       2013年8月初的一天，MPCVD設備到位了。放置籽晶開機后，這臺設備幾乎成了江南等人的全世界：凌晨兩三點準備下班前，要看一下設備；早上8點多來實驗室，第一件事是看設備；上班過程中，80%的時間都在看設備，觀察金剛石生長情況、參數波動，隨時記錄，以應對突發情況。

       生長中的CVD金剛石。

       然而，過了近一個月，金剛石還沒“種”成功，設備卻開始出現各種問題。

       MPCVD設備的諧振腔關系著金剛石的生長效率，其設計、制造需要考慮尺寸、真空密封方式，承載晶片的基片臺的性狀、材質、散熱方式，以及電源、水冷系統、氣源系統等整個設備的外圍穩定性。

       由于廠家也不熟悉需要的工藝，江南只能帶領團隊親自動手拆了改、改了裝，3個多月內把這臺設備“大卸八塊”不止100次，有時候一天拆兩次。“上百次的失敗，每次都很沮喪，不是設備不穩定就是部件出問題，長出黑乎乎的已經不能稱之為晶片的金剛石。”江南回憶說。

       直到11月，崔平幫忙找到一家專門做腔體的企業，情況才有所好轉。這家企業的負責人很專業且盡心盡責，雙方結合各自經驗逐步摸索，先通過模擬軟件大量計算得到理論中的最優值，再通過經驗疊加，得出實際的最優參數。

       升級后的設備各方面得到優化——密封圈不再使用易老化、易熔化的橡膠圈，在試驗過氟膠圈、聚氨酯圈等材料后，最終確定為金屬密封圈；基片臺材質從熱導率差、易變形的不銹鋼換成銅……隨著工藝的改進，江南預判到了成功合成單晶金剛石的節點。

       此后，團隊又招進兩名研究生，大家可以輪班看設備了。

       2013年12月31日深夜，科研人員準備下班前再次到觀察窗查看，得到了一份新年禮物——第一顆金剛石“種”成功了！這份特殊而貴重的禮物，讓在場的每一位科研人員終生難忘。他們把這顆3毫米×3毫米×1.5毫米的人造金剛石放在石英石表盤上，拍下它的第一張照片。

       作為國內第一片使用自主研發的CVD裝備及工藝合成的單晶金剛石，它的誕生不僅意味著整個人造金剛石產業鏈條的生態可能發生改變，更意味著我國人造金剛石的高技術應用不再受制于人。

       5?產業化

       然而，差距依然存在，同一時間，國外已經“種”出5毫米×5毫米、7毫米×7毫米的CVD金剛石。更緊迫的是，盡管江南等人制造的MPCVD設備成本雖然不到30萬元，只有進口機的1/10，但僅憑團隊的經費，依然捉襟見肘，難以實現CVD單晶金剛石的規模化制備。

       2013年，同為寧波材料所高級引進人才的激光專家張文武，介紹他的河南老鄉張軍安夫婦來和江南談合作。

       崔平對成果轉化頗有經驗，也一起參與了交流。她對當年的情形印象深刻：“這對夫婦非常樸實，貌不驚人，但是一聊就知道他們特別懂行。”

       張軍安在河南一直做高溫高壓金剛石生產，不過產出的都是粉體。對于江南實驗室長出來的塊體，他覺得，技術這么先進，未來市場一定沒問題。

       崔平很看好張軍安夫婦的誠意和對產業鏈、市場的熟悉，認為可以和江南很好地互補。“科學家就做研究，設備購買、產品銷售這些事交給企業家，這是最好的組合。”

       合作就此達成。張軍安投入上千萬元，一半用于支持團隊繼續做科研，一半用來與江南、張文武共同創辦寧波晶鉆公司。

       寧波材料所非常支持這種一邊研發，一邊產業化的發展方式，還專門開會研討了推動創辦企業的細節，助力企業更具市場活力。

       6?快車道

       2013年，寧波晶鉆公司成立并實質性運營后，CVD單晶金剛石技術和國產化生產就此駛入快車道。

       2014年3月，經過優化的第二臺MPCVD設備制造完畢，它的等離子體更大，確保了更大、更穩定的有效沉積面積，從一次只能放1顆籽晶變成可以同時放9顆籽晶，生長時間則從一個星期縮短為3天。整體生產效率大幅提高。

       在此基礎上，經過又一輪優化，第三批10臺設備“一氣呵成”。2014年下半年，它們被整整齊齊地安放在寧波晶鉆廠房并啟動，標志著我國首條CVD大單晶金剛石生產示范線正式投產。

       為了進一步實現CVD單晶金剛石生產工藝的國產化，這10臺機器輪番試驗各種不同的工藝，幫助科研人員做了大量摸索。

       在不斷優化、迭代中，MPCVD設備2016年達到20臺、2017年達到30臺，“種”出的金剛石尺寸提升到7毫米×7毫米、10毫米×10毫米……設備和工藝也都完全實現了國產化。

       截至2023年底，全球約有1萬臺MPCVD設備，我國有3000臺左右，其中寧波晶鉆擁有1000余臺，成為全球規模最大的CVD單晶金剛石生產商之一，實現全自動化機器人監控運轉，產品尺寸最大達42毫米×42毫米，品質對標世界先進水平。

       當初，需要花10萬元從國外購買的單晶金剛石籽晶，目前，只需要幾百元成本就能得到了。

       CVD單晶金剛石全自動化生長車間。寧波材料所供圖

       7?無人區

       2016年從寧波材料所科技處崗位轉入江南團隊的研究員李赫，其實早就與江南開展了合作研究。

       這一年，他依托江南團隊申請到寧波市重大科研專項，決定全身心加入團隊，并主動策劃、申請包括國家重點研發計劃在內的重要科研項目。

       如今，這支團隊已發展成為擁有包括4位國家級高層次人才在內的近百人的科研隊伍，早已不復江南一人的冷清。

       自10年前寧波建起國內首條自主研發的CVD單晶金剛石生產線起，國內已建立了2英寸級金剛石MPCVD裝備國產化制造、金剛石襯底激光切割剝離技術與裝備國產化制造、金剛石熱化學研磨拋光技術與裝備國產化制造等分支行業。培育鉆石、金剛石工具等新興產業終端市場規模超千億元。

       寧波材料所這群充滿信念的科研人員，已經從原來的跟跑、并跑，真正進入了領跑的“無人區”——正如當初薛群基期待的，他們希望能建立起金剛石半導體產業高端新賽道，打造第四代金剛石半導體創新產業鏈，實現金剛石在芯片、微電子、量子通信、光學、超精密加工、高端醫療等領域的創新應用。

       李赫坦言，現在心里是忐忑的。“以前知道別人做出來過，我們有信心做出來，心里是輕松的；并跑甚至有望超越的時候，是很有成就感的；現在國內外都沒有參照物了，難度非常大，壓力一定是有的，但我們尋求突破的動力依然很強。”

       2023年，團隊在中國科學院項目的支持下，率先開發出可實現12英寸超大尺度高品質金剛石制備的大功率MPCVD裝備與合成工藝。該技術為金剛石晶圓的高效率、低成本產業化合成提供了重要途徑。

       目前，團隊正緊鑼密鼓地進一步全面優化裝備與工藝。同時，相應大尺寸金剛石晶圓激光隱切技術和芯片級精度研拋技術也亟待開發。新賽道的建立，意味著團隊的工作更多，江南又開始帶領團隊夜以繼日地進行高強度攻關。

       金剛石被譽為“終極半導體”材料。“目前在CVD金剛石技術方面，總體來說國內外處于并跑階段，實現領跑，是時代賦予我們搶占新一代半導體科技制高點的一個重大機遇、重大挑戰，同時也是國家在半導體領域實現超越的希望所在，因此不能錯失良機。”江南說。

       “我相信，未來幾年，通過國內優勢單位跨界協同、聯合創新，完全能夠率先打通金剛石晶圓制造的新賽道，撬動萬億級高端新市場，開創半導體研究新領域。”對此，江南充滿信心。

（原載于《中國科學報》?2024-06-28?第4版?專題）