全球首块200毫米单晶半导体问世

　　20多年前，当业界普遍认为单晶金刚石难以生长到大尺寸时，科学家Stefan Gsell和Martin Fischer开始了探索。他们在德国经历了无数次失败和重建机器，最终在2022年以名下公司的形式被收购、带着技术加入美国实验室培育公司钻石铸造厂。

　　2026年11月5日，长达25年的里程碑式的激动人心的高光时刻：Diamond Foundry宣布全球第一块200毫米单晶金刚石正式问世。

　　这块晶圆看上去就像是一块巨大的、略带浑浊的玻璃圆盘，它还没有经过抛光处理，表面还不够光滑，甚至透着一些工业制造的粗糙感。但是，正是这块打磨不那么起眼的材料，打破了半导体行业几十年来对于金刚石尺寸的一贯认知，让单晶金刚石正式跨入大尺寸晶圆时代。

　　这得从我们使用手机或者电脑运行大型游戏说起，我们在使用时经常会感觉设备发烫，甚至由于原因过热而卡顿降频。在人工智能飞速发展的今天，那些在数据中心里日夜不停运转的AI芯片，功率密度越来越高，发热量越来越惊人。传统的硅材料与铜锣，已经越来越难以把这些热量快速地分发出去。

　　在寻找终极的散热材料的通路上，金刚石导热。作为导热里导热性能最好的物质，它的导热能力要远超过铜。除散热外，金刚石还具备非常高的机械强度、出色的绝缘性以及优异的光学特性。

　　但是在过去的几十年里，科学家们一直面临着一个巨大的障碍，那就是尺寸。天然金刚石成型一直要根据地质条件，产量非常稀少且体积很小。在实验室里研制出来的金刚石，虽然成品度很大，但很难做大，往往只能长到指甲盖尺寸。金刚石虽然一直被用于切削、铣削和铣削等工业领域，但若更广泛地用于半导体制造，还需要解决尺寸、质量、加工难度和成本等问题。

　　为了把金刚石变成工业能够在工厂里批量制造的基础材料，科学家们进行了一系列的努力。在半导体行业里，晶圆的尺寸通常代表着制造的效率和成本。硅片从早期的较小的一路尺寸发展到目前的300毫米大圆盘，每一次尺寸的变大，都意味着能够在材料上切出更多的芯片成本，从而降低可以。

　　金刚石却一直卡在生长的极限里，假定金刚石的碳原子在极高的温度和复杂的环境中，排列成彻底彻底的单一晶格，并且还得保证它在宏观刻度上不发生碎裂，这个物理活塞在没有图纸的情况下搭建了一座错综复杂的摩天大楼。

　　刚刚完成不可能的技术任务，在 Diamond Foundry 团队的坚持下成为了现实。该公司创始人 Martin Roscheisen 在发布这块晶圆时感慨地说，这是一个曾经不可能完成的里程碑，数百名工程师、科学家以及技术人员，经历了无数次的实验失败、发明创造与机器重建，才积累了今天这一成果。

　　在这个过程中，物理、反应器工程以及工艺控制等技术都需要取得令人满意的突破。他们不仅要解决如何使金刚石长得更大，还要解决如何使在生长过程中不产生缺陷，注意控制生长过程中的缺陷并保证大面积晶体的质量与一致性。

　图| 首颗直径200毫米的单晶钻石，未经抛光、未经加工（来源：Diamond Foundry）

　　而实现200毫米尺寸的意义，则使其成功满足了半导体制造中对成熟工艺节点的晶圆尺寸要求。这意味着，目前的部分半导体制造设备，有望在经过调整后才能加工用于金刚石材料。更让人期待的是，该公司还表示这一突破让300毫米晶圆工艺的制造互连可以预测。按照他们的规划来看，2030年之前将有望造出300毫米尺寸毫米的单晶芯片尺寸，从而能够与当前最先进的半导体芯片尺寸完全对齐。

　　讲完了尺寸，再来看看这块晶圆到底能够用来做什么。Diamond Foundry 看重的应用之一方向，是利用金刚石帮助高性能芯片，包括未来用于 AI 处理器的热管理。当代的高性能处理器把多层的计算单元封装在小型的区域里，热量高度的集中，如果不及时散出，芯片就会降速甚至会被烧毁。

　　金刚石突破允许的导热能力在材料底部把热量迅速摊开，降低局部过热的边界温度，从而能够为芯片设计提供更大的空间。它工程师设计功耗更高、性能更强、可靠性更好的芯片，同时也为现有的散热器系统减轻了负担。

　　（来源：钻石铸造厂）

　　事实上，已经有不少企业在这个方向上布局，比如有公司获得了资金支持研发将进行与合成金刚石结合的技术，也有传统钻石行业在研究复合铜复合金刚石材料大家，都在尝试利用高精度金刚石技术来应对AI时代的算力濒临危机。

　　除了金刚石之外，金刚石在电子性能上也具备极大的潜力。它能够在极高的电压和频率下工作，同时又具备极好的绝缘性，这使得它非常适合用于高功率的电力电子器件，或者下一代的高频通信设备。

　　在量子计算领域，金刚石内部的某些微小缺陷被称为量子空位色心，这些色心在上游下能够保持量子相干性，是构建量子比特的重要候选材料之一。当金刚石像硅片一样被大规模制造时，这些具体停留在可以前沿的物理结构想，那里有了走向工程化和商业化的可能。把那些到底只能在影视作品里看到的装置，一点点变成真正的工业产品。

　　（来源：钻石铸造厂）

　　当然，从工件生长的粗糙度，到装最终进电脑或服务器里的芯片，中间还有很长的路要走。目前切割的这块工件还是未经过抛光的粗糙状态，材料表面不存在平坦，需要进行精密的加工。

　　在极限的测量测量下，如何在一块大的单晶材料上进行均匀的掺杂，如何通过光刻面积技术在金刚石表面雕刻出复杂的电路图形，这些问题都需要产业界在未来的几年里逐步解决。但第一步的跨越已经足够了。这一成果显示，将单晶铣削至更大的尺寸并具有可能性。只要找到正确的物理和工程方法，材料学的边界就能被拓宽。

　　人类使用工具的历史，很大程度上就是一部材料进化的历史。从石器到青铜，从钢铁到硅，每一次基础材料的突破，都会引发整个社会生产方式的变革。半导体行业之所以能够发展至今，正是因为人类不断把最普通的沙子提纯成为了荣耀的硅。

　　科学家们将当今珠宝首饰的告示窗里解放，变成基础设施里的核心部件。回想这件事，德国科学家二十多年的坚持，提出长期尝试主义的精神在快节奏的现代社会里的程度相当严重。也许在未来的天，我们使用的电子设备里，就贴着这样一块由人造金刚石制成的薄膜，它们可以带走致命的余热，让算力能够实现无顾忌的狂奔。