因地制宜發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力｜“河北造”金剛石助“人造太陽(yáng)”點(diǎn)火

在安徽合肥科學(xué)島上，佇立著一個(gè)高11米、直徑8米的“巨罐”，這是中國(guó)有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。

“點(diǎn)燃”這個(gè)“太陽(yáng)”，讓它內(nèi)部溫度達(dá)到上億攝氏度，需要注入數(shù)十兆瓦的微波能量，而傳輸這種能量，離不開一種微波窗口材料——直徑4英寸、厚度接近2毫米的金剛石。

這種金剛石，產(chǎn)自河北。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所有“人造太陽(yáng)”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）。新華社記者 陳諾 攝

近日，走進(jìn)位于京津冀國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新中心河北中心創(chuàng)新園的河北普萊斯曼金剛石科技有限公司，生產(chǎn)車間里，一臺(tái)臺(tái)MPCVD（微波等離子體化學(xué)氣相沉積）人造金剛石機(jī)器正安靜運(yùn)行，記者透過(guò)設(shè)備觀測(cè)窗，看到一團(tuán)耀眼的亮光。

“這團(tuán)光就是等離子體，內(nèi)部溫度超3000℃，它可以將氣體原料中的碳原子分離出來(lái)，讓它們像雪花一樣一層一層地飄落在襯底上，‘生長(zhǎng)’出金剛石?！焙颖逼杖R斯曼金剛石科技有限公司董事長(zhǎng)孫振路說(shuō)。

拿下這項(xiàng)核心技術(shù)，普萊斯曼用了十余年時(shí)間。

“大尺寸高品質(zhì)金剛石在新一代半導(dǎo)體、量子計(jì)算等高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，是爭(zhēng)奪未來(lái)高科技領(lǐng)域戰(zhàn)略制高點(diǎn)的關(guān)鍵材料?！睂O振路告訴記者，915兆赫MPCVD技術(shù)，微波功率高、沉積面積大，是制備大尺寸高品質(zhì)金剛石的關(guān)鍵技術(shù)，但長(zhǎng)久以來(lái)，該技術(shù)被國(guó)外壟斷，產(chǎn)品對(duì)我國(guó)限制銷售，并且價(jià)格不菲，作為微波窗口材料的高品質(zhì)金剛石，一片就要上百萬(wàn)元。

“設(shè)備依賴國(guó)外，發(fā)展就會(huì)受制于人?！?012年，孫振路和團(tuán)隊(duì)下定決心，自己研發(fā)！

不少人質(zhì)疑：你一個(gè)地方小企業(yè)，能搞出什么名堂？

孫振路的底氣來(lái)自于多年的研究積累。普萊斯曼公司成立于2009年，是由河北省激光研究所有限公司（原河北省科學(xué)院激光研究所）等投資成立的專業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量CVD（化學(xué)氣相沉積）金剛石的科技型創(chuàng)新企業(yè)。公司成立伊始，便開始研發(fā)MPCVD技術(shù)。2012年，該公司就掌握了2英寸金剛石的生產(chǎn)技術(shù)。

相比2英寸，生產(chǎn)大尺寸高品質(zhì)金剛石，需要更大的等離子體尺寸、更高的能量密度和更好的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)沒有生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可循，只能摸著石頭過(guò)河。

第一關(guān)，是如何讓金剛石均勻沉積。

“‘生長(zhǎng)’金剛石的氣源主要有甲烷、氫氣等，在微波作用下，反應(yīng)腔中會(huì)產(chǎn)生等離子體，激發(fā)氣體分子的化學(xué)鍵，使其解離、反應(yīng)和重組，最終在襯底表面沉積?！表?xiàng)目研發(fā)負(fù)責(zé)人李義鋒介紹。

原理不復(fù)雜，工藝卻十分繁復(fù)。

李義鋒將等離子體比喻成一個(gè)火苗?！澳没鹈缛粔K板子，火苗固定的情況下，板子上的一個(gè)點(diǎn)會(huì)因?yàn)槭軣岫嘁恍?，變得滾燙，其他地方則溫度偏低?！崩盍x鋒說(shuō)，等離子體也是如此，在反應(yīng)腔中，溫度高的地方，沉積速率更高，最終，沉積厚度不均會(huì)導(dǎo)致金剛石表面開裂、爆膜。

如何確保溫度的均勻性？

研發(fā)團(tuán)隊(duì)一邊設(shè)計(jì)、一邊試驗(yàn)，熬了無(wú)數(shù)通宵，卻屢試屢敗。“大家都知道，要調(diào)整電磁場(chǎng)的分布，控制等離子體，但究竟如何調(diào)整、怎么控制，卻沒人能說(shuō)出來(lái)?！崩盍x鋒回憶。

突然有一天，正在做試驗(yàn)的李義鋒靈光一閃：要不，咱們改一改反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)？

大家覺得可以一試。測(cè)評(píng)對(duì)比、計(jì)算驗(yàn)證、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)……一番論證后，解決方案終于確定下來(lái)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了設(shè)備結(jié)構(gòu)，同時(shí)，優(yōu)化氣流運(yùn)行工藝，使金剛石沉積的均勻性大大提高。

設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，也是一塊難啃的“硬骨頭”。

“大尺寸高品質(zhì)金剛石每小時(shí)只能‘生長(zhǎng)’幾微米，而我們的目標(biāo)是厚度至少達(dá)到2毫米，也就是說(shuō)，設(shè)備單次穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間需要數(shù)百甚至上千小時(shí)?！崩盍x鋒說(shuō)，最開始，設(shè)備頻繁故障，根本無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作。

“病因”在哪兒？

一片金剛石的“生長(zhǎng)”，有幾十道工序，每一步都涉及眾多參數(shù)，任何一個(gè)參數(shù)不適配，都有可能影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。大家一個(gè)個(gè)查找，一項(xiàng)項(xiàng)改進(jìn)，歷經(jīng)數(shù)百次失敗，2016年，團(tuán)隊(duì)終于穩(wěn)定制備出直徑5英寸、厚度超過(guò)2毫米的大尺寸金剛石。

普萊斯曼公司將產(chǎn)品免費(fèi)發(fā)給客戶試用，不料，新產(chǎn)品雖然滿足了尺寸和精度要求，但能量損耗高，性能指標(biāo)還需要改進(jìn)提升。

大家重新鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)優(yōu)化沉積工藝，2017年，新一代金剛石沉積設(shè)備誕生，生產(chǎn)的產(chǎn)品一次性通過(guò)檢測(cè)。

中國(guó)工程院院士、中國(guó)“人造太陽(yáng)”項(xiàng)目首席科學(xué)家李建剛對(duì)該項(xiàng)目成果給予高度評(píng)價(jià)：普萊斯曼自主研發(fā)的915兆赫/75千瓦M(jìn)PCVD設(shè)備在國(guó)內(nèi)率先合成聚變堆用兆瓦級(jí)微波窗口，窗口性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，可替代國(guó)外金剛石窗口應(yīng)用于我國(guó)聚變工程研究。

性能優(yōu)異，價(jià)格又遠(yuǎn)低于國(guó)外產(chǎn)品，普萊斯曼的金剛石不僅在“人造太陽(yáng)”上大顯身手，還收獲了國(guó)內(nèi)外多家科研院所的訂單，廣泛應(yīng)用在重點(diǎn)項(xiàng)目和重大工程上。

“原來(lái)的生產(chǎn)設(shè)備體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本很高、維護(hù)困難。”李義鋒說(shuō)，近些年，團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)和性能，使之更適合于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)需求。

去年年底，公司新增兩臺(tái)經(jīng)過(guò)小型化設(shè)計(jì)的機(jī)器，單次穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間超1500小時(shí)，可沉積直徑達(dá)6—8英寸。

普萊斯曼還想讓這片金剛石更完美。

在公司實(shí)驗(yàn)室的一張桌子上，記者看到許多金剛石試驗(yàn)品，有的光潔透亮，有的含有雜質(zhì)。“雜質(zhì)會(huì)影響金剛石的透光性和熱導(dǎo)率，在一些高精尖技術(shù)領(lǐng)域無(wú)法應(yīng)用?！睂O振路對(duì)記者說(shuō)，他們現(xiàn)在正抓緊調(diào)整工藝參數(shù)，提高生產(chǎn)無(wú)雜質(zhì)金剛石的成功率，“相信這片高品質(zhì)國(guó)產(chǎn)金剛石，未來(lái)能闖出更廣闊的市場(chǎng)?！?/p>