【转载】人造金刚石行业的“黄埔军校”瞄准了半导体新赛道

  • 发布时间:2022-07-22
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我国金刚石单晶产量占全球总产量的90%以上,稳居世界第一。其中,河南人造金刚石产量占到约80%,河南已经成为全球超硬材料行业实至名归的“领航员”。


河南在金刚石领域的突出表现,还要归功于河南的一家研究所。如今,他们凭借前瞻性思维,瞄准了金刚石优秀的光电特性,希望在半导体等未来产业,继续换道领跑。


河南的工业名片

第一颗人造金刚石在这里诞生

郑州高新技术开发区梧桐街121号,坐落着一家被俗称为“三磨所”的研究所。就是这样一家并不显山露水的研究所,奠定了我国在世界金刚石领域的地位。


1958年,国家筹建郑州磨料磨具磨削研究所。因为专注于磨料、磨具、磨削的研发,所以就有了“三磨所”这个俗称。研究所就建在二砂厂(中国第二砂轮制造厂)内,定位为全国各砂轮厂的共同科研单位。


当年,国内砂轮厂的核心原料人造金刚石为国外对中国禁售的战略物资。为了保证自主安全,1960年,国家第一机械工业部设立了121号研究课题:研究人造金刚石,并把这个重要的课题交给了郑州三磨所。

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1963年三磨所成功研制中国第一颗人造金刚石。1965年三磨所研发出我国第一台六面顶压机,它基于我国完全自主知识产权、独特的“六面顶”设备及工艺,独占世界超硬材料产业鳌头。


记者了解到,这台六面顶压机研发成功当年,金刚石产量即达到1万克拉,随后的30年间,该顶压机共合成金刚石约150万次。如今,这台具有纪念意义的功勋机器收藏在三磨所的院内成为“镇院之宝”。


记者根据《2021年中国磨料磨具工业年鉴》相关统计数据了解到,2020年行业内主要生产商金刚石单晶产量约为200亿克拉,产值约为50亿元,平均每克拉不到3毛钱。


人造金刚石从1965年的30多元/克拉,降到现在的3毛钱/克拉,三磨所研发的技术硬生生地把人造金刚石打成白菜价(这里指的是工业级金刚石的价格,与珠宝钻石相比,它的纯度较低)。


它所带动的人造金刚石产业,也被业内人士誉为河南的一张工业名片。


人造金刚石领域的黄埔军校,助力多家上市企业

“在应用领域,河南超硬材料企业创造的产值占全国同领域产值的50%以上。除了三大龙头企业之外,河南还有200余家超硬材料及制品生产企业。”河南省科学技术协会主席吕国范介绍,柘城被誉为中国钻石之都、金刚石微粉之乡。其中金刚石微粉产量和出口量占全国市场份额分别达到70%和50%,大颗粒单晶产量占全国市场份额的60%。

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记者梳理发现,河南在超硬材料领域已有黄河旋风、力量钻石、四方达等上市公司。随着惠丰钻石A股IPO注册获批、富耐克上市辅导通过验收,河南钻石上市企业有望迎来新一波扩容。


而这些企业,都与三磨所这所“黄埔军校”有着千丝万缕的联系。


三磨所从几十平方米的“筹备处”,发展到现在拥有标准化厂房6万㎡、科研实验室3000㎡、10余条智能化生产线及千余台套国内外先进生产设备的综合性企业(隶属于上市公司国机精工)。


记者了解到,2021年,郑州磨料磨具磨削研究所有限公司年产值已经突破8.2亿元,利润率超过30%,市场占有率稳步提升。


过去的几十年,三磨所从无到有围绕超硬材料领域不断研发创新。其研发的相关磨具广泛应用于芯片加工、汽车制造、油气钻探等领域。


在“传统”磨具领域,他们已经做到了在头发丝上“跳舞”的境界。

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举个例子,在芯片加工领域,一个重要的环节就是要精准地在光亮如镜面般的大直径硅片上进行精准“裁剪”。


“这里就要用到我们研发的高效精密超薄硅片划片刀。”郑州磨料磨具磨削研究所有限公司科技发展部部长孙冠男告诉记者说,“这种刀片的厚度是10微米,而一根头发丝的直径大约是80微米,我们的产品能够做到在一根头发丝上开7道槽。”


包含上述划片刀在内,三磨所研发出的“切、磨、抛”芯片加工全系超硬材料制品,对我国芯片加工产业的独立自主可控、保障芯片产业技术安全具有重要意义。


行业风向标,已瞄准下一个赛道

“以往,金刚石在工业领域的应用主要是围绕其硬度、耐磨性等机械性能。其实金刚石还有一系列优秀的性能。例如,其导热率非常好,可以用来制作高性能导热材料。光学透过性好,可以做高性能光学窗口材料。”郑州磨料磨具磨削研究所有限公司董事长赵延军在接受记者专访时说。

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三磨所针对金刚石高导热性、透光性等性能,已经开发出相关产品成功应用在雷达、航空航天等领域。用于5G相关设备上的应用也在研发过程中。


除了“高大上”的领域,硼掺杂金刚石电极在电化学传感器、污水处理等领域已取得了突破性进展,寿命是传统电极的数十倍。


“金刚石最有前景的应用领域在第四代半导体,这已经是国际前沿的研究热点。”赵延军向记者介绍,已经有相关机构在研究金刚石在量子计算领域的应用。


由于具有载流子迁移率高、载流子饱和漂移速率大、击穿场强大等性能,金刚石是研制大功率、高温、高频等高性能半导体器件的理想材料,被行业誉为“终极半导体材料”。可替代现有硅、砷化镓等半导体材料,引发半导体产业革命。


也就是说,未来有一天,你用的芯片可能是金刚石打造的。


不过,赵延军坦言,想要实现芯片级金刚石的工业化,需要克服提高金刚石纯度、制作大尺寸金刚石薄片等一系列系统性技术挑战:在实验室中研发成功后,还需经历优化工艺和成本、应用等一系列产业化落地过程,预计需要10~20年的研发才有可能突破。


顶端新闻·河南商报首席记者 郭丁然

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