芯耀
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随着电子器件集成化程度不断提升，其功率密度与热量聚集问题日益突出，传统半导体散热材料（如 Si、GaN）的热导率普遍低于 500 W/(m・K)，难以满足高功率器件的热管理需求。在此背景下，多晶金刚石膜凭借卓越的热性能成为理想解决方案 —— 其热导率可达 2000 W/(m・K)，是 SiC 的 5 倍、Si 的 13 倍，且在 300 K 下热膨胀系数仅为 1×10⁻⁶K⁻¹，能适应极端工作环境。
不过，多晶金刚石膜的产业化仍面临三大核心瓶颈：一是 CVD 设备与运维成本高；二是大尺寸膜的均匀性控制、晶向调控和应力管理难度大；三是在现有 12 英寸产线中的兼容性不足，工艺切换成本高。
CVD 多晶金刚石膜的主流制备技术
化学气相沉积（CVD）技术是多晶金刚石膜制备的主流路径，目前已形成四种核心技术体系，各有侧重且不断突破尺寸与性能限制。
金刚石 CVD 生长工艺流程示意图
其中，微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）因无电极污染、等离子体密度高的优势，成为高质量膜制备的首选 —— 通过反应器结构迭代（从石英管式演进至椭球谐振腔、金属谐振腔），并搭配 915 MHz 低频微波，MPCVD 已实现直径 200 mm 的金刚石膜沉积，热导率最高可达 2000 W/(m・K)，不过其设备成本高、生长速率低的问题仍需改善。
热丝化学气相沉积（HFCVD）则以设备简单、沉积面积大为特色，通过多丝阵列优化与动态磁场辅助，研究者将其热场均匀性提升，厚度偏差降至 ±5%，目前已能制备直径 400 mm 的膜材，虽热导率仅约 1200 W/(m・K)，但在中低端大面积散热场景中极具成本优势。
直流热阴极化学气相沉积（DC-HC CVD）依靠辉光放电激发等离子体，沉积面积由阴极尺寸决定，已实现 8 英寸自支撑膜制备，操作简便且成本可控，不过电极溅射污染导致其热导率难以突破高端需求。
直流电弧等离子体喷射化学气相沉积（DC arc jet CVD）则凭借高压电弧产生的超高温等离子体，实现了 > 900 μm/h 的超高沉积速率，在多级磁场辅助下已制备出 7 英寸膜材，适合高功率器件的快速散热需求，但膜厚不均匀与高运行成本仍是其规模化应用的障碍。
影响多晶金刚石膜热导率的关键因素
热导率作为评估多晶金刚石膜性能的核心指标，其优化需围绕微观结构与工艺参数展开。
晶粒尺寸是决定热导率的关键因素，纳米晶金刚石膜的热导率通常仅有 8–100 W/(m·K)，而晶粒成长至微米级后可提升至 2000 W/(m·K)。这是因为晶界是声子散射的主要来源，大晶粒结构能够显著减少散射、提升声子平均自由程。膜厚同样会显著影响热传导性能，薄膜受界面散射和近表面缺陷影响较大，当膜厚从 0.5 μm 增至 5.6 μm 时，热导率可提高 150% 以上。
晶面取向也是影响热导率的重要因素。例如，具有 (100) 织构的多晶金刚石膜，其热导率相比随机取向薄膜可提升近 50%。残余应力则会破坏晶格周期性，影响声子传输，其来源包括热膨胀系数差异、界面失配与生长过程中应力积累，需要通过衬底选择、界面预处理及多层结构设计加以缓解。
在工艺调控方面，研究已形成系统化策略。以碳源浓度为例，CH₄ 浓度在 4%–8% 范围内时晶粒尺寸最大，热导率最佳；超过 10% 会触发二次成核，反而导致晶粒细化。温度、功率与压力的协同调控同样关键：750–850 ℃ 的衬底温度、高功率输入与中高压环境可显著提高晶粒尺寸与结晶质量。辅助物理场成为近年来的重要发展方向，例如施加角频率为 150π rad/s 的动态磁场可诱导晶面由 (110) 向 (100) 转变，有助于进一步提升热导率。
在应用方面，多晶金刚石膜已在高功率器件中展现出显著优势。例如，将 GaN HEMT 器件转移到金刚石膜上，其热阻可降低约 40%，在相同功率下结温下降超过 30 ℃。金刚石/SiC、金刚石/GaN 等复合衬底也展现出优异的热管理能力，热导率相较传统 SiC 衬底提升超过 17%，有望成为未来高功率电子器件的关键衬底材料。
最后
未来，多晶金刚石膜研究可从三个方向持续推进：
其一是技术层面，通过开发低频高功率 MPCVD 设备、提升沉积速率、优化等离子体分布，实现大尺寸、高均匀性的金刚石膜制备；
其二是应用层面，进一步推动金刚石膜在高功率电子、射频通信、激光器和量子芯片散热等领域的深度应用；
其三是基础研究层面，加强对晶粒生长动力学、声子传输机制的理解，建立工艺—结构—性能的定量模型，为高性能金刚石散热材料的定向设计提供理论基础。
