2023年12月16日，「鄭創(chuàng)匯」國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽年終總決賽，佳睿福鉆石（河南）有限公司創(chuàng)始人馮參軍帶著他的“鉆石芯片觸媒技術(shù)”獲得二等獎(jiǎng)。

在業(yè)內(nèi)，馮參軍因其觸媒技術(shù)推動(dòng)培育鉆石的誕生，被稱為“培育白鉆第一人”。這一次，他的鉆石芯片計(jì)劃，又將如何推動(dòng)金剛石向終級(jí)半導(dǎo)體材料的演進(jìn)？

       金剛石溯源，碳的催化之旅

       培育鉆石，就是首飾級(jí)的金剛石。

       而談到金剛石，廣為人知的是其作為超硬材料，被稱為工業(yè)的牙齒，在磨具磨料領(lǐng)域沒它不可。

       時(shí)間回溯到1952年，美國科學(xué)家威廉·艾弗索，首次用化學(xué)氣相沉積法（CVD）研制出人工合成金剛石。1954年，美國通用電氣的霍爾博士團(tuán)隊(duì)，用高溫高壓法（HPHT）成功研制出合成金剛石。

       上世紀(jì)50年代，中國集中發(fā)展重工業(yè)，機(jī)械制造、石油化工、冶金、開采等領(lǐng)域都要用到金剛石。但是，新中國成立之初，工業(yè)發(fā)展相對(duì)落后，金剛石無法實(shí)現(xiàn)自給。

       公開報(bào)道顯示，面對(duì)人造金剛石技術(shù)被國外“卡脖子”，1960年，鄭州三磨所承擔(dān)了這項(xiàng)光榮任務(wù)，經(jīng)過三年科研攻關(guān)，成功研發(fā)出了中國第一顆人造金剛石，中國自主產(chǎn)權(quán)的六面頂壓機(jī)也隨之問世。

       這顆小小的金剛石，從此奠定了河南在全球超硬材料領(lǐng)域的重要地位。后來，技術(shù)繼續(xù)演進(jìn)，人們從人造金剛石里發(fā)現(xiàn)了無色金剛石（俗稱白鉆），首飾級(jí)合成金剛石逐漸走向前臺(tái)。

       起初，這種人造鉆石在市場(chǎng)上是水下交易，直到五年前，美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會(huì)將實(shí)驗(yàn)室培育鉆石（Lab-Grown Diamond）納入鉆石大類，培育鉆石這個(gè)品類也先后被施華洛世奇、戴比爾斯，以及美國最大珠寶零售商Signet、全球最大珠寶商潘多拉接納，從此培育鉆石登堂入室。隨著力量鉆石等相關(guān)概念股上市，這個(gè)產(chǎn)業(yè)春潮涌動(dòng)，也劇烈地沖擊著天然鉆石的市場(chǎng)。

       培育鉆石主要市場(chǎng)在美國，而主要原材料上市公司都在河南，包括黃河旋風(fēng)、中南鉆石、力量鉆石等。

       推進(jìn)這一品類進(jìn)化的核心技術(shù)，除了六面頂壓機(jī)，還有很少被公開傳播的觸媒配方工藝技術(shù)。

       馮參軍將這二者比喻為計(jì)算機(jī)的硬件和軟件，相輔相成。觸媒就是催化劑，其配方工藝就像“編程”，一是讓碳原子按金剛石的硬度、大小、碳原子排列方向等參數(shù)生長，二是通過化學(xué)反應(yīng)改變金剛石的顏色。

       鉆石觸媒，造物者的馴化術(shù)

       六面頂壓機(jī)的工作原理，是模擬地殼運(yùn)動(dòng)，將數(shù)萬噸的壓力、上千度的高溫，聚焦在不到10厘米的立方體材料上，讓它在很短的時(shí)間內(nèi)模擬大自然億萬斯年的變化，這是一種怎樣的造物運(yùn)動(dòng)？材料專家在觸媒領(lǐng)域進(jìn)行了大量探索。

       公開報(bào)道顯示，2001年，中南鉆石突破金剛石生產(chǎn)的關(guān)鍵核心技術(shù)——粉末觸媒合成技術(shù)，結(jié)束了傳統(tǒng)金剛石40多年片狀觸媒生產(chǎn)的歷史，使中國的金剛石制造技術(shù)首次與國際同步，成為領(lǐng)跑國際超硬材料技術(shù)創(chuàng)新的重要里程碑。

       當(dāng)年，馮參軍還在中國礦業(yè)大學(xué)讀書。2003年，馮參軍來到北京某金屬研究院工作，參與了金剛石粉狀觸媒配方工藝的研究實(shí)驗(yàn)，從此扎根金剛石觸媒研究，一干就是二十年。

在研究院期間，馮參軍從黃色人造金剛石中偶然發(fā)現(xiàn)了晶瑩的“白鉆”，這讓他特別興奮。只可惜，這種金剛石不符合磨具磨料的指標(biāo)，馮參軍的觸媒新配方被廠家退了回來。

       2008年，原焦作大三元粉末材料有限公司引進(jìn)人才，馮參軍進(jìn)入了這家觸媒銷售研發(fā)企業(yè)，成為總工。

       也就是在焦作工作期間，馮參軍決定繼續(xù)發(fā)展觸媒技術(shù)，一是通過觸媒的改進(jìn)讓金剛石長到克拉級(jí)，二是讓它變得更白（無色），顏色與凈度與天然鉆石媲美，甚至長成彩色鉆石。

當(dāng)時(shí)大單晶技術(shù)被英國壟斷，“白鉆”還沒有市場(chǎng)。馮參軍在與河南理工大學(xué)開展產(chǎn)學(xué)研期間，通過電子圖書館，查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，一舉攻克了制造大單晶的觸媒配方工藝。

他所在的企業(yè)在短短兩年時(shí)間內(nèi)，供應(yīng)了全國90%工業(yè)金剛石的觸媒。但是，2010年，公司發(fā)生變故被收購。馮參軍不想放棄觸媒技術(shù)的進(jìn)化，“我從銀行貸款，自掏腰包，租了8臺(tái)設(shè)備，在鄭州偏遠(yuǎn)的古滎鎮(zhèn)自己搞了個(gè)實(shí)驗(yàn)室。”

       “這種白鉆不太符合磨料磨具的參數(shù)，我也被認(rèn)為不務(wù)正業(yè)。今天，時(shí)間拉長了看，我當(dāng)初的努力并沒有白費(fèi)?！?/p>

       “天然鉆石都是無色的，我們發(fā)現(xiàn)，氮是讓鉆石變黃的元素，如果氮沒有了，鉆石就會(huì)變成無色?！庇檬裁床牧先ノ狂T參軍先后用了二十幾種材料，做了大半年研究。

       馮參軍終于研發(fā)出了第一代白鉆技術(shù)，做出了 1～2毫米的“小白鉆”。他繼續(xù)精進(jìn)2.0技術(shù)，將小白鉆做大了3～5毫米。3.0技術(shù)，白鉆已經(jīng)是1克拉以上。

       2012年開始，馮參軍可以批量生產(chǎn)白鉆。他帶著自己的小白鉆到深圳和義烏找銷路，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上稱這種鉆石為“假鉆”、“人造鉆石”。一次偶然的機(jī)會(huì)，馮參軍跟一位印度客商達(dá)成合作，“這是中國第一筆培育鉆石的外貿(mào)生意”，印度是全球主要的鉆石切割市場(chǎng)，他們春江水暖鴨先知。

       白鉆在消費(fèi)端不脛而走。2016年，鄭州的一家金剛石生產(chǎn)企業(yè)花2000萬，將馮參軍所在企業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)并入，成了河南首家白鉆的研發(fā)生產(chǎn)和銷售企業(yè)。唯獨(dú)馮參軍選擇了獨(dú)立發(fā)展。今天，全球培育鉆石看中國，中國培育鉆石看河南。以馮參軍為首的老東家，無疑是河南培育鉆石技術(shù)的“黃埔軍?！保T參軍說，“這個(gè)圈子不大，中國培育鉆石的觸媒配方工藝都是一脈相承的。”

       2022年，馮參軍繼續(xù)精進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了4.0技術(shù)突破，將片狀觸媒改成粉狀，將傳統(tǒng)晶種法（溫差法）轉(zhuǎn)化成自發(fā)成核法，結(jié)束了片狀觸媒合成培育鉆石的歷史，成為行業(yè)技術(shù)演進(jìn)的里程碑。這距2001年中南鉆石結(jié)束工業(yè)鉆石片狀觸媒的時(shí)間過去了21年。

       自發(fā)成核法生成的培育鉆石，像石榴籽一樣密密麻麻，晶瑩剔透。

       據(jù)統(tǒng)計(jì)，用粉狀觸媒工藝，2小時(shí)能產(chǎn)100克拉3毫米白鉆（560機(jī)型），顏色級(jí)別達(dá)到DEF色，凈度達(dá)到VVS-SI級(jí)別。據(jù)對(duì)比，片狀觸媒24小時(shí)20克拉（560機(jī)型），“目前，市面上使用的是第三代片狀觸媒技術(shù)，國外也沒有粉狀技術(shù)的突破。”

       吳柏麟教授是原武漢理工大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事單晶生長及工藝研究，他針對(duì)馮參軍提供的粉末觸媒技術(shù)與培育鉆石觸媒技術(shù)樣品進(jìn)行了生長實(shí)驗(yàn)鑒定。他說，馮參軍所提供的粉末觸媒技術(shù)的成分、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量方面超越歐美相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品。同時(shí)，在培育鉆石觸媒技術(shù)分析中，吳伯麟說，馮參軍發(fā)現(xiàn)其四種不同規(guī)格合成塊的成分、結(jié)構(gòu)，與烏克蘭、俄羅斯的先進(jìn)技術(shù)觸媒成分相似，并且其生長周期從7-8天縮短為4-5天，產(chǎn)品合格率達(dá)到90%以上，與國內(nèi)同行同類產(chǎn)品相比，產(chǎn)能提高了40%-50%。

       到今天，馮參軍一直給市面上的上市公司供應(yīng)培育鉆石觸媒，市場(chǎng)份額居行業(yè)之首。

       鉆石芯片，中美方案商業(yè)化角逐

       河南作為超硬材料源頭省份，十分重視超硬材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，河南省委書記樓陽生親自擔(dān)任該產(chǎn)業(yè)鏈鏈長，近日，樓陽生主持召開超硬材料高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)，他指出，“搶占前沿賽道，努力走向中高端，成為關(guān)鍵環(huán)，瞄準(zhǔn)金剛石半導(dǎo)材料、電聲熱功能性應(yīng)用等前沿領(lǐng)域。”

       合成金剛石經(jīng)歷了從傳統(tǒng)磨料到首飾級(jí)金剛石的演進(jìn)，完成了從工業(yè)到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的滲透，需求端景氣度持續(xù)向上。接下來如何繼續(xù)向中高端躍遷？答案已經(jīng)浮出水面，就是功能性金剛石。

       功能性金剛石之所以功能強(qiáng)大，是因?yàn)樗鼡碛懈邿釋?dǎo)率、寬禁帶、高載流子遷移率、高絕緣性、極佳的光學(xué)透過性、化學(xué)穩(wěn)定性與抗輻射性等，超過目前地球上的一切半導(dǎo)體材料，也因此被稱為“終極半導(dǎo)體”。

       功能性金剛石在工業(yè)級(jí)、熱學(xué)級(jí)、光學(xué)級(jí)、電子級(jí)應(yīng)用潛力巨大，為解決國防軍工、航空航天、半導(dǎo)體芯片、激光、紅外傳感等國家重大關(guān)鍵領(lǐng)域中的卡脖子難題提供終極材料。中國地質(zhì)大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師何涌說：“金剛石的散熱功能，并不是誰的新近發(fā)現(xiàn)，教科書里都寫了，在軍工、航天等領(lǐng)域都有應(yīng)用，只是成本太高，難以大規(guī)模商用。”

       生產(chǎn)晶圓大小的單晶鉆石一直是難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)圣杯。今年，美國的Diamond Foundry Inc用CVD法制造出了世界上第一塊直徑為100 毫米的單晶金剛石晶圓。然而培育周期長，成本太高，離商用遙遙無期。

       怎么辦？

       馮參軍說，我們延續(xù)HTHP高溫高壓法中國方案，生產(chǎn)出可以用于半導(dǎo)體散熱材料的單晶金剛石。單晶金剛石分很多類別，其中技術(shù)要求最高的是高功率單晶金剛石，不僅要求單晶長成方形，還要求厚度控制在0.2毫米左右，熱導(dǎo)系數(shù)為1200-2200 W/MK；與此同時(shí)，要控制好碳原子的生方長向，只有這個(gè)做好了，才可以實(shí)現(xiàn)單晶的拼接鍵合，從而可以把晶圓做得無限大。

       這還不夠，降低成本才是商業(yè)化的基礎(chǔ)，馮參軍的快速自發(fā)成核粉狀觸媒工藝，恰恰為成本的突破打下了基礎(chǔ)?！拔覀儼呀饎偸瘑尉У膬r(jià)格給打下來了，每克拉只需要幾十元?！?/p>

馮參軍的相關(guān)發(fā)明專利已經(jīng)授權(quán)，并與全球光纖光纜領(lǐng)域龍頭上市企業(yè)長飛光纖光纜股份有限公司完成了應(yīng)用測(cè)試，簽訂了聯(lián)合開發(fā)與供應(yīng)合同。

       12月26日下午，鄭州市科技局生產(chǎn)力促進(jìn)中心組織專家進(jìn)行科技成果評(píng)價(jià)，認(rèn)定馮參軍的半導(dǎo)體散熱用金剛石可控制備技術(shù)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，突破了金剛石快速生長、拼接技術(shù)、觸媒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了金剛石晶體定向生長。王秦生等行業(yè)專家給與了一致好評(píng)，認(rèn)可其牽手長飛光纖等單位可批量使用的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

       無獨(dú)有偶，今年10月，媒體爆出華為與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)“鉆石芯片”專利的消息，金剛石銅鍵合技術(shù)用于芯片散熱。大廠的介入，宣布金剛石應(yīng)用進(jìn)入了終極半導(dǎo)體時(shí)代，有如當(dāng)年戴比爾斯承認(rèn)培育鉆石的效應(yīng)。

       12月，馮參軍與鄭州高新城市開發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司聯(lián)合投資，成立高芯（河南）半導(dǎo)體材料有限公司，首期計(jì)劃投資10億元，做大終極半導(dǎo)體材料的產(chǎn)能。

       馮參軍計(jì)劃，現(xiàn)階段推動(dòng)金剛石單晶用于散熱應(yīng)用，后續(xù)將繼續(xù)推動(dòng)鉆石材料在半導(dǎo)體行業(yè)的商業(yè)化應(yīng)用，如用于制造晶體管或其他半導(dǎo)體元件的基底材料。

       據(jù)長飛光纖材料事業(yè)部散熱子產(chǎn)品線總經(jīng)理白華博士預(yù)估，金剛石銅熱沉方案將取代鎢銅散熱，初步預(yù)估市場(chǎng)需求量為40噸，未來幾年，將持續(xù)高速增長。

       走過金剛石觸媒研發(fā)的二十余年，馮參軍開啟了其金剛石事業(yè)的第二曲線，力推金剛石芯片散熱中國方案，馮參軍判斷，“2024年，有望成為金剛石作為終極半導(dǎo)體材料的商業(yè)化元年?！?/p>