日本大学：大面积金刚石基底的激光切割

金刚石的高导热性有助于将热量从半导体器件中散发出去，而其宽带隙特性使其在高功率电子器件领域展现出巨大潜力。此外，金刚石在可见光范围内的透明性也使其成为高要求光学应用的理想之选。

遗憾的是，金刚石极高的硬度也使其难以加工成这些技术所需的薄而精确的基材。近年来，基于激光的金刚石切割技术作为一种潜在的替代传统机械加工方法而兴起。简而言之，聚焦激光可以直接在晶体内部产生微观结构变化，从而产生内部应力，促进和引导裂纹扩展。然而，科学家们仍未完全了解不同方法制备的金刚石对这种激光处理的响应。

在最近一项研究中，由日本千叶大学工学研究生院的飞大博文教授领导的研究团队着手填补这些知识空白。该研究成果于2026年9月21日在线发布，并于2026年11月1日发表在《金刚石及相关材料》期刊第169卷上。该论文由千叶大学的池野真弘先生共同撰写，探讨了不同实验室培育金刚石对超短激光脉冲的响应，并将这些发现转化为切割大尺寸金刚石的实用策略。

研究团队首先比较了三颗单晶金刚石，其中一颗采用高温高压（HPHT）法制备，另外两颗采用化学气相沉积（CVD）法制备，每颗金刚石的氮杂质含量各不相同。他们用聚焦激光脉冲照射这些样品，脉冲持续时间从233飞秒到30皮秒不等。然后，他们利用光学显微镜、光谱学和图像分析技术，检测了每颗金刚石内部产生的改性区域的大小、形状和连续性。

有趣的是，不同金刚石样品对激光脉冲的响应截然不同。两种CVD金刚石可以使用比HPHT金刚石短得多的脉冲进行改性。此外，在CVD金刚石中，最短的脉冲会产生微小的、分离的痕迹，而约10 ps或更长的脉冲则会产生更连续的改性区域。仅氮含量无法解释样品间观察到的差异，这表明与晶体各自生长历史相关的微观缺陷差异可能起着重要作用。与HPHT金刚石相比，CVD金刚石也往往表现出稳定性较差的激光诱导改性区域，以及更大的形貌变异性。

基于这些发现，研究人员随后对一块 8 mm × 8 mm 的 CVD 金刚石施加 10 ps 的脉冲，在精确控制的网格中创建了改性区域。他们并没有试图一次性生成完整的裂纹网络，而是逐步在现有改性区域之间的中间位置引入新的改性区域。经过四次这样的处理步骤后，用镊子轻轻敲击，金刚石便沿 {100} 晶面干净利落地裂开。{100} 晶面是最容易抛光的晶面，因此在实际应用中尤为重要。

8 mm × 8 mm 切片的面积约为研究人员在先前研究中制备的 300 µm 正方形高温高压金刚石的 710 倍。更大的切片面积是实现光学元件和电子器件所需更大尺寸金刚石衬底的重要一步。“这种新型切片方法的潜在应用包括：用于光刻系统的高功率激光光学窗口的金刚石衬底和元件、用于人工智能芯片等先进电子设备的散热器，以及下一代金刚石功率半导体，”Hidai 教授指出。

考虑到切割过程的步骤具有潜在的可扩展性，研究人员设想他们的新方法可以应用于各种工业领域。“这项技术可以融入未来金刚石基底的大规模生产工艺中，有助于降低制造成本并提高材料利用率。反过来，这可能会加速利用金刚石卓越的热学、光学和电子特性的高端技术的广泛应用，”Hidai教授说道。

将金刚石作为未来技术的重要组成部分，在可持续性方面也将带来显著益处。未来，基于金刚石的功率半导体器件有望帮助减少数据中心、电力基础设施和电动汽车等应用中的能量损耗，从而为快速发展领域提高能源效率铺平道路。

来源：FLINK 未来半导体

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