比天然钻石便宜7倍的人造钻石的发展历史、MPCVD工艺和应用

钻石晶格钻石（金刚石）是一种碳晶体，每个碳原子与其它四个碳原子键结合，这种紧密的键结赋予钻石10级硬度，以及极佳的导热性。晶体中的小杂质或晶格扭曲让钻石具有不同的颜色。氮元素使其呈黄色、绿色或紫色。紫钻晶格结构扭曲使其呈粉红色。晶格扭曲的粉红钻

发展历史

在自然界中，钻石存在地球深处（约150~700公里），经过很长一段时间形成，通过火山爆发被带到地球表面。天然钻石几千年来，要获得美丽大钻石的唯一办法就是靠运气在地质构造中挖掘，在河流中淘洗。人工淘钻今天，我们可以用半导体设备制造出大而完美的钻石，如MPCVD制程机台。MPCVD1797年科学家发现钻石就是碳元素组成，因此尝试把木炭加热变成钻石，结果失败了，因为温度不够高。木炭加热尝试造钻在1910年代初发现不必做到和地质条件完全相同就可以制造钻石，即结合高压和高温。钻石形成条件图1955年，通用电气首创了高温高压HPHT制程，需要将碳置于2200℃，每平方英寸1.5百万磅压力下。HPTP造钻石装置示意图HTPT方法一开始相当粗糙，后面品质和产量逐渐提高，到1990年代，已经有大型宝石级的钻石，各种颜色（大部分是黄色）。20世纪初，HPTP法生长的各种颜色钻石HPTP是当时生产各种钻石最经济的方法，但是缺陷率很高、效率低，意味着它并没有对天然钻石行业造成太大伤害。HPTP生长金刚石设备化学气相沉积将气态的前驱物沉积到基材上，如半导体产业用CVD法在晶圆上沉积单层纯硅，然后科学家联想到是否可以用来制造钻石。要制造CVD钻石，先从气态碳前驱物开始，通常是甲烷气体。甲烷与氢气或氧气混合，可以稳定钻石表面，防止钻石转化为不想要的石墨杂质。氢气罐然后用某种形式的能量来激发前驱气体，即将它们分解成原子。这种能量可以通过多种方式传递：热、火焰、微波等。引入籽晶钻石作为基材，气体分解后，碳原子就以某种型态在基材表面上重新组合，通常就是钻石的型态。自1950年代以来，科学家一直在试验生成钻石晶体，普遍遇到的问题是产出品质和规模低。CVD钻石有不同的等级，最高品质称为“光学”或“电子”级，这些等级纯度高，而其特殊的电学和热学特性能在半导体行业可以利用。在工业上，也应用很多便宜、品质低的钻石。如今HPTP制造的钻石成本每1克拉不到1美元。无论要用什么工艺做钻石，都需要大规模生产，想要扩大规模就会有新的技术困难需要克服。第一个具有可实用钻石沉积速率（每小时超过1μm）的技术是前苏联科学家于1970年发表的，这引起了日本的注意。日本人采用这种方法，确立了当今实验室CVD生成钻石的两种主要加热方法：热灯丝和微波电浆。1小时生长2μm金刚石

工艺特点

1、热灯丝

使用钨丝，加热到2000℃左右，将能量注入前驱混合气体中，这些灯丝可以有不同的设计和排布方式。钨灯丝加热系统热灯丝确实能运作，而且具有开创性，但有几个严重的问题。第一，虽然生成速度有了飞跃性突破，但是一开始还是太慢了。生长速度约为每小时1μm，假设想要一颗2克拉（大约5mm高）的优质钻石，需要5000小时（208天）。CVD金属反应容器中的热灯丝为了加快速度，科学家在制程中引入了氮气。但如之前提到的，氮原子使钻石呈黄色。但黄钻在电子应用上性能较差，而电子应用正是科学家研发人造钻石工艺的目的。最后一点，也是最严重的一点，灯丝寿命短。钨丝会受碳腐蚀，加上热影响，逐渐变形、弯曲，影响沉积速率。更糟的是，钨会污染正在生长的钻石。中间的黄色线为钨丝

2、MPCVD

今天，最常用的制造钻石的CVD方法是MPCVD（微波等离子体化学气相沉积），约有50%的市占率。MPCVD的一大优点是避免了反应器内灯丝污染问题。台湾Ropac公司的MPCVD设备要制造钻石，先从基材开始：在小钻石种子上面，生长出的最终产物像小盘子。用钻石种子作为衬底，生长更大的钻石1个反应室最多可容纳18个种子，前驱物混合气体充满反应室，接着用高频微波轰击混合气体。早期雏型机使用2.45GHz微波，与商用微波炉相同，主要是因为这种电子管容易取得。微波使气体原子电离，即电子激发，气体原子失去或得到一个电子。当很大比例的气体原子被电离时，就变成电浆，沉积过程中，基材是完全浸在这团电浆里。如果基材表面被加热、并保持在足够高的温度，那前驱物就会沉在上面，长出钻石。几天后，钻石会以银白色透明状拼盘型态出现，边缘和侧面的结粒，是钻石粉尘砂砾。然后用镭射将钻石拼盘切成小块，变成原始立方体，再送往珠宝商做切割、抛光，变成宝石饰品。生长速度，尤其是纯洁、无瑕疵的生长，仍然是个问题。随着反应炉设计的改良，生长速度已经变快，此外可以通过平行层大批量生长钻石来改善。如今2克拉的天然钻戒在Costco的售价接近5000美元。而便宜、完美的培养钻石开始广泛被人们接受，这可能压倒有高昂成本的矿采钻石产业。现今，CVD钻石制造商都在提高成长速度和规模。矿采钻石和人工培养宝石级钻石之间的价格差距正在逐渐扩大。天然钻石与人造钻石的价格走势人工培养的钻石市场有持续价格压力问题，为什么还要研究CVD钻石技术？是因为研究者看到了金刚石优异的电子、光学和热学特性，蕴藏商机。其主要商业用途是散热器。人工培养的单晶钻石具有所有室温固体中已知的最高导热率，在某些情况下，性能优于铜和碳化硅等传统材料三倍或更多，因此对于散热器非常有用，能更快的将热量转移到较冷的区域。热是电子设备故障的最大原因之一。2a型钻石与铜的热导率对比第一台CVD钻石散热器，用于冷却高功率的镭射二极管阵列，该阵列通过海底光缆发送讯号，钻石散热器有助于缩小封装并延长其使用寿命。这笔资金资助了抛光、切割CVD钻石和金属化技术的开发。CVD钻石散热器CVD钻石的散热优势也适用于先进半导体封装，如当今3D堆叠晶片面临的严重散热问题。CVD金刚石在功率半导体、镭射精密光学透镜、甚至是核融合电浆测量工具的探测器材料等领域具有巨大潜力。

关键词： mpcvd 人造钻石 钻石