CVD金刚石新材料技术的研究

   一   国内外发展现状

    1 国外基本情况

    国外于上世纪八十年代初开展对CVD金刚石新材料技术的研究，目前有代表性的CVD金刚石生长技术是：大面积的热丝CVD技术和大功率（35KW或更高）微波CVD技术。大面积的热丝CVD技术是目前广泛应用和比较成熟的产业化技术。它的生长面积已达到300毫米直径以上，该方法在涂层应用最为成功，作为代表性的企业有著名的美国SP3、Crystallame、CVD-diamond、Diamonex、DDK等公司。另一种有代表性的产业化生长技术是大功率（60KW）微波CVD技术。该技术制备的金刚石膜片，直径150mm，厚度2mm，其质量和高质量的天然单晶金刚石几乎完全相同。近期，该技术制备大单晶金刚石也获得了成功，CVD单晶金刚石重量已经达到10克拉，体积约550mm3。另一些产业化生长技术还有直流Arc-CVD和直流辉光放电CVD方法，在金刚石膜生长和应用方面也取得了很好的效果，但总的说来，其规模和影响力不如前面描述的2种方法。

     CVD金刚石的加工是走向应用的最重要的环节之一。近年来，产业化的CVD金刚石膜的切割、研磨抛光、金属化、焊接以及微加工技术得到了很大发展，CVD金刚石机械性能、热沉、光学窗口、高温半导体器件、声学、电学和电子、钻石级首饰应用研究开发均已获得成功。国际上具有一定规模的CVD金刚石磨削工具、切削工具、涂层工具、原料片、热沉、光学窗口、SAW器件等产品开始进入市场。

     虽然CVD金刚石及其产品已进入了市场，但规模比预期的要低，主要原因是（1） CVD金刚石成本仍然很高，特别是高端产品，还主要是用于军事和国防。降低成本应是今后重要的研究方向之一；（2）由于CVD金刚石产品属于新技术产品。还有待于相关厂家的认识；（3）新产品的研发涉及多领域技术，存在有待解决的技术难点。

     2 国内基本情况

     我国自20世纪八十年代后期，由国家高技术发展计划（“863”计划）开始组织对CVD金刚石及其应用项目的研究开发，近20年来在生长、加工和产品研制以及产业化等方面取得了很大的进展。但整体说来，从生长技术、设备、工艺、加工、应用、市场开发和基础研究方面，和国外先进水平相比都还存在不同程度的差距。

     近20年来，我国开发了大部分世界上现有的CVD金刚石生长技术。其中，开发最好的是热丝CVD金刚石设备和技术，目前生长工艺技术基本成熟，已经开始小规模的产业化生产，有批量的产品进入国内外市场，该项技术在国际上也属领先水平。

    我国也开发了直流电弧等离子体CVD和热阴极辉光等离子体CVD生长技术，在制备中档金刚石厚膜材料方面取得了成功，但总体的技术水平，如设备功率、膜片的尺寸、生长速率、质量等指标与国外尚有差距。上世纪末、本世纪初开发了微波等离子体CVD技术，然而，作为CVD金刚石生长的主流技术至今仍然没有达到产业化程度与国外存在较大的差距，例如，微波功率仅为5KW，虽然可以生长出高质量CVD金刚石，但尺寸、生长速率等主要指标与国际水平相差较大。因此，我国在高质量金刚石膜材料的生长及高端应用方面与国际水平相比仍然十分落后。

     近20年中，在CVD金刚石的机械、热学、电学、声学性能的应用开发方面得到国家和政府的支持，做了大量的工作并取得了一定的进展。但由于多种因素影响，产品应用开发和产业化的深度和广度均落后于国外。

     现在国内已具有一定批量的热丝CVD金刚石产品进入了市场，但主要以机械应用的CVD金刚石材料为主， 从市场不完全统计，我国CVD金刚石产品市场在世界总市场中所占比例还很低，产品结构以耐磨工具材料和工具产品为主。

     二  CVD金刚石膜应用领域及市场情况

    CVD金刚石90年代中后期已经逐步走向市场。随着CVD金刚石生长、加工和应用技术进步，CVD金刚石材料及其产品的制备成本不断下降，限制应用的技术难点被逐渐解决，以及新功能产品研制成功促使了新产品市场不断出现，市场需求不断扩大。尽管目前CVD金刚石市场规模还不大，但由于CVD金刚石全方位优异的性能和应用领域，其市场前景极其可观。

    目前对于CVD金刚石市场统计和描述的数字的各种报道不尽相同，由于方法的不同，数字出入很大，但从大家认可的数字，现在每年市场以20%以上的幅度增长，在未来20年中CVD金刚石及其相关产业发展为100亿美元/年的市场是完全可能的。该数字相当于现今（高温/高压）工业金刚石市场总和的2倍。

     CVD金刚石工具在精密和超精密加工领域中，由于其特有的性能，无疑将会对PCD、单晶以及天然金刚石工具产生强大的冲击力，其中金刚石涂层工具显现出很强的生命力。近3年以来，几乎世界知名的工具公司如Drukker、Sandwich、Kenner以及日本、德国、英国的工具公司，先后都推出了各种CVD金刚石刀具、修整工具、涂层工具以及耐磨部件产品，使得工具市场逐年的稳步上升。从我公司CVD金刚石材料出口情况也可以看到国外市场的需求和快速的发展势头。

以下提供一些关于市场的一些不完全统计数字和信息：

     1)        2000年国际上CVD金刚石仅在工具方面市场实现的销售约3000多万美元，目前已经超过了1亿美元。

     2)        日本住友公司（ＳＥＩ）的集成电路封装热沉2002年（１个公司）销售5000万美元，并展望在2003年有可能销售１亿美元。

     3)         世界最大的工业金刚石公司Element Six 总裁Christian Hultner宣称：2002年公司

（刚刚从DeBeer公司剥离重组）CVD金刚石销售额1000万美元，占该公司总销售额（2亿美元）的5%，但是在5年内销售额将迅速增长，达到年销售额10亿美元。其增    长幅度之大令人振奋。

     4） 举几个有关CVD金刚石产品的价格（2003年）来纵观其在市场上身价地位。国外市场上直径100mm的ＣＶＤ金刚石平板窗口售价10万马克／个；一个3/4英寸直径的全晶质CVD金刚石高保真度扬声器售价为3000美元；1克拉工具级CVD金刚石膜片原料国际价格超过40美元，相当于优质工业金刚石磨料价格的30倍。

    5）     一份比较权威的关于CVD金刚石、类金刚石涂层、CBN涂层的市场报告说，

上述产品2001年全球市场为2.84亿美元，平均每年增加20.6%，到2006年市场将是7.25亿美元。而涂层金刚石市场为1.25亿美元。

    从上述的市场信息分析可以看到，CVD金刚石及其产品的市场需求将以每年超过20%以上的速度增长。其中工具应用市场，特别是涂层刀具、耐磨部件等目前仍然占据主导地位。但是，更高层次的应用，例如热沉的应用正在提速，在近几年之内，其市场容量将有可能超过工具应用，提升到市场的首位。

    除了已经形成较大规模的热沉和工具市场以外，最引人瞩目CVD金刚石在光学、电子、半导体以及单晶金刚石的市场也正在不断的产品更新和规模扩大，这些产品最终将成为CVD金刚石市场的主流。但由于技术难度较大，价格昂贵，目前更多的还是在军事领域和航天部门应用。

     现在国内约已有CVD金刚石膜材料及其相关产品进入了市场，但规模都不算大，以机械加工耐磨材料和半成品为主，市场年销售额总和估计不足2000万元，其主要原因是我们的品质和供应量还难以满足用户的需求。但十分可喜的是，我们的CVD金刚石材料产品已经开始进入国际市场，并且市场需求量正在逐年扩大。

     我公司近年来不但继续加大CVD金刚石膜及其制品的研究开发力度，而且致力于产业化进程的推进，公司的CVD金刚石膜及其产品在国内外市场的影响力和信誉不断增加。特别是出现了出口需求迅猛增长态势。仅修整坯料一项业务，近两年每年平均增长率超过80-100%，产品供货合同供不应求。

     三  CVD金刚石生长及加工技术特点

     1）CVD金刚石生长特性

     我公司于上世纪80年代开始研究CVD金刚石材料生长技术，而且是实施产业化生产转化最成功的企业，目前我公司最主要的生长技术为热丝CVD金刚石技术，它主要的金刚石膜生长的技术指标（生长速率≥10微米/小时、生长面积≥150mm直径、成功率≈100%）不仅在国内有很大的优势，在世界上也处于先进水平。其中科学合理的直丝张丝技术、直流等离子体复合生长技术、含氧的碳源供应系统、生长过程的自动化控制技术等构成了我们热丝CVD金刚石生长的技术工艺特点，保证了产业化生长技术先进技术指标的实现。

    同时，我们在涂层技术和微波技术方面具有一定的研究开发的基础，其中包括：大面积工具涂层的沉积技术、增强在碳化钨基体表面成核和提高结合力的技术和工具涂层的后处理工艺技术。在微波CVD金刚石生长方面具有5千瓦微波生长高质量金刚石厚膜和纳米金刚石膜的技术。在此基础之上，我们仍在不断研究CVD金刚石膜生长设备和工艺，力求在提高生长效率、材料质量、稳定生长，最终在降低成本方面取得突破。主要的技术工艺将体现在生长面积的进一步增大，单机产量和生产效率将提高70%以上。同时、细化和优化生长技术工艺，采用更精密可靠的生长过程的自动化控制，彻底消除人为的因素，弥补以往国内技术比较粗糙的不足，保证生长材料的质量的稳定性，使得产品具有竞争力。