CVD金刚石——先进制造业的利器

        金刚石俗称钻石，是自然界中最坚硬的物质，同时具有高化学惰性、高导热率、低摩擦系数、超宽带隙、高光学透过率等优异性能，在高端先进制造多个领域发挥重要作用。然而，天然金刚石不可再生，且开采成本高、储量小、颗粒体积小且杂质不可控，无法广泛应用于工业生产中。因此，与天然金刚石具有完全相同物理化学性质的合成金刚石，特别是化学气相沉积法（CVD）金刚石，成为工业制造应用中的更优选择。

       微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）无极放电、无污染、外延可控性强，在大尺寸、高纯度金刚石制备与掺杂研究方面优势更明显，是高质量和多领域应用金刚石制备的首选方法，产品广泛应用于声学、光学、热学、力学、电学、量子技术等领域。

      声学应用金刚石具有低密度、高弹性模量、高强度、高热导率、化学惰性和生物相容性等优异特性，在声学领域主要应用于高保真喇叭、声表面波器件、声传感器等。

     例如，高保真音响需要反映出逼真的音响效果，泛音的频率越丰富，音色也就越逼真。一般人类听觉的频率范围为16～20kHz，金刚石高音喇叭的频率响应已经达到了60 kHz，远远超出了人耳的听觉范围。但是作为声音重放设备，其频率响应范围应当大于实际听觉范围，用于高频扬声器的金刚石喇叭振膜对音色的完整性起到了非常重要的作用。

CVD金刚石喇叭振膜 

       光学应用金刚石在目前所有的固体材料中具有最宽的透过光谱，从紫外的225nm到红外的25μm（波长1.8μm-2.5μm除外），以及到微波范围内，金刚石都具有优良的透过性。由于金刚石此种优异的光学特性，同时抗辐照损伤性强，加上其高硬度、高热导率、高化学稳定性和低膨胀系数，金刚石是制作现代红外光学窗口的理想材料。

       此外，金刚石是一种性能优异的晶体拉曼材料，其具有已知晶体材料中最大的拉曼频移1332.3cm-1，其室温下拉曼增益线宽约为1.5cm-1。超快的热耗散能力，使金刚石晶体在高功率运行下保持高拉曼增益不变，并获得高光束质量激光输出。

光学级CVD单晶金刚石与激光晶体 

       热学应用金刚石被认为是一种能够满足飞速发展的电子工业的理想热管理材料（包括热沉材料、封装材料、基体材料等）。金刚石具有天然物质中最高的热导率（2300W/(m·K)），比碳化硅大4倍，比硅大13倍，比砷化镓大43倍，是铜和银的4-5倍。典型的热管理应用场景包括：金刚石增强金属封装材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、热沉片、金刚石衬底GaN器件等。例如，金刚石基热沉应用于激光器的散热系统，可以实现高效的热量传输和散热，降低激光器的工作温度，提高激光器的稳定性和寿命。晶钻科技目前可生产2.5英寸直径同质外延单晶金刚石热管理材料。

热沉级CVD单晶金刚石  

‍       力学应用精密或超精密车刀是CVD单晶金刚石作为切削材料的一种成功应用。单晶金刚石内部无晶界，可加工获得极高的平直度和锋利度；通过刀具的超光洁表面和无缺陷副切削刃的作用，获得极低的表面粗糙度从而达到镜面加工效果，广泛应用于加工原子核反应堆及精密光学仪器的反射镜、计算机硬盘等超精密镜面零件，也可以用于加工复印机滚筒、隐形眼镜等日常办公或生活用品。此外，CVD单晶金刚石制成的手术刀具因其生物相容性等特点，手术部位损伤小，伤口容易愈合，用于眼科、神经外科、骨科及口腔科以及生物组织切片等。晶钻科技生产的金刚石刀具，可实现轮廓精度小于50nm、表面粗糙度1-2nm的超高精度，可以达到镜面加工效果，实现以车代磨、以车代刨。

各种形状的机械级CVD单晶金刚石 

 晶钻科技单晶金刚石精密刀具

      除精密刀具外，CVD单晶金刚石还可用于制作拉丝模，克服了天然金刚石拉丝模的各向异性，同时具有优良的强度和硬度，拉拔产量最高，拉拔线材的表面粗糙度较低，是小直径丝材拉拔加工的理想选择。

单晶金刚石拉丝模配件（加工内径最小可达30μm，表面粗糙度5-10nm）

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      CVD单晶金刚石应用于射流喷嘴（加工内径最小可达30μm，表面粗糙度5-10nm）

      在半导体制造产业链中，化学机械抛光（CMP）和晶圆平坦化是当中重要的加工工序/工艺，而CMP金刚石修整盘和抛光垫则是保证CMP抛光工序质量的关键。CMP抛光工序中所使用到的抛光垫的表面，必须定期用修整盘进行修整，以防止抛光垫表面釉化，从而保持抛光垫在晶圆被抛光时的粗糙度，保证对晶圆的抛光效果，并延长抛光垫的使用寿命；抛光质量、抛光效率以及相关成本，是该工序的核心要素。晶钻科技研发生产的大单晶雕刻金刚石CMP修整盘，一致性强，角度可控，脱粒率几乎为零，而且具有重复修复性，是1-3nm高端高精密芯片晶圆抛光工艺领域高温高压及多晶金刚石CMP修整盘非常理想的替代品。

CVD单晶金刚石CMP修整盘全貌  

       电学应用金刚石具有非常优异的电学性质，其禁带宽度可以达到5.5eV，电阻率在1×1012 Ω·m以上，介电常数可以达到5.5，可以用作条件极端恶劣的辐射环境中的探测器材料。同时，基于耐高压、大射频、低成本、低功率损耗和耐高温等多重优异性能参数，CVD金刚石被认为是制备下一代高功率、高频率、高效率电子器件最有希望的材料，被业界誉为“终极半导体”材料。对金刚石半导体器件而言，CVD金刚石材料的高可控掺杂是形成功率器件的基础技术，一直也是研究的热点和难点，目前全球各国都在加紧推进CVD金刚石在半导体领域的研制工作。

电子级高纯度CVD单晶金刚石  

      量子技术在20世纪之初，理论和实验物理学家们致力于理解微观物理世界，以量子力学谱写了新的物理学图景。对于量子计算、模拟、通信和传感等众多量子技术，科学家采取了不同的技术方案，比如捕获离子、超导、量子点、光子和半导体缺陷。金刚石超宽的禁带宽度，使位于禁带中深能级缺陷发光不被吸收而发射出来，形成一系列缺陷诱导的颜色中心，即所谓的“色心”，如氮空位 (NV) 或硅空位 (SiV) 中心，这些色心具有类似“单原子”的分立能级。NV色心在常温下具有非常强的稳定性，加上金刚石材料在抗噪、抗干扰方面的优异性能，使得金刚石非常适合用于特别精确的量子信息处理、量子通讯和量子计算。目前，世界上有200 多个学术团体致力于金刚石量子应用的研究，主要的研究方向有：把金刚石作为量子比特来制备量子信息器件（如量子计算机）；使用金刚石中的氮空位缺陷作量子网络的“量子中继节点”，应用于量子通信；以及金刚石磁场传感器技术，用于探测器等。