人造金刚石的研制成功与投入工业规模的生产是超高压技术和晶体生产技术的重大成果。
据估计,1984年供应世界市场的工业金刚石达一亿五千万克拉,其中人造金刚石达85%。应当指出,作为树脂结合剂用的低强度金刚石得到满足,而用于坚硬材料锯切、钻探以及制造滚轮等优质粗颗粒金刚石供低于求,具有很大的潜力。
强度高、颗粒粗、品种多是70年代末和80年代初中期单晶人造金刚石和立方氮化硼生产技术发展的重要特征。Scandiamant厂有四条生产线,其中,产量最大而且最重要的是SDA系列产品。1979年,De Beer Co宣布投产的SDA100S最粗颗粒可达美制筛目20/25.。1986年第三期《工业金刚石》季刊报导,在SDA系列产品中增加了SDA+,SDA85+、SDA100+的产品,供应粒度可达美制筛目18/20,就是说一毫米的人造单晶金刚石能够供应市场。这个系列的产品主要应用于石材、建筑材料的加工和制造各种钻头。
80年代初出现的SRD产品粒度达每克拉100至400粒,这种人造金刚石主要用于制造滚轮。
相当于SDA100、SDA100S水平的金刚石我们分别于1982年和1984年研制成功,但至今没有投入工业性生产。
1970年,美国G.E.Co报导了他们利用晶种法,经过7天时间长出5mm宝石级金刚石的重大成果。现在成长同样大小的金刚石只需几十个小时,他们还能长出最大达8mm的金刚石,并能以很小规模生产激光窗口和热沉用金刚石。
日本科学技术厅无机材质研究所1982年宣布成功地研制出尺寸为3mm的金刚石单晶,周期为100小时,计划在1400吨“Belt”设备上搞粒径14mm的大单晶。
日本住友电气公司后来者居上,据日本《产经新闻》报道,他们已商品性生产尺寸为4~5mm宝石级金刚石,并将金刚石晶体切成2×2mm,厚0.5mm的薄片用于超大规模集成电路的散热基板。
表1 通用电气公司和戴比尔斯公司生产量(百万克拉)
公司 |
年份 |
生产量 |
G.E.Co |
1970年 |
1500 |
1977年 |
(2200) |
|
1981年 |
4500 |
|
De Beer Co |
1970年 |
~1400 |
1977年 |
1900 |
|
1981年 |
3500 |
为了适应工业金刚石需求量的高速增长,美国G.E.Co投资9000万美元在爱尔兰建厂;De Beer Co计划投资约1亿7千万美元扩大金刚石的产量。
1963年,瑞典ASEA公司在此设厂生产人造金刚石。1967年,De Beer Co和AESA合资成立Scandiamant,该厂的生产能力稳步增长。
现在,Scandiamant有四条生产线,产量最大而最重要的是SDA系列产品,由SDA至SDA100S,可生产20美制筛目大小的产品。
第二条生产线是MDA系列产品的生产,MDA系列产品的粒度大都在50美制筛目左右,较细小的MDA晶体可在半小时以内生产出来。
虽然G.E.Co和De Beer Co在超硬材料生产规模、高压反应腔容积、控制水平、产品品种、质量和粒度等许多方面都处于国际领先地位,但是,De Beer Co主席J.O.汤普逊在庆祝爱尔兰Shannon厂创业25周年纪念会上讲:“我们深信,De Beer Co工业金刚石部将来仍会屹立不倒,继续扩充业务及蓬勃发展。但需要将注意力集中于两个方面的工作:首先,是要向全世界推广这里生产出来的新型和超卓的工业产品,这是一项具有挑战性的工作;另一项,是要找出降低成本的方法,以求在激烈竞争的世界市场上立足。”
众所周知,自静压法合成工业金刚石成功之后,人造金刚石生长工艺经过30多年的发展,目前已生产出各种不同型号的单晶金刚石。在工业生产上发挥了巨大的作用。但归根结底仅仅用了金刚石的高硬度特征,而对于金刚石其他方面的优良特征,如高导热性、高绝缘性、化学稳定性、高温半导体性能等,即金刚石的电学、光学、热学方面的优良性能并未充分发掘利用。
60年代和70年代初发展起来的低压气相合成金刚石的方法只能生长金刚石晶须。由于离应用遥远,因而发展很慢。70年代随着薄膜技术的迅速发展,人们相继用离子束沉积法、等离子沉积法、热解化学气相沉积法和电子加速气相沉积法成长金刚石碳膜、类金刚石薄膜和金刚石薄膜。70年代中叶,莫斯科物化研究所的弗拉基米尔·杰里亚金等人用化学气相沉积法制成金刚石膜,使金刚石薄膜生长技术的研究工作推进了一大步。薄膜型金刚石的制成为金刚石的应用开拓了广阔的前景,因而引起各国科学家的重视。如70年代初,美国Masszchusatls州、Waltham市空间科学部的Aisenkeig S和Chakof R用沉积在硅基底上的类金刚石薄膜作电解质制成薄膜电容器,具有很低的漏电流和8至14的高介电常数。由于半导体芯片所产生的热量常使线路运转失灵,苏联将金刚石薄膜涂于材料表面,制成下方带有金刚石层的芯片,从而成功地挥发了热量。大约有20家日本公司用金刚石薄膜制成了透明的眼镜片和飞机窗户涂层。
索尼公司正在试销一种具有单一元件的喇叭,由于涂覆了金刚石薄膜,这种喇叭的传真度大大增强。
美国“星球大战”计划的科技创新办公室负责人詹姆斯·约恩森(James Jonson)指出:美国科学家眼下正在从事的金刚石薄膜生长技术对半导体工业无疑是一种革命性的推动,他认为金刚石薄膜本身可用于制作芯片,而这种芯片的运算速度要比砷化镓芯片快,约恩森的办公室对金刚石薄膜的研究全力支持,其原因是这种薄膜在光学透镜及其它“星球大战”计划中有关的材料中可以起极为重要的作用。
日本估计欧美每年对工业合成金刚石的需求为3000万克拉甚至还要多,现在更多的迹象显示。人造金刚石可能在半导体及有关的电子业上担任重要角色。
金刚石吸引半导体业的主要地方是金刚石比砷化镓和硅更耐高温,传导性亦较强,能以更快的速度传送电脉冲,惟一的未知数是它们的成分比较,这个问题很快将有分晓,部分日本人士预测,在21世纪初,将有多达三分之一的半导体采用金刚石为基底,金刚石市场的潜力还将进一步得到拓展。