人造金剛石的研制成功與投入工業(yè)規(guī)模的生產是超高壓技術和晶體生產技術的重大成果。
據估計,1984年供應世界市場的工業(yè)金剛石達一億五千萬克拉,其中人造金剛石達85%。應當指出,作為樹脂結合劑用的低強度金剛石得到滿足,而用于堅硬材料鋸切、鉆探以及制造滾輪等優(yōu)質粗顆粒金剛石供低于求,具有很大的潛力。
強度高、顆粒粗、品種多是70年代末和80年代初中期單晶人造金剛石和立方氮化硼生產技術發(fā)展的重要特征。Scandiamant廠有四條生產線,其中,產量最大而且最重要的是SDA系列產品。1979年,De Beer Co宣布投產的SDA100S最粗顆??蛇_美制篩目20/25.。1986年第三期《工業(yè)金剛石》季刊報導,在SDA系列產品中增加了SDA+,SDA85+、SDA100+的產品,供應粒度可達美制篩目18/20,就是說一毫米的人造單晶金剛石能夠供應市場。這個系列的產品主要應用于石材、建筑材料的加工和制造各種鉆頭。
80年代初出現(xiàn)的SRD產品粒度達每克拉100至400粒,這種人造金剛石主要用于制造滾輪。
相當于SDA100、SDA100S水平的金剛石我們分別于1982年和1984年研制成功,但至今沒有投入工業(yè)性生產。
1970年,美國G.E.Co報導了他們利用晶種法,經過7天時間長出5mm寶石級金剛石的重大成果?,F(xiàn)在成長同樣大小的金剛石只需幾十個小時,他們還能長出最大達8mm的金剛石,并能以很小規(guī)模生產激光窗口和熱沉用金剛石。
日本科學技術廳無機材質研究所1982年宣布成功地研制出尺寸為3mm的金剛石單晶,周期為100小時,計劃在1400噸“Belt”設備上搞粒徑14mm的大單晶。
日本住友電氣公司后來者居上,據日本《產經新聞》報道,他們已商品性生產尺寸為4~5mm寶石級金剛石,并將金剛石晶體切成2×2mm,厚0.5mm的薄片用于超大規(guī)模集成電路的散熱基板。
表1 通用電氣公司和戴比爾斯公司生產量(百萬克拉)
公司 |
年份 |
生產量 |
G.E.Co |
1970年 |
1500 |
1977年 |
(2200) |
|
1981年 |
4500 |
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De Beer Co |
1970年 |
~1400 |
1977年 |
1900 |
|
1981年 |
3500 |
為了適應工業(yè)金剛石需求量的高速增長,美國G.E.Co投資9000萬美元在愛爾蘭建廠;De Beer Co計劃投資約1億7千萬美元擴大金剛石的產量。
1963年,瑞典ASEA公司在此設廠生產人造金剛石。1967年,De Beer Co和AESA合資成立Scandiamant,該廠的生產能力穩(wěn)步增長。
現(xiàn)在,Scandiamant有四條生產線,產量最大而最重要的是SDA系列產品,由SDA至SDA100S,可生產20美制篩目大小的產品。
第二條生產線是MDA系列產品的生產,MDA系列產品的粒度大都在50美制篩目左右,較細小的MDA晶體可在半小時以內生產出來。
雖然G.E.Co和De Beer Co在超硬材料生產規(guī)模、高壓反應腔容積、控制水平、產品品種、質量和粒度等許多方面都處于國際領先地位,但是,De Beer Co主席J.O.湯普遜在慶祝愛爾蘭Shannon廠創(chuàng)業(yè)25周年紀念會上講:“我們深信,De Beer Co工業(yè)金剛石部將來仍會屹立不倒,繼續(xù)擴充業(yè)務及蓬勃發(fā)展。但需要將注意力集中于兩個方面的工作:首先,是要向全世界推廣這里生產出來的新型和超卓的工業(yè)產品,這是一項具有挑戰(zhàn)性的工作;另一項,是要找出降低成本的方法,以求在激烈競爭的世界市場上立足。”
眾所周知,自靜壓法合成工業(yè)金剛石成功之后,人造金剛石生長工藝經過30多年的發(fā)展,目前已生產出各種不同型號的單晶金剛石。在工業(yè)生產上發(fā)揮了巨大的作用。但歸根結底僅僅用了金剛石的高硬度特征,而對于金剛石其他方面的優(yōu)良特征,如高導熱性、高絕緣性、化學穩(wěn)定性、高溫半導體性能等,即金剛石的電學、光學、熱學方面的優(yōu)良性能并未充分發(fā)掘利用。
60年代和70年代初發(fā)展起來的低壓氣相合成金剛石的方法只能生長金剛石晶須。由于離應用遙遠,因而發(fā)展很慢。70年代隨著薄膜技術的迅速發(fā)展,人們相繼用離子束沉積法、等離子沉積法、熱解化學氣相沉積法和電子加速氣相沉積法成長金剛石碳膜、類金剛石薄膜和金剛石薄膜。70年代中葉,莫斯科物化研究所的弗拉基米爾·杰里亞金等人用化學氣相沉積法制成金剛石膜,使金剛石薄膜生長技術的研究工作推進了一大步。薄膜型金剛石的制成為金剛石的應用開拓了廣闊的前景,因而引起各國科學家的重視。如70年代初,美國Masszchusatls州、Waltham市空間科學部的Aisenkeig S和Chakof R用沉積在硅基底上的類金剛石薄膜作電解質制成薄膜電容器,具有很低的漏電流和8至14的高介電常數。由于半導體芯片所產生的熱量常使線路運轉失靈,蘇聯(lián)將金剛石薄膜涂于材料表面,制成下方帶有金剛石層的芯片,從而成功地揮發(fā)了熱量。大約有20家日本公司用金剛石薄膜制成了透明的眼鏡片和飛機窗戶涂層。
索尼公司正在試銷一種具有單一元件的喇叭,由于涂覆了金剛石薄膜,這種喇叭的傳真度大大增強。
美國“星球大戰(zhàn)”計劃的科技創(chuàng)新辦公室負責人詹姆斯·約恩森(James Jonson)指出:美國科學家眼下正在從事的金剛石薄膜生長技術對半導體工業(yè)無疑是一種革命性的推動,他認為金剛石薄膜本身可用于制作芯片,而這種芯片的運算速度要比砷化鎵芯片快,約恩森的辦公室對金剛石薄膜的研究全力支持,其原因是這種薄膜在光學透鏡及其它“星球大戰(zhàn)”計劃中有關的材料中可以起極為重要的作用。
日本估計歐美每年對工業(yè)合成金剛石的需求為3000萬克拉甚至還要多,現(xiàn)在更多的跡象顯示。人造金剛石可能在半導體及有關的電子業(yè)上擔任重要角色。
金剛石吸引半導體業(yè)的主要地方是金剛石比砷化鎵和硅更耐高溫,傳導性亦較強,能以更快的速度傳送電脈沖,惟一的未知數是它們的成分比較,這個問題很快將有分曉,部分日本人士預測,在21世紀初,將有多達三分之一的半導體采用金剛石為基底,金剛石市場的潛力還將進一步得到拓展。