摘 要 在863计划的大力支持下，我国CVD 金刚石膜研究在工具、热沉和光学应用等方面都取得了十分显著的进展，不仅显著缩小了与先进工业化国家的差距，而且已使我国开始进入产业化应用进程。目前国内已有一些小型高技术型公司和企业出现，但大都仅局限于金刚石厚膜工具（金刚石厚膜钎焊工具和金刚石拉丝模模芯）。在金刚石薄膜涂层工具、金刚石膜热沉和金刚石光学应用研究等方面已取得实质性进展，尽管离产业化应用仍有一定距离，但已具备产业化开发和市场应用的条件。本文针对我国CVD 金刚石膜的产业化前景和目前存在的问题进行了讨论，并提出了建议。
关键词 金刚石膜；化学气相沉积；工业化应用
1、 化学气相沉积CVD金刚石膜研究进展
化学气相沉积金刚石膜研究在过去十几年间一直受到世界各国的广泛重视，并曾一度掀起席卷全球的所谓“金刚石热(Diamond Fever)”。其原因一半是由于科学上好奇心，仅仅从甲烷和氢气制备金刚石的初期研究结果对很多人来讲宛如“点石成金”一般神秘，而更主要的原因在于金刚石所具有的众多极限性能的组合所显示出来的极其诱人的应用前景(得益于金刚石是原子结合最紧密的物质这一事实)。
化学气相沉积金刚石膜的研究可以追溯到50年代，但直到70年代末至80年代初由于日本学者的贡献才开始展现出实际应用的可能性。尽管从80年代中期开始形成所谓的“金刚石热”，但真正的进展却是在进入90年代以后，特别是在1993年以后取得的。
从理论方面来讲，通过近十余年来的努力，已基本弄清了金刚石膜化学气相沉积的机理。大量的实验研究，特别是采用各种各样的诊断方法所进行的研究，已经阐明了金刚石气相沉积的化学环境和表面过程。对于金刚石在异质衬底上的成核和生长过程已经有了比较深入的认识。理论模型和计算也显示出和实验结果较好的吻合。但是，对于金刚石化学气相沉积的表面化学过程仍然不象气相过程那样十分清楚。
从技术意义上来讲，最近十余年来的进展主要反映在CVD金刚石膜沉积速率和质量的飞速提高以及制备成本的大幅度降低。与80年代中期相比，金刚石膜的沉积速率提高了近1000倍，而制备成本也相应降低到原来的1/1000。这主要归因于大面积、高生长速率沉积设备和工艺的成功开发以及对于金刚石化学气相沉积机理的深入认识。与此同时，在高质量金刚石膜的制备方面也取得了令人瞩目的进展，从90年代中期开始出现的“光学级金刚石膜”，其质量足以和最高质量的天然Ⅱa型宝石级金刚石单晶相媲美，在几乎所有的物理化学性能方面都可与之匹敌，惟有力学性能特别是机械强度与天然金刚石单晶仍有较大差距(差不多低一个数量级)。
与此同时，CVD金刚石膜的应用研究及其产业化也取得了瞩目的进展。CVD金刚石膜工具已经在国内外市场上出现，尽管目前的市场规模还不大，但已经显示出了极佳的市场前景。金刚石膜热沉已经开始在高功率半导体激光二极管上获得市场应用，在大规模集成电路三维组装技术(即MCMs - Multi Chip Modules)、半导体器件(特别是大功率和高频率器件)的封装等方面的应用已经取得了实质性进展，展现了广阔的市场应用前景，并已形成了至少为数千万美元的市场。在光学应用方面，随着极高质量的光学级金刚石膜的出现，金刚石膜光学的市场应用也就提到了议事日程。除早期的X-射线窗口外，近年来用于红外热成像装置窗口、高速拦截导弹头罩、强激光窗口、高功率微波窗口等都已达到或接近实用化水平。由于在许多场合下涉及到军事应用而无法了解实际的市场规模，但在国外市场上已经能够买到直径达F100mm的金刚石膜平板窗口(价值10万马克)。尽管在金刚石膜异质外延方面迄今并未取得突破，n型掺杂也不太理想，但在金刚石膜的电子学应用方面仍然取得了很大的进展。采用极高质量金刚石膜制作的粒子探测器，其性能参数(采集距离LC)甚至超过了最高质量的天然Ⅱa型金刚石单晶。除此之外，各种各样的金刚石膜探测器、传感器其性能亦不断提高，很有可能形成可观的市场。特别值得一提的是金刚石膜在真空微电子器件和声表面波器件(SAW)方面的应用。前者利用金刚石膜的优异场发射性能，可制作全固态高性能平板显示器，而后者则可能用于制作高频带宽度(可达4GHz～6GHz)的滤波器，从而大幅度提高未来移动电话通讯的性能。目前国外已经出现演示性的金刚石膜平板显示器件，商品化的金刚石膜SAW器件也已出现。上述应用的市场前景极佳，仅金刚石膜显示器件，专家预测在近年内就有可能实现上十亿美元的市场。
2 、我国CVD 金刚石膜研究进展和产业化现状及存在的问题
我国863计划从“七五”计划就开始建立专项支持CVD 金刚石膜的研究开发，先后资助了数十个研究开发项目，并在“八五”和“九五”期间均设立了专门的重大（关键技术）项目，旨在推进金刚石膜的产业化进程。自然科学基金委员会也在“八五”和“九五”计划期间资助了超过20项有关CVD 金刚石膜的基金项目，其中包括2个重大项目。经过十几年的努力，我国在CVD 金刚石膜的制备、加工和应用研究方面取得了长足进步，已显著缩小了同国外的差距。
在金刚石膜的制备技术方面，通过十几年的努力，已在热丝CVD （EACVD）、热阴极CVD和直流电弧等离子体喷射(DC Arc Plasma Jet) CVD等方面形成了大面积、高质量、金刚石自支撑膜的制备能力和初步的加工能力，为金刚石膜的工业化应用奠定了基础。特别是在高功率DC Arc Plasma Jet CVD 设备方面，在863计划“八五”重大关键技术的支持下，研制出了具有我国特色和独立知识产权的100kW级高功率系统。采用独特的大口径长通道磁控/流体动力学旋转电弧等离子体炬，可在气体循环条件下制备大面积光学级、热沉级和工具级金刚石自支撑膜。这一技术已受到国外同行的重视，为我国在CVD 金刚石膜研究领域赢得了一席之地。与此同时，在工具、热沉、光学和电学（电子学）应用方面也取得了不小的进展，终于在上世纪末使我国在CVD金刚石膜研究方面开始进入产业化阶段。
我国目前仅仅在金刚石厚膜工具方面获得了有限的市场应用。最早建立的金刚石膜产业是北京天地金刚石公司，由南京天地集团投资，依赖863计划重大项目技术，于1996年和北京人工晶体研究院合作建立。该公司主要经营各种CVD金刚石厚膜钎焊工具、金刚石膜拉丝模模芯、各种摩擦磨损应用产品（如高精密轴承支架、金刚石砂轮修整笔等），据说也经营PCD（金刚石聚晶）工具和材料。该公司2000年下半年渡过投入——赢利转折点，进入了稳步发展时期，但至今市场规模仍然不大。除北京天地公司外，核工业部9院、河北省科学院（和北京科技大学合作）、宁夏机械研究院（和北京科技大学合作）、黄河集团公司（和吉林大学合作）和浙江大学等也在生产和销售CVD金刚石厚膜工具产品，主要是金刚石拉丝模模芯，但市场规模都还不大。
金刚石厚膜工具的性能虽优于PCD，但由于制备和加工成本较高，且限于制作形状简单的工具， 因此面临PCD的激烈竞争，只有在超精密高效加工工具和极端摩擦磨损场合才能显示明显优势。金刚石膜拉丝模模芯由于金刚石膜的多晶结构特征而具有准各向同性性质，使其明显优于PCD，甚至可能超过金刚石单晶，因此具有较好的市场前景。估计国内市场容量为5亿元左右，但目前CVD金刚石拉丝模模芯所占国内市场份额不到1%。问题主要在于：（1）目前的金刚石自支撑膜强度仍然较低，且强度的分散性较大，致使产品的质量波动较大，严重影响了用户信誉的建立；（2）市场对CVD金刚石膜产品仍然不了解，进入市场需要时间。
相比之下，金刚石薄膜涂层工具制备成本很低，而性能与PCD接近，甚至可超过PCD，加上可在形状复杂工具（如麻花钻头、端铣刀、铣刀和带断屑槽的可转位刀片等）上直接沉积金刚石膜及易于实现工业大批量生产等优点，市场前景极佳。目前国内在提高金刚石膜在硬质合金衬底上的附着力方面已经取得很大进展，尽管仍有很大改善余地，但已具备进行实用化金刚石薄膜涂层硬质合金工具研发的条件。目前国内实现金刚石薄膜涂层硬质合金工具产业化的技术障碍是：（1）金刚石涂层的附着力仍需进一步提高；（2）急切需要研发适合于工业化生产的工业化金刚石薄膜工具涂层设备和相应的配套工业化生产技术；（3）需要解决工业化生产中的产品质量检测和质量控制技术；（4）需要针对国内市场的具体情况进行金刚石薄膜涂层的产品研发和市场开发。
除汽车工业需要加工的大量高硅铝合金构件外，国防工业中的各种难加工材料，如各种有色金属、复合材料、陶瓷、高分子材料和无机非金属材料等都是金刚石涂层硬质合金工具具有明显优势的应用范围，其技术经济性远优于PCD和天然金刚石工具。此外，金刚石薄膜涂层工具还有2个具有极佳市场应用前景的应用领域：一是金刚石薄膜涂层硬质合金微型钻头；二是金刚石薄膜涂层硬质合金木工工具。目前我国已经成为半导体集成电路板卡生产大国，年产值已超过400亿元，而且还在继续以超过10%的年增长率不断上升。现代集成电路板卡都是用纤维增强的复合材料制成，并采用了多层铜布线工艺，对硬质合金钻头的磨损非常厉害，致使硬质合金微型钻头的消耗占板卡总产值的15%左右。金刚石薄膜涂层硬质合金微型钻头不仅将解决我国集成电路板卡生产厂商的急需， 而且还将带来极大的经济效益。在现代化的家具厂和木工工厂中，对硬木家具和超硬涂层复合地板的机械化加工需求越来越大，而关键是木工加工的组合工具。这些工具大都是进口的，价格非常之高，使用寿命很短。有些工具虽可重磨，但必须送到国外由制造商进行。因此，也为金刚石薄膜涂层工具提供了可以展现身手的另一片天地。
近年来，在863计划重大项目支持下，国内在光学级金刚石自支撑膜的制备技术上取得了较大进展。北京科技大学1997年底在国内首次采用高功率DC Arc Plasma Jet CVD工艺成功制备了光学级（透明）金刚石自支撑膜，从紫外（0.22mm）直至微波波段除位于4mm～6mm的本征吸收峰外没有任何其它吸收峰，在整个红外波段透过率大约70%，热导率高达19W/cm·K，和天然Ⅱa型宝石级金刚石单晶接近。光学级金刚石自支撑膜不仅在军事上有非常重要的应用前景，可作为高马赫数飞行导弹红外窗口和头罩、高功率微波窗口（Gyrotron）、卫星光学窗口，在民用方面也有极佳的市场应用前景。最重要的一个应用是作为高功率工业CO2激光窗口，不仅可替代目前使用的ZnSe和GaAs窗口，大幅度提高工业CO2激光加工机输出光束的质量，从而改善和提高激光加工质量和水平，而且还将促进整个激光加工行业的技术进步（采用金刚石窗口可以容许更高功率的激光输出，促进高功率CO2激光器的研发，使激光加工能力进一步提升）。此外，诸如高档“钻石表壳”之类的高档消费品也可能具有意想不到的市场前景。虽然和国外相比仍有不小差距，但我国在金刚石光学应用方面已经开始具有市场应用研发的能力。
国内从“八五”计划开始进行金刚石膜的热学应用研发，主要应用目标是高功率激光二极管阵列热沉。但是，由于一些相关的技术问题，如金刚石膜的抛光和金属化以及与器件半导体工艺的兼容性等问题没有很好解决，至今仍未实现工业应用。但是，近年来国内在大面积高热导率级别金刚石自支撑膜的制备方面取得了较大进展，已有能力制备8W/cm·K～19W/cm·k的各种热导率级别的金刚石热沉片。国外近年来对金刚石热沉片的需求不断增加，而我国在金刚石热沉片的制备方面具有非常明显的成本优势。无论是热丝CVD、热阴极CVD还是高功率DC Arc Plasma Jet CVD都有可能以仅相当于国外1/2～1/3左右的价格向国外市场大批量提供各种规格的热沉片（热丝CVD和热阴极CVD仅能制备15 W/cm·K以下级别的热沉片，更高热导率级别热沉片需要采用DC Arc Plasma Jet CVD）。但是，目前国内的设备水平还暂时不能满足大批量金刚石热沉片的生产要求，需要研发适合于工业化批量生产的大面积高质量金刚石自支撑膜沉积设备。除高功率激光二极管阵列以外，国外还将金刚石膜热沉用于MCMs（多芯片三维组装技术）和功率半导体器件（Power ICs）的金刚石封装。金刚石膜的极高热导率使其在器件的小型化和微型化方面具有非常好的应用前景。对于国外来说，目前主要技术障碍是金刚石膜的制备和加工成本，假如国内能够在最近2年～3年形成向国外市场批量提供各种热导率级别廉价金刚石膜热沉晶片的能力，就可能迅速进入国际市场，并保持较强的竞争能力。
国内在金刚石膜主动电子器件、金刚石膜探测器和传感器及金刚石膜电化学应用等方面的研究没有太大的进展。但近年来在冷阴极场发射和真空微电子器件、声表面波器件（SAW）等方面的研究相当活跃。但与国外相比有不小差距，特别是在器件研制和实际应用研发方面。
纳米金刚石膜是近年来才出现的在CVD金刚石膜研究领域的一个新热点。与通常的金刚石膜（也称微米晶粒金刚石膜，晶粒尺寸从0.3μｍ～数百μｍ）相比，纳米金刚石膜晶粒尺寸仅为0．2μｍ～几个ｎｍ。因此纳米金刚石膜表面极其光滑平整，表面粗糙度可在Ｒａ 20ｎｍ以下，摩擦系数仅为0．06～0．1， 比通常微米金刚石膜还低（大约0．1）。纳米金刚石膜的晶界由ｓｐ2杂化的碳原子组成，大量晶界的存在使纳米金刚石膜的电学性质与微米金刚石膜大不相同，纳米金刚石膜的电阻率与硼重掺杂的微米金刚石膜相当，并使其具有极其优异的冷阴极场发射性能和电化学性能。纳米金刚石膜在金刚石涂层工具、摩擦磨损、场发射、MEMS（微机电系统）、重要红外光学材料防护涂层和电化学等许多高新技术领域都可能有优于普通微米金刚石膜的应用前景。目前我国不少单位已在进行相关的研究开发工作，并已取得可喜的研究进展。
3、对我国CVD 金刚石膜产业化的建议
根据以上介绍的情况和我国（特别是北京地区）技术经济发展的特点和现有的研究开发基础，建议：
（1）为适应北京地区汽车工业、机电和国防工业的飞速发展，建议对金刚石薄膜涂层硬质合金工具产业化予以立项支持，重点应放在：
①金刚石薄膜涂层硬质合金工具工业化涂层设备（单台设备年生产能力：金刚石涂层硬质合金刀片或钻头10万只以上）及配套工业化生产技术研发；
②金刚石薄膜涂层硬质合金工具质量监测和控制技术研发；
③重点产品研制及工业化生产技术研发：
Ａ．用于汽车工业和国防工业用高硅铝合金和各种难加工材料（复合材料、陶瓷、高分子聚合物材料）高效精密加工的精密切削工具；
Ｂ．用于集成电路板卡加工（钻孔）的金刚石薄膜涂层硬质合金微型钻头及工业化生产技术研发；
Ｃ．金刚石薄膜涂层木工工具及工业化生产技术研发。
（2）为适应国内和北京地区微电子和光电子技术的飞速发展和器件小型化的趋势，建议：
①研发可用于大面积（Ｆ100ｍｍ以上）光学级、热沉级和工具级金刚石自支撑膜批量生产的工业化金刚石膜沉积设备（单台设备年生产金刚石自支撑膜（工具级）能力约30 000克拉）及相应的生产技术，尽快（力争在2年左右）建立可首先向国外市场批量提供上述产品的工业化生产能力；
②开展采用高导热金刚石基板的MCMs技术和功率半导体(Power ICs)金刚石封装技术研究，促进微电子和光电子器件小型化和升级换代，并形成市场应用；
③开展采用金刚石膜基板的声表面波器件研究，研发新一代高性能移动通讯技术。
（3）研发高功率工业CO2激光窗口产品及工业化生产技术，向国内外市场提供廉价光学级金刚石自支撑膜窗口，并促进国内激光加工行业技术进步；
（4）开展纳米金刚石膜制备、表征和应用开发研究，鼓励纳米金刚石膜在工具、摩擦磨损、MEMS、场发射平板显示和光学涂层等高新技术领域的应用。
4、结语
在过去十几年间ＣＶＤ金刚石膜技术研究已经取得了极其巨大的进展，目前在工具、热学、光学等一些应用领域已经开始进入产业化应用阶段。国内外都已开始有一些金刚石膜新兴产业涌现。
根据国内技术发展现状和国内（北京地区）技术经济发展特点，除已有的金刚石自支撑膜工具（和摩擦磨损）应用之外，金刚石薄膜涂层工具和金刚石热沉基片有可能在近期内实现产业化，且市场前景更佳。光学级金刚石自支撑膜工业CO2激光窗口、采用高导热金刚石基片的MCMs和功率半导体(Power ICs)的金刚石封装，场发射显示器件和声表面波器件（SAW）及纳米金刚石膜的应用等也将陆续进入市场。
金刚石膜的产业化不仅将会产生巨大的市场经济效益，而且还将有可能对我国和北京地区诸多高新技术领域的发展和相关行业的技术进步带来深刻影响。而以上项目目标的实现，除政府有关部门的支持和广大科技人员的不懈努力外，还需企业界有识之士的积极参与。近年来在CVD金刚石膜研究领域取得的进展是确实无疑的，与过去几年相比，现在的技术更加接近了市场应用，尽管仍有一定风险，但已到了可以预测和承受的程度。由于金刚石膜的应用领域十分广阔，因此在金刚石膜产业化领域的风险不会是灾难性的，对那些想要涉足这一领域产业化开发的企业来说，关键是必须拥有一支有良好素质的研发队伍和一个强大的研发基地（中心）。因此，在未来金刚石膜新兴产业的建设中，“产、学、研”的模式仍然是最佳的选择。