摘要 在863計助的大力支持下，我國CVD金剛石膜研究在工具、熱沉和光學應用等方面都取得了十分顯著的進展，不僅顯著縮小了與先進工業化國家的差距，而且已使我國開始進入產業化應用進程。目前國內已有一些小型高技術型公司和企業出現，但大都僅局限于金剛石厚膜工具(金剛石厚膜釬焊工具和金剛石拉絲模模芯)。在金剛石薄膜涂層工具、金剛石膜熱沉和金剛石光學應用研究等方面已取得實質性進展，盡管離產業化應用仍有一定距離，但已具備產業化開發和市場應用的條件。本文針對我國CVD金剛石膜的產業化前景和目前存在的問題進行了討論， 并提出了建議。
　　關鍵詞 金剛石膜；化學氣相沉積；工業化應用
　　1 化學氣相沉積CVD金剛石膜研究進展
　　化學氣相沉積金剛石膜研究在過去十幾年間一直受到世界各國的廣泛重視，并曾一度掀起席卷全球的所謂“金剛石熱(Diamond Pever)”。 其原因一半是由于科學上好奇心，僅僅從甲烷和氫氣制備金剛石的初期研究結果對很多人來講宛如“點石成金”一般神秘，而更主要的原因在于金剛石所具有的眾多極限性能的組合所顯示出來的極其誘人的應用前景(得益于金剛石是原子結合最緊密的物質這一事實)。
　　化學氣相沉積金剛石膜的研究可以追溯到50年代，但直到70年代末至80年代初由于日本學者的貢獻才開始展現出實際應用的可能性。盡管從80年代中期開始形成所謂的“金剛石熱”，但真正的進展卻是在進入Q0年代以后，恃別是在1993午以后取得的。

　　從理論方面來講，通過近十余年來的努力，已基本弄清了金剛石膜化學氣相沉積的機理。大量的實驗研究，特別是采用各種各樣的診斷方法所進行的研究，已經闡明了金剛石氣相沉積的化學環境和表面過程。對于金剛石在異質襯底上的成核和生長過程已經有了比較深入的認識。理論模型和計算也顯示出和實驗結果較好的吻合。但是，對于金剛石化學氣相沉積的表面化學過程仍然不象氣相過程那樣十分清楚。
 　　從技術意義上來講，最近十余年來的進展主要反映在CVD 金剛石膜沉積速率和質量的飛速提高以及制備成本的大幅度降低。與80年代中期相比，金剛石膜的沉積速率提高了近1000倍，而制備成本也相應降低到原來的1／10000這主要歸因于大面積、高生長速率沉積設備和工藝的成功開發以及對于金剛石化學氣相沉積機理的深入認識。與此同時，在高質量金剛石膜的制備方面也取得了令人矚目的進展，從90 年代中期開始出現的“光學級金剛石膜”，其質量足以和最高質量的天然Ⅱa 型寶石級金剛石單晶相媲美，在幾乎所有的物理化學性能方面都可與之匹敵，惟有力學性能特別是機械強度與天然金剛石單晶仍有較大差距(差不多低一個數量級)。
　　與此同時，CVD金剛石膜的應用研究及其產業化也取得了矚目的進展。CVD金剛石膜工具已經在國內外市場上出現，盡管目前的市場規模還不大，但已經顯示出了極佳的市場前景。金剛石膜熱沉已經開始在高功率半導體激光二極管上獲得市場應用，在大規模集成電路三維組裝技術(即MCMs-Multi Chip Modules)、半導體器件( 特別是大功率和高頻率器件)的封裝等方面的應用已經取得了實質性進展， 展現了廣闊的市場應用前景，并已形成了至少為數千萬美元的市場。在光學應用方面，隨著極高質量的光學級金剛石膜的出現，金剛石膜光學的市場應用也就提到了議事日程。除早期的X—射線窗口外，近年采用于紅外熱成像裝置窗口、 高速攔截導彈頭罩、強激光窗口、高功率微波窗口等都己達到或按近實用化水平。由于在許多場合下涉及到軍事應用而無法了解實際的市場規模，但在國外市場上已經能夠買到直徑達F1OOmm的金剛石膜平板窗口(價值10萬馬克)。盡管在金剛石膜異質外延方面迄今并未取得突破，n型摻雜也不太理想， 但在金剛石膜的電子學應用方面仍然取得了很大的進展。采用極高質量金剛石膜制作的粒子探測器，其性能參數(采集距離LC) 甚至超過了最高質量的天然Ⅱa型金剛石單晶。除此之外， 各種各樣的金剛石膜探測器、傳感器其性能亦不斷提高，很有可能形成可觀的市場。特別值得一提的是金剛石膜在真空微電子器件和聲表面波器件(SAW)方面的應用。 前者利用金剛石膜的優異場發射性能，可制作全固態高性能平板顯示器，而后者則可能用于制作高頻帶寬度(可達4GHz-6GHz)的濾波器，從而大幅度提高未來移動電話通訊的性能。目前國外已經出現演示性的金剛石膜平板顯示器件，商品化的金剛石膜SAW 器件也已出現。上述應用的市場前景極佳，僅金剛石膜顯示器件，專家預測在近年內就有可能實現上十億美元的市場。
 　　2 我國CVD金剛石膜研究進展和產業化現狀及存在的問題
 　　我國863計劃從“七五”計劃就開始建立專項支持CVD金剛石膜的研究開發，先后資助了數十個研究開發項目，并在“八五”和“九五”期間均設立了專門的重大 (關鍵技術)項目，旨在推進金剛石膜的產業化進程。自然科學基金委員會也在“八五”和“九五”計劃期間資助了超過20項有關CVD金剛石膜的基金項目，其中包括2 個重大項目。經過十幾年的努力，我國在CVD金剛石膜的制備、 加工和應用研究方面取得了長足進步，已顯著縮小了同國外的差距。
　　 在金剛石膜的制備技術方面，通過十幾年的努力，已在熱絲CVD(EACVD)、熱陰極CVD和直流電弧等離子體噴射(DC Arc Plasma Jet)CVD等方面形成了大面積、高質量、金剛石自支撐膜的制備能力和初步的加工能力，為金剛石膜的工業化應用奠定了基礎。特別是在高功率DC Arc Plasma Jet CVD設備方面，在863計劃“八五” 重大關鍵技術的支持下，研制出了具有我國特色和獨立知識產權的100kW 級高功率系統。采用獨特的大口徑長通道磁控／流體動力學旋轉電弧等離子體炬，可在氣體循環條件下制備大面積光學級、熱沉級和工具級金剛石自支撐膜。這一技術已受到國外同行的重視，為我國在CVD金剛石膜研究領域贏得了一席之地。與此同時， 在工具、熱沉、光學和電學(電子學)應用方面也取得了不小的進展，終于在上世紀末使我國在CVD金剛石膜研究方面開始進入產業化階段。
　　我國目前僅僅在金剛石厚膜工具方面獲得了有限的市場應用。最早建立的金剛石膜產業是北京天地金剛石公司，由南京天地集團投資，依賴863 計劃重大項目技術，于1996年和北京人工晶體研究院合作建立。該公司主要經營各種CVD 金剛石厚膜釬焊工具、金剛石膜拉絲模模芯、各種摩擦磨損應用產品( 如高精密軸承支架、金剛石砂輪修整筆等)，據說也經營PCD(金剛石聚晶)工具和材料。該公司2000年下半年渡過投入——贏利轉折點，進入了穩步發展時期，但至今市場規模仍然不大。除北京天地公司外，核工業部9院、河北省科學院(和北京科技大學合作)、寧夏機械研究院(和北京科技大學合作)、黃河集團公司(和吉林大學合作)和浙江大學等也在生產和銷售CVD金剛石厚膜工具產品，主要是金剛石拉絲模模芯， 但市場規模都還不大。
　　 金剛石厚膜工具的性能雖優于PCD，但由于制備和加工成本較高，且限于制作形狀簡單的工具，因此面臨PCD的激烈競爭， 只有在超精密高效加工工具和極端摩擦磨損場合才能顯示明顯優勢。金剛石膜拉絲模模芯由于金剛石膜的多晶結構特征而具有準各向同性性質，使其明顯優于PCD，甚至可能超過金剛石單晶， 因此具有較好的市場前景。估計國內市場容量為5億元左右，怛日前CVD金剛石拉絲模模芯所占國內市場份額不到1％。問題主要在于：(1)目前的金剛石自支撐膜強度仍然較低，且強度的分散性較大，致使產品的質量波動較大，嚴重影響了用戶信譽的建立；(2) 市場對CVD金剛石膜產品仍然不了解，進入市場需要時間。
　　相比之下，金剛石薄膜涂層工具制備成本很低，而性能與PCD接近，甚至可超過PCD，加上可在形狀復雜工具(如麻花鉆頭、端銑刀、銑刀和帶斷屑槽的可轉位刀片等)上直接沉積金剛石膜及易于實現工業大批量生產等優點，市場前景極佳。 目前國內在提高金剛石膜在硬質合金襯底上的附著力方面已經取得很大進展，盡管仍有很大改善余地，但已具備進行實用化金剛石薄膜涂層硬質合金工具研發的條件。目前國內實現金剛石薄膜涂層硬質合金工具產業化的技術障礙是：(1) 金剛石涂層的附著力仍需進一步提高；(2) 急切需要研發適合于工業化生產的工業化金剛石薄膜工具涂層設備和相應的配套工業化生產技術；(3) 需要解決工業化生產中的產品質量檢測和質量控制技術；(4) 需要針對國內市場的具體情況進行金剛石薄膜涂層的產品研發和市場開發。
　　除汽車工業需要加工的大量高硅鋁合金構件外，國防工業中的各種難加工材料，如各種有色金屬、復合材料、陶瓷、高分子材料和無機非金屬材料等都是金剛石涂層硬質合金工具具有明顯優勢的應用范圍，其技術經濟性遠優于PCD 和天然金剛石工具。此外，金剛石薄膜涂層工具還有2 個具有極佳市場應用前景的應用領域：一是金剛石薄膜涂層硬質合金微型鉆頭；二是金剛石薄膜涂層硬質合金木工工具。目前我國已經成為半導體集成電路板卡生產大國，年產值已超過400億元， 而且還在繼續以超過10％的年增長率不斷上升。現代集成電路板卡都是用纖維增強的復合材料制成，并采用了多層銅布線工藝，對硬質合金鉆頭的磨損非常厲害，致使硬質合金微型鉆頭的消耗占板卡總產值的15％左右。金剛石薄膜涂層硬質合金微型鉆頭不僅將解決我國集成電路板卡生產廠商的急需，而且還將帶來極大的經濟效益。在現代化的家具廠和木工工廠中，對硬木家具和超硬涂層復合地板的機械化加工需求越來越大，而關鍵是木工加工的組合工具。這些工具大都是進口的，價格非常之高，使用壽命很短。有些工具雖可重磨，但必須送到國外由制造商進行。因此，也為金剛石薄膜涂層工具提供了可以展現身手的另一片天地。
 　　近年來，在863計劃重大項目支持下， 國內在光學級金剛石自支撐膜的制備技術上取得了較大進展。北京科技大學 1997 年底在國內首次采用高功率 DC Arc Plasma Jet CVD工藝成功制備了光學級(透明)金剛石自支撐膜，從紫外(0. 22mm) 直至微波波段除位于4mm-6mm的本征吸收峰外沒有任何其它吸收峰，在整個紅外波段透過率大約70％，熱導率高達19W／cm·K，和天然Ⅱa型寶石級金剛石單晶接近。光學級金剛石自支撐膜不僅在軍事上有非常重要的應用前景，可作為高馬赫數飛行導彈紅外窗口和頭罩、高功率微波窗口(Gyrotron)、衛星光學窗口，在民用方面也有極佳的市場應用前景。最重要的一個應用是作為高功率工業CO2激光窗口， 不僅可替代目前使用的ZnSe和GaAs窗口，大幅度提高工業CO2 激光加工機輸出光束的質量，從而改善和提高激光加工質量和水平，而且還將促進整個激光加工行業的技術進步(采用金剛石窗口可以容許更高功率的激光輸出，促進高功率CO2激光器的研發，使激光加工能力進一步提升)。此外， 諸如高檔“鉆石表殼”之類的高檔消費品也可能具有意想不到的市場前景。雖然和國外相比仍有不小差距，但我國在金剛石光學應用方面已經開始具有市場應用研發的能力。
　　國內從“八五”計劃開始進行金剛石膜的熱學應用研發，主要應用目標是高功率激光二極管陣列熱沉。但是，由于一些相關的技術問題，如金剛石膜的拋光和金屬化以及與器件半導體工藝的兼容性等問題沒有很好解決，至今仍未實現工業應用。但是，近年來國內在大面積高熱導率級別金剛石自支撐膜的制備方面取得了較大進展，已有能力制備8w／cm·K-19W／cm·k的各種熱導率級別的金剛石熱沉片。國外近年來對金剛石熱沉片的需求不斷增加，而我國在金剛石熱沉片的制備方面具有非常明顯的成本優勢。無論是熱絲CVD、熱陰極CVD還是高功率DC Arc Plasma Jet CVD都有可能以僅相當于國外1／2-1／3 左右的價格向國外市場大批量提供各種規格的熱沉片(熱絲CVD和熱陰極CVD僅能制備15 W／cm·K以下級別的熱沉片，更高熱導率級別熱沉片需要采用DC Arc Plasma Jet CVD)。但是，目前國內的設備水平還暫時不能滿足大批量金剛石熱沉片的生產要求，需要研發適合于工業化批量生產的大面積高質量金剛石自支撐膜沉積設備。除高功率激光二極管陣列以外，國外還將金剛石膜熱沉用于MCMs(多芯片三維組裝技術)和功率半導體器件(Power ICs) 的金剛石封裝。金剛石膜的極高熱導率使其在器件的小型化和微型化方面具有非常好的應用前景。對于國外來說，目前主要技術障礙是金剛石膜的制備和加工成本，假如國內能夠在最近2年—3年形成向國外市場批量提供各種熱導率級別廉價金剛石膜熱沉晶片的能力，就可能迅速進入國際市場，并保持較強的競爭能力。
　　國內在金剛石膜主動電子器件、金剛石膜探測器和傳感器及金剛石膜電化學應用等方面的研究沒有太大的進展。但近年來在冷陰極場發射和真空微電子器件、聲表面波器件(SAW)等方面的研究相當活躍。但與國外相比有不小差距， 特別是在器件研制和實際應用研發方面。
　　納米金剛石膜是近年來才出現的在CVD金剛石膜研究領域的一個新熱點。與通常的金剛石膜(也稱微米晶粒金剛石膜，晶粒尺寸從0.3μm-數百μm)相比，納米金剛石膜晶粒尺寸僅為0.2μm-幾個nm。因此納米金剛石膜表面極其光滑平整， 表面粗糙度可在Ra 20nm以下，摩擦系數僅為0.06-0.1，比通常微米金剛石膜還低(大約 0.1)。納米金剛石膜的晶界由sp2雜化的碳原子組成， 大量晶界的存在便納米金剛石膜的電學性質與微米金剛石膜大不相同，納米金剛石膜的電阻率與硼重摻雜的微米金剛石膜相當，并使其具有極其優異的冷陰極場發射性能和電化學性能。納米金剛石膜在金剛石涂層工具、摩擦磨損、場發射、MEMS(微機電系統)、重要紅外光學材料防護涂層和電化學等許多高新技術領域都可能有優于普通微米金剛石膜的應用前景。目前我國不少單位已在進行相關的研究開發工作，并已取得可喜的研究進展。
　　3 對我國CVD金剛石膜產業化的建議；
　　根據以上介紹的情況和我國 (特別是北京地區)技術經濟發展的特點和現有的研究開發基礎，建議：
　　(1)為適應北京地區汽車工業、機電和國防工業的飛速發展， 建議對金剛石薄膜涂層硬質合金工具產業化予以立項支持，重點應放在：
　　 ①金剛石薄膜涂層硬質合金工具工業化涂層設備( 單臺設備年生產能力：金剛石涂層硬質合金刀片或鉆頭10萬只以上)及配套工業化生產技術研發；
 　　 ②金剛石薄膜涂層硬質合金工具質量監測和控制技術研發；

　　③重點產品研制及工業化生產技術研發：
　　A.用于汽車工業和國防工業用高硅鋁合金和各種難加工材料(復合材料、陶瓷、高分子聚合物材料)高效精密加工的精密切削工具；
　　B.用于集成電路板卡加工(鉆孔)的金剛石薄膜涂層硬質合金微型鉆頭及工業化生產技術研發；
　　C.金剛石薄膜涂層木工工具及工業化生產技術研發。 (2) 為適應國內和北京地區微電子和光電子技術的飛速發展和器件小型化的趨勢，建議： ①研發可用于大面積(F100mm以上)光學級、熱沉級和工具級金剛石自支撐膜批量生產的工業化金剛石膜沉積設備(單臺設備年生產金剛石白文撐膜(工具級) 能力約30000克拉)及相應的生產技術，盡快(力爭在2年左右) 建立可首先向國外市場批量提供上述產品的工業化生產能力；②開展采用高導熱金剛石基板的MCMs技術和功率半導體(Power ICs) 金剛石封裝技術研究，促進微電子和光電子器件小型化和升級換代，并形成市場應用；③開展采用金剛石膜基板的聲表面波器件研究，研發新一代高性能移動通訊技術。
　　(3)研發高功率工業CO2激光窗口產品及工業化生產技術，向國內外市場提供廉價光學級金剛石白支撐膜窗口，并促進國內激光加工行業技術進步；
　　(4)開展納米金剛石膜制備、表征和應用開發研究，鼓勵納米金剛石膜在工具、摩擦磨損、MEMS、場發射平板顯示和光學涂層等高新技術領域的應用。
　　4 結語
　　在過去十幾年間CVD金剛石膜技術研究已經取得了極其巨大的進展，目前在工具、熱學、光學等一些應用領域已經開始進入產業化應用階段。國內外都已開始有一些金剛石膜新興產業涌現。
　　根據國內技術發展現狀和國內 (北京地區)技術經濟發展特點，除已有的金剛石自支撐膜工具(和摩擦磨損)應用之外，金剛石薄膜涂層工具和金剛石熱沉基片有可能在近期內實現產業化，且市場前景更佳。光學級金剛石自支撐膜工業CO2 激光窗口、采用高導熱金剛石基片的MCMs和功率半導體(Power ICs)的金剛石封裝， 場發射顯示器件和聲表面波器件(SAW)及納米金剛石膜的應用等也將陸續進入市場。 金剛石膜的產業化不僅將會產生巨大的市場經濟效益，而且還將有可能對我國和北京地區諸多高新技術領域的發展和相關行業的技術進步帶來深刻影響。而以上項目目標的實現，除政府有關部門的文持和廣大科技人員的不懈努力外，還需企業界有識之士的積極參與。近年來在CVD金剛石膜研究領域取得的進展是確實無疑的，與過去幾年相比，現在的技術更加接近了市場應用，盡管仍有一定風險，但已到了可以預測和承受的程度。由于金剛石膜的應用領域十分廣闊，因此在金剛石膜產業化領域的風險不會是災難性的，對那些想要涉足這一領域產業化開發的企業來說，關鍵是必須擁有一支有良好素質的研發隊伍和一個強大的研發基地(中心)。因此，在未來金剛石膜新興產業的建設中，“產、學、研”的模式仍然是最佳的選擇。