CVD金剛石技術(shù)和應(yīng)用（下）①

秦松巖，陳 磊，何敬暉，玄真武

（北京天地東方超硬材料股份有限公司，北京 100018）

4.1.3 拉絲模

迄今為止。我們還未發(fā)現(xiàn)國外公司出售CVD金剛石拉絲?；蚰Ｐ?。這可能是金剛石膜材料的穩(wěn)定性不夠好，國外難以承受產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定。國內(nèi)有幾個廠家生產(chǎn)CVD金剛石模芯和拉絲模。

CVD金剛石拉絲模硬度高摩擦系數(shù)低，光潔度高，可以制成0.02mm孔徑的拉絲膜。在拉制不銹鋼絲、鉬絲、鎢絲等硬絲時(shí)效果較好。

CVD金剛石比PCD金剛石韌性低，易裂、易掉鉆。制作工藝的技術(shù)條件比PCD嚴(yán)格，這是由其性質(zhì)所決定的。PCD整體由微米級金剛石＋粘接相組成，結(jié)構(gòu)上完全各向同性；而CVD金剛石大體上呈柱狀晶，具有一定的方向性，晶粒之間通過幾層碳原子結(jié)合。一般PCD的機(jī)械強(qiáng)度較高，可以承受較高的機(jī)械沖擊和熱沖擊，但硬度低；CVD金剛石機(jī)械硬度高，另外，CVD金剛石的摩擦系數(shù)低于PCD。

4.1.4 手術(shù)刀

以往的金剛石手術(shù)刀，或生物切片刀主要由單晶金剛石制備。制備工藝難度大，原料和加工成本高，目前只有少數(shù)幾個國家可以制作。難度主要在于刀具刃口的研磨，通常刃口半徑非常小，一般為幾十納米。片狀CVD金剛石大大降低了材料成本，但由于是多晶結(jié)構(gòu)，刃磨很容易產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。

德國GFD公司［7］生產(chǎn)各種規(guī)格的CVD金剛石解剖刀，刃口半徑只有幾個nm，刀片厚度最薄為0.12mm（如圖2）。其刃口加工采用超聲波等離子體拋光減薄，使得刃口鋒利而完整。所用的材料為高定向CVD金剛石膜。De Beers也將CVD金剛石膜用于手術(shù)刀，并且已經(jīng)應(yīng)用于臨床。

圖2 德國GFD公司CVD金剛石解剖刀刃口和厚度。Fig.2 The CVD diamond blade（made in GFD）

4.1.5 耐磨部件

耐磨部件要求材料具有高硬度、高耐磨和低摩擦系數(shù)的特性，因?yàn)闆]有沖擊，所以對材料的韌性要求低。CVD金剛石的特性正好適合，比PCD金剛石在性能上有明顯的優(yōu)勢。但在加工難度方面比PCD高。

我們開發(fā)的CVD金剛石軸承支撐器就是典型的耐磨部件。在軸承制造廠家應(yīng)用，工件質(zhì)量和壽命優(yōu)于PCD產(chǎn)品。目前，我國在軸承制造方面，已經(jīng)形成較大規(guī)模。但是精密軸承制造方面的技術(shù)水平仍然落后。日本軸承生產(chǎn)廠家一般采用PCD軸承支撐器?，F(xiàn)在也有CVD產(chǎn)品生產(chǎn)。圖3左為北京天地東方超硬材料股份有限公司的各種軸承支撐器產(chǎn)品。國外也有同樣的應(yīng)用，如CSEM［8］采用細(xì)粒度金剛石（＜1μm）涂層制備技術(shù)，在SiC旋轉(zhuǎn)密封件基體上沉積，其使用壽命提高80%，并且密封面無致命劃傷，無明顯泄漏。如圖3右圖。

圖3 耐磨部件樣品左圖為天地東方公司研制的樣品。右圖為CSEM公司的旋轉(zhuǎn)軸密封件（Coated diamond SiC rotary seal）Fig.3 Samples of wear parts for bearing shoes They were products respectively made by Beijing Tiandi Orient Superhard Materials Co.（left）and CSEM Co.（right）.

4.2 熱學(xué)應(yīng)用

CVD金剛石在熱學(xué)方面的應(yīng)用主要在電子器件方面，有光通訊用激光二極管熱沉、泵浦用大功率激光二極管列陣過渡熱沉、高密度集成電路封裝材料、功率微波器件的電路基板等。與現(xiàn)代信息領(lǐng)域高技術(shù)緊密相連，市場潛力巨大。CVD金剛石膜熱學(xué)應(yīng)用也是較早開發(fā)的應(yīng)用之一。

4.2.1 TAB工具應(yīng)用

集成電路組裝，大規(guī)模集成電路，液晶顯示器等的載帶自動鍵合工具是一個不斷成長的市場，對于這個應(yīng)用，粘結(jié)并不是最佳選擇。用CVD金剛石制造的TAB工具開始用于1990年。過去TAB工具主要用導(dǎo)熱陶瓷、硬質(zhì)合金等材料制作，硬度低，壽命短，且容易造成工具表面污染，影響鍵合質(zhì)量，降低成品率，同時(shí)這些材料的熱導(dǎo)率低，熱容量大（相對CVD金剛石或單晶金剛石），壓頭表面的溫度不均勻，改變溫度的速度低，不能適應(yīng)高速工作狀態(tài)；而用單晶金剛石TAB，價(jià)格高，難以普及。新型CVD金剛石TAB工具在倒裝芯片的鍵合方面具有非常好的優(yōu)勢。

4.2.2 熱沉 Heat spreading（thermal management，TM）應(yīng)用

（1）激光二極管列陣熱沉及應(yīng)用

目前，激光二極管列陣（LDA）（主要用于泵浦YAG激光器）連續(xù)輸出功率在十幾瓦數(shù)量級，采用CVD金剛石作為熱沉，在室溫條件下輸出功率可達(dá)數(shù)十瓦，其耗散功率可超過100W（此時(shí)激光二極管內(nèi)的功率密度可超過數(shù)千W／cm2）。

（2）多芯片集成電路（MCMs）散熱板

計(jì)算機(jī)微處理芯片（CPU）的運(yùn)算速度、存儲芯片的存儲容量及存儲速度越來越大，表現(xiàn)在集成電路的集成度非常高，芯片數(shù)量增加。為縮短芯片之間的引線過長引起的數(shù)據(jù)信號傳輸時(shí)間延長，減小設(shè)備體積和重量，要求 MCMs（multi－chip modules），即多芯片模塊結(jié)構(gòu)，它主要用于航空航天和軍用裝備領(lǐng)域。由于芯片之間的距離很小，其功率密度非常高，如果不采取有效措施，足以使芯片燒毀或無法正常工作。因此，MCMs基板材料的最佳選擇是CVD金剛石片（一般為＞1mm厚度），除了高熱導(dǎo)率外，金剛石低的介電常數(shù)（5.6）也是必要條件，這樣在高頻時(shí)芯片工作才能正常，簡化由于分布電容而增加的設(shè)計(jì)難度 。

（3）單片微波集成電路芯片（MMICs）

固體微波器件，廣泛用于微波通訊（衛(wèi)星、地面），軍用雷達(dá)（相控陣?yán)走_(dá)等）等作為微波信號功率放大器。1995年美國空軍的F－16戰(zhàn)機(jī)上電子自動測試設(shè)備中的分頻電路（frequency divider circuit）已經(jīng)用上金剛石基體的微波電路。

4.3 場發(fā)射應(yīng)用

金剛石為寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有負(fù)（或?。┑碾娮佑H和勢。也就是說，金剛石表面極易發(fā)射電子。根據(jù)這種特性，人們希望用它制造高性能平板顯示器，大功率微波管的電子發(fā)射源。

圖4 CVD金剛石FED工作原理圖。Fig.4 CVD diamond used in FED

一般市場上最常見的顯示器為陰極射線管（CRT），利用金屬高溫時(shí)發(fā)射電子的特性，給陰極燈絲通電加熱，從而發(fā)射電子，轟擊熒光粉而發(fā)光。這種顯示器顯示圖像的質(zhì)量高（亮度、對比度、分辨率等），但耗電量和體積大，重量大。采用場致發(fā)射顯示器（FED）后，耗電量、體積重量等將大大減小，而圖像質(zhì)量同CRT。

金剛石FED工作原理見圖4。顯示器的一般設(shè)計(jì)由基板、行陣列電極、微尖陣列、絕緣支撐、門電極、顯示板（包括熒光粉和透明平板）等組成。

4.4 光學(xué)應(yīng)用

金剛石具有優(yōu)異的綜合性能，被譽(yù)為極限光學(xué)材料。對在大功率，極端條件下使用的光學(xué)元件來說，金剛石是唯一的候選者。如大功率激光窗口，高速導(dǎo)彈窗口，以及大功率毫米波回旋管輸出窗口等。

（1）光學(xué)窗口

光學(xué)級CVD金剛石可應(yīng)用于紅外成像系統(tǒng)、回旋管、高功率激光器、極高頻調(diào)速管的窗口。CVD金剛石窗口材料以其高熱導(dǎo)率，寬透過波段，低損耗以及高強(qiáng)度等優(yōu)秀特性，將大大提高上述高技術(shù)產(chǎn)品的使用壽命和性能，降低運(yùn)行成本。

（2）大功率CO2激光器輸出窗口：

目前使用較多的工業(yè)切割、焊接用大功率CO2激光器（波長10.6μm，輸出功率1～6kW）的窗口材料是ZnSe和 GaAs。ZnSe吸 收 系 數(shù) （ZnSe－－0.0005，光學(xué)級金剛石－－0.005－0.1））雖然低，但熱傳導(dǎo)能力太低，并且ZnSe的折射率溫度系數(shù)是金剛石的6倍，工作時(shí)會產(chǎn)生熱透鏡現(xiàn)，影響加工質(zhì)量，甚至導(dǎo)致窗口損壞。CVD金剛石因其優(yōu)異的熱導(dǎo)率、抗損傷閾值而可以承受的功率比ZnSe和GaAs高很多。目前在歐洲市場已經(jīng)有金剛石窗口銷售，可以肯定，CVD金剛石窗口的使用將產(chǎn)生新一代大功率CO2激光器。

4.5 聲學(xué)應(yīng)用

金剛石的彈性模量很高，具有極高的聲速。這種特性可以用來制造高頻聲學(xué)傳感器，揚(yáng)聲器，以及高頻SAW器件。下面簡單介紹CVD金剛石在高頻SAW器件上的應(yīng)用。

一般最常用的SAW基體材料是石英，鈮酸鋰，鉭酸鋰等單晶。石英晶體價(jià)格低，并且有極好的溫度穩(wěn)定性，機(jī)電耦合系數(shù)低。鈮酸鋰具有優(yōu)秀的極化特性，但溫度穩(wěn)定性差。鉭酸鋰也有優(yōu)秀的極化特性，溫度穩(wěn)定性一般。

雖然金剛石本身不具有壓電性，但其極高的表面波速度和楊氏模量，仍然吸引人們竭力將金剛石應(yīng)用于SAW器件中，因?yàn)楦弑砻娌ㄋ俣瓤梢灾苽錁O高頻表面波器件，這是目前信息通訊業(yè)迅猛發(fā)展所迫切需求的。而SAW器件材料所要求的壓電性可以通過在金剛石基板上沉積ZnO或LiNbO3等材料制成復(fù)合結(jié)構(gòu)解決。甚至SiO2／ZnO／金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)的溫度系數(shù)可以優(yōu)于石英晶體。另外，由于金剛石熱導(dǎo)率高和剛性好，可以承受更高的功率而不被燒毀。

當(dāng)前信息技術(shù)高速發(fā)展，迫切需要高頻、高速信息傳輸和處理。極高頻SAW器件對于拓寬擁擠的無線電波譜（主要向更高頻率擴(kuò)展），普及寬帶網(wǎng)，大容量高速無線局域網(wǎng)建設(shè)等具有十分重要的意義。

金剛石在高頻聲表面波的應(yīng)用具有不可替代的優(yōu)勢。也是今后信息技術(shù)要發(fā)展的重要材料。事實(shí)上，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，金剛石SAW器件已經(jīng)開始用于高速寬帶網(wǎng)和數(shù)字無線通訊（圖像和文字）。

4.6 電化學(xué)應(yīng)用

重?fù)诫s金剛石膜電阻率低，作為化學(xué)電極顯示出很高的性能，1）對化學(xué)試劑的惰性使得其尺寸穩(wěn)定；2）高的過電位（寬電位窗口）；3）低噪音。這些特性最適合生物和化學(xué)傳感器，可以應(yīng)用于垃圾及廢水處理［9］，電解分析［10］以及化學(xué)傳感器等。圖5為金剛石作為化學(xué)電極的典型的I－V特性［11］。

圖5 摻硼金剛石化學(xué)電極的I－V特性曲線Fig.5 The electrochemical I－V plot of B－doped diamond

4.7 半導(dǎo)體材料

作為半導(dǎo)體材料，金剛石的熱導(dǎo)率，載流子遷移速率，以及寬帶隙，將使得其具有最好的綜合性能。當(dāng)20世紀(jì)80年代CVD金剛石研究熱開始時(shí)，人們即重視金剛石的半導(dǎo)體應(yīng)用，研究了異質(zhì)外延技術(shù)，摻雜技術(shù)（P型，N型）。表1列出幾種半導(dǎo)體材料的質(zhì)量因數(shù)（Figure of Merit），這里將單晶硅的值設(shè)為1。

表1 幾種半導(dǎo)體材料的質(zhì)量因數(shù)Table 1 Figure－of－merit for various semiconductor materials.

由于其品質(zhì)優(yōu)秀，人們希望得到可以實(shí)用的半導(dǎo)體金剛石材料，但目前情況，P型金剛石半導(dǎo)體可以通過摻雜B元素得到，其電阻率從10－2到幾KΩcm。但N型金剛石半導(dǎo)體電阻率非常高，難以實(shí)用化。另外所必需的金剛石外延技術(shù)和單晶質(zhì)量離實(shí)用化還很遙遠(yuǎn)。

5 結(jié)束語

自上世紀(jì)80年代初開始的CVD金剛石技術(shù)研究幾乎涉及材料研究和應(yīng)用的各個方面（材料制備、加工、性能、檢測、應(yīng)用等）。正是由于金剛石的優(yōu)異性能，才如此吸引人們進(jìn)行不斷的探索和研究?！敖饎偸篮恪边@句話的意義在于，金剛石具有優(yōu)異的性能，而人們利用其性能的追求永無止境。自工業(yè)化合成金剛石技術(shù)發(fā)明到現(xiàn)在，全世界金剛石的需求量一直處于快速增加的狀態(tài)，這里面主要有兩個促進(jìn)因素。一個是新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，一個是已有的工具需求量不斷增加。這說明，對于金剛石，不斷創(chuàng)新是金剛石工具應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大的重要因素。對于CVD金剛石來說，情況也基本相同。

經(jīng)過20世紀(jì)80年代和90年代前期的高速發(fā)展，CVD金剛石在沉積技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)方面達(dá)到實(shí)用化水平。這就是CVD金剛石發(fā)展的第一個階段，第二個階段將是商業(yè)開發(fā)階段，主要由各公司和技術(shù)研究所來承擔(dān)，他們的主要目標(biāo)是通過CVD金剛石技術(shù)的二次開發(fā)，以降低成本，開發(fā)工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。這個過程已經(jīng)開始，至少在美國（主要工業(yè)化沉積技術(shù)、工具）、日本（主要電子行業(yè)）和歐洲（工業(yè)化沉積技術(shù)、精密工具、傳感器等）已經(jīng)開始。

國內(nèi)CVD金剛石技術(shù)研究也基本參與了第一階段的研究（研究經(jīng)費(fèi)不需要很多），共有幾十家。但涉及到投資量大的沉積設(shè)備、精密加工設(shè)備和技術(shù)，國內(nèi)現(xiàn)有研究經(jīng)費(fèi)水平已無無法支持。在第二階段的技術(shù)開發(fā)中，我國與國外的技術(shù)、產(chǎn)品差距在逐漸擴(kuò)大，而且主要體現(xiàn)在高端技術(shù)和產(chǎn)品方面，如大功率微波生長設(shè)備和高精度器械、器件（SAW FILTER、傳感器等）。

總之，加快我國CVD金剛石技術(shù)的發(fā)展，全面縮小與國外水平的差距，還需要各級政府部門、有關(guān)專業(yè)研究所、高技術(shù)企業(yè)在政策上和經(jīng)濟(jì)上繼續(xù)給予關(guān)注和支持。

［7］GFD公司網(wǎng)頁：http：／／www.gfd－diamond.com，（2002）.

［8］CSEM 公司網(wǎng)頁：http：／／www.csem.ch，（2002）.

［9］G.Foti，D.Gandini，W.Haenni，A.Perret，and Ch.Comninellis，Electrochem.Solid State Lett.，3，77（2000）.

［10］T.N.Rao and A.Fujishima，Diamond Relat.Mater.，9，384（2000）.

［11］神戶制鋼網(wǎng)頁：http：／／www.kobelco.co.jp，（2001）.