從專利角度分析人造金剛石技術(shù)的發(fā)展

周青超，沈錫田

(1.滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 珠寶學(xué)院，云南 騰沖 679100；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 珠寶學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 行業(yè)發(fā)展趨勢分析

金剛石是世界上已知最硬的物質(zhì)。金剛石包括天然金剛石和人造金剛石，如圖1所示，人造金剛石因其優(yōu)異的熱、電、力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體及電子器件、切削與鉆探材料、光學(xué)材料以及珠寶首飾材料[1-5]。從專利檢索數(shù)據(jù)來看(圖2)，人造金剛石最大的應(yīng)用領(lǐng)域是半導(dǎo)體器件(H01L)，其次是切-磨-拋傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域(B24B)，再到精密器件的金剛石表面鍍覆(C23C)、土層或巖石的鉆進(E21B)、石頭或類似石頭的材料加工(B28D)、車削與鏜削(B23B)。H01L等數(shù)字符號是國際專利分類表(IPC分類)中某技術(shù)領(lǐng)域的代號，采用這一分類方法方便對全球范圍內(nèi)的專利申請進行分類統(tǒng)計和分析。

圖1 人造金剛石的應(yīng)用領(lǐng)域[6]Fig.1 Application field of synthetic diamond

21世紀初以來，隨著我國在設(shè)備、技術(shù)、原料合成領(lǐng)域的突破，國內(nèi)人造金剛石產(chǎn)量迅速增長，目前我國人造金剛石的產(chǎn)量已占據(jù)全球總產(chǎn)量90%以上。近年來，由于高溫高壓合成技術(shù)的突破，越來越多的高溫高壓法寶石級培育金剛石走向了珠寶飾品領(lǐng)域(只有顏色、凈度、質(zhì)量等達到一定技術(shù)要求的人造金剛石，才能稱為“寶石級培育金剛石”)。包括天然鉆石巨頭戴比爾斯(DeBeers)也在2018年加入培育鉆石行業(yè)[7]。2019年10月，中南鉆石總投資逾兩億元的寶石級培育金剛石生產(chǎn)線建設(shè)項目按正常流程將在2022年投產(chǎn)，目前實際建設(shè)進度大大超前。從圖2中也可以看出，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域之外，金剛石專利技術(shù)布局的一個大方向就是合成技術(shù)，其中分類號C30B偏向化學(xué)氣相沉積(CVD)合成法、分類號C01B、B01J偏向高溫高壓合成法。

圖2 以“金剛石”和“鉆石”為關(guān)鍵詞檢索的專利技術(shù)分布Fig.2 The distribution of patents searched with "diamond" and "jewel" as keywords

從一定程度上說，透過專利技術(shù)文件可以分析行業(yè)內(nèi)的前沿技術(shù)，無論是科學(xué)界還是工業(yè)界，一項新技術(shù)從誕生到消費者觸手可及的產(chǎn)品，往往需要漫長的研發(fā)周期，在這個時間段內(nèi)，要想最快速的了解行業(yè)內(nèi)的研發(fā)動態(tài)以及熱門領(lǐng)域方向，專利技術(shù)分析無疑是最好的辦法。例如，人們通過分析蘋果公司申請的專利就可以預(yù)見其下一代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外觀以及新的功能等。本文主要從人造金剛石專利申請年度趨勢、申請人國家/地區(qū)、申請目標國家/地區(qū)、主要技術(shù)分布及技術(shù)發(fā)展趨勢等維度進行分析，從而比較全面地闡述全球范圍內(nèi)人造金剛石行業(yè)的發(fā)展趨勢。

本文的專利申請數(shù)據(jù)來源于incopat，截至2021年9月12日，共檢索到15355件，其中有效專利6857件。由于人造金剛石的別名比較多，為了保證專利檢索盡可能完整，本文檢索的關(guān)鍵詞包括了培育鉆石、培育金剛石、單晶金剛石、合成金剛石、合成鉆石、人造鉆石、人造金剛石。

2 專利申請態(tài)勢分析

本文首先對人造金剛石行業(yè)在全球范圍內(nèi)的年度專利申請、申請人國別、主要國家或地區(qū)、技術(shù)分布和技術(shù)發(fā)展趨勢等進行了統(tǒng)計，并對相關(guān)態(tài)勢進行分析從而洞悉人造金剛石行業(yè)的專利國際環(huán)境。

(1)全球?qū)＠暾埬甓融厔莘治?/p>

對專利申請的年份進行統(tǒng)計，可以得到基于年的專利申請與公開趨勢，在一定程度上可以反映出該行業(yè)的整體專利申請態(tài)勢。專利公開和專利申請相比有一定滯后，一般發(fā)明專利在申請后3～18個月公開，實用新型專利和外觀設(shè)計專利在申請后1～15個月公開。

人造金剛石的起源可以追溯到上世紀50年代，當時天然金剛石極其稀有且特別珍貴，市場需求還在不斷擴大，人們希望可以開發(fā)出人工合成金剛石的方法。1953年，美國通用電氣(GE)公司的Bundy等[8]研制出了年輪式兩面頂超高壓裝置，并于1954年采用該兩面頂壓機，以石墨為原料，以金屬Ni作為觸媒(催化劑)成功合成出了金剛石。如圖3所示，全球人造金剛石專利申請從1953年到1985年呈初步穩(wěn)定增長趨勢，該時期是技術(shù)的萌芽期，專利申請的總量較少；從1986年到1992年，眾多企業(yè)發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在巨大商業(yè)前景，越來越多的企業(yè)開始關(guān)注該領(lǐng)域，雖然產(chǎn)業(yè)仍不成熟，但專利申請數(shù)量增長迅速，涌入的企業(yè)也越來越多，導(dǎo)致專利申請人的數(shù)量也迅速增長。成熟期是1992年到2001年，這一階段屬于金剛石材料全球格局的調(diào)整期，表現(xiàn)為專利申請量增速的放緩。爆發(fā)期是2002年以后，各大人造金剛石企業(yè)均大力在金剛石的CVD合成技術(shù)、高溫高壓合成技術(shù)方向進行專利布局，導(dǎo)致了從2002年之后全球人造金剛石專利的申請量呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長。2020年以后的專利申請數(shù)據(jù)大幅降低是由于專利公開的滯后性造成的。

圖3 全球人造金剛石產(chǎn)業(yè)專利申請趨勢情況Fig.3 Patent application trends in the global synthetic diamond industry

(2)全球?qū)＠暾埲藝鴦e分析

我們以6857件有效專利為基礎(chǔ)進行分析，因為專利都有一定的保護期限，其中發(fā)明專利的保護期限最長，為20年。關(guān)于人造金剛石技術(shù)的專利申請，目前無效的專利超過了50%。對人造金剛石領(lǐng)域的有效專利申請人國別進行統(tǒng)計，可得到圖4。

圖4 人造金剛石領(lǐng)域?qū)＠暾埲怂趪曳治鯢ig.4 Analysis of countries of patent applicant in the field of synthetic diamond

如圖4所示，就有效專利數(shù)據(jù)來看，目前中國專利申請總數(shù)占全球?qū)＠暾?5%左右，在數(shù)量上是美國的2倍多，日本的4倍多，在總量上占有顯著優(yōu)勢。專利的地域分布能夠從一定程度上反映該地域市場的現(xiàn)有規(guī)模以及未來的市場期待。專利布局越多的地域，一定程度上說明了專利申請人重視這一地域的產(chǎn)品或技術(shù)市場，專利申請人有意在這一地域開拓相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的市場。可見，人造金剛石技術(shù)在世界上重要的國家和地區(qū)均擁有市場潛力。

通過對比分析，可以掌握人造金剛石領(lǐng)域重要技術(shù)方向在全球范圍內(nèi)的主要技術(shù)分布。圖5展示了有效專利數(shù)前7位的國家或地區(qū)的專利技術(shù)布局方向，從圖中可以看出，單晶生長(C30B)是所有國家或地區(qū)都在大力布局的方向，其次便是人造金剛石的各大應(yīng)用領(lǐng)域。由于近年來以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的信息化技術(shù)領(lǐng)域研究以及技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，推動了人造金剛石材料研究以及應(yīng)用的不斷開拓。

圖5 人造金剛石技術(shù)各方向在不同國家或地區(qū)的數(shù)量分布情況Fig.5 The quantity distribution of various synthetic diamond technologies in different countries or regions

圖6展示的是排名前10的各個國家或地區(qū)專利公開量的發(fā)展趨勢。通過該分析可以了解各個國家專利文獻的時間分布，掌握各國在不同時期的的技術(shù)公開和技術(shù)儲備情況，以及各個國家的技術(shù)實力對比情況。從圖中可以看出，中國在人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域雖然起步較晚，從20世紀80年代開始發(fā)力，但是經(jīng)歷了20年左右的發(fā)展，從2000年開始，中國的人造金剛石技術(shù)取得了迅猛的發(fā)展，專利申請數(shù)量呈井噴式增長，在世界范圍遙遙領(lǐng)先。

圖6 人造金剛石專利在各個國家或地區(qū)公開的趨勢Fig.6 The trend of synthetic diamond patent disclosure in various countries or regions

(3)各技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠墓πХ治?/p>

圖7展示的是人造金剛石各技術(shù)領(lǐng)域不同功效的專利的數(shù)量分布情況，有助于了解各類技術(shù)的主要應(yīng)用特征，從而對人造金剛石的研發(fā)路線進行適應(yīng)性的調(diào)整。以人造金剛石的合成技術(shù)(C30B、B01J)為例，主要解決的技術(shù)問題包括：合成效率的提升，合成裝置復(fù)雜性的降低，合成成本的降低，合成技術(shù)穩(wěn)定性的提高，合成金剛石質(zhì)量的提升，以及合成金剛石均勻性的提高。其中，降低成本是所有技術(shù)問題中關(guān)注度最高的。

圖7 各技術(shù)領(lǐng)域不同功效的專利的數(shù)量分布情況Fig.7 The quantity distribution of the patents with different functions in each technical field

(4)全球?qū)＠暾埲伺琶?/p>

對人造金剛石技術(shù)的主要申請人進行統(tǒng)計，可以基于申請人維度對該領(lǐng)域內(nèi)的專利申請情況進行分析，找出人造金剛石領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，發(fā)現(xiàn)領(lǐng)先企業(yè)的專利布局方向，以及重點專利情況。如圖8所示，人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域的主要申請人有英國的元素六公司(element six)、日本的住友電氣公司(Sumitomo electric)、中國的鄭州人造金剛石及制品工程技術(shù)研究中心有限公司、美國的鉆石創(chuàng)新(Diamond innovation)等。其中元素六公司成立的子公司較多，每個子公司均有人造金剛石的專利布局，從檢索數(shù)據(jù)來看，不同子公司之間的專利布局沒有明顯的技術(shù)偏向。在前面的分析中我們已經(jīng)提到，中國作為目前人造金剛石的生產(chǎn)大國，在人造金剛石領(lǐng)域的專利申請也遙遙領(lǐng)先，這意味著人造金剛石在中國市場的活躍度非常高，元素六在中國也成立了子公司，并布局了很多的專利。

圖8 人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域主要申請人排名Fig.8 Ranking of major applicants in the field of synthetic diamond technology

3 專利布局情況分析

將人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域主要申請人的技術(shù)方向進行了專利3D沙盤分析，得到了圖9中的技術(shù)分布區(qū)域圖，從圖中可以看出，英國的元素六公司、日本的住友集團以及美國的鉆石創(chuàng)新公司都把自己的專利主要布局在了金剛石生長中的微波等離子體化學(xué)氣相沉積法，中國企業(yè)的專利布局方向主要是采用六面頂壓機進行金剛石合成以及金剛石磨料顆粒，在這兩個領(lǐng)域基本形成了一家獨大的格局，其它申請人在這兩個技術(shù)方向的專利布局數(shù)量很少。在人造金剛石其它的應(yīng)用方向，各國專利申請人均有涉及，沒有哪個申請人表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。化學(xué)氣相沉積法(CVD)和高溫高壓法是目前人造金剛石的兩種主流合成方法[9-13]。

圖9 各國在人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域的專利布局情況Fig.9 Patent distribution of various countries in the field of synthetic diamond technology

CVD法具有如下優(yōu)勢：合成的金剛石純度高，理想情況下CVD合成金剛石的尺寸更容易做大，CVD合成金剛石容易與半導(dǎo)體晶圓集成等。CVD合成金剛石按粒度分為超納米晶(<10nm)、納米晶(<50nm)、微米晶(<500μm)和單晶金剛石。晶粒大小取決于合成條件、襯底和層厚。厚度超過大約50μm的膜層可從載體襯底上去除，留下自支撐塊狀CVD金剛石材料。對CVD合成金剛石的專利申請量按年份進行統(tǒng)計，如圖10所示。對上圖進行分析可知，從20世紀80年代開始，日本在CVD合成金剛石領(lǐng)域布局了大量的專利。早在20世紀70年代，原蘇聯(lián)就開始了金剛石薄膜的研究工作，開發(fā)出了化學(xué)氣相沉積法。日本于80年代初，借鑒原蘇聯(lián)的技術(shù)，開發(fā)出微波CVD法，美國從1984年投入力量，開始追趕。從1987年掀起了世界范圍的金剛石薄膜熱，西方國家把當今世界稱為新金剛石時代。中國在CVD合成金剛石方面的技術(shù)起步晚，相比于日本、美國和英國，在專利申請初期的專利數(shù)量很少，但是從2016年開始，中國在CVD合成金剛石方面的專利申請數(shù)量開始處于全球領(lǐng)先地位(圖10)，相信在未來幾年內(nèi)仍然將會處于領(lǐng)先地位，CVD合成金剛石在市場上的占有率應(yīng)該也會大幅增長。

圖10 CVD法合成金剛石專利申請趨勢Fig.10 Trend of patent application for synthetic diamonds by CVD method

在人造金剛石技術(shù)領(lǐng)域，一開始絕大多數(shù)的人造金剛石單晶都是使用高溫高壓法制造的。目前高溫高壓法合成技術(shù)在工業(yè)上依然應(yīng)用廣泛，其最大優(yōu)點是制造工藝較簡單，金剛石的生長速度快，通常在10～20分鐘內(nèi)就能合成出1 mm以下的金剛石單晶，從而滿足各種工業(yè)需要。隨著生長技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在通過控制成核可以生長出粒徑達2 mm的金剛石。對高溫高壓法合成金剛石專利申請按年份和國別進行統(tǒng)計，如圖11所示。

圖11 高溫高壓法合成金剛石專利申請趨勢Fig.11 Trend of patent application for synthetic diamonds by HPHT method

對上圖進行分析，不難發(fā)現(xiàn)，高溫高壓法合成金剛石的專利申請基本都在中國，從前面的專利布局沙盤圖中也得出了同樣的結(jié)論。中國科研人員經(jīng)過了將近40年的時間，在裝備(壓機大型化)、原材料(石墨和合金觸媒的成分和含氧量、合成快的組裝結(jié)構(gòu))、合成工藝(高壓高溫的控制方式)等3個最基本、最重要的方面都取得了全方位的長足進步，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的六面頂壓機及對應(yīng)的人造金剛石的合成技術(shù)，目前占據(jù)世界產(chǎn)量90%的中國人造金剛石基本都來自于高溫高壓法。2019年10月，中南鉆石年產(chǎn)12萬克拉寶石級培育金剛石產(chǎn)線建設(shè)項目按正常流程將在2022年投產(chǎn)，目前實際建設(shè)進度大大超前。

4 結(jié)語

(1)從人造金剛石專利技術(shù)發(fā)展的角度來看，人造金剛石領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用場景，一方面在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用還在不斷擴展出新，另一方面隨著近年來人造金剛石單晶尺寸和品質(zhì)的不斷提升，在珠寶首飾行業(yè)中的應(yīng)用正在急速升溫。目前該領(lǐng)域正處于技術(shù)高速發(fā)展的時期，各大人造金剛石企業(yè)可以在除合成技術(shù)這一核心方向之外開展研發(fā)，布局更多領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)方案，形成跨行業(yè)、跨技術(shù)領(lǐng)域的橫向?qū)＠季帧?/p>

(2)從人造金剛石專利布局的角度來看，中國在高溫高壓法合成金剛石領(lǐng)域的技術(shù)布局已基本完善，但仍可以在制造設(shè)備、產(chǎn)品形態(tài)上布局更為易于取證的專利，在CVD合成技術(shù)方面也應(yīng)該持續(xù)發(fā)力，借助中國在產(chǎn)業(yè)鏈上的優(yōu)勢，早日突破CVD合成技術(shù)上的國外專利壁壘。

(3)從地域布局的角度來看，中國企業(yè)可以加大海外布局力度，尤其是日本、美國和英國等人造金剛石領(lǐng)域龍頭企業(yè)所在地的布局。