2020 年，實驗室培育鉆石市場規(guī)模達到 193 億美元，預(yù)計到 2030 年將達到約499 億美元。與開采的鉆石相比，實驗室培育的鉆石更安全、更環(huán)保且生產(chǎn)成本更低。

實驗室制造金剛石的主要方法是HPHT 和 CVD。盡管 HPHT 是在 CVD 之前開發(fā)的，但由于其特殊的溫度和壓力要求，需要更多的能量來運行，因此不太常用。此外，HPHT 有時也被認為是提純 CVD 鉆石的輔助程序。

用于金剛石制造的不同類型的 CVD 包括燈絲輔助熱 CVD、等離子體增強 CVD 和燃燒火焰輔助 CVD。其中，等離子體增強 CVD 的一個子類型——微波等離子體 CVD 是非常受歡迎且非常可靠的。

為了使用任何 CVD 方法生產(chǎn)高質(zhì)量的實驗室生長鉆石，制造商依靠 Alicat 的設(shè)備來確保氫氣、甲烷和載氣的精確氣體混合物。下面，我們將討論 Alicat 的設(shè)備如何增強每個 CVD 工藝。

燈絲輔助熱CVD

與其他 CVD 技術(shù)相比，長絲輔助熱 CVD 可實現(xiàn)最大的實驗室生長金剛石生長區(qū)域和更簡單的設(shè)計。與其他 CVD 方法相比，其缺點包括金剛石生長速率較慢（0.5-8 µm/h）以及工藝穩(wěn)定性較差。

在此配置中，甲烷（0.5% 至 2.0%）和氫氣在真空室（壓力為 10-100 Torr）中釋放，并通過高熔點 (2,000-2,300°C) 金屬絲（通常是鎢）在附近分解。加熱的基底 (700-1,000°C) 隨著時間的推移會積累金剛石顆粒。

氣體質(zhì)量流量和壓力控制

Alicat 的定制質(zhì)量流量控制器可保持精確的氣體混合，不會因大氣氣體而中毒。Alicat 的設(shè)備僅具有 10e-9 ATM SCCS 的氦氣泄漏率和 2 毫秒的響應(yīng)時間，從而減少了不當(dāng)?shù)臍怏w混合和鉆石生長室的污染。

Alicat 的壓力控制器連接到腔室真空源，可處理背壓，以實現(xiàn)穩(wěn)定且準確的腔室條件。

燃燒火焰輔助CVD

燃燒火焰輔助 CVD使用氧-乙炔釬焊炬和水冷基材在大氣壓下生長金剛石。優(yōu)點包括設(shè)計簡單、生長速度快（30-100 µm/h）和低成本。

在此設(shè)置中，在低于或大氣壓下，氧氣和乙炔氣體被釋放到由質(zhì)量流量控制器控制的室中，在其中燃燒成 3300 K 火焰，產(chǎn)生 H₂、CO 和反應(yīng)中間體。燃燒室主燃燒區(qū)域的外部是羽毛，這是一個富含原子氫和碳氫化合物自由基的無焰區(qū)域，金剛石生長基底就位于此處。在外部區(qū)域中，存在將氣體氧化成CO₂和H₂O的二次燃燒區(qū)域。使用高溫計通過進出銅基板安裝座下方的系統(tǒng)的水流來控制基板的溫度。

氣體和液體流量控制

Alicat 質(zhì)量流量控制器精確控制進入金剛石生長室的氧氣和乙炔氣流，而 Alicat 液體控制器（LC 系列和CODA KC 系列）控制水流以冷卻金剛石生長基底。

· 氣體質(zhì)量流量控制器包括一個氣動強制截止閥，可確保無泄漏，并且對于 98 多種氣體和 20 種自定義氣體混合物，其 NIST 可追蹤精度為讀數(shù)的 ±0.5% 或滿量程的 ±0.1%。

· LC 系列液體控制器可控制 0.5 CCM 至 10 LPM 的水流量，控制響應(yīng)速率僅為 30ms，精度為滿量程的 ±2%。

· CODA KC 系列科里奧利控制器可以使水流從 40 g/h 到 100 kg/h，精度僅為讀數(shù)的 ±0.2% 或滿量程的 ±0.05%。

壓力控制

如果在低于大氣壓的壓力下操作，Alicat 的壓力控制器可提供穩(wěn)定且可重復(fù)的室生長條件，就像燈絲輔助熱 CVD 一樣。定制閥門尺寸和 PID 調(diào)節(jié)可確?？刂破髟趲缀撩雰?nèi)達到壓力設(shè)定點，并以 NIST 可追蹤的精度保持控制，精度為滿量程的 ±0.125%。

等離子體增強CVD

主要的等離子體增強CVD方法包括直流等離子體射流、微波等離子體和射頻等離子體。等離子體增強 CVD 比其他 CVD 技術(shù)具有更好的質(zhì)量和穩(wěn)定性，此外還具有通常更快的生長速率（直流等離子體噴射速度為 930 µm/h、微波等離子體為 3-30 µm/h、RF 等離子體為 180 µm/h） 。由于其生長面積大和生長速度快，微波等離子體化學(xué)氣相沉積是目前金剛石制造中非常實用和非常流行的 CVD 技術(shù)。

在微波等離子體化學(xué)氣相沉積中，CH₄和H₂，有時還與Ar、O₂和N₂一起流入真空金剛石生長室，同時高壓微波撞擊它們。然后這些氣體變成等離子體，與金剛石生長基質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生金剛石。

壓力控制

真空泵和壓力控制器維持鉆石生長室的低于大氣壓的壓力。增加該技術(shù)中使用的微波功率可通過增強等離子體密度來提高金剛石的生長速率。