实验室培育钻石
发表时间：2024-08-13 15:12:04
MPCVD培育金刚石路在何方？
近年来，金刚石因其耐高温及高导热率等材料特性在半导体圈备受追捧，众多企业纷纷贴上“新材料”、“半导体材料”等标签。然而，金刚石作为半导体材料的应用却仍处于探索阶段。同时，金刚石作为光学材料、航天材料等领域的应用也正在被发掘。
无论何种应用，培育金刚石的市场需求都指向了更大尺寸的成品。目前，高温高压法（以下简称HPHT法）已经实现了制备3Ct金刚石，1Ct金刚石的技术则已经非常成熟并规模化量产。在1Ct培育金刚石的赛道，HPHT法在成本和产能方面都完全碾压化学气相沉积法（以下简称MPCVD法）。MPCVD法培育金刚石，目前只在净度、更大尺寸方面有优势。
实验室培育金刚石作为饰品的销售仍然是企业最快变现的途径。2024年春天，培育成品钻的售价略有回升，似乎稍微呈现出一丝“回春”现象。但回看毛胚钻的出货市场，培育钻石企业却仍然哀鸿遍野，富贵“卷”中求。
当前，1ct培育裸钻（D色，VVS）在各大电商、直播平台的售价约为2000元左右，由此可推测7*7mm毛胚钻的价格约为1000元以内。以一台6KW的微波等离子体化学气相沉积设备（简称MPCVD设备）的产能来估算，有效沉积直径为50-60mm，每批次32颗7*7*0.3mm晶种，平均沉积速率以10um/h为计，沉积时间约530小时，成品良率（D\E色以上）80%以上，电费0.9元/KWH，则每批次产值约为：32颗*80%*1000元=25600元，每批次耗电成本约为：530小时*12KW*0.9元/kwh=5724元，再加上场地租金、设备折旧、人工、运营、晶种等成本，企业几乎无利可图。
培育钻石价格走势（资料来源见图注）
即便如此，中国培育钻石企业却仍然增长。根据Statista预测，2023年至2025年，中国培育钻石毛坯钻市场规模将由255万克拉增长至400万克拉;年复合增速为25.24%。根据前瞻产业研究院预计，到2028年，中国培育钻石毛坯钻市场规模将达745.61万克拉。
2023-2025年培育钻石（毛胚钻）市场规模预测（单位：万克拉）
（资料来源见图注）
当然，行业洗牌也正在悄无声息地开始，一些企业逐渐退出市场，有的因为建厂初期规划不完善运营成本高，有的因为工艺不理想，良率低、产能低。
那么，还在坚持MPCVD法的企业，究竟路在何方？答案有且只有一个：降本增效。
一、提高产能
提高产能不是一句空话，最直接的是增加有效沉积面积、提高成品良率，也就是设备改造、工艺改善。改造设备，尤其是改造MPCVD的腔体，对企业来说或许是超纲题。问题似乎无解？放心，已经有作业可抄了，并且是高性价比的改造方案。
改造设备，对企业来说是最省成本的做法就是：只更换腔体，即可获得更大有效生长面积，原有设备的电控、气路、水路、机架均无需改动。深圳超磁机器人科技有限公司去年就推出了6KW/10KW通用的圆柱型腔体，企业使用的是6KW电源（一般生长台φ50-60mm），直接更换10KW电源继续使用（生长台φ80mm），6KW磁控头成功升级为10KW进口磁控头。
采购新设备也必须考虑将来技术迭代设备的延展性、产能。深圳超磁今年推出的蝶形腔6KW/10KW/15KW均通用，将来工艺升级到15KW时（生长台φ最大120mm），也只需更换微波源即可。
柱形腔 蝶形腔
提高等离子球的能量密度, 沉积速度也能显著提高产能, 腔体的气密性和品质有密切影响。沉积台上方的等离子球是沉积过程的能量来源，同时保证钼台上晶种的温度均匀性，确保腔体内所有晶种快速、均匀生长。一个腔体不单要做氦检、同时保压测试也是非常关键的。
微波等离子球形状及晶种温度参考图
二、规范现场管理，降低辅助设备能耗
MPCVD车间的辅助设备有：冷却循环系统、各种工艺气体制备及纯化系统、空压机组等。MPCVD车间的配套辅助设备能耗与生产设备能耗相当，能耗比约为1:1。辅助设备的配套方案及运行维护不当导致的支出，常常以难以察觉的方式“抵消”企业的利润。
三、提高自动化水平，降低人力成本
人力成本高昂是当下每个行业都存在的共同点，不少行业都推行了自动化，实验室培育钻石也不例外。超磁将机器人与MPCVD设备相结合，组成MPCVD自动化产线。该产线应用双臂机器人完成自动上下料、清洗腔体等工作。在后台软件平台的调度下，每台机器人最多可“管理”30台MPCVD设备，实现24小时不间断作业。
MPCVD自动化产线参考图
降本增效是企业转变管理模式的开始，也是持续进行的过程，更是企业应对市场变化的需要。生产力提升、管理提升、成本控制，是企业发展的永恒主题。培育钻石企业也一定能在市场的教育和洗礼中走出来，逐渐实现规模化、精细化、智能化的高质量的发展，期待在半导体、光学等领域的规模化应用。
