人造金剛石是通過人工模擬天然金剛石結晶條件和生長環境采用科學方法合成出來的金剛石晶體，其合成方法主要為高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）。人造金剛石既是先進無機非金屬材料，也是國家支持和鼓勵的新興功能材料。人造金剛石在工業領域應用豐富，消費領域前景遼闊。工業領域方面，人造金剛石具有高強、高韌、耐磨、耐熱、耐腐蝕等特性，廣泛應用于石材、建筑、電子、光學等各個領域。消費領域方面，培育鉆石性價比更高，隨著權威機構認證以及終端品牌進行消費者教育，行業迅速崛起。

       人造金剛石行業概述

       金剛石是自然界中天然存在的最堅硬的物質，現今人造金剛石的技術也逐漸成熟。目前主流的人造金剛石培育的方式為高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD）法兩種。

       我國于1963年成功研制出第一顆人造金剛石，經過多年發展，?中國金剛石行業已形成完整而龐大的工業體系。2022年中國人造金剛石產量162.95億克拉，占世界產量的80%以上，其中河南省是人造金剛石產業的主要聚集地，金剛石微粉、復合超硬材料、培育鉆石產量均占全國的80%左右，省內產業鏈完整、配套齊全，具有明顯的地域優勢。

       金剛石單晶、金剛石微粉和培育鉆石為人造金剛石的主要產品形態，其中單晶根據粒度范圍及形態分別用于各類超硬刀具；金剛石微粉根據粗端粒徑不同，主要用于制作研磨膏和研磨液或砂輪等磨削工具；培育鉆石為0.1克拉以上的毛坯鉆石，用于制作各類首飾及消費品。此外，金剛石晶體還可用于半導體材料制造，多晶金剛石多用于半導體領域熱沉材料的制造（散熱片），單晶金剛石因其原子規則排列、一致性強等優勢，有望在半導體襯底等多種領域大幅應用。

人造金剛石主要產品形態。圖源：公開網絡

       CVD的技術發展史

       20世紀80年代初，CVD培育技術在日本取得重大突破。1982年日本國家無機材料研究所的Matsumoto等宣布；鉆石的生長速度已超過每小時1微米。

       進入20世紀90年代，CVD培育單晶鉆石的研發取得顯著進展。1993年，美國Crystallume公司用微波CVD法生長出了0.5mm厚度的單晶體金剛石；Badzian等生長出了厚度為1.2mm的單晶體金剛石。

       進入21世紀，寶石級CVD單晶培育鉆石的研發有了突破性進展。2019年10月29日，中科院寧波材料所實驗室僅用一周時間培育1克拉大小的毛坯鉆石，生長速度達到每小時0.007毫米；2022年11月，IGI國際寶石學院鑒定一顆32.22克拉CVD培育鉆石，顏色為E,凈度為VVS2，成為迄今全球單科克拉最大的CVD培育鉆石。

       目前，MPCVD法（微波等離子體化學氣相沉積法）由于具有污染少、制備面積大、溫度條件易控制的優點，是國內外主流的CVD工藝生產金剛石方法。育鉆石主要技術路徑為HTHP法（高溫高壓法）與MPCVD法（化學氣相沉積法）。兩種技術路徑各有所長，普遍而言HTHP法效率高、顏色好，MPCVD法克拉重量大、凈度優。

       圖表2：CVD法技術路線

CVD法技術路線。圖源：公開網絡

       以MPCVD法合成金剛石有以下優勢：

       凈度高。MPCVD 法下毛坯凈度更高，大部分產品均在VS以上，品質較HPHT合成鉆石品質好。但CVD顏色上稍有劣勢，多為褐色，近幾年技術改進，這一劣勢也在不斷彌補。

       顆粒大。HPHT法下，國內頭部廠家均可以生產1-3、 3-6 克拉毛坯鉆石，大克拉技術成熟。CVD法下，毛坯相對更大，可以生產5ct以上、10ct以上甚至更大的鉆石毛坯，具備一定優勢。未來合成CVD大鉆會占據一定的市場份額，而HPHT合成法要供應小克拉鉆石。

       片狀晶形適合做半導體材料。金剛石作為超寬禁帶的下一代材料，被公認為“終極半導體”材料。而能夠承接這一偉大使命的只能是CVD合成鉆石，因為CVD合成鉆石可以生產片狀-板狀晶體，特別適合加工晶圓。

CVD法對比HPHT法生產培育鉆石形貌示例。圖源：公開網絡

       MPCVD設備研發至關重要，技術迭代快

       相比較笨重的HPHT合成設備，精密電子、機械控制的CVD合成設備更適合技術迭代，從而在全球分布著各大生產廠商。MPCVD 設備廠商包括美國Lgihtbox、日本SEKI、德國Iplas等，中國廠商包括東莞優普萊、上海鉑世光、普萊斯曼、成都沃特賽恩、成都華宇等。

       國內MPCVD發展現狀。圖源：公開網絡   

       培育鉆石行業競爭加劇，國內產業鏈開始向切磨加工等中下游布局

       培育鉆石產業鏈價值分布符合微笑曲線

       培育鉆石產業鏈構成自上而下進行拆分，上游為人工培育鉆石毛坯鉆生產商，中游為鉆石切割、打磨和拋光的原料加工廠，下游為培育鉆石品牌零售商。

培育鉆石產業鏈圖例 圖源：公開網絡

       國內人造金剛石廠商已研發出高精度數控鉆石磨拋機床，開始向切磨加工等中下游布局

       中游加工包含裸鉆切割、打磨、拋光等工藝流程，鉆石加工廠商大多位于印度尤其是蘇拉特地區，但行業集中度低，依賴大量人力，屬勞動密集型行業，同質化競爭嚴重，毛利率僅為10%左右。

       隨著行業整體競爭加劇，微笑曲線左端利潤降低，國內產業鏈開始向切磨加工等中下游布局，國內部分企業已研發出高精度數控鉆石磨拋機床，以機器替代傳統人工用于裸鉆切割、打磨、拋光，在提高產能的同時，顯著降低生產成本。

培育鉆石成本拆分 圖源：公開網絡   

       金剛石下游應用持續拓展，半導體領域有新突破

       金剛石被視為終極半導體材料，世界首個單晶鉆石晶圓在美國產出

       單晶鉆石是已知熱導率最高的材料。典型的硅的熱導率為150W/（m·K），銅（Copper）是380W/（m·K），而鉆石的熱導率遠高于硅和銅，高達2400W/（m·K），能夠更有效地傳導熱量，使集成電路能夠更快地運行且壽命更長。同時金剛石具有極高的絕緣性，對比擊穿電場強度，硅材料為0.3 MV/cm左右，SiC為3 MV/cm，GaN為5 MV/cm，而鉆石則為10 MV/cm。金剛石半導體研發被限制的主要原因之一是金剛石晶圓的直徑尺寸過小無法滿足需求，傳統的高壓高溫（HPHT）技術培育大尺寸單晶鉆石所需承受的壓力遠超任何已知材料的極限，CVD法合成的片狀-板狀晶體及新的技術工藝為主要的探索路徑。

金剛石被視為“終極半導體”材料。圖源：公開網絡

       2023年10月，美國公司Diamond Foundry（簡稱DF）創造出世界上首個單晶鉆石晶圓（Diamond Wafer）。據公司報道，他們可以實現將鉆石直接以原子方式與集成電路晶圓粘合，晶圓厚度可以達到埃級精度，這不僅凸顯了其粘合精度之高，而且為半導體產業未來向納米甚至埃米級別進展提供了堅實的技術基礎。晶圓級鉆石的生產采用一種稱為“鉆石晶圓異質外延”的技術，據公司官網描述：“我們制造的設備能夠精確控制十個原子層如何撞擊硅晶片上銥和釔穩定氧化鋯的納米級特殊夾層，我們設法讓前十個原子誤以為底部有單晶鉆石，而實際上并沒有，從而為后續單晶鉆石的制造奠定了基礎。”然后在其等離子體設備中利用晶錠生長反應堆技術，嚴格控制鉆石單晶的生長過程。據悉，他們為生產的每克拉鉆石收集超過10億個數據點，在生長過程中動態調整這些參數。

       據DF公司官網，其金剛石晶圓產品能將AI&云計算速度提升3倍、電力電子元器件縮小6倍，無線傳輸速度加快3倍。按照公司規劃，在2023年以后，他們計劃在每個芯片后安裝一顆單晶鉆石用于散熱，到2033年以后，推動鉆石材料在半導體行業的應用，如用于制造晶體管或其他半導體元件的基底材料。

DF公司官網圖片

       金剛石基射頻濾波器技術逐漸成熟，有望進一步拓展市場

       金剛石基射頻濾波器是一種利用金剛石材料制作的高頻濾波器芯片，其工作頻率范圍在2GHz至10GHz之間，主要利用金剛石的高介電常數和低損耗特性，對不同頻率的信號進行選擇性地傳輸或抑制。當信號通過金剛石基射頻濾波器時，只有特定頻率范圍的信號能夠順利通過，而其他頻率的信號則被有效抑制。這使得金剛石基射頻濾波器在通信系統中能夠起到關鍵的作用，能夠有效濾除噪聲和干擾，提高通信質量。金剛石的特性使它成為射頻和微波通信中的理想材料，在無線通信領域中具有廣泛的應用前景。

射頻濾波器在智能手機通信系統中的位置。圖源：公開網絡

       金剛石基射頻濾波器的優勢有：1.高穩定性：金剛石的高熱導率和高穩定性使其能夠在高溫和高頻環境下穩定工作，適應各種惡劣的通信環境。2.低插入損耗：金剛石基射頻濾波器具有較低的插入損耗，這意味著在通信系統中使用它能夠減少信號的衰減，延長信號傳輸距離。3.寬通帶：金剛石基射頻濾波器具有較寬的通帶范圍，能夠覆蓋多個通信頻段，滿足多種通信需求。4.高截止陡度：金剛石基射頻濾波器具有陡峭的頻率響應特性，能夠精確地分離不同頻率的信號，提高通信系統的抗干擾能力。

全球射頻濾波器市場份額情況。圖源：公開網絡

       國內金剛石基射頻濾波器的市場規模巨大，但目前國內自產的濾波器芯片數量不足，90%以上需要從國外進口。尤其是在高端高頻濾波器芯片領域，國內自產數量為零，是國內卡脖子程度最深的芯片品類之一。國內技術團隊突破國外碳化硅+鈮酸鋰材料體系，采用金剛石+氮化鋁材料，攻克了材料難關。同時，還采用多層膜技術和IDT螺旋結構，突破了國外專利封鎖，成功研發出金剛石基高頻聲表面波濾波器（SAW）芯片。這種濾波器芯片具有填補國內空白、市場規模巨大等特點。在5G手機通訊、WiFi、藍牙頻段等方面，金剛石基射頻濾波器具有廣泛的應用前景。為國內金剛石基射頻濾波器產業的發展奠定了基礎。