钻石晶格
钻石（金刚石）是一种碳晶体，每个碳原子与其它四个碳原子键结合，这种紧密的键结赋予钻石10级硬度，以及极佳的导热性。
晶体中的小杂质或晶格扭曲让钻石具有不同的颜色。氮元素使其呈黄色、绿色或紫色。
加入氮元素的黄钻
紫钻
晶格结构扭曲使其呈粉红色。
晶格扭曲的粉红钻
发展历史
在自然界中，钻石存在地球深处（约150~700公里），经过很长一段时间形成，通过火山爆发被带到地球表面。
天然钻石
几千年来，要获得美丽大钻石的唯一办法就是靠运气在地质构造中挖掘，在河流中淘洗。
人工淘钻
今天，我们可以用半导体设备制造出大而完美的钻石，如MPCVD制程机。
MPCVD
1797年科学家发现钻石就是碳元素组成，因此尝试把木炭加热变成钻石，结果失败了，因为温度不够高。
木炭加热尝试造钻
在1910年代初发现不必做到和地质条件完全相同就可以制造钻石，即结合高压和高温。
钻石形成条件图
1955年，通用电气首创了高温高压HPHT制程，需要将碳置于2200℃，每平方英寸1.5百万磅压力下。
HPTP造钻石装置示意图
HTPT方法一开始相当粗糙，后面品质和产量逐渐提高，到1990年代，已经有大型宝石级的钻石，各种颜色（大部分是黄色）。
20世纪初，HPTP法生长的各种颜色钻石
HPTP是当时生产各种钻石最经济的方法，但是缺陷率很高、效率低，意味着它并没有对天然钻石行业造成太大伤害。
HPTP生长金刚石设备
化学气相沉积将气态的前驱物沉积到基材上，如半导体产业用CVD法在晶圆上沉积单层纯硅，然后科学家联想到是否可以用来制造钻石。
要制造CVD钻石，先从气态碳前驱物开始，通常是甲烷气体。甲烷与氢气或氧气混合，可以稳定钻石表面，防止钻石转化为不想要的石墨杂质。
氢气罐
然后用某种形式的能量来激发前驱气体，即将它们分解成原子。这种能量可以通过多种方式传递：热、火焰、微波等。引入籽晶钻石作为基材，气体分解后，碳原子就以某种型态在基材表面上重新组合，通常就是钻石的型态。
自1950年代以来，科学家一直在试验生成钻石晶体，普遍遇到的问题是产出品质和规模低。CVD钻石有不同的等级，最高品质称为「光学」或「电子」级，这些等级纯度高，而其特殊的电学和热学特性能在半导体行业可以利用。
在工业上，也应用很多便宜、品质低的钻石。如今HPTP制造的钻石成本每1克拉不到1美元。
无论要用什么工艺做钻石，都需要大规模生产，想要扩大规模就会有新的技术困难需要克服。
第一个具有可实用钻石沉积速率（每小时超过1μm）的技术是前苏联科学家于1970年发表的，这引起了日本的注意。日本人采用这种方法，确立了当今实验室CVD生成钻石的两种主要加热方法：热灯丝和微波电浆。
1小时生长2μm金刚石
工艺特点
1、热灯丝
使用钨丝，加热到2000℃左右，将能量注入前驱混合气体中，这些灯丝有不同的设计和排布方式。
钨灯丝加热系统
热灯丝确实能运作，而且具有开创性，但有几个严重的问题。第一，虽然生成速度有了飞跃性突破，但是一开始还是太慢了。生长速度约为每小时1μm，假设想要一颗2克拉（大约5mm高）的优质钻石，需要5000小时（208天）。
CVD金属反应容器中的热灯丝
为了加快速度，科学家在制程中引入了氮气。但如之前提到的，氮原子使钻石呈黄色。但黄钻在电子应用上性能较差，而电子应用正是科学家研发人造钻石工艺的目的。
最后一点，也是最严重的一点，灯丝寿命短。钨丝会受碳腐蚀，加上热影响，逐渐变形、弯曲，影响沉积速率。更糟的是，钨会污染正在生长的钻石。
中间的黄色线为钨丝
2、MPCVD
今天，最常用的制造钻石的CVD方法是MPCVD（微波等离子体化学气相沉积），约有50%的市占率。MPCVD的一大优点是避免了反应器内灯丝污染问题。
台湾Ropac公司的MPCVD设备
要制造钻石，先从基材开始：在小钻石种子上面，生长出的最终产物像小盘子。
用钻石种子作为衬底，生长更大的钻石
1个反应室最多可容纳18个种子，前驱物混合气体充满反应室，接着用高频微波轰击混合气体。早期雏型机使用2.45GHz微波，与商用微波炉相同，主要是因为这种电子管容易取得。
微波使气体原子电离，即电子激发，气体原子失去或得到一个电子。当很大比例的气体原子被电离时，就变成电浆，沉积过程中，基材是完全浸在这团电浆里。如果基材表面被加热、并保持在足够高的温度，那前驱物就会沉在上面，长出钻石。
几乎看不到等离子体球
几天后，钻石会以银白色透明状拼盘型态出现，边缘和侧面的结粒，是钻石粉尘砂砾。
然后用镭射将钻石拼盘切成小块，变成原始立方体，再送往珠宝商做切割、抛光，变成宝石饰品。
生长速度，尤其是纯洁、无瑕疵的生长，仍然是个问题。随着反应炉设计的改良，生长速度已经变快，此外可以通过平行层大批量生长钻石来改善。
如今2克拉的天然钻戒在Costco的售价接近5000美元。
而便宜、完美的培养钻石开始广泛被人们接受，这可能压倒有高昂成本的矿采钻石产业 。 现今，CVD钻石制造商都在提高成长速度和规模。
矿采钻石和人工培养宝石级钻石之间的价格差距正在逐渐扩大。
天然钻石与人造钻石的价格走势
人工培养的钻石市场有持续价格压力问题，为什么还要研究CVD钻石技术？是因为研究者看到了金刚石优异的电子、光学和热学特性，蕴藏商机。
其主要商业用途是散热器。人工培养的单晶钻石具有所有室温固体中已知的最高导热率，在某些情况下，性能优于铜和碳化硅等传统材料三倍或更多，因此对于散热器非常有用，能更快的将热量转移到较冷的区域。热是电子设备故障的最大原因之一。
2a型钻石与铜的热导率对比
第一台CVD钻石散热器，用于冷却高功率的镭射二极管阵列，该阵列通过海底光缆发送讯号，钻石散热器有助于缩小封装并延长其使用寿命。
这笔资金资助了抛光、切割CVD钻石和金属化技术的开发。
CVD钻石散热器
CVD钻石的散热优势也适用于先进半导体封装，如当今3D堆叠晶片面临的严重散热问题。
CVD金刚石在功率半导体、镭射精密光学透镜、甚至是核融合电浆测量工具的探测器材料等领域具有巨大潜力。
