钻石是一种需求量很大的宝石，常用于珠宝和各种工业应用。多年来，大公司一直能够通过控制开采钻石的供应来人为地抬高钻石价格。最近实验室培育钻石生产的改进正在颠覆钻石行业。
虽然亚太地区已经生产了一段时间的实验室培育钻石，但现在世界各地的制造速度比以往任何时候都快。这导致钻石可及性显著提高并降低成本。
用于钻石生产的 HPHT 和 CVD 技术
通过一致且质量控制的制造实践，实验室培育钻石与自然形成的钻石相同。实验室培育钻石采用两种工艺之一制造，即高压高温 （HPHT） 或化学气相沉积 （CVD）。
HPHT 模仿地球制造钻石的自然过程，使用约 2000°C 和超过 150 万 PSI 的极高热量和压力条件。使用 CVD 制造的钻石是一种较新的发展。这个过程模仿了星际气体云中钻石的形成。金刚石是随着能量破坏气体中的化学键而逐层形成的。
高温高压 （HPHT） 和化学气相沉积 （CVD） 都可以生产出高品质钻石，但化学气相色谱 （CVD） 已成为首选方法，原因如下：
- 大多数 CVD 工艺在比 HPHT 工艺更低的温度和压力下运行，从而简化了制造工艺。
- CVD 钻石的化学纯度很高，而 HPHT 钻石需要使用渗入钻石的氮气和硼等气体。
- CVD 可用于金刚石以外的基材上的金刚石沉积。
这为许多行业带来了技术进步，包括光学、计算机科学和工具生产。迄今为止，通过 CVD 制造钻石的最大挑战是无法生产超过 3.2 克拉的钻石。
使用 CVD 形成钻石
CVD 需要工艺种子作为化学沉积的基础，例如金刚石薄片或石墨源。将种子放入腔室中，腔室抽真空至高真空（约 20 毫托）以防止污染。然后，腔室中充满富含碳的气体，例如甲烷、氢气或氧气。
能量用于分解气体的化学键并逐层构建金刚石。这种能量可以使用热量或电离等离子体来提供。
供暖能源
气体通过热活化或化学活化进行加热。为了对气体进行热加热，通常使用真空室内的灯丝将目标温度达到 2000 – 2500°C。 一种不太常见的技术是使用炬对工艺气体进行放热转换并将腔室加热到 500 – 1000°C。
来自电离等离子体的能量
电离等离子体通常是使用微波或激光的电或电磁激活产生的。在电离过程中，金刚石制造商必须仔细调节真空室内的温度、压力和气体成分。
这三个变量中任何一个的变化或波动都会影响钻石的生长速度，以及其纯度和颜色。这些图表显示了钻石生长所需的气体成分和压力/温度比的平衡。
钻石制造的挑战
PCX 系列带金属密封件的压力控制器
从历史上看，下游压力控制一直用于 CVD 工艺。在下游系统中，大型节流阀与单独的控制模块结合使用，以管理高体积流量。
制造商在尝试生产始终如一的高质量实验室培育钻石时面临许多挑战。必须仔细监控系统稳定性、真空泄漏和组件成本。
用于钻石制造的 Alicat 设备
我们的应用工程师团队与金刚石制造商合作，开发了一种带有金属密封件的压力控制器，专门设计用于调节CVD系统中的压力。这些设备具有优势，原因如下：
- 快速作用比例阀，可选择多种腐蚀性气体和液体
- 工作范围宽，从满量程的 0.01% 到 100%，精度±满量程的 0.25%
- 灵活准确的压力控制，控制响应速度可达 30 毫秒
- 设计用于真空系统的设备经过外部氦气泄漏测试（< 1×10-10 atm-cc/sec）
随着实验室培育钻石行业的发展，Alicat 已准备好帮助制造商开发钻石制造所需的 CVD 系统。真空压力控制器确保真空室内的压力稳定准确，保持金刚石生长所需条件的微妙平衡。