从专利角度分析人造金刚石技术的发展

周青超，沈锡田

(1.滇西应用技术大学 珠宝学院，云南 腾冲 679100；2.中国地质大学(武汉) 珠宝学院，湖北 武汉 430074)

1 行业发展趋势分析

金刚石是世界上已知最硬的物质。金刚石包括天然金刚石和人造金刚石，如图1所示，人造金刚石因其优异的热、电、力学性能被广泛应用于半导体及电子器件、切削与钻探材料、光学材料以及珠宝首饰材料[1-5]。从专利检索数据来看(图2)，人造金刚石最大的应用领域是半导体器件(H01L)，其次是切-磨-抛传统工业领域(B24B)，再到精密器件的金刚石表面镀覆(C23C)、土层或岩石的钻进(E21B)、石头或类似石头的材料加工(B28D)、车削与镗削(B23B)。H01L等数字符号是国际专利分类表(IPC分类)中某技术领域的代号，采用这一分类方法方便对全球范围内的专利申请进行分类统计和分析。

图1 人造金刚石的应用领域[6]Fig.1 Application field of synthetic diamond

21世纪初以来，随着我国在设备、技术、原料合成领域的突破，国内人造金刚石产量迅速增长，目前我国人造金刚石的产量已占据全球总产量90%以上。近年来，由于高温高压合成技术的突破，越来越多的高温高压法宝石级培育金刚石走向了珠宝饰品领域(只有颜色、净度、质量等达到一定技术要求的人造金刚石，才能称为“宝石级培育金刚石”)。包括天然钻石巨头戴比尔斯(DeBeers)也在2018年加入培育钻石行业[7]。2019年10月，中南钻石总投资逾两亿元的宝石级培育金刚石生产线建设项目按正常流程将在2022年投产，目前实际建设进度大大超前。从图2中也可以看出，除了传统的应用领域之外，金刚石专利技术布局的一个大方向就是合成技术，其中分类号C30B偏向化学气相沉积(CVD)合成法、分类号C01B、B01J偏向高温高压合成法。

图2 以“金刚石”和“钻石”为关键词检索的专利技术分布Fig.2 The distribution of patents searched with "diamond" and "jewel" as keywords

从一定程度上说，透过专利技术文件可以分析行业内的前沿技术，无论是科学界还是工业界，一项新技术从诞生到消费者触手可及的产品，往往需要漫长的研发周期，在这个时间段内，要想最快速的了解行业内的研发动态以及热门领域方向，专利技术分析无疑是最好的办法。例如，人们通过分析苹果公司申请的专利就可以预见其下一代产品的结构外观以及新的功能等。本文主要从人造金刚石专利申请年度趋势、申请人国家/地区、申请目标国家/地区、主要技术分布及技术发展趋势等维度进行分析，从而比较全面地阐述全球范围内人造金刚石行业的发展趋势。

本文的专利申请数据来源于incopat，截至2021年9月12日，共检索到15355件，其中有效专利6857件。由于人造金刚石的别名比较多，为了保证专利检索尽可能完整，本文检索的关键词包括了培育钻石、培育金刚石、单晶金刚石、合成金刚石、合成钻石、人造钻石、人造金刚石。

2 专利申请态势分析

本文首先对人造金刚石行业在全球范围内的年度专利申请、申请人国别、主要国家或地区、技术分布和技术发展趋势等进行了统计，并对相关态势进行分析从而洞悉人造金刚石行业的专利国际环境。

(1)全球专利申请年度趋势分析

对专利申请的年份进行统计，可以得到基于年的专利申请与公开趋势，在一定程度上可以反映出该行业的整体专利申请态势。专利公开和专利申请相比有一定滞后，一般发明专利在申请后3～18个月公开，实用新型专利和外观设计专利在申请后1～15个月公开。

人造金刚石的起源可以追溯到上世纪50年代，当时天然金刚石极其稀有且特别珍贵，市场需求还在不断扩大，人们希望可以开发出人工合成金刚石的方法。1953年，美国通用电气(GE)公司的Bundy等[8]研制出了年轮式两面顶超高压装置，并于1954年采用该两面顶压机，以石墨为原料，以金属Ni作为触媒(催化剂)成功合成出了金刚石。如图3所示，全球人造金刚石专利申请从1953年到1985年呈初步稳定增长趋势，该时期是技术的萌芽期，专利申请的总量较少；从1986年到1992年，众多企业发现该技术存在巨大商业前景，越来越多的企业开始关注该领域，虽然产业仍不成熟，但专利申请数量增长迅速，涌入的企业也越来越多，导致专利申请人的数量也迅速增长。成熟期是1992年到2001年，这一阶段属于金刚石材料全球格局的调整期，表现为专利申请量增速的放缓。爆发期是2002年以后，各大人造金刚石企业均大力在金刚石的CVD合成技术、高温高压合成技术方向进行专利布局，导致了从2002年之后全球人造金刚石专利的申请量呈现了爆发式增长。2020年以后的专利申请数据大幅降低是由于专利公开的滞后性造成的。

图3 全球人造金刚石产业专利申请趋势情况Fig.3 Patent application trends in the global synthetic diamond industry

(2)全球专利申请人国别分析

我们以6857件有效专利为基础进行分析，因为专利都有一定的保护期限，其中发明专利的保护期限最长，为20年。关于人造金刚石技术的专利申请，目前无效的专利超过了50%。对人造金刚石领域的有效专利申请人国别进行统计，可得到图4。

图4 人造金刚石领域专利申请人所在国家分析Fig.4 Analysis of countries of patent applicant in the field of synthetic diamond

如图4所示，就有效专利数据来看，目前中国专利申请总数占全球专利申请35%左右，在数量上是美国的2倍多，日本的4倍多，在总量上占有显著优势。专利的地域分布能够从一定程度上反映该地域市场的现有规模以及未来的市场期待。专利布局越多的地域，一定程度上说明了专利申请人重视这一地域的产品或技术市场，专利申请人有意在这一地域开拓相关产品和技术的市场。可见，人造金刚石技术在世界上重要的国家和地区均拥有市场潜力。

通过对比分析，可以掌握人造金刚石领域重要技术方向在全球范围内的主要技术分布。图5展示了有效专利数前7位的国家或地区的专利技术布局方向，从图中可以看出，单晶生长(C30B)是所有国家或地区都在大力布局的方向，其次便是人造金刚石的各大应用领域。由于近年来以半导体技术为基础的信息化技术领域研究以及技术应用的快速发展，推动了人造金刚石材料研究以及应用的不断开拓。

图5 人造金刚石技术各方向在不同国家或地区的数量分布情况Fig.5 The quantity distribution of various synthetic diamond technologies in different countries or regions

图6展示的是排名前10的各个国家或地区专利公开量的发展趋势。通过该分析可以了解各个国家专利文献的时间分布，掌握各国在不同时期的的技术公开和技术储备情况，以及各个国家的技术实力对比情况。从图中可以看出，中国在人造金刚石技术领域虽然起步较晚，从20世纪80年代开始发力，但是经历了20年左右的发展，从2000年开始，中国的人造金刚石技术取得了迅猛的发展，专利申请数量呈井喷式增长，在世界范围遥遥领先。

图6 人造金刚石专利在各个国家或地区公开的趋势Fig.6 The trend of synthetic diamond patent disclosure in various countries or regions

(3)各技术领域专利的功效分析

图7展示的是人造金刚石各技术领域不同功效的专利的数量分布情况，有助于了解各类技术的主要应用特征，从而对人造金刚石的研发路线进行适应性的调整。以人造金刚石的合成技术(C30B、B01J)为例，主要解决的技术问题包括：合成效率的提升，合成装置复杂性的降低，合成成本的降低，合成技术稳定性的提高，合成金刚石质量的提升，以及合成金刚石均匀性的提高。其中，降低成本是所有技术问题中关注度最高的。

图7 各技术领域不同功效的专利的数量分布情况Fig.7 The quantity distribution of the patents with different functions in each technical field

(4)全球专利申请人排名

对人造金刚石技术的主要申请人进行统计，可以基于申请人维度对该领域内的专利申请情况进行分析，找出人造金刚石领域的领先企业，发现领先企业的专利布局方向，以及重点专利情况。如图8所示，人造金刚石技术领域的主要申请人有英国的元素六公司(element six)、日本的住友电气公司(Sumitomo electric)、中国的郑州人造金刚石及制品工程技术研究中心有限公司、美国的钻石创新(Diamond innovation)等。其中元素六公司成立的子公司较多，每个子公司均有人造金刚石的专利布局，从检索数据来看，不同子公司之间的专利布局没有明显的技术偏向。在前面的分析中我们已经提到，中国作为目前人造金刚石的生产大国，在人造金刚石领域的专利申请也遥遥领先，这意味着人造金刚石在中国市场的活跃度非常高，元素六在中国也成立了子公司，并布局了很多的专利。

图8 人造金刚石技术领域主要申请人排名Fig.8 Ranking of major applicants in the field of synthetic diamond technology

3 专利布局情况分析

将人造金刚石技术领域主要申请人的技术方向进行了专利3D沙盘分析，得到了图9中的技术分布区域图，从图中可以看出，英国的元素六公司、日本的住友集团以及美国的钻石创新公司都把自己的专利主要布局在了金刚石生长中的微波等离子体化学气相沉积法，中国企业的专利布局方向主要是采用六面顶压机进行金刚石合成以及金刚石磨料颗粒，在这两个领域基本形成了一家独大的格局，其它申请人在这两个技术方向的专利布局数量很少。在人造金刚石其它的应用方向，各国专利申请人均有涉及，没有哪个申请人表现出明显的优势。化学气相沉积法(CVD)和高温高压法是目前人造金刚石的两种主流合成方法[9-13]。

图9 各国在人造金刚石技术领域的专利布局情况Fig.9 Patent distribution of various countries in the field of synthetic diamond technology

CVD法具有如下优势：合成的金刚石纯度高，理想情况下CVD合成金刚石的尺寸更容易做大，CVD合成金刚石容易与半导体晶圆集成等。CVD合成金刚石按粒度分为超纳米晶(<10nm)、纳米晶(<50nm)、微米晶(<500μm)和单晶金刚石。晶粒大小取决于合成条件、衬底和层厚。厚度超过大约50μm的膜层可从载体衬底上去除，留下自支撑块状CVD金刚石材料。对CVD合成金刚石的专利申请量按年份进行统计，如图10所示。对上图进行分析可知，从20世纪80年代开始，日本在CVD合成金刚石领域布局了大量的专利。早在20世纪70年代，原苏联就开始了金刚石薄膜的研究工作，开发出了化学气相沉积法。日本于80年代初，借鉴原苏联的技术，开发出微波CVD法，美国从1984年投入力量，开始追赶。从1987年掀起了世界范围的金刚石薄膜热，西方国家把当今世界称为新金刚石时代。中国在CVD合成金刚石方面的技术起步晚，相比于日本、美国和英国，在专利申请初期的专利数量很少，但是从2016年开始，中国在CVD合成金刚石方面的专利申请数量开始处于全球领先地位(图10)，相信在未来几年内仍然将会处于领先地位，CVD合成金刚石在市场上的占有率应该也会大幅增长。

图10 CVD法合成金刚石专利申请趋势Fig.10 Trend of patent application for synthetic diamonds by CVD method

在人造金刚石技术领域，一开始绝大多数的人造金刚石单晶都是使用高温高压法制造的。目前高温高压法合成技术在工业上依然应用广泛，其最大优点是制造工艺较简单，金刚石的生长速度快，通常在10～20分钟内就能合成出1 mm以下的金刚石单晶，从而满足各种工业需要。随着生长技术的发展，现在通过控制成核可以生长出粒径达2 mm的金刚石。对高温高压法合成金刚石专利申请按年份和国别进行统计，如图11所示。

图11 高温高压法合成金刚石专利申请趋势Fig.11 Trend of patent application for synthetic diamonds by HPHT method

对上图进行分析，不难发现，高温高压法合成金刚石的专利申请基本都在中国，从前面的专利布局沙盘图中也得出了同样的结论。中国科研人员经过了将近40年的时间，在装备(压机大型化)、原材料(石墨和合金触媒的成分和含氧量、合成快的组装结构)、合成工艺(高压高温的控制方式)等3个最基本、最重要的方面都取得了全方位的长足进步，开发出了具有自主知识产权的六面顶压机及对应的人造金刚石的合成技术，目前占据世界产量90%的中国人造金刚石基本都来自于高温高压法。2019年10月，中南钻石年产12万克拉宝石级培育金刚石产线建设项目按正常流程将在2022年投产，目前实际建设进度大大超前。

4 结语

(1)从人造金刚石专利技术发展的角度来看，人造金刚石领域有十分广阔的应用场景，一方面在工业领域中的应用还在不断扩展出新，另一方面随着近年来人造金刚石单晶尺寸和品质的不断提升，在珠宝首饰行业中的应用正在急速升温。目前该领域正处于技术高速发展的时期，各大人造金刚石企业可以在除合成技术这一核心方向之外开展研发，布局更多领域的应用技术方案，形成跨行业、跨技术领域的横向专利布局。

(2)从人造金刚石专利布局的角度来看，中国在高温高压法合成金刚石领域的技术布局已基本完善，但仍可以在制造设备、产品形态上布局更为易于取证的专利，在CVD合成技术方面也应该持续发力，借助中国在产业链上的优势，早日突破CVD合成技术上的国外专利壁垒。

(3)从地域布局的角度来看，中国企业可以加大海外布局力度，尤其是日本、美国和英国等人造金刚石领域龙头企业所在地的布局。