Herstellung von im Labor gezüchteten Diamanten durch chemische Gasphasenabscheidung

Diamanten sind ein sehr gefragter Edelstein, der sowohl für Schmuck als auch für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet wird. Viele Jahre lang konnten die großen Unternehmen die Preise für Diamanten künstlich in die Höhe treiben, indem sie das Angebot an geförderten Diamanten kontrollierten. Die jüngsten Verbesserungen bei der Herstellung von Diamanten im Labor bringen die Diamantenindustrie ins Wanken.

Laborgezüchtete Diamanten werden zwar schon seit einiger Zeit in der Asien-Pazifik Region werden sie heute weltweit schneller hergestellt als je zuvor. Dies führt dazu, dass die Zugänglichkeit von Diamanten erheblich verbessert und die Kosten gesenkt werden.

Dank einheitlicher und qualitätskontrollierter Herstellungsverfahren sind im Labor gezüchtete Diamanten identisch mit denen, die in der Natur entstanden sind. Im Labor gezüchtete Diamanten werden mit einem von zwei Verfahren hergestellt: Hochdruck und hohe Temperatur (HPHT) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD).

HPHT imitiert die Der natürliche Prozess der Erde Die Herstellung von Diamanten erfolgt unter extrem hohen Hitze- und Druckbedingungen von etwa 2000 °C und über 1,5 Millionen PSI. Diamanten, die mittels CVD hergestellt werden, sind eine neuere Entwicklung. Dieses Verfahren ahmt die Bildung von Diamanten in interstellaren Gaswolken nach. Der Diamant wird Schicht für Schicht gebildet, indem die Energie die chemischen Bindungen in den Gasen aufbricht.

Sowohl mit HPHT als auch mit CVD können hochwertige Diamanten gewonnen werden, doch hat sich CVD aus mehreren Gründen als bevorzugtes Verfahren durchgesetzt:

• Die meisten CVD-Verfahren arbeiten bei niedrigeren Temperaturen und Drücken als HPHT-Verfahren, was den Herstellungsprozess vereinfacht.
• CVD-Diamanten sind chemisch rein, während HPHT-Diamanten die Verwendung von Gasen wie Stickstoff und Bor erfordern, die in den Diamanten eindringen.
• CVD kann für die Diamantabscheidung auf anderen Substraten als Diamant verwendet werden.

Dies hat zu technologischen Fortschritten in vielen Branchen geführt, darunter Optik, Computerwissenschaften und Werkzeugherstellung. Die größte Herausforderung bei der Herstellung von Diamanten mittels CVD ist bisher die Unfähigkeit, Diamanten von mehr als 3,2 Karat zu erzeugen. Dies ist vor allem für die Schmuckindustrie von Bedeutung.

Bei der CVD wird ein Prozesskeim benötigt, der als Grundlage für die chemische Abscheidung dient, z. B. eine dünne Diamantscheibe oder eine Graphitquelle. Der Keim wird in eine Kammer gelegt, die bis zu einem Hochvakuum (etwa 20 Millitorr) evakuiert ist, um eine Verunreinigung zu verhindern. Die Kammer wird dann mit einem kohlenstoffreichen Gas wie Methan und entweder Wasserstoff oder Sauerstoff gefüllt.

Energie wird eingesetzt, um die chemischen Bindungen der Gase aufzubrechen und den Diamanten Schicht für Schicht aufzubauen. Diese Energie kann durch Wärme oder ionisiertes Plasma zugeführt werden.

Energie aus Heizung

Gase werden entweder durch thermische oder chemische Aktivierung erhitzt. Zur thermischen Erwärmung von Gasen wird in der Regel ein Heizdraht in der Vakuumkammer verwendet, um eine Zieltemperatur von 2000 bis 2500 °C zu erreichen. Eine weniger verbreitete Technik verwendet einen Brenner, um die Prozessgase exotherm umzuwandeln und die Kammer auf 500-1000 °C zu erhitzen.

Energie aus ionisiertem Plasma

Ionisiertes Plasma wird in der Regel durch elektrische oder elektromagnetische Aktivierung mit Mikrowellen oder Lasern erzeugt. Während der Ionisierung müssen die Diamantenhersteller die Temperatur, den Druck und die Gaszusammensetzung in den Vakuumkammern sorgfältig regulieren.

Veränderungen oder Schwankungen bei einer dieser drei Variablen wirken sich auf die Wachstumsrate des Diamanten sowie auf seine Reinheit und Farbe aus. Die Diagramme zeigen die Gleichgewicht der Gaszusammensetzung und das Verhältnis von Druck und Temperatur, das für das Wachstum von Diamanten erforderlich ist.

In der Vergangenheit wurde bei CVD-Prozessen eine nachgeschaltete Druckregelung eingesetzt. In einem nachgeschalteten System wird ein großes Drosselventil in Kombination mit einem separaten Steuermodul verwendet, um hohe Volumendurchsätze zu steuern.

Es gibt viele Herausforderungen, denen sich die Hersteller stellen müssen, wenn sie versuchen, im Labor gezüchtete Diamanten von gleichbleibend hoher Qualität herzustellen. Systemstabilität, Vakuumlecks und Komponentenkosten müssen jeweils sorgfältig überwacht werden.

Unser Team von Anwendungsingenieuren hat mit Diamantenherstellern zusammengearbeitet, um ein Druckregler mit Metalldichtungen die speziell für die Druckregulierung in CVD-Systemen entwickelt wurden. Diese Geräte sind aus mehreren Gründen vorteilhaft:

• Ein schnell wirkendes Proportionalventil mit Optionen für viele korrosive Gase und Flüssigkeiten
• Großer Betriebsbereich von 0,01% bis 100% vom Skalenendwert, mit einer Genauigkeit von ± 0,25% vom Skalenendwert
• Flexible und genaue Druckregelung mit einer Regelungsreaktion von bis zu 30 ms
• Geräte, die für die Verwendung mit Vakuumsystemen konzipiert sind, werden externen Helium-Lecktests unterzogen (< 1×10-10 atm-cc/sec)

Da die Industrie für im Labor gezüchtete Diamanten wächst, ist Alicat bereit, die Hersteller bei der Entwicklung der für die Diamantenherstellung erforderlichen CVD-Systeme zu unterstützen. Vakuumdruckregler stellen sicher, dass die Drücke in den Vakuumkammern stabil und genau sind, um das empfindliche Gleichgewicht der Bedingungen aufrechtzuerhalten, die für das Wachstum von Diamanten erforderlich sind.