Bau von CVD-Diamantmaschinen mit Durchfluss- und Druckregelung

Im Jahr 2020 erreichte der Markt für im Labor gezüchtete Diamanten 19,3 Milliarden Dollar, und bis 2030 wird er voraussichtlich auf etwa 49,9 Milliarden. Im Labor gezüchtete Diamanten sind sicherer, umweltfreundlicher und billiger in der Herstellung als geförderte Diamanten. Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von im Labor gezüchteten Diamanten sind HPHT und CVD. Obwohl HPHT vor CVD entwickelt wurde, wird es seltener eingesetzt, da es aufgrund der extremen Temperatur- und Druckanforderungen mehr Energie benötigt. Außerdem wird HPHT manchmal auch als sekundäres Verfahren zur Reinigung von CVD-Diamanten betrachtet. Zu den verschiedenen CVD-Verfahren für die Herstellung von Diamanten gehören die filamentunterstützte thermische CVD, die plasmaunterstützte CVD und die verbrennungsflammenunterstützte CVD. Eine Unterart der plasmaunterstützten CVD, die Mikrowellenplasma-CVD, ist die beliebteste und zuverlässigste. Für die Herstellung von qualitativ hochwertigen, im Labor gezüchteten Diamanten mit jeder CVD-Methode sind die Hersteller auf die Geräte von Alicat angewiesen, um präzise Gasmischungen aus Wasserstoff, Methan und Trägergasen zu gewährleisten. Im Folgenden werden wir erörtern, wie die Geräte von Alicat die einzelnen CVD-Verfahren verbessern.

Filament-unterstützte thermische CVD

Die filamentunterstützte thermische CVD ermöglicht die größte im Labor gezüchtete Diamant-Wachstumsfläche und ein einfacheres Design als andere CVD-Verfahren. Zu den Nachteilen gehören eine langsamere Wachstumsrate (0,5-8 µm/h) und eine schlechtere Prozessstabilität im Vergleich zu anderen CVD-Verfahren. Bei dieser Konfiguration werden Methan (0,5% bis 2,0%) und Wasserstoff in einer Vakuumkammer (mit einem Druck von 10-100 Torr) freigesetzt und durch Metallfäden mit hohem Schmelzpunkt (2.000-2.300°C), in der Regel Wolfram, in der Nähe eines erhitzten Substrats (700-1.000°C) dissoziiert, das im Laufe der Zeit Diamantpartikel ansammelt.

Gasmassenstrom- und Druckregelung

Der Brauch von Alicat Massendurchflussregler eine genaue Gasmischung aufrechtzuerhalten, ohne Vergiftung durch atmosphärisches Gas. Mit einer Leckrate von nur 10e^-9 ATM SCCS von Helium und einer Reaktionszeit von 2 ms verhindern die Geräte von Alicat eine unsachgemäße Gasmischung und Verunreinigung der Diamant-Zuchtkammer. Angeschlossen an die Vakuumquelle der Kammer, sind die Alicat Druckregler den Gegendruck zu handhaben, um stabile und genaue Kammerbedingungen zu gewährleisten.

Verbrennungsflammen-unterstützte CVD

Verbrennungsflammen-unterstützte CVD züchtet Diamanten bei Atmosphärendruck mit einem Sauerstoff-Acetylen-Lötbrenner und einem wassergekühlten Substrat. Zu den Vorteilen gehören ein einfaches Design, gute Wachstumsraten (30-100 µm/h) und niedrige Kosten. Bei dieser Anlage werden Sauerstoff und Acetylen bei Unter- oder Atmosphärendruck in eine durch einen Massendurchflussregler geregelte Kammer eingeleitet, wo sie in einer 3300 K heißen Flamme verbrannt werden, wobei H₂, CO und reaktive Zwischenprodukte. Außerhalb des Hauptverbrennungsbereichs der Kammer befindet sich die Feder, eine flammenfreie Zone, die reich an atomarem Wasserstoff und Kohlenwasserstoffradikalen ist und in der sich das Diamantwachstumssubstrat befindet. In der äußeren Zone befindet sich ein sekundärer Verbrennungsbereich, in dem die Gase zu CO₂ und H₂O. Die Temperatur des Substrats wird mit Hilfe eines Pyrometers durch den Wasserdurchfluss in und aus dem System unter einer Kupfer-Substrathalterung kontrolliert.

Gas- und Flüssigkeitsdurchflusskontrolle

Die Alicat-Massendurchflussregler steuern präzise den Gasfluss von Sauerstoff und Acetylen in die Diamantzuchtkammer, während die Flüssigkeitsregler von Alicat (LC-Serie und CODA KC-Reihe) regeln den Wasserdurchfluss zur Kühlung des Diamantsubstrats.

• Die Gasmassenstromregler verfügen über ein pneumatisch betätigtes, positives Absperrventil, um ein Durchsickern zu verhindern, und haben eine NIST-rückführbare Genauigkeit von ±0,5% des Messwerts oder ±0,1% des Skalenendwerts für mehr als 98 Gase und 20 benutzerdefinierte Gasmischungen.
• Die Flüssigkeitsregler der LC-Serie haben einen Durchfluss von 0,5 CCM bis 10 LPM mit einer Reaktionszeit von nur 30 ms und einer Genauigkeit von ±2% des Skalenendwertes.
• Die Coriolis-Steuergeräte der CODA KC-Serie können einen Wasserdurchfluss von 40 g/h bis 100 kg/h mit einer Genauigkeit von nur ±0,2% des Messwerts oder ±0,05% des Skalenendwerts messen.

Druckkontrolle

Beim Betrieb unter Atmosphärendruck sorgen die Druckregler von Alicat für stabile und wiederholbare Wachstumsbedingungen in der Kammer, genau wie bei der filamentunterstützten thermischen CVD. Kundenspezifische Ventildimensionierung und PID-Abstimmung stellen sicher, dass die Regler die Drucksollwerte in Millisekunden erreichen und die Regelung mit einer NIST-rückverfolgbaren Genauigkeit von ±0,125% der vollen Skala aufrechterhalten.

Plasma-unterstützte CVD

Hauptseite plasmagestützte CVD-Verfahren Dazu gehören DC-Plasmastrahl, Mikrowellenplasma und RF-Plasma. Die plasmagestützte CVD ermöglicht eine bessere Qualität und Stabilität als andere CVD-Verfahren sowie in der Regel schnellere Wachstumsraten (DC-Plasmajet bei 930 µm/h, Mikrowellenplasma bei 3-30 µm/h und RF-Plasma bei 180 µm/h). Aufgrund der Kombination aus großer Wachstumsfläche und schneller Wachstumsrate ist die chemische Gasphasenabscheidung im Mikrowellenplasma derzeit das praktischste und beliebteste CVD-Verfahren für die Diamantherstellung. Bei der chemischen Abscheidung aus der Gasphase im Mikrowellenplasma wird CH₄ und H₂, manchmal zusätzlich mit Ar, O₂und N₂ strömen in eine Vakuum-Diamantenzuchtkammer, während sie von Hochspannungsmikrowellen getroffen werden. Diese Gase verwandeln sich dann in ein Plasma, das mit dem Diamantsubstrat reagiert und Diamanten erzeugt.

Druckkontrolle

Vakuumpumpen und Druckregler halten den Druck in der Diamantzuchtkammer unter dem Atmosphärendruck. Eine Erhöhung der bei dieser Technik verwendeten Mikrowellenleistung führt zu einer Steigerung der Diamantwachstumsraten durch eine Erhöhung der Plasmadichte.

Zusätzliche Informationen

Alicat Massendurchfluss- und Druckregler werden speziell für Diamant- und Vakuumanwendungen angepasst. Die für solche Anwendungen gebauten Geräte sind innerhalb von 4-6 Wochen mit 0,25 VCRM-Anschlüssen und minimalen Dichtungsflächen erhältlich, um Leckstellen im Laufe der Zeit zu minimieren. Um den Support zu erleichtern, hat Alicat Vertriebs- und Servicezentren in Surat und Thane in der Nähe großer Diamantenhersteller.