СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ БЕЛОГО ЦВЕТА Российский патент 2015 года по МПК C30B25/00 C30B29/04 C30B33/00 C30B33/02 C23C16/27 C23C16/511 C04B41/00 A44C17/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу производства монокристаллических алмазов белого цвета ювелирного качества в камере, в которой можно осуществить химическое парофазное осаждение, активированное микроволновой плазмой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Процесс выращивания поликристаллических зерен алмаза был раскрыт в US №3030187. С тех пор были разработаны разные технологии химического парофазного осаждения (CVD) для производства поликристаллических алмазов и монокристаллических алмазов.

Поликристаллический алмаз, несмотря на сходные свойства с монокристаллическим алмазом, не является рекомендуемым материалом для новых промышленных применений по причине наличия границ зерен и содержащихся в них дефектов. Более того, теплопроводность поликристаллического алмаза хуже теплопроводности монокристаллического алмаза. Кроме того, границы зерен в поликристаллических алмазах также препятствуют проявлению превосходных свойств, присущих природным алмазам, поскольку границы зерен выступают в качестве центров рассеяния фононов, ухудшая тем самым теплопроводность, а также другие свойства. Наличие большого угла, а также маленького угла в границах зерен в поликристаллических алмазах является основным недостатком в промышленных применениях.

В связи с этим существует определенное предпочтение к использованию монокристаллических алмазов в промышленных применениях. Однако трудно вырастить монокристаллические алмазы с одинаковой текстурой, прозрачностью, чистотой и поверхностью, как у природного алмаза. Несмотря на то, что монокристаллический алмаз обладает превосходными свойствами по сравнению с поликристаллическим алмазом, микроскопические и макроскопические графитовые и неграфитовые включения, перья (дефекты длинных линий) часто встречаются в монокристаллическом алмазе, выращенном методом химического парофазного осаждения. В результате потенциал использования монокристаллического алмаза, выращенного методом химического парофазного осаждения, в качестве изделия ювелирного качества снижается.

Детальное исследование дефектов в монокристаллическом алмазе, выращенном методом химического парофазного осаждения, можно провести при помощи спектроскопии комбинационного рассеяния и рентгеновской дифракции (XRD), которые обнаруживают дефекты, содержащие графитовые области с размером в пределах от субмикронов до нескольких микронов, содержащиеся в монокристаллическом алмазе.

Одна из проблем при производстве монокристаллического алмаза, выращенного методом химического парофазного осаждения, заключается в низкой скорости роста.

Несмотря на то, что скорость роста, составляющая 70-100 микронов в час, достигается при добавлении большой концентрации азота к газам, подаваемым во время процесса химического парофазного осаждения, дефекты преобладают, а плотность дефектов обычно увеличивается со скоростью роста.

В публикации JP 07277890 раскрывается способ синтеза алмаза для использования в качестве полупроводника, электронных или оптических компонентов или для использования в режущих инструментах. В частности, в публикации JP 07277890 раскрывается способ выращивания алмаза в присутствии газа, содержащего азот, в пропорции азот к водороду, составляющей 3 ч..на млн к 1000 ч.на млн, или газа, содержащего кислород, в пропорции кислород к углероду, составляющей 3% к 100%, с целью увеличения скорости роста.

В научной статье Яна и др. (Yan et. al.) (PNAS, 1 October 2002, Vol.99, №20, 12523-12525) раскрывается способ производства монокристаллического алмаза со скоростью роста, составляющей от 50 до 150 микронов в час посредством химического парофазного осаждения, активированного микроволновой плазмой (MPCVD). В частности, способ раскрывает процесс химического парофазного осаждения, проведенный при давлении 150 торр, и включает добавление азота к газам, подаваемым во время процесса химического парофазного осаждения в пропорции азот к метану, составляющей 1% к 5% N₂/CH₄. Ян и др. (Yan et. al.) предполагает, что азот в указанной пропорции может увеличить скорость роста вследствие создания более доступных участков роста в результате изменений плоскостей кристаллов (111) до плоскости кристаллов (100).

Важность содержания азота в газах, подаваемых во время процесса химического парофазного осаждения, раскрывается в патенте US 5015494 (Ямазаки (Yamazaki), в котором сообщается о способе выращивания алмаза с заданными свойствами для специальных промышленных применений. В патенте США №5015494 раскрывается создание алмаза при помощи химического парофазного осаждения в условиях циклотронного резонанса. Азот добавляется для предупреждения роста дефектов решетки посредством внешнего или внутреннего напряжения. Азот добавляется таким образом, чтобы получалась пропорция газа с содержанием азота к газу с содержанием углерода 0,1% к 5%. Полученный алмаз имеет концентрацию азота, составляющую от 0,01 до 1 весового процента. В US 5015494 раскрывается требование к добавлению газа, содержащего бор, к газам, подаваемым во время процесса химического парофазного осаждения, для создания нитрида бора, который осаждается на подложку для улучшения прилипания к подложке полученного алмаза.

Согласно Яну и др. (Yan et. al.) и патенту США №5015494 азот используется для увеличения скорости роста монокристаллического алмаза, выращенного методом химического парофазного осаждения, а также для предупреждения дефектов решетки в монокристаллическом алмазе, выращенном методом химического парофазного осаждения в условиях циклотронного резонанса.

Газ, содержащий азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, играют важную роль при выращивании монокристаллического алмаза во время процесса химического парофазного осаждения. Недостаток использования азота в больших количествах, раскрываемый Яном и др. (Yan et. al.) и в патенте США №5015494, заключается в том, что получаемые алмазы демонстрируют дефекты, связанные с азотом, например, микротрещины, микровключения и так далее. Такие алмазы имеют коричневый цвет и непригодны для ювелирных применений.

Заявитель настоящего изобретения предполагает, что очень маленькие количества газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, и необязательно кислород, в газах, подаваемых во время процесса химического парофазного осаждения, приведут к получению монокристаллических алмазов белого цвета по существу без дефектов, с качеством, пригодным для ювелирных применений. Предполагается, что соотношение газа, содержащего азот, к газу, содержащему диборан, раскрываемое в настоящем изобретении, значительно меньше соотношения азота к углероду, раскрываемого в патенте США №5015494.

Газ, содержащий азот, и газ, содержащий диборан, играют важную роль в выращивании алмазов. В частности, известно, что газ, содержащий азот, сцепляется естественным образом со структурой алмаза. Отсутствие соответствующего количества газа, содержащего азот, может привести к появлению ряда дефектных конфигураций, оказывая тем самым существенное влияние на свойства алмаза. Например, наличие азота в однозамещенной конфигурации придает алмазу его желтовато-коричневый цвет. Донорный тип дефектного центра, соответствующий однозамещенному азоту, находится примерно на 1,72 эВ в запрещенной зоне алмаза и частично положительно заряжен, как показано на фиг. 1. Когда белый свет падает на алмаз, все длины волн ниже желтого цвета (то есть голубые, фиолетовые и ультрафиолетовые) поглощаются, и в результате появляется алмаз красного или коричневого цвета.

Для сравнения - наличие бора в структуре алмаза приводит к отрицательно заряженным состояниям акцептора 0,38 эВ выше валентной зоны, как показано на фиг. 1. Голубой цвет алмаза получается при заполнении данных центров дырками из валентной зоны, которые нейтрализуются электронами из зоны проводимости. Когда белый свет падает на алмаз, допированный бором, все длины волн ниже голубого цвета поглощаются, придавая тем самым голубой цвет алмазу.

Задача настоящего изобретения заключается в предоставлении способа производства алмаза белого цвета ювелирного качества, который практически не содержит дефектов, посредством добавления очень маленьких количеств данных легирующих примесей в виде азота и диборана. Газы, содержащие азот и диборан, в сочетании с газами, содержащими метан и водород, подаются во время процесса химического парофазного осаждения, активированного микроволновой плазмой (MPCVD). Процесс адаптирован для выращивания алмазов с повышением белизны и прозрачности монокристаллов алмазов, что происходит благодаря компенсации центров бора и азота. Предполагается, что нагревание алмазов до высокой температуры, составляющей 2300°C, усиливает белизну, а также улучшает прозрачность алмаза.

Предполагается, что газы, подаваемые во время процесса химического парофазного осаждения, содержат относительно маленькие количества газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, в газовой смеси которых образуется алмаз с оптическими центрами, относящимися к связям C-N и C-B-N, которые приводят к ухудшению цвета и чистоты монокристаллов алмаза. Большие концентрации газа, содержащего азот, в газовой смеси также приводит к микровключениям и росту трещин в кристаллах. Из-за разницы в длине связи между азотом-углеродом, углеродом-углеродом и бором-углеродом дефекты действуют как центры рассеяния фононов, ослабляя тем самым электрические, оптические и механические свойства полученного монокристаллического алмаза.

Предполагается, что форма включений зависит от концентрации газа, содержащего азот, в газовой смеси.

Предполагается, что несмотря на то, что требуется относительно маленькое количество газа, содержащего азот, в газах, подаваемых во время процесса химического парофазного осаждения, должно присутствовать по меньшей мере некоторое количество газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, для увеличения скорости роста алмазов. Более того, при использовании очень маленьких количеств газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, можно существенно улучшить цвет и прозрачность кристаллов алмазов.

Предполагается, что наличие бора в структуре алмаза, содержащей атомы азота, изменит желто-коричневый цвет алмаза на белый цвет с ювелирным качеством.

Предполагается, что использование относительно маленьких количеств газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, в газовых смесях, используемых во время процесса химического парофазного осаждения, может привести к созданию алмаза при помощи поэтапного механизма роста, в котором слой алмаза, имеющий грань, определяемую этапом, растет от грани, как от передней стороны. Такой поэтапный механизм роста отличается от существующего послойного механизма роста, происходящего во время процесса химического парофазного осаждения.

Предполагается, что монокристаллические алмазы, выращенные при помощи поэтапного механизма роста с предварительно определенными количествами газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, не содержат микроскопических и макроскопических графитовых включений (прежде всего азотистых включений) и дефектов, которые связываются с ростом алмаза при помощи уже существующего послойного механизма роста. Следовательно, должно присутствовать по меньшей мере некоторое количество газа, содержащего азот, в газовых смесях, используемых во время процесса химического парофазного осаждения, во избежание образования графитовых включений в выращенном монокристаллическом алмазе.

Алмаз, выращенный из алмазного зерна вплоть до толщины 2 мм, не имеет точной кристаллической ориентации (100), но может потерять такую ориентацию, приводя, таким образом, к другим кристаллическим ориентациям.

При проверке кристаллической ориентации алмазов, выращенных до толщины, превышающей 2 мм, обнаруживается, что другие кристаллические ориентации также могут присутствовать в небольших количествах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с аспектом настоящего изобретения предоставляется способ производства монокристаллических алмазов белого цвета с ювелирным качеством, способ, содержащий:

(a) обеспечение подложки, имеющей алмазное зерно с предварительно заданным размером и предварительно заданной оптической ориентацией, нанесенным на нее,

(b) помещение подложки с алмазным зерном, в камеру, в которой можно осуществить химическое парофазное осаждение (CVD),

(c) подачу в камеру водорода,

(d) создание условий внутри камеры, пригодных для осуществления химического парофазного осаждения,

(e) запуск процесса химического парофазного осаждения в камере,

(f) подачу в камеру углеводородного газа, содержащего углерод,

(g) подачу в камеру газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, которые оба приспособлены для ускорения скорости роста алмаза на подложке,

(h) подачу электрического поля в камеру для образования плазмы близ подложки, приводя тем самым к поэтапному росту алмаза на подложке,

(i) завершение процесса химического парофазного осаждения в камере, (j) огранку и удаление нежелательного углерода из выращенного алмаза,

(k) очистку и огранку алмаза, отжигаемого при предварительно заданной температуре в течение соответствующего периода времени,

(l) проведение окончательной огранки алмаза, полирование и придание цвета.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже следует описание предпочтительного варианта осуществления изобретения исключительно в наглядных целях со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой диаграмму энергетических зон алмаза, выращенного во время процесса химического парофазного осаждения, которая показывает положение донорных уровней азота и акцепторных уровней бора в запрещенной зоне. Данные донорные и акцепторные уровни могут быть частично заряженными.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему процесса, показывающую азот (0,015 объемного содержания в процентах) и диборан (0,005 объемного содержания в процентах), использованные в оптимальных количествах в газовой смеси в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 представляет собой блок-схему процесса, когда используется только поток азота в газовой смеси.

Фиг. 4 представляет собой блок-схему процесса, где не используются азот и диборан, а алмаз выращивается исключительно при использовании метана и водорода в газовой смеси.

Фиг. 5 представляет собой инфракрасный Фурье-спектр алмаза, осажденного в процессе химического парофазного осаждения, при использовании азота в газах, подаваемых во время химического парофазного осаждения, в пределах от 0,02 до 0,1% в сочетании с дибораном в пределах от 0,01 до 0,05%. Видны инфракрасные пики, относящиеся к центрам C-B-N, показывающие включение N и В в образцы.

Фиг. 6 представляет собой спектр фотолюминесценции алмаза, осажденного в процессе химического парофазного осаждения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения при использовании азота в газах, подаваемых во время процесса химического парофазного осаждения, в пределах от 0,0001 до 0,02 объемного содержания в процентах в сочетании с потоком диборана в смеси в пределах от 0,00005 до 0,005%. Спектр фотолюминесценции показывает, что алмазы, осажденные при использовании азота в сочетании с дибораном с определенным объемным содержанием в процентах имеют сильный пик 605 нм и широкую полосу низкой интенсивности 700 нм. Пик 605 нм является показателем хорошего качества образцов.

Для сравнения: спектр фотолюминесценции алмазов, выращенных при использовании исключительно потока азота в пределах от 0,0001% до 0,02% без диборана, не показывают пик 605 нм и широкую полосу высокой интенсивности 700 нм (фиг.7), указывающие на наличие примесей в алмазах.

Фиг. 8 представляет собой спектр комбинационного рассеяния образцов, выращенных в процессе. Сильная интенсивная линия 1332 см^-1 показывает превосходное качество алмазов, выращенных в процессе.

Фиг. 9 представляет собой изображения оптического микроскопа при большом увеличении алмазов, выращенных в процессе химического парофазного осаждения, включающего азот 0,015% и диборан 0,005% в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, и показывающие поэтапный рост алмаза.

Фиг. 10 представляет собой изображения оптического микроскопа при большом увеличении алмазов, выращенных в процессе химического парофазного осаждения, включающего азот 0,02% без диборана, и показывающие поэтапный рост алмаза. Однако этапы нечеткие и ровные, а неровные с дефектами.

ПОЛНОЕ ОПИСАНИЕ

В настоящем изобретении предлагается способ выращивания монокристаллического алмаза белого цвета, который включает в себя процесс химического парофазного осаждения с использованием микроволновой плазмы.

Алмаз выращивается из алмазного зерна, осажденного на подложку. Алмазное зерно может варьироваться по размеру от 3 мм × 3 мм до 5 мм × 5 мм с толщиной, варьирующейся от 1 мм до 3 мм.

Фиг. 2 показывает блок-схему оптимальной подачи газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, во время процесса химического парофазного осаждения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Предполагается, что это может создать условия для роста алмазов со скоростью примерно 18-20 микронов в час.

Процесс начинается на этапе 202.

На следующем этапе 204 предварительно задается кристаллографическая ориентация алмазного зерна, а алмазные зерна, не имеющие ориентацию (100), отбраковываются. Алмазные зерна, имеющие ориентацию (100), полируются до оптической полировки поверхности (ориентация в пределах<0,1 градуса) с шероховатостью, приблизительно равной длине волны видимого света при подготовке к последующему процессу химического парофазного осаждения. Затем алмазное зерно осаждается на подложку.

Подложка с алмазными зернами затем помещается в камеру, в которой можно осуществить процесс химического парофазного осаждения. На этапе 206 начинается процесс химического парофазного осаждения. Сначала в камеру подается водород. До начала процесса химического парофазного осаждения регулируются условия в камере для проведения химического парофазного осаждения. В частности, температура внутри камеры увеличивается от температуры окружающей среды до температуры в пределах от 750°C до 1200°C, а давление внутри камеры понижается до давления в пределах от 120 мбар до 160 мбар. Затем в камеру подаются газы, подходящие для выращивания алмаза в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. На этапе 208 в камеру подается углеводородный газ, содержащий углерод, например, метан (СН₄).

На этапе 210 в камеру подается газ, содержащий азот, и одновременно на этапе 212 в камеру подается газ, содержащий диборан. Газ, содержащий азот (N₂), в сочетании с газом, содержащим диборан (B₂H₄), подаются в количестве от 0,0001% до 0,1% по объему газов для выращивания алмаза из алмазного зерна.

Предполагается, что газ, содержащий азот, может быть в виде азота в водороде, азота в кислороде, азота в гелии, азота в оксиде одновалентного азота или азота в диборане.

Другие газы, включающие в себя гелий (He) и кислород (O₂) также подаются в камеру. Эти газы проходят через камеру при скорости потока газа, составляющей 30 л/ч.

Применяется электрическое поле вокруг алмазных зерен для генерации плазмы из газов внутри камеры. Электрическое поле порождается магнетроном с мощностью 6000 ватт и частотой 2,45 ГГц. Порожденное электрическое поле приводит к ионизации водорода, образуя тем самым плазму близ зерен алмазов, что приводит к росту алмаза из алмазных зерен. Предполагается, что модель роста алмаза представляет собой поэтапную модель, в которой алмаз способен расти без дефектов и без содержания примесей, как показано на Фигуре 9.

На этапе 214 заканчивается процесс химического парофазного осаждения.

На этапе 216 нежелательный или паразитный углерод отделяется и удаляется из выращенного алмаза.

На этапе 218 алмаз, который был очищен и огранен, отжигается при предварительно заданной температуре в течение соответствующего периода времени. В частности, алмаз, который был очищен и огранен, отжигается при температуре 2300°C в течение 20 минут для образования комплексов бора и азота для существенного усиления цвета и прозрачности алмаза.

На этапе 220 алмаз подвергается окончательной огранке, полировке и приданию цвета.

На этапе 222 алмаз демонстрирует окончательный цвет G и H в соответствии с сортировкой алмазов.

Процесс завершается на этапе 224.

Фиг. 3 показывает похожую блок-схему, за исключением того, что подача газа, содержащего азот 310, изменяется и составляет от 0,005% до 0,02% по объему без диборана. Предполагается, что получаемые кристаллы алмазов демонстрируют светло-коричневый и темно-коричневый цвет, который не является желательным.

Фиг. 4 показывает похожую блок-схему, отличающуюся тем, что комбинация газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, не подается. Предполагается, что получаемые кристаллы алмазов демонстрируют белый цвет, но с присутствием существенной степени дефектов, которые не являются желательными.

Инфракрасная фурье-спектроскопия (FTIR) может использоваться для определения концентрации и связывания азота и бора в образцах алмазов. Инфракрасные фурье-спектры образцов выращенных алмазов показаны на фиг. 5.

Как показано на фиг. 5, инфракрасные фурье-спектры образцов алмаза, которые выращиваются с азотом в газовой смеси в пределах от 0,02% до 0,1% в сочетании с дибораном в пределах от 0,01% до 0,05%, демонстрируют четкие и сильные полосы центров бора-азота в образцах, вместе с некоторыми обычными центрами азота. В особенности интенсивные полосы, относящиеся к центрам бора-азота, видны при 1370 см^-1. Полосы при 1210 см^-1 и 1280 см^-1 могут принадлежать центрам азота вместе с полосами С-С при 1978 см^-1, 2026 см^-1. и 2160 см^-1. Центры азота в образцах алмаза могут существовать во многих конфигурациях, как описывается ниже.

- Замещение одного атома:

Характерные пики в инфракрасных фурье-спектрах существуют при 1130 см^-1 и 1350 см^-1, а ЭПР дает значение «g», составляющее 2,0024 для данного центра. Данный центр проявляет слабый признак в образцах примерно 1100 см^-1 в образцах, выращенных с азотом в пределах от 0,005% до 0,02%.

- Агрегат «А»:

480-490 см^-1 и 1282 см^-1 представляют собой характерные пики агрегата-А в инфракрасной фурье-спектроскопии (FTIR). Данные пики заметны в способе, показанном на Фигуре 2, для образцов, произведенных с концентрациями азота, намного превышающими концентрации согласно изобретению. Агрегаты-А также присутствуют в образцах природных алмазов в большой концентрации, которая была использована в качестве подложки в варианте осуществления настоящего изобретения.

- Агрегат «В»:

Предполагается, что агрегаты-В в алмазе состоят из 4 или 8 атомов азота в паре с атомами углерода. Данные пики заметны в основном в природных алмазах и могут не присутствовать в образцах варианта осуществления настоящего изобретения.

- N3-центр:

N3-центры не активны в инфракрасной фурье-спектроскопии и, следовательно, не показаны на Фигурах 1 и 2. Однако N3-центры показывают резкую полосу 415 нм в фотолюминесценции (PL) и УФ-спектроскопии. Данный центр состоит из трех атомов азота, окружающих вакансию (V).

- Пластинки:

Пластинки состоят из одного или двух дополнительных атомных слоев, вставленных в алмазную решетку. Природа пластинок подробно анализируется в алмазной решетке. Однако тот факт, что соответствующая инфракрасная полоса наблюдается только в алмазах, содержащих заметное количество азота, предполагает, что пластинки содержат азот и, вероятно, состоят частично или полностью из азота. Положение пика пластинки варьировалось от 1354 см^-1 до 1384 см^-1 от образца к образцу. Вариация положения приписывается подверженности пластинок натяжению, индуцированному в кристалле дефектами агрегатов А и В. Наличие поглощения пластинок указывает на то, что агрегаты-А начинают рассеиваться для образования агрегатов-В. Положение пика пластинок обратно пропорционально размеру пластинок.

Предполагается, что в образцах, выращенных при скорости потока азота в пределах от 0,005% до 0,02%, азот присутствует в виде одного замещения и маленькой концентрации агрегатов-А.

Фотолюминесцентная спектроскопия проводится на образцах, произведенных при потоке азотного газа, составляющего от 0,0001 до 0,02 объемного содержания в процентах в сочетании с потоком диборана в смеси от 0,00005 до 0,005%. Результаты показываются на фиг. 6, демонстрирующей интенсивные пики 605 нм (2,05 эВ) и широкую полосу низкой интенсивности примерно 700 нм. Широкая полоса приписывается примесям, которые ухудшают ювелирное качество алмаза. Для сравнения: фотолюминесцентные спектры алмазов, полученных при использовании потока азота в пределах от 0,0001% до 0,02% без диборана, не показывают пик 605 нм и широкую полосу высокой интенсивности 700 нм, как показано на фиг. 7.

Центры бора не видны в фотолюминесцентных спектрах, поскольку, возможно, бор компенсирует азот, увеличивая оптическую прозрачность и чистоту монокристаллических алмазов. Изображения образцов, выращенных при концентрациях азота в сочетании с дибораном в пределах согласно варианту осуществления настоящего изобретения, полученные с помощью оптического микроскопа, показываются на фиг. фиг. 9 и 10. Данные изображения сделаны при увеличении 500-5000, а поэтапный рост алмаза виден из поверхности алмаза, показанного на изображениях. Высокая плотность этапов роста на поверхности образца алмаза, выращенного с потоком азота, в варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 9. Данные этапы роста присутствуют благодаря винтовой дислокации в процессе роста кристаллов ряда материалов и являются четким признаком того, что алмаз в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения растет при помощи дислокаций и поэтапного механизма роста.

Для сравнения предполагается, что алмаз, выращенный в газе при использовании оптимального количества газа, содержащего азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, во время процесса химического парофазного осаждения в соответствии с аспектом настоящего изобретения, демонстрирует стандартные эквидистантные этапы и практически не содержит графитовых включений.

Предполагается, что концентрация азота, превышающая 0,015 объемного содержания в процентах в газовой фазе, может привести к микроскопическим и макроскопическим графитовым включениям, как показано на Фигуре 10. Такие включения и дефекты образуются на этапах и отрицательно влияют на свойства образованного алмаза.

Поэтапный механизм роста при азотной концентрации, указанной в варианте осуществления изобретения, является предпочтительным, поскольку он менее подвержен к появлению дефектов и включений в образованном алмазе, приводя к тому, что образованный алмаз практически не содержит дефектов и включений. Такой образованный алмаз обладает ювелирным качеством и обладает превосходными электрическими, оптическими и механическими свойствами по сравнению с другими формами алмаза, выращенного при помощи другого способа. Более того, свойства образованных алмазов также приближаются к свойствам природных алмазов.

Много модификаций можно внести в предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, как описывалось выше, без отступления от сущности и объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к технологии получения алмазов для ювелирных целей. Способ включает помещение подложки, имеющей алмазное зерно с предварительно заданным размером и предварительно заданной оптической ориентацией, в камеру для осуществления химического парофазного осаждения (CVD), подачу в камеру водорода, углеводородного газа, содержащего углерод, газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, оба из которых приспособлены для ускорения скорости роста алмаза на подложке, приложение электрического поля для образования плазмы близ подложки, приводя тем самым к поэтапному росту алмаза на подложке, завершение процесса CVD в камере, огранку и удаление нежелательного углерода из выращенного алмаза, очистку и огранку алмаза, отжигаемого при предварительно заданной температуре в течение заданного периода времени, проведение окончательной огранки алмаза, полировки и придания цвета. За счет добавления очень маленьких количеств легирующих примесей в виде азота и диборана в сочетании с газами, содержащими метан и водород, получают белые алмазы (цвет G и H), практически не содержащие дефектов. 12 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ производства монокристаллических алмазов белого цвета, имеющих ювелирное качество, содержащий:
(a) обеспечение подложки, имеющей алмазное зерно с предварительно заданным размером и предварительно заданной оптической ориентацией, нанесенное на подложку,
(b) помещение подложки с алмазным зерном в камеру, в которой можно осуществить химическое парофазное осаждение (CVD),
(c) подачу в камеру водорода,
(d) создание условий внутри камеры, пригодных для осуществления химического парофазного осаждения,
(e) запуск процесса химического парофазного осаждения в камере,
(f) подачу в камеру углеводородного газа, содержащего углерод,
(g) подачу в камеру газа, содержащего азот, и газа, содержащего диборан, оба из которых приспособлены для ускорения скорости роста алмаза на подложке,
(h) подачу электрического поля в камеру для образования плазмы близ подложки, приводя тем самым к поэтапному росту алмаза на подложке,
(i) завершение процесса химического парофазного осаждения в камере,
(j) огранку и удаление нежелательного углерода из выращенного алмаза,
(k) очистку и огранку алмаза, отжигаемого при предварительно заданной температуре в течение пригодного периода времени,
(l) проведение окончательной огранки алмаза, полировки и придания цвета.

2. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по п. 1, отличающийся тем, что газ, содержащий азот, в сочетании с газом, содержащим диборан, подаются в количестве от 0,0001% до 0,1% по объему газов для выращивания алмаза из алмазного зерна.

3. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по п. 1 или 2, отличающийся тем, что газ, содержащий азот, может быть в виде смеси азота с водородом, азота с кислородом, азота с гелием, азота с оксидом одновалентного азота или азота с дибораном.

4. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что условия включают в себя увеличение температуры в пределах от 750°C до 1200°C и понижение давления в пределах от 120 мбар до 160 мбар.

5. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что углеводородный газ, содержащий углерод, представляет собой метан.

6. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что химическое парофазное осаждение происходит при наличии микроволновой плазмы и водорода.

7. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что плазма в виде микроволной плазмы генерируется магнетроном, работающим с мощностью 6000 ватт и частотой 2,45 ГГц.

8. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что газы проходят через камеру при скорости потока газа, составляющей примерно 30 л/ч.

9. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по п. 8, отличающийся тем, что газы включают в себя кислород и гелий.

10. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что алмазное зерно ориентируется в кристаллической ориентации (100).

11. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что алмазное зерно имеет размер от 3 мм×3 мм до 5 мм×5 мм и с толщиной, варьирующейся от 1 мм до 3 мм.

12. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по одному из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий полировку подложки до обработки поверхности до оптического качества после помещения подложки в камеру.

13. Способ производства монокристаллического алмаза белого цвета по п. 1, отличающийся тем, что температура увеличивается до 2300°C в течение 20 минут для образования комплексов бора и азота для усиления цвета и прозрачности алмаза.