Nuôi cấy kim cương bằng phương pháp CVD

Áp suất cao thông thường là cần thiết cho sự hình thành của kim cương chất lượng đá quý, cho dù là ở trong bên trong của Trái đất hay ở trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, nuôi cấy kim cương tổng hợp bằng kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học (CVD), mà không đòi hỏi áp suất cao, đang thu hút nhiều sự quan tâm trên toàn thế giới.

Phương pháp CVD là một quá trình cách mạng, nó hoàn toàn đối nghịch với HPHT. Thay vì ép carbon thành kim cương, carbon được giải phóng để trở thành viên kim cương tinh khiết. Nhiệt vừa phải được đưa vào một đám mây carbon trong buồng chân không tạo ra các nguyên tử kim cương bám dính và phát triển trên một hạt mầm kim cương. Khí mê-tan và khí hydro được đưa vào một ống thạch anh đường kính khoảng 50mm, và một máy bơm duy trì áp lực trong ống khoảng 5% áp suất khí quyển. Hỗn hợp này được đun nóng bằng cách sử dụng sợi đốt nóng hoặc một chùm vi sóng.

Ban đầu, các tinh thể kim cương nhỏ ngẫu nhiên tạo nhân trên bề mặt, sau đó, theo quá trình tăng trưởng, những hạt này trở nên lớn hơn và cuối cùng kết hợp lại để tạo thành một màng đa tinh thể liên tục. Tốc độ tăng trưởng của quá trình này là khoảng 0,5 mm mỗi ngày. Bên cạnh kim cương, các thù hình khác của carbon cũng được hình thành, ví dụ như than chì, kim cương dạng carbon và hỗn hợp giữa chúng. Khí hydro hoạt tính phản ứng rất mạnh, chúng loại bỏ và lấy đi tất cả các dấu vết của phi kim cương được hình thành.

Từ đầu những năm 1980, rất nhiều phương pháp nuôi cấy kim cương CVD được phát triển. Tất cả mọi phương pháp đó cần một chất nền và môi trường chứa cacbon ở dạng khí được kích thích. Sự kích thích như thế có thể bao gồm các biện pháp nhiệt như sợi đốt nóng filament (HF), DC, RF hay plasma vi sóng, hay một ngọn lửa nung (ví dụ 1 đèn oxi-axetilen). Hai phương pháp hay được dùng nhất, HFCVD và MWCVD.

Phương pháp CVD dùng sợi đốt (HFCVD)

Một giản đồ của thiết bị HFCVD đã được giới thiệu ở hình 1. Trong sơ đồ sắp xếp này, khí trong quá trình (thường là 1%CH4/H2) được cho thêm vào khoang phản ứng nơi nó được kích thích bởi một sợi filament kim loại dạng ruột gà (thường là tantan) duy trì ở ~2100 ᵒC. Những lớp lắng đọng kim cương trên một chất nền được duy trì ở ~900ᵒC được đặt cách sợi filament ~5mm. Những khí thải được bơm ra từ trong khoang.

Giản đồ sơ lược của một hệ thống HFCVD

Hình 1 - Giản đồ sơ lược của một hệ thống HFCVD

Thuận lợi chính của những hệ thống như thế là chúng khá đơn giản (và vì thế không đắt). tuy nhiên, ba nhược điểm chính của CVD được kích thích bằng HF là:

(1) Vùng nuôi cấy bị giới hạn còn ~1cm2.
(2) Vật liệu từ sợi đốt filament có thể làm nhiễm bẩn lớp màng kim cương lắng đọng.
(3) Một loạt các khí có sẵn để dùng cho HFCVD bị hạn chế bởi độ nhạy của sợi đốt filament với sự oxi hóa hay ăn mòn.

Phương pháp CVD plasma sóng cực ngắn (MWCVD)

Thiết kế NIRIM nguyên bản của thiết bị MWCVD được minh họa trong hình 2(a).

Trong cấu hình này một ống thạch anh được đặt bên trong một ống dẫn sóng. Chất nền được đặt bên trên bộ phận làm nóng ở vị trí mà plasma được hình thành. Các thông số trong quá trình (chẳng hạn áp suất, hỗn hợp khí và nhiệt độ chất nền) cơ bản là giống với những gì được sử dụng trong suốt quá trình HFCVD, giống như tỉ lệ hình thành trung bình đối với những màng kim cương được lắng đọng dưới những điều kiện này (cho năng lượng MW< 1.5 kW)

Giản đồ thiết bị MWCVD

Hình 2 - Giản đồ của một thiết bị MWCVD loại NIRIM (a) và loại ASTEX (b)

Vào năm 1988, một thiết kế mới của khoang phản ứng MWCVD đã được đưa ra bởi Bachmann và đồng sự. Một giản đồ của thiết bị phản ứng loại ASTEX như vậy được giới thiệu ở hình 2(b).

Trong cấu hình này những vi sóng được hướng trực tiếp qua ống dẫn sóng và được kết hợp vào khoang thông qua một angten. Những vi sóng xuyên qua một cửa sổ thạch anh và vào bên trong khoang phản ứng.

Một lợi ích của cách sắp xếp này là thành của khoang phản ứng là thép không gỉ, vì vậy những màng kim cương lắng đọng không bị nhiễm bẩn bởi Si và O, đó là những vấn đề mà khi sử dụng ống phản ứng thạch anh trong một khoang phản ứng loại NIRIM không khắc phục được. Khoang thép cũng cho phép sử dụng năng lượng vi ba cao hơn trong thiết kế NIRIM, với những hệ thống có thể vận hành ở mức lớn hơn 6 kW, do đó đẩy tỉ lệ nuôi cấy lên hơn 10mg.h-1

Mặc dù những khoang phản ứng MWCVD thường đắt hơn nhiều (do sự phức tạp của chúng) so với những hệ thống HFCVD, chúng trở thành một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Điều này là do một loạt các thuận lợi: Đầu tiên, sự vắng mặt của một sợi filament có nghĩa là không những có thể sử dụng một lượng lớn các hỗn hợp khí (bao gồm cả những phân tử có chứa oxy) mà còn không có sự nhiễm bẩn nào xảy ra đối với những màng kim cương được hình thành. Đây là điều quan trọng đặc biệt đối với việc nuôi cấy các màng kim cương chất lượng cao cho các ứng dụng điện tử. Những thuận lợi này làm thúc đẩy việc sử dụng một hệ thống ASTEX - MWCVD cho các công trình, chẳng hạn những khảo sát về hỗn hợp khí CH4/CO2 cũng như tổng hợp những màng kim cương pha tạp chất để sử dụng cho các ứng dụng điện tử.

Tìm kiếm

Mới Cập Nhật