Способ получения изотопически чистых алмазных пленок

 

Данное изобретение направлено на получение монокристаллического алмаза, состоящего из изотопически чистого углерода-12 или углерода-13. Изотопически чистый монокристаллический алмаз выращивают на монокристаллическом субстрате непосредственно из изотопически чистого углерода-12 или углерода-13. Способ включает стадии введения в реакционную камеру монокристаллической подложки, нагревают ее до температуры образования алмаза, вводят газообразную смесь водорода и углеводорода, имеющего изотопически чистый углерод-12 или углерод-13. В результате газообразная смесь по крайней мере частично разлагается в камере и на подложке осаждается монокристаллическая пленка. Она необязательно может быть удалена с монокристаллической подложки. Пленка имеет стабильные характеристики и высокую удельную теплопроводность. 3 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к способу получения монокристаллических алмазных пленок, в частности, из изотопически чистого алмаза.

Алмазы с высокой удельной теплопроводностью, например природные алмазы типа 11А, отличаются очень высокой степенью чистоты и имеют удельную теплопроводность при 25^оС (298^оК) порядка примерно 21 Вт/см.К. Алмазы с такой высокой удельной теплопроводностью используют в качестве поглощающего тепло материала, какие используются для подложек полупроводников.

Несмотря на свою высокую стоимость, природные алмазы типа 11А используют в качестве поглощающего тепло материала из-за того, что он имеет самое высокое из известных значений удельной теплопроводности. Традиционно получаемые при высоком давлении и высокой температуре синтетические ювелирные алмазы могут иметь аналогичную высокую удельную теплопроводность. В большинстве своем алмазы, получаемые методами химического отложения паров (ХОП) при низком давлении, не являются монокристаллическими алмазами и имеют значительно более низкие значения удельной теплопроводности, обычно порядка 12 Вт/см.К примерно при 300^оК (далее называемой "теплопроводностью при комнатной температуре").

Известны различные алмазные материалы, которые имеют высокие значения удельной теплопроводности и используются в качестве оптических элементов для очень высокомощных лазерных пучков [1] Эти синтетические алмазы выращены из изотопически чистого углерода-12 или углерода-13 и могут использоваться для указанных целей при значениях теплопроводности при комнатной температуре в пределах 10 20 Вт /см К. Однако методов получения таких алмазов не предложено.

Данное изобретение направлено на получение монокристаллического алмаза, состоящего из изотопически чистого углерода-12 или углерода-13. Алмаз выращивают на подложке из монокристалла непосредственно из изотопически чистого углерода-12 или углерода-13. Один из способов получения изотопически чистого монокристаллического алмаза включает стадию введения в реакционную камеру монокристаллической подложки и нагрев ее до температуры образования алмаза. В камеру подают газообразную смесь водорода и углерода с изотопически чистым углеродом-12 или углеродом-13. Затем газообразная смесь хотя бы частично разлагается в камере с образованием изотопически чистого монокристаллического алмазного слоя на монокристаллическом субстрате. Полученный таким образом изотопически чистый монокристаллический алмазный слой необязательно можно удалить с монокристаллического субстрата.

Другой способ получения изотопически чистого монокристаллического алмаза включает процесс химического переноса, когда графит и водород помещают в реакционную камеру, в которой поддерживают температурный режим и давление, характерные для ХОП. Вероятно водород (или атомарный водород) взаимодействует с графитом, в результате чего образуется газообразный углеводород, который затем разлагается как и в обычном процессе ХОП. В этом способе используют изотопически чистый углерод-12 или углерод-13 в виде графита.

Предполагается, что изотопически чистые монокристаллические алмазные пленки данного изобретения обладают высокой удельной теплопроводностью. Прогнозируемая высокая удельная теплопроводность делает изотопически чистые монокристаллические алмазные пленки данного изобретения идеально пригодными для использования в качестве поглощающего тепло материала в производстве полупроводников, элементов схем из оптических волокон и т.п.

П р и м е р. Данное изобретение отличается от предшествующих разработок тем, что изотопически чистый углерод-12 или углерод-13 непосредственно превращается в изотопически чистые монокристаллические алмазные пленки, а не образует изотопически чистого поликристаллического алмаза, который затем измельчают, и превращают его в изотопически чистые монокристаллические алмазные пленки. Касательно способа ХОП для получения алмазных пленок, раскрытых в данном изобретения, различные процессы ХОП могут быть использованы в данном изобретении и обычно практикуются. В этих процессах газообразные смеси углеводород/водород подают в ХОП реактор на начальной стадии. Источником углеводородов могут быть газы серии метана, например, метан, этан, пропан, ненасыщенные углеводороды, этилен, ацетилен, циклогексен и бензол и т.п.

Однако предпочтительным является метан. Источники углеводородов, в отличие от известных решений, основаны на изотопически чистом углероде-12 или углероде-13, например, ¹²СН₄. Как указано выше, источником газообразного углеводорода может служить изотопически чистый ¹²С или ¹³С графит и газообразный водород. Молярное отношение изотопически чистого углеводорода к водороду колеблется в широких пределах от 1:10 до 1:1000, предпочтительным является 1: 100. Эта газообразная смесь необязательно может быть разбавлена инертным газом, например аргоном. Газообразная смесь подвергается по крайней мере частичному разложению с помощью одного из нескольких известных способов. Один из таких способов предусматривает использование горячего волокна, которое обычно изготовлено из вольфрама, молибдена, тантала или их сплавов.

Следует отметить, что имеются данные о том, что вторичное зародышеобразование во время роста монокристаллических алмазных слоев увеличивается при введении эффективного количества металлоцена или продукта его термического распада, где металл выбирают из класса, включающего железо, кобальт и никель. Сообщается, что используемые металлоцены включают, например, ферроцен и соединения никеля, такие как бис(1-5-циклооктодтен)никель, и кобальта, такие как бис(циклопентадианил)кобальт. Как указывается, эффективное количество металлоцена лежит в пределах примерно от 10^-4 до 1% по объему. Для целей настоящего изобретения было бы важно использовать изотопически чистый углерод в ферроцене, чтобы избежать загрязнения откладываемого алмазного слоя.

Частичное разложение газообразной смеси может быть осуществлено с помощью разряда постоянного тока или электромагнитного излучения высокой частоты с целью получения плазмы.

Субстратом, используемым для отложения и роста монокристаллической алмазной пленки, является монокристаллический материал, которым предпочтительно является монокристаллический алмаз. Могут быть также использованы дополнительно и другие материалы, чья решетка соответствует алмазу, в том числе, например, сплавы медь/никель или кубические кристаллы нитрида бора.

Независимо от конкретного способа, использованного для получения частично разложенной газообразной смеси, монокристаллический субстрат поддерживают при повышенной температуре образования алмаза ХОП, что обычно составляет примерно 500 1100^оС, и предпочтительно лежит в пределах примерно 850 950^оС. Обычно для этих целей на практике используют давления в пределах примерно 0,01- 1000 торр, преимущественно примерно 1-800 торр, причем предпочтительным является пониженное давление.

Чтобы избежать загрязнения изотопически чистого углеводорода, в используемом оборудовании не должен содержаться природный углерод в качестве примеси. С этой целью ХОП камера должна быть изготовлена из материалов, практически не растворяющих углерод. Типичными материалами этого типа являются кварц и медь.

Из углерода-12 и углерода-13 первый является особенно предпочтительным по ряду причин. Углерод-12 присутствует в природе в значительно большем количестве, чем углерод-13, последний обычно встречается в количествах не более примерно 1% по массе. Удельная теплопроводность обратно пропорциональна квадрату массового числа изотопа и алмазы, полученные из углерод-12, поэтому могут иметь удельную теплопроводность примерно на 17% больше, чем алмазы, полученные из углерода-13.

Толщина алмазной пленки, откладываемой на подложке, не является определяющим параметром. Как правило, удобно откладывать такое количество алмаза, которое необходимо для получения монокристалла требуемого размера.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОТОПИЧЕСКИ ЧИСТЫХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК, включающий введение в реакционную камеру газовой смеси водорода и углеводорода, содержащего изотопически чистый углерод-12 или углерод-13, ее разложение и осаждение пленки на монокристаллическую подложку, нагретую до температуры образования алмаза, отличающийся тем, что, с целью получения монокристаллической пленки и повышения стабильности ее характеристик, углеводород содержит углерод-12 или углерод-13 изотопически чистый по крайней мере на 99,1% по массе и разложение ведут с помощью металлоорганического соединения или металла, выбранного из класса, включающего железо, кобальт и никель.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводорода используют ¹²CH₄.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве подложки бурет монокристаллический алмаз.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что подложку нагревают до 500 - 1100^oС и разложение ведут с помощью нити, нагретой до не менее 1850^oС.