Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа

Авторы патента:


Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа
Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа

 


Владельцы патента RU 2572652:

ДИАРОТЕК (BE)

Изобретение относится к синтезу материала, в частности алмаза и полупроводника типа Si-Ge, посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD). Синтез алмаза осуществляют путем создания плазмы в вакуумной камере около субстрата, выполненного с возможностью размещения на нем синтезируемого алмаза, при этом в камеру вводят H2 и вещество-носитель углерода для получения в камере газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых затем синтезируется указанный алмаз. Электромагнитные спектры поглощения и неупругого рассеяния синтезируемого алмаза используют для отбора частот поглощения, способствующих протеканию реакций, приводящих к образованию синтезируемого материала. В ходе способа генерируют энергетические лучи в виде фотонных пучков с энергией, определяемой указанными частотами поглощения и неупругого рассеяния, причем указанные фотонные пучки инжектируют в плазму, где вещества-носители указанных атомов реактивного углерода поглощают эти фотоны, имеющие энергию, соответствующую энергетическим состояниям алмаза. Обеспечивается более высокая скорость осаждения и обеспечивается улучшенное качество получаемого материала. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD), согласно которому в вакуумной камере вблизи субстрата, предназначенного для размещения на нем синтезируемого материала, создают плазму, и согласно которому в камеру вводят Н2 и вещество-носитель углерода, например СН4 или С2Н2, для получения в камере газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, при помощи которых впоследствии осуществляется синтез указанного материала.

Такой способ известен из патента US 4859490. Согласно известному способу используют вакуумную камеру, в которой размещается субстрат и поддерживается давление от 40 до 400 Торр. Плазму создают при помощи электрического потенциала, прикладываемого между нитью накала и сеткой, причем сетка находится между нитью и субстратом. Нить нагревают до температуры не менее 1600°С и в камеру вводят Н2 и газ-носитель углерода, чтобы синтезировать из углерода алмаз посредством химического осаждения из паровой фазы.

Недостатком известного способа является относительно низкая, около 1 мкм в час, скорость осаждения синтезируемого твердого материала, и поэтому процесс, даже если он позволяет получать алмазы хорошего качества, с экономической точки зрения оказывается мало рентабельным.

Настоящее изобретение относится к способу синтеза материала посредством химического осаждения из паровой фазы, позволяющему получить более высокую скорость осаждения, чем в известном способе, и одновременно обеспечить хорошее качество получаемого материала.

Для этого способ по настоящему изобретению включает выбор из электромагнитных спектров поглощения и неупругого рассеяния синтезируемого материала частот поглощения, способствующих реакциям, приводящим к образованию синтезируемого материала, и генерирование лучей в виде фотонных пучков, несущих то количество энергии, которое соответствует каждой из указанных частот поглощения и неупругого рассеяния, причем указанный фотонный пучок вводится (инжектируется) в плазму, где вещества-носители атомов реактивного углерода поглощают фотоны, имеющие энергию, соответствующую энергетическим состояниям твердого вещества. Получение и использование лучей в виде фотонных пучков, энергия которых каждый раз точно соответствует частотам поглощения (собственным или активным по умолчанию) и неупругого рассеяния (для фотонов и нейтронов), позволяет веществам-носителям атомов реактивного углерода, присутствующим в создаваемой в камере плазме, поглощать энергию, в достаточной мере соответствующую энергии энергетических состояний синтезируемого материала. Это позволяет более эффективно направлять предназначенную для поглощения энергию, чтобы синтезировать необходимый материал. В результате вероятность формирования молекул синтезируемого материала значительно повышается, что позволяет добиться намного более высокой скорости осаждения синтезируемого материала, чем в известном способе. Кроме того, эффективное использование предназначенной для поглощения энергии позволяет синтезировать материал отличного качества.

Предпочтительно в качестве носителя атомов реактивного углерода используют газообразный носитель углерода. Добавление газа легко контролировать, и газ обеспечивает более эффективное поглощение энергетических лучей.

В качестве энергетических лучей, способствующих взаимодействию между энергетическими состояниями радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками и энергетическими состояниями фононов получаемого материала, предпочтительно используется инфракрасное излучение. Инфракрасные лучи охватывают широкий диапазон частот, присутствующих в спектре синтезируемого материала. Первый предпочтительный вариант осуществления заявленного способа характеризуется тем, что синтезируемый материал имеет кристаллографическую ячейку, имеющую набор плоскостей, например, октаэдра или, в случае алмаза, додекаэдра, соответствующий двум наборам векторов, где первый набор векторов задает нормали к главным плоскостям кристаллической решетки, причем более высокая плотность атомов определяет возможные плоскости указанного материала, а второй набор состоит из волновых векторов, допускающих распространение фононов в соответствии с кристаллографической структурой рассматриваемого материала. При этом указанный фотонный пучок направляют и инжектируют в направлениях, соответствующих указанным двум наборам векторов. Таким образом, в этом варианте осуществления заявляемый способ включает инжектирование фотонных пучков с энергиями, соответствующими энергии фононных мод ω, ориентированных по соответствующим волновым векторам К, лежащим в зоне Бриллюэна и построенным по кривым дисперсии для указанного материала, например в критических точках и в точках высокой симметрии, включая центр зоны, обычно обозначаемый Г. Эти два набора направлений, относящиеся, соответственно, к ячейкам прямой и обратной решетки, в конечном счете задают направления, выбираемые для фотонного пучка. Учитывая эти два набора векторов во время инжекции фотонного пучка, можно повысить вероятность фотон-фононного взаимодействия и, тем самым, поспособствовать увеличению скорости осаждения синтезируемого материала.

Второй предпочтительный вариант осуществления заявленного способа отличается тем, что в плазму инжектируют пучок лучей УФ-С. Инжекция пучка УФ-С позволяет, в частности, увеличить плотность плазмы и стимулировать таким образом синтез твердого материала.

Третий предпочтительный вариант осуществления заявленного способа отличается тем, что плазму получают путем создания в вакуумной камере электрического поля, причем указанное электрическое поле создают при помощи первого и второго электрического потенциала, где указанный первый электрический потенциал создают в первой области, смещенной вверх по отношению к субстрату, а второй электрический потенциал создают в области, находящейся в непосредственной близости от субстрата, где первая и вторая зоны соседствуют между собой. При этом первый и второй потенциалы имеют градиент, направленный в сторону субстрата, и крутизна первого потенциала больше, чем крутизна второго потенциала. Это позволяет эффективнее концентрировать вещества-носители молекул с незаполненными электронными оболочками или радикалов вблизи от субстрата и таким образом повышать вероятность синтеза материала.

Объектом настоящего изобретения также является устройство для осуществления способа по настоящему изобретению.

Далее следует более детальное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример выполнения заявленного устройства и на которых:

фиг.1a, b и с представляют собой схематичный вид устройства по настоящему изобретению;

фиг.2 и 3 иллюстрируют излучатели для получения фотонного пучка;

фиг.4 иллюстрирует излучатель для генерирования лучей УФ-С;

фиг.5 иллюстрирует способ по изобретению, осуществляемый в устройстве по изобретению;

фиг.6-8 показывают стадии способа;

фиг.9 представляет собой спектр поглощения алмаза, полученного с применением процесса CVD;

фиг.10 иллюстрирует пример выполнения системы для фокусировки плазмы; фиг.11 показывает первый и второй потенциалы;

фиг.12 иллюстрирует первую зону Бриллюэна ячейки материала, такого как алмаз.

На чертежах одинаковые или аналогичные элементы обозначены одинаково.

Фиг.1a, b и с схематично иллюстрируют пример выполнения устройства по настоящему изобретению. На фиг.1а показана конструкция устройства, тогда как на фиг.1b показано расположение в пространстве элементов устройства. Устройство 1 предназначено для применения способа синтеза материала посредством химического осаждения из паровой фазы с использованием горячей нити накаливания (HFCVD, т.е. Hot Filament Chemical Vapor Deposition). Тем не менее должно быть понятно, что представленное устройство позволяет также осуществлять любой другой способ, предназначенный для синтеза материала посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD), и что изобретение не ограничивается способом HFCVD и может использоваться для любого способа CVD-типа.

Устройство 1, показанное на фиг.1a, b и с, содержит вакуумную камеру 2, которую предпочтительно доводят до давления 10-3 Торр, прежде чем запустить процесс синтеза. Вакуум в камере создают известным способом, например при помощи насоса. В камере находится носитель 3 субстрата, например в виде площадки, выполненной с возможностью размещения на ней синтезируемого материала 17. Этот материал может быть любым веществом, подходящим для осуществления осаждения, например таким, как алмаз, W, WCCo, WCNi, диоксид кремния и т.д.

В предпочтительном варианте носитель субстрата соединен с первым источником 16 напряжения переменного тока по причинам, которые будут описаны ниже. В случае необходимости носитель субстрата может также быть соединен с источником 16' постоянного тока. Предпочтительно носитель 3 субстрата устанавливают на охлаждающей площадке 18, служащей для регулирования температуры субстрата. Для этого с этой охлаждающей площадкой 18 соединяют вход 19А и выход 19В охлаждающей жидкости.

Над субстратом находится сетка 4, а над сеткой - нить 5 накаливания. Предпочтительно нить установлена между двумя коллиматорами 5А, которые служат для фокусировки электрического поля с целью лучшей коллимации плазмы. Коллиматоры обеспечивают лучшее распределение температуры и плазмы в области осаждения. Необходимо также отметить, что изобретение не ограничено показанным на фиг.1а и b расположением сетки и нити, и что их можно менять местами.

Сетка 4 соединена с вторым источником 6 напряжения, а нить 5 - с третьим источником 7 напряжения. Второй и третий источники напряжения являются источниками постоянного тока. В случае необходимости сетку можно также соединить с четвертым источником напряжения переменного тока (на чертеже не показан). Нить соединяют также с пятым источником 8 напряжения, который является источником переменного тока. Первые, вторые и третьи источники напряжения служат для изменения электрического потенциала между субстратом, сеткой и нитью накаливания, тогда как пятый источник 8 напряжения служит для нагрева нити. Посредством изменения электрического потенциала между субстратом, сеткой и нитью накаливания можно изменять электрическое поле в камере и, таким образом, контролировать создаваемую в камере плазму. Напряжение, подаваемое на нить накаливания и на сетку, может меняться от 0,1 до 400 вольт в зависимости от синтезируемого материала. Сетка, в основном, предназначена для регулирования потока химических веществ, несущих радикалы или молекулы с незаполненными электронными оболочками и присутствующих в камере, тогда как нить накаливания служит для активации газа.

Устройство по настоящему изобретению содержит также систему 9 фокусировки плазмы, расположенную вблизи субстрата, предназначенную для улучшения распределения температуры и плазмы в области, где происходит синтез твердого материала и его осаждение. На фиг.10 представлен пример такой системы 9 фокусировки плазмы. Система фокусировки плазмы представляет собой, например, кольцо 50, установленное вокруг субстрата и смещенное вверх по отношению к субстрату. Система 9 фокусировки может также представлять собой набор металлических проводов, согнутых по существу в виде перевернутого U и размещенных вокруг субстрата. Система фокусировки плазмы получает питание от шестого источника 10 напряжения, который дает постоянный ток. Форма кольца для фокусировки плазмы в сочетании с нитью накаливания предпочтительно имеет вид двух полуокружностей, расположенных с двух сторон от носителя субстрата. В предпочтительном варианте систему 9 фокусировки плазмы располагают с наклоном в сторону носителя субстрата, чтобы лучше фокусировать плазму в направлении субстрата.

Устройство по настоящему изобретению содержит также генераторы 11-1 - 11-5 фотонных пучков, расположенные сверху камеры и предназначенные для генерирования энергетических лучей, в частности инфракрасных (ИК) лучей в виде фотонных пучков. Число генераторов фотонных пучков определяют в зависимости от кристаллографии вещества, и оно не ограничено числом, показанным на фиг.1а и b. Можно также использовать один-единственный генератор фотонных пучков, как это сделано в варианте выполнения, проиллюстрированном на фиг.1 с. Этот генератор или эти генераторы предназначены для генерирования энергетических лучей, частота которых определяется в зависимости от спектральной плотности Ψ(ω, К) синтезируемого материала, где ω является частотой, а К является волновым вектором, который поляризован или не поляризован в плоскости, как описано ниже. Наконец, устройство оснащено генератором 12-1, 12-2 и 12-3 (последний на чертеже не показан) пучков лучей УФ-С. Эти генераторы предпочтительно располагаются по кругу через промежутки 120° по соображениям симметрии.

Следует отметить, что из соображений простоты изложения будет описан только вариант выполнения генераторов фотонных пучков, предназначенных для генерирования инфракрасных лучей. Тем не менее изобретение не ограничивается этим вариантом выполнения, и могут быть использованы другие энергетические лучи электромагнитного спектра, взаимодействующие с материалом (рентгеновские лучи, УФ лучи, видимые лучи).

Поскольку внутри камеры 2 необходимо получать плазму, устройство по настоящему изобретению содержит также связанный с источником 13 питания вход, позволяющий вводить в камеру водород (Н2) и вещество-носитель углерода, в частности в виде газа-носителя углерода. Разумеется, вводимое вещество соответствует синтезируемому материалу. Источник соединен с камерой через вентиль 14 контроля расхода, позволяющий регулировать поток нагнетаемого в камеру газа. Для формирования алмаза вещество-носитель углерода вводят в камеру для получения газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых в дальнейшем происходит синтез формируемого материала. Газ-носитель углерода является, например, метаном (СН4) или ацетиленом (С2Н2). Эта реакция синтеза сама по себе известна и описана, например, в статье авторов J.E.Butler, Y.A.Mankelevich, A.Cheesman, Jie Ma и M.N.R. Ashfold под названием "Understanding the chemical vapor deposition of diamond: recent progress", опубликованной в "Journal of Physics Condensed Matter", 21, 2009. В случае необходимости газ можно предварительно нагревать при помощи нагревательного устройства 15, и лишь затем подавать в камеру. С камерой связан блок 27 откачки газа, предназначенный для откачки газа и обеспечения равновесного давления газа внутри камеры. Для формирования материала, отличного от алмаза, вещество, необходимое для получения указанного материала, вводят в камеру для получения в ней газа, содержащего вещества-носители базовых атомов реактивного материала в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых в дальнейшем происходит синтез формируемого материала.

Вблизи субстрата находится зона осаждения. Именно в этой зоне осаждения происходит реакция синтеза, и поэтому в зоне осаждения распределение температуры и распределение активируемых химических веществ должны быть равномерными.

Способ по настоящему изобретению основан на физическом явлении резонанса во время селективного возбуждения и взаимодействия специфических квантовых состояний активных химических веществ и специфических квантовых состояний синтезируемого материала. Этот синтезируемый материал может быть как твердым веществом, так и жидкостью и даже газом. Задачей изобретения является повышение эффективности способа синтеза путем обеспечения селективных переходов на уровне квантовых состояний. Способ по настоящему изобретению увеличивает вероятность получения материала в ходе синтеза, предопределяя определенные специфические квантовые состояния, соответствующие действительному или кажущемуся спектру поглощения этого материала в ходе этапов реакции и приводящих к формированию указанного материала.

Способ по настоящему изобретению также увеличивает вероятность формирования химического вещества, предопределяя некоторые специфические квантовые переходы, соответствующие синтезируемому материалу. Наконец, способ по настоящему изобретению увеличивает вероятность формирования химического вещества, предопределяя некоторые специфические квантовые состояния синтезируемого химического вещества в ходе этапов реакции во время соответствующего формирования указанного химического вещества.

В рамках заявленного способа в камеру подают энергию (EDAst), которая может действовать в отдельные моменты реакции или в течение всей реакции. Так, различают:

- EDst, которая является энергией диссоциации, приводящая к разрыву некоторых из химических связей, присутствующих в веществе, и селективному формированию, в частности посредством резонанса, исходных или переходных веществ, которые впоследствии должны привести к получению синтезируемого материала. Энергию диссоциации дают, например, лучи УФ-С.

- EAst, которая является энергией структурирования, формирования, агрегации или конфигурирования формируемой структуры. Эта энергия приводит к фиксации структуры формируемого или синтезируемого вещества.

Функция спектральной плотности [Ψ(ω, К)] синтезируемого материала представляет собой сумму функций спектральных плотностей состояний. Ψ(ω, К)=ΨE(ω, К)+Ψv(ω, К)+ΨR(ω, К)+Ψт(ω, К),

где ΨE является функцией спектральной плотности электронных состояний, Ψv является функцией спектральной плотности вибрационных или звуковых состояний, ΨR является функцией спектральной плотности вращательных состояний и Ψт является функцией спектральной плотности трансляционных состояний. Более подробно эта функция спектральной плотности состояний на примере вибрационных состояний алмаза описана в статье Claude Klein, Thomas Hartnett и Clifford Robinson под названием "Critical-point phonon frequencies of diamond", опубликованной в Physical Review В, том 45 №22 от 1 июня 1992 года. В частности, в случае алмаза общая функция спектральной плотности состояний описывается суммой функций спектральной плотности электронных (ΨE(ω, К)) и вибрационных (Ψv(ω, К)) состояний. Если материал представляет собой жидкость, то необходимо учитывать вращательные состояния, а для газа необходимо учитывать трансляционные состояния.

В способе по настоящему изобретению используется такая функция спектральной плотности состояний или, в ее отсутствие, действительный или кажущийся электромагнитный спектр поглощения синтезируемого материала. Для алмаза можно обратиться к спектру поглощения, показанному на фиг.9 в статье Klein и других. Эти электромагнитные спектры поглощения являются спектрами, собственными для данного материала или наблюдаемыми по умолчанию. Эти электромагнитные спектры поглощения являются в том числе спектрами неупругого рассеяния фотонов или нейтронов на синтезируемом материале. Из электромагнитного спектра поглощения отбирают частоты поглощения (fi), характеризующие синтезируемый материал и участвующие, таким образом, в реакциях, приводящих к формированию синтезируемого материала.

Так, например, по-прежнему отталкиваясь от статьи Klein и др., используют 17 уровней энергии при l≤i≤17 из таблицы II, соответствующей двухфотонному спектру (и (или) из таблицы I в той же статье, соответствующей однофотонному спектру). Основываясь на этих уровнях энергии и соответствующих им частотах поглощения для каждой из этих частот fi формируют фотонный пучок, несущий энергию Ei=hfi, где h является постоянной Планка. Таким образом, для алмаза получают семнадцать фотонных пучков, каждый из которых имеет четко определенную энергию Ei. Разумеется, число частот зависит от синтезируемого твердого материала. Выбор i=17 связан с примером из статьи Klein и соавторов и ни в коем случае не ограничивает настоящее изобретение.

Разумеется, можно использовать все частоты спектра синтезируемого материала, показанные на фиг.9 указанной статьи. Однако на практике достаточно взять наиболее характерные частоты, необходимые для определения материала. Так, можно взять значения, представленные в таблице III из статьи R. Vogelgesang, A. Alvarenga, Hyunjung Kim, A. Ramdas и S. Rodrigues под названием "Multiphonon Raman and infrared spectra of isotopically controlled diamond", опубликованной в Physical Review В, том 58, номер 9 от сентября 1998 года, стр.5408-5416. Однако, как видно из этой таблицы, не все уровни энергии активны в инфракрасном диапазоне частот, поэтому нет необходимости получать фотонный пучок для тех частот, которые не обладают активностью.

Таким образом, энергия каждого фотонного пучка представляет собой энергию возбуждения определенных фононных мод синтезируемого материала. Так, присутствующие в плазме вещества-носители атомов реактивного углерода, которые контактируют фотоном и при этом обладают частотой поглощения, соответствующей частоте фотонов данного пучка, будут подвергаться, если речь идет о синтезе твердого материала, вибрационным переходам, что будет влиять на их взаимодействие с субстратом (или с уже сформировавшейся твердой фазой). Поскольку энергия фотонов соответствует энергии фононных состояний синтезируемого материала, в результате достигается более эффективное взаимодействие и более целенаправленная реакция на поверхности указанного материала, что придает способу по изобретению более высокую эффективность по сравнению с уже известным способом, в котором энергия распределяется по всем частотам неселективно (электронные, вибрационные и т.д.). Способ по настоящему изобретению для оптимального взаимодействия двух систем использует явление взаимодействия материала и веществ-носителей атомов реактивного углерода в межфазной области посредством фотонов.

Эти фотонные пучки инжектируются в плазму, присутствующую в камере 2, при помощи генераторов 11-i. Энергия каждого фотонного пучка представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы вызвать резонансное поглощение на уровне фононных состояний. Таким образом, вещества, содержащие атомы реактивного углерода, присутствующие в плазме, будут поглощать эту энергию, приводя к более эффективной реакции синтеза формируемого твердого материала. Поскольку энергия фотонов каждый раз соответствует энергии фононных состояний, получают более целенаправленную реакцию с более высокой вероятностью поглощения энергии фотонов, что дает более высокую эффективность способа по сравнению с известным способом, где энергия распределяется по всем частотам неселективно.

На фиг.2 представлен пример выполнения излучателя (11-i), генерирующего фотонный пучок. Такой генератор позволяет получать фотонный пучок с энергиями Е, соответствующими выбранным частотам fi поглощения. Генератор содержит корпус 20, предпочтительно изготовленный из меди для обеспечения высокой производительности.

Этот корпус имеет форму усеченного конуса и содержит в своей головной части набор керамических нагревательных пластин 21, формирующих инфракрасный (ИК) генератор. В представленном примере генератор содержит семь пластин, распределенных по всей поверхности и показанных в верхней части фигуры. Генератор содержит также входы 22 для газа, например аргона. Этот газ служит для уменьшения окисления внутренней стенки, что позволяет поддерживать ее высокий коэффициент отражения. Газ снижает также и поглощение генерируемых инфракрасных лучей, а также способствует образованию фотонного пучка с очень селективным значением энергии. В случае необходимости для обеспечения циркуляции жидкости в системе 29 охлаждения предусмотрен насос 28.

Рядом с входом в усеченную конусную трубу установлен первый набор широкополосных фильтров 23. Эти фильтры сформированы, например, из сапфиров. Вместо использования набора фильтров можно использовать только один фильтр, хотя такие решение и является более дорогим. Этот набор фильтров позволяет выбирать частоту генерируемой энергии. Под первым фильтром установлен второй набор узкополосных фильтров 24 таким образом, что первый и второй наборы фильтров находятся с двух сторон от входа газа 22-1. Этот второй набор состоит из многополосных оптических фильтров, позволяющих выбрать все частоты fi, необходимые для реакции синтеза. На конце генератора находится оптическая линза 25, которая служит коллиматором для фотонного пучка. Электрический источник питания 26, связанный с регулятором, позволяет контролировать температуру излучателя.

Таким образом, в ходе работы генератора фотонного пучка частота генерируемых фотонов регулируется с помощью первого и второго наборов фильтров 23 и 24. Излучатель 21 генерирует фотоны, а необходимая энергия fi получается посредством регулирования наборов фильтров 23 и 24. Так, из второго набора фильтров 24 выходит фотонный пучок с энергией Ei=hfi для выбранной частоты fi. Наличие нескольких генераторов ll-i позволяет генерировать несколько энергетических пучков Ei(fi) одновременно.

Синтезируемый материал имеет кристаллическую решетку, которой можно приписать два набора векторов. Первый набор векторов задает нормали к основным плоскостям кристаллической ячейки, характеризующимся более высокой атомной плотностью, определяющим возможные плоскости указанного твердого материала, например, в случае алмаза - плоскости октаэдра или додекаэдра. Второй набор волновых векторов состоит из волновых векторов, задающих направления, разрешенные для распространения фононов в соответствии с кристаллографической структурой материала.

Более подробно это описано, например, в статье A. Ramdas под названием "Raman, Brillouin and infrared spectroscopy of phonons in conventional diamond", опубликованной в IEE за июль 2000 года. На фиг.12 показана первая зона Бриллюэна решетки такого материала, как алмаз, с точками высокой симметрии Г, L, X, W, Σ, ξ, Указанный фотонный пучок ориентируют и инжектируют в направлениях, соответствующих указанными векторами. Способ включает также инжекцию фотонных пучков, обладающих энергиями фононных мод ω и ориентированных по соответствующим волновым векторам К, лежащим в зоне Бриллюэна и построенным по кривой дисперсии для указанного синтезируемого твердого материала, например в критических точках и в точках высокой симметрии, включая центр зоны, обычно обозначаемый Г. Эти два набора направлений, относящиеся, соответственно, к ячейкам прямой и обратной решетки, в конечном счете задают направления, выбираемые для фотонного пучка. Учитывая эти два набора векторов во время инжекции фотонного пучка, можно добиться повышения вероятности взаимодействия и таким образом увеличить скорость осаждения синтезируемого твердого материала.

Для повышения эффективности синтеза желательно учитывать такие кристаллографические факторы и инжектировать фотонные пучки в направлениях, соответствующих нормалями к граням кристаллической решетки, и (или) также в направлениях, соответствующих волновым векторам, определяющим разрешенные для распространения фононов направления. Следует отметить, что хотя такой вариант осуществления способа по настоящему изобретению улучшает описанную выше инжекцию фотонов, такую инжекцию можно также проводить напрямую, не учитывая эти преимущественные направления. Генераторы установлены на камере так, чтобы обеспечивать возможность такого выбора.

На фиг.3 представлен другой пример выполнения одночастотного генератора 30 фотонного пучка. Этот генератор содержит корпус 31 излучателя, который тоже предпочтительно выполнен из меди для обеспечения высокого коэффициента отражения фотонов. В верхней части корпуса, имеющего форму усеченного конуса, установлена керамическая нагревательная пластина 32 с узкой полосой излучения. На верхней части предусмотрен также вход газа 33. Этот газ играет ту же роль, что и в примере на фиг.2.

Описываемый генератор содержит первый набор широкополосных фильтров 34, позволяющий предварительно выбрать частоту, соответствующую fi, за счет сужения полосы пропускания. В то же время, этот первый фильтр позволяет уменьшать тепло, производимое генератором. Второй набор узкополосных фильтров 35 позволяет выбирать требуемую частоту fi, а оптическая линза 36 обеспечивает коллимацию фотонных пучков.

Наконец, источник питания 37 обеспечивает подачу электрического тока, а регулятор 38 позволяет регулировать температуру.

Чтобы дополнительно стимулировать синтез материала, необходимо, чтобы в плазме было достаточно радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками. Действительно, такие радикалы или молекулы являются основными «кирпичиками» в процессе осаждения материала. Для этого способ по настоящему изобретению включает в себя генерирование пучков УФ-С лучей, которые затем инжектируют в плазму. На фиг.4 представлен пример выполнения такого генератора (40) лучей УФ-С. Этот генератор содержит корпус 41, предпочтительно изготовленный из алюминия для обеспечения высокого коэффициента отражения лучей УФ-С. Внутри корпуса 41 установлена лампа УФ-С 42. Эта лампа производит лучи УФ-С, которые проходят к коллиматору 43, имеющему вид воронки. Предпочтительно излучатель лучей УФ-С установлен на боковой стенке камеры для непосредственной инжекции лучей в плазму. Таким образом, лучи УФ-С стимулируют реакцию СН4→СН+3-, что приводит к повышению концентрации катионов СН+3, способствующих синтезу требуемого материала.

Чтобы еще больше повысить эффективность осаждения в ходе синтеза формируемого материала используют систему фокусировки плазмы. На фиг.10 показан первый вариант выполнения такой системы. В камере установлено кольцо 50, расположенное вблизи от носителя 3 субстрата и смещенное по высоте относительно субстрата 17. Кольцо находится под нитью 5 накаливания и связано с электрическим источником питания. Второй вариант выполнения системы фокусировки плазмы можно получить путем замены кольца, показанного на фиг.10, электрическим проводником, сконфигурированным в виде последовательности извилистых элементов, расположенных вблизи от носителя 3 субстрата. Как кольцо, так и электрический проводник производят электрическое поле, направленное к субстрату, которое будет фокусировать присутствующую в камере плазму в направлении субстрата. Система фокусировки плазмы находится между сеткой 4 и субстратом 3.

Далее описание способа по настоящему изобретению излагается со ссылками на фиг.5-8 и 11. Сетка 4 и нить накаливания 5 позволяют создать первый электрический потенциал в первой зоне RFG, смещенной вверх относительно субстрата. Эта первая зона находится в области сетки 4 и нити 5. Система фокусировки плазмы позволяет создать второй электрический потенциал во второй зоне RD, находящейся на поверхности носителя 3 субстрата. Первая и вторая зоны являются смежными, чтобы не создавать, если можно так выразиться, «пустоты» между первым и вторым потенциалами. В камере находится также зона RPF плазмы вокруг нити 5. В первой зоне RFG плазма устанавливается за счет разности потенциалов между нитью и сеткой. В зоне RGC вблизи от субстрата плазма устанавливается за счет разности потенциалов между сеткой и системой фокусировки 9, тогда как в зоне RCS под системой фокусировки плазма устанавливается за счет разности потенциалов между системой фокусировки и носителем субстрата.

Учитывая разную конфигурацию и техническую концепцию первого и второго потенциала, они имеют разные градиенты. Даже несмотря на то, что оба электрических поля, создающих эти потенциалы, направлены к субстрату, градиент первого потенциала превышает по модулю градиент второго потенциала. На фиг.11 показано распределение электрического поля в камере. Для облегчения понимания на фиг.11 тоже показаны сетка 4, нить 5 накаливания и субстрат 3. На этой фигуре видно, что потенциал концентрируется вокруг субстрата, создавая таким образом потенциальную яму, в которой находится субстрат. Действительно, вокруг нити потенциал концентрируется таким образом, чтобы простираться над носителем субстрата. Таким образом, в этой области субстрата условия для осаждения при синтезе материала будут более благоприятны. Отмечается, что вокруг сетки электрическое поле имеет конфигурацию в виде овального контура. В примере, представленном на фиг.11, напряжение на сетке составляет 185 В, на нити накаливания -25 В, а на носителе субстрата - 0,1 В, и система фокусировки находится под напряжением 20 В. На этой фигуре также видно, что потенциал, производимый системой фокусировки, способствует концентрированию плазмы вокруг носителя субстрата.

Далее более дательное описание способа по настоящему изобретению излагается со ссылками на фиг.5-8. В камере 2 создается плазма 60, как это было описано выше, и в камеру вводят газ через источник 13. Значения первого и второго потенциалов устанавливают в зависимости от синтезируемого материала.

На основе функции спектрального распределения или, в случае ее отсутствия, на основе спектра поглощения синтезируемого материала пользователь определяет различные частоты fi поглощения, чтобы при помощи генераторов 11 получить фотонные пучки 61 с энергией Ei=hfi, необходимой для синтеза материала. На фиг.5 показано, каким образом в зоне RI энергетические лучи заходят в камеру. В случае необходимости направляемые в камеру лучи могут быть поляризованы. В этом случае учитывают направление волнового вектора, связанного со значением частоты, и плоскость поляризации волнового вектора, связанного с кристаллографией материала. Полученную таким образом энергию направляют в плазму, где ее могут поглотить вещества-носители атомов реактивного углерода, присутствующие в плазме. Поскольку плазму фокусируют вблизи субстрата и на его поверхности, в результате добиваются лучшего энергетического взаимодействия между веществами-носителями атомов реактивного углерода и субстратом, где присутствует уже сформировавшийся материал.

Улучшения также можно достичь, активируя генераторы 17 лучей УФ-С, которые будут селективно возбуждать вещества, содержащиеся в плазме. Это должно позволить увеличить содержание в плазме селективной формы, содержащей радикалы или молекулы с незаполненными электронными оболочками, и повысить, таким образом, вероятность поглощения энергии. Эти лучи УФ-С поступают в зону RAS, то есть в зону сетки. В случае алмаза в плазму инжектируют 17 значений частот в соответствии с набором векторов L, W, Е и ξ четыре пучка в направлении вектора L, три пучка в направлении вектора W, семь пучков в направлении вектора 2 и три пучка в направлении вектора Наконец, при помощи системы фокусировки можно образовать плазменную яму 63 вокруг носителя субстрата (зона RD), чтобы сфокусировать таким образом вокруг субстрата вещества, содержащие атомы реактивного углерода.

Разумеется, изобретение не ограничивается синтезом алмаза, и его можно применять для других синтезируемых материалов. Так, например, способ по настоящему изобретению можно применять для легирования алмаза бором с целью получения сверхпроводника. Условием для получения сверхпроводника является плотность атомов nв>3×1020 атомов /см3 (>600 частей на миллион). Чтобы получить сверхпроводник, сначала способ по настоящему изобретению осуществляют аналогично способу, описанному для синтеза алмаза. Для осуществления легирования алмаза бором в камеру подают газ-носитель бора, например триметилборат или трихлорид бора, или диборан, в частности диборан (В2Н6) в количестве от 0,01 до 200 частей на миллион по отношению к Н2, в частности от 1 части на миллион до 20 частей на миллион. Этот газ-носитель бора вводят, например, когда слой алмаза уже имеет толщину не менее 1 мкм, в частности примерно от 1 до 5 мкм. После резонансного физико-химического синтеза алмаза в камеру инжектируют также второй фотонный пучок с частотой, соответствующей электрон-фононному взаимодействию, которое приводит к сверхпроводимости. В частности, второй фотонный пучок делят на первый и второй фрагменты второго пучка и в плазму инжектируют два фрагмента фотонного пучка, соответствующие частоте фонона, связанной с присутствием бора, что приводит к появлению сверхпроводимости. В частности, первый фрагмент второго фотонного пучка инжектируют в направлении LO (Г→L и Г→ξ), а второй фрагмент фотонного пучка инжектируют в направлении ξ, из набора векторов L, W, Е, ξ, со смещением на 4 мэВ по отношению к значению нелегированного алмаза. Более детально фононная мода LO описана в статье М. Hoesch и др. под названием "Discovery of phonons causing superconductivity in diamonds looking for room temperature - superconductors in diamonds", опубликованной в JAEA R&D Review, 2007, стр.45.

Можно представить себе возможность уменьшения мощности различных фотонных пучков, соответствующих осаждению алмаза, пропорционально разности энергии для связей типа В-С относительно связей С-С. Такое уменьшение приведет к тому, что рост алмаза не будет преобладать над формированием сверхпроводимости, что, таким образом, облегчает или уравновешивает процесс замещения углерода (С) бором (В).

Другим применением способа по настоящему изобретению является легирование алмаза бором для получения полупроводника типа р. Условием получения полупроводника является плотность атомов nв<1×1020 атомов/см3 (<600 частей на миллион). При этом используют газ-носитель бора, аналогичный тому, который используют для получения сверхпроводника, но в количестве 0,01-100 частей на миллион по отношению к Н2, в частности от 0,1 части на миллион до 10 частей на миллион. После резонансного физико-химического синтеза алмаза в камеру также инжектируют третий фотонный пучок с частотой, соответствующей электрон-фононному взаимодействию, приводящему к появлению полупроводниковых свойств. В частности, третий фотонный пучок делят на первый и второй фрагменты третьего пучка и инжектируют в плазму фрагменты фотонных пучков, соответствующие частоте фонона, связанной с присутствием бора, что приводит к появлению полупроводниковых свойств. Так, в плазму инжектируют пять фотонных пучков, соответствующих частоте фононов, ответственной за полупроводниковые свойства. Первый фрагмент состоит из трех пучков, которые инжектируют в направлении L, а второй фрагмент содержит два пучка, которые инжектируют в направлении ξ, из набора векторов L, W, Е, ξ. Как и при получении сверхпроводников, можно предусмотреть возможное уменьшение мощности.

Еще одним применением способа по настоящему изобретению является легирование алмаза азотом (N) для получения полупроводника типа n. Условием получения полупроводника является плотность атомов от 25 до 2500 частей на миллион. При этом используют газ-носитель азота, например N2, NH3, CH3NH2, в частности N2, при соотношении N2 относительно СН4 0,1-1. После резонансного физико-химического синтеза алмаза в камеру также инжектируют фотоны с частотой, соответствующей электрон-фононному взаимодействию, приводящему к появлению полупроводниковых свойств типа n. В частности, в плазму в соответствии с набором ориентационных векторов инжектируют фотонные пучки, соответствующие фононной частоте, связанной с присутствием азота для центра типа С, и (или) три фотонных пучка, соответствующих фононной частоте, связанной с присутствием азота для агрегата типа А, и (или) четыре фотонных пучка, соответствующих фононной частоте, связанной с присутствием азота для агрегата типа В. Как и при получении полупроводников типа р, можно предусмотреть возможное уменьшение мощности.

Способ по настоящему изобретению позволяет также легировать алмаз фосфором для получения полупроводника типа n. Используют газ-носитель фосфора, например фосфин (РН3) с молярным соотношением фосфор/углерод от 4·10-2 до 4·10-5, в частности от 2·10-2 до 1·10-3. После резонансного физико-химического синтеза алмаза в камеру также инжектируют четвертый фотонный пучок с частотой, соответствующей электрон-фононному взаимодействию, приводящему к появлению полупроводниковых свойств типа n. В частности, в плазму в соответствии с набором ориентационных векторов инжектируют фотонные пучки с энергией 523 мэВ и 562 мэВ, соответствующие фононной частоте, связанной с присутствием фосфора в кристаллической решетке и ответственной за полупроводниковые свойства. При этом также может быть предусмотрено возможное уменьшение мощности.

Способ по настоящему изобретению также позволяет путем легирования получать полупроводник типа Si-Ge (кремний-германий). Следует отметить, что в примере легирования Si германием Ge эпитаксия германия Ge на кремнии Si и образование сплава типа Si1-xGex в процессе CVD приводит к появлению напряжения на границе раздела и внутри кристалла, связанного с разностью между характеристиками решетки Si и решетки Ge. Эти напряжения являются источником дефектов в кристаллической структуре. Поэтому, как правило, гетероэпитаксия Ge на Si начинается с появления островков Ge на Si. Эти островки имеют формы пирамиды и пиков, которые могут привести к образованию агрегатов Ge. В результате образуется негомогенное покрытие.

Покрытие Si и Ge в настоящее время считается высококачественным, если плотность дефектов, связанных с появлением таких деформаций, оказывается меньше 0.3 частицы/см2, с низкой плотностью дислокаций менее 106/см2. Способ по настоящему изобретению позволяет получать покрытие Si-Ge, которое будет иметь меньшее количество дефектов или, возможно, даже не будет иметь их совсем. Для этого способ получения покрытия Si-Ge включает:

(а) этап химического осаждения из паровой фазы (CVD) кремния на субстрате из чистого кремния или на чистом субстрате при температуре от 500°С до 600°С, предпочтительно при температуре (Т0) 500°С в присутствии водорода. Давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 0,1 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар. В качестве газа-предшественника кремния используют SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4 или Si(CH3)4, особенно SiH4, до получения толщины слоя предпочтительно от 3 до 5 нм. Можно также использовать смесь одного или нескольких из этих газов-предшественников. Для достижения более высокой скорости осаждения и получения более качественного покрытия, чем в случае базового процесса, в камеру в направлении субстрата и в соответствии с набором ориентационных векторов L, W, Е, ξ инжектируют фотонные пучки, соответствующие частоте фонона, связанного со связью Si-Si. Получив необходимую толщину слоя, введение SiH4 прекращают, а температуру фотонного пучка понижают до 400°С-550°С, предпочтительно до 430°С-460°С в присутствии водорода. Давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(b) этап стабилизации температуры субстрата при первой температуре (T2) от 400°С до 550°С, предпочтительно при температуре от 430°С до 460°С, в частности при температуре от 450°С в присутствии водорода. В предпочтительном варианте давление в камере составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(c) этап химического осаждения из паровой фазы (CVD) германия при первой температуре, обозначаемой Т1, на субстрате из чистого кремния или на субстрате из кремния, полученного после осаждения кремния методом CVD, до получения слоя германия заранее определенной или конечной желаемой толщины, полученного на слое кремния, при этом газом-предшественником германия предпочтительно является GeH4. При этом в камеру в направлении субстрата и в соответствии с набором ориентационных векторов L, W, Σ, ξ инжектируют фотонный пучок, соответствующий частоте фонона, ассоциированного со связью Ge-Ge, и фотонный пучок, соответствующий частоте фонона, ассоциированного со связью Si-Ge. Последний будет действовать во время формирования первых атомных слоев Ge, то есть во время формирования границы раздела Si-Ge. В дальнейшем мощность фотонного пучка, соответствующего этой связи (Si-Ge), будет уменьшена и даже доведена до нуля с сохранением при этом мощности фотонного пучка, соответствующего связи Ge-Ge. Это позволяет уменьшить количество дефектов в покрытии, то есть получить покрытие более высокого качества с более высокой скоростью осаждения. Этот этап осуществляют в присутствии водорода. Давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

а также необязательные этапы:

(d1) - этап, на котором CVD-осаждение германия и инжектирование фотонного пучка, соответствующий частоте фонона, ассоциированного с связью Ge-Ge, прекращают при температуре ниже температуры (Т2) при третьей температуре (ТЗ) от 500°С до 600°С, предпочтительно от 540 до 560°С, в частности при 550°С, причем данный этап осуществляют в присутствии водорода. Давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(d2) - этап CVD-осаждения при третьей температуре (Т3) сплава Si1-xGex, где х≤0,9, до получения промежуточного слоя Si1-xGex необходимой толщины. Предпочтительно газом-предшественником германия является GeH4. Газом-предшественником для кремния является SiH2Cl2, SiHCl3, SiCl4 или Si(CH3)4, особенно SiH4. После этого в камеру в направлении субстрата и в соответствии с набором ориентационных векторов L, W, Σ, ξ инжектируют фотонный пучок (ИК) [и/или] два фотонных пучка (ИК и рамановский), соответствующие частотам фононов, ассоциированных со связью Si-Ge. Этот этап осуществляют в присутствии водорода. Давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(d3) переходный этап, при третьей температуре (Т3), на котором CVD-осаждение сплава Si1-xGex переходит в CVD-осаждение чистого германия. Поток газа-предшественника кремния останавливают, чтобы перейти к следующему этапу. Останавливают также инжекцию фотонного пучка (фотонных пучков), соответствующего(их) частоте фонона, ассоциированного со связью Si-Ge, чтобы начать инжектировать фотонный пучок, соответствующий частоте фонона, ассоциированного со связью Ge-Ge. Переход от фотонного пучка, соответствующего частоте фонона Si-Ge, к фотону, соответствующему частоте фонона Ge-Ge, предпочтительно должен происходить синхронно, предпочтительно посредством одновременного уменьшения-увеличения соответствующих мощностей. Этот этап осуществляют в присутствии водорода. Давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(d4) - этап, на котором CVD-осаждение германия продолжают при температуре (Т3), чтобы получить германиевое покрытие в качестве верхнего слоя и Si1-xGex в качестве промежуточного слоя. Во время осуществления этапа поддерживают фотонный пучок, соответствующий частоте фонона Ge-Ge. Этот этап осуществляют в присутствии водорода, и давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(d5) - этап, на котором температуру CVD-осаждения германия повышают с третьей температуры (Т3) до четвертой температуры (Т4) 750-850°С, предпочтительно 800-850°С. Во время осуществления этого этапа поддерживают фотонный пучок, соответствующий частоте фонона, ассоциированного со связью Ge-Ge. В предпочтительном варианте температура Т4 равна температуре Т2, этап осуществляют в присутствии водорода, и при этом давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар;

(e) Этап увеличения температуры химического осаждения из паровой фазы (CVD) германия с первой температуры (Т1) до второй температуры (Т2), ограниченной значением в диапазоне 750°С-850°С, предпочтительно 800°С-850°С. Этот этап осуществляют без фотонного пучка, соответствующего частоте фонона, ассоциированного со связью Ge-Ge. Тем не менее этот этап осуществляют в присутствии водорода, и давление в камере предпочтительно составляет от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар.

(f) продолжение CVD-осаждения германия при второй температуре (Т2) до тех пор, пока не будет получен слой германия желаемой толщины. Поддерживают фотонный пучок, соответствующий частоте фонона, ассоциированного со связью Ge-Ge. Данный этап осуществляют в присутствии водорода и при давлении в камере, составляющем от 0,01 мбар до 1000 мбар, в частности от 1 мбар до 800 мбар.

1. Способ синтеза алмаза посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD), в котором создают плазму в вакуумной камере около субстрата, выполненного с возможностью размещения на нем синтезируемого алмаза, и в котором в камеру вводят H2 и вещество-носитель углерода для получения в камере газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых затем синтезируется указанный алмаз, отличающийся тем, что электромагнитные спектры поглощения и неупругого рассеяния синтезируемого алмаза используют для отбора частот поглощения, способствующих протеканию реакций, приводящих к образованию синтезируемого материала, а также тем, что в ходе способа генерируют энергетические лучи в виде фотонных пучков с энергией, определяемой указанными частотами поглощения и неупругого рассеяния, причем указанные фотонные пучки инжектируют в плазму, причем вещества-носители указанных атомов реактивного углерода поглощают эти фотоны, имеющие энергию, соответствующую энергетическим состояниям алмаза.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве указанного вещества-носителя углерода используют газ-носитель углерода.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергетических лучей, связывающих энергетические состояния радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками и энергетическими состояниями фононов алмаза, используют инфракрасные лучи.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергетических лучей используют рентгеновские лучи, УФ лучи и видимые лучи.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что синтезируемый алмаз имеет кристаллографическую ячейку, задающую набор плоскостей, например октаэдр, или, в случае алмаза, додекаэдр, и характеризующуюся двумя наборами ориентационных векторов, первый из которых задает нормали к главным плоскостям кристаллической решетки, причем возможные плоскости для указанного алмаза определяются повышенной плотностью его атомов, а второй состоит из волновых векторов, задающих направления, разрешенные для распространения фононов в зависимости от кристаллографической структуры указанного алмаза, при этом указанный фотонный пучок направляют и инжектируют в направлениях, соответствующих указанным двум наборам ориентационных векторов.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанным веществом-носителем углерода является СН4 или С2Н2.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в плазму инжектируют пучок лучей УФС.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутую плазму получают, созданием в вакуумной камере электрического поля, при этом указанное электрическое поле создают при помощи первого и второго электрических потенциалов, причем первый электрический потенциал создают в первой зоне, смещенной вверх относительно субстрата, а второй электрический потенциал создают в зоне, находящейся непосредственно около субстрата, при этом первая и вторая зоны расположены смежно друг относительно друга, и при этом первый и второй потенциалы имеют градиент, направленный в сторону подложки, причем величина градиента первого потенциала больше, чем величина градиента второго потенциала.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что второй потенциал создают при помощи генератора, установленного около субстрата.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что первый потенциал создают при помощи сетки и нити накаливания, установленных над субстратом.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что субстрат поддерживают при заданной температуре во время осаждения синтезируемого алмаза.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение осуществляют из паровой фазы с использованием горячей нити накаливания.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при достижении слоем синтезируемого алмаза толщины по крайней мере 1 мкм алмаз легируют путем инжекции в камеру газа-носителя бора в количестве от 0,01 до 200 частей на миллион по отношению к Н2, при этом в плазму инжектируют второй фотонный пучок, имеющий частоту, соответствующую электрон-фононному взаимодействию, для получения материала со свойствами сверхпроводимости.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что второй фотонный пучок делят на первый фрагмент пучка, инжектируемый в направлении LO (Г→L и Г→ξ), и на второй фрагмент, инжектируемый в направлении ξ, согласно набору ориентационных векторов L, W, Σ, ξ, со смещением на 4 мэВ относительно значения нелегированного алмаза.

15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при достижении слоем синтезируемого алмаза толщины по крайней мере 1 мкм алмаз легируют посредством инжекции в камеру газа-носителя бора в количестве от 0,01 до 100 частей на миллион по отношению к Н2, при этом в плазму инжектируют третий фотонный пучок, имеющий частоту, соответствующую электрон-фононному взаимодействию, для получения материала с полупроводниковыми свойствами.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что третий фотонный пучок делят на первый фрагмент пучка, инжектируемый в направлении L, и на второй фрагмент, инжектируемый в направлении ξ, согласно набору ориентационных векторов L, W, Σ, ξ.

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при достижении слоем синтезируемого алмаза толщины по крайней мере 1 мкм алмаз легируют посредством инжекции в камеру газа-носителя азота при соотношении количества азота и количества СН4 от 0,1 до 1, при этом в плазму инжектируют четвертый фотонный пучок, имеющий частоту, соответствующую электрон-фононному взаимодействию, для получения полупроводниковых свойств n-типа.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что в плазму в соответствии с набором ориентационных векторов инжектируют четвертый фотонный пучок, соответствующий фононной частоте, связанной с присутствием азота для центра типа С, и/или три фотонных пучка, соответствующие фононной частоте, связанной с присутствием азота для агрегата типа А, и/или четыре фотонных пучка, соответствующие фононной частоте, связанной с присутствием азота для агрегата типа В.

19. Способ формирования полупроводника типа Si-Ge посредством химического осаждения из паровой фазы, отличающийся тем, что осаждение осуществляют в камере, при этом способ включает:
- химическое осаждение кремния из паровой фазы на субстрат при температуре от 500°C до 600°C в присутствии водорода в камере, в которой поддерживается давление от 0,01 до 1000 мбар, при этом указанное осаждение осуществляют посредством инжекции в камеру фотонного пучка, соответствующего частоте фонона, ассоциированного со связью Si-Si, до тех пор, пока осажденный слой кремния не будет иметь толщину по крайней мере 3 нм;
- стабилизацию температуры субстрата при первой температуре, лежащей в диапазоне от 400°C до 550°C;
- химическое осаждение германия из паровой фазы на слой Si при температуре, лежащей в диапазоне от 400°C до 550°C, до получения слоя Ge заданной толщины с инжекцией в камеру сначала фотонного пучка, соответствующего частоте фонона, ассоциированного со связью Si-Ge, а затем другого фотонного пучка, соответствующего частоте фонона, ассоциированного со связью Ge-Ge;
- увеличение температуры химического осаждения из паровой фазы до значения, лежащего в диапазоне от 750°C до 850°C, в присутствии водорода;
- поддержание инжекции фотонного пучка, соответствующего частоте фонона,
ассоциированного со связью Ge-Ge, до получения слоя заданной толщины.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что фотонный пучок инжектируют в соответствии с набором ориентационных векторов кремния.

21. Способ по п. 2, отличающийся тем, что
в качестве энергетических лучей, связывающих энергетические состояния радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками и энергетическими состояниями фононов синтезируемого материала, используют инфракрасные лучи, рентгеновские лучи, УФ лучи или видимые лучи, а синтезируемый материал имеет кристаллографическую ячейку, задающую набор плоскостей, предпочтительно октаэдр или, в случае алмаза, додекаэдр, и характеризующуюся двумя наборами ориентационных векторов, первый из которых задает нормали к главным плоскостям кристаллической решетки, причем возможные плоскости для указанного материала определяются повышенной плотностью его атомов, а второй состоит из волновых векторов, задающих направления, разрешенные для распространения фононов в зависимости от кристаллографической структуры указанного материала, при этом указанный фотонный пучок направляют и инжектируют в направлениях, соответствующих указанным двум наборами ориентационных векторов.

22. Устройство для синтеза алмаза посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD), содержащее субстрат, выполненный с возможностью размещения на нем синтезируемого алмаза, и вакуумную камеру, содержащую генератор плазмы, выполненный с возможностью генерирования плазмы в камере около субстрата, при этом камера содержит вход, выполненный с возможностью введения в камеру H2 и вещества-носителя углерода, в частности газа-носителя углерода, при этом камера выполнена с возможностью получения в ней из вещества-носителя углерода и H2 газа, содержащего радикалы или молекулы с незаполненными электронными оболочками, из которого синтезируется указанный алмаз, отличающееся тем, что оно содержит генератор фотонных пучков, установленный на камере и выполненный с возможностью генерирования энергетических лучей в виде фотонных пучков с энергиями, определяемыми частотами поглощения, отобранными в электромагнитном спектре поглощения и неупругого рассеяния синтезируемого алмаза, причем такие пучки стимулируют прохождение реакции, приводящей к образованию синтезируемого алмаза, причем указанный генератор фотонных пучков установлен на камере с возможностью инжекции генерируемого пучка в камеру под углом, соответствующим одновременно и ориентационным векторам алмаза, задающим нормали к плоскостям алмаза, и волновому вектору зоны Бриллюэна, связанному с энергией фононной моды, включая моду в центре зоны, определяющей энергию фотонного пучка, при этом указанный генератор фотонного пучка установлен на камере с возможностью инжекции фотонного пучка в плазму, причем вещество-носитель атомов реактивного углерода поглощает указанные фотоны с энергией, соответствующей фононным состояниям алмаза.

23. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что оно содержит второй генератор, выполненный с возможностью генерирования пучка лучей УФС, при этом указанный генератор установлен на камере с обеспечением возможности инжекции лучей УФС в плазму, генерируемую указанным генератором плазмы.

24. Устройство по любому из пп. 22-23, отличающееся тем, что оно содержит систему фокусировки плазмы, установленную около субстрата.

25. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что система фокусировки плазмы выполнена в виде кольца.

26. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что система фокусировки плазмы выполнена в виде провода, выполненного в виде последовательности извилистых элементов вокруг субстрата.

27. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что указанным веществом-носителем углерода является СН4 или С2Н2.

28. Устройство по п. 22, отличающееся тем, что в качестве энергетических лучей используют инфракрасные лучи и/или рентгеновские лучи, УФ лучи или видимые лучи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству стержней поликристаллического кремния. Способ осуществляют в реакторе, содержащем донную плиту, образующую нижнюю часть реактора и колоколообразный вакуумный колпак, прикрепленный с возможностью снятия к донной плите, в котором на донной плите расположено множество газоподводящих отверстий для подачи сырьевого газа снизу вверх в реактор, и газовыводящих отверстий для выпуска отработанного газа после реакции, и в котором множество газоподводящих отверстий расположено концентрически по всей площади, охватывающей верхнюю поверхность донной плиты, в которой устанавливают множество кремниевых затравочных стержней, причем кремниевые затравочные стержни нагревают, и поликристаллический кремний осаждают из сырьевого газа на поверхностях кремниевых затравочных стержней, при этом прекращают подачу сырьевого газа из газоподводящих отверстий вблизи центра реактора в течение заданного времени, в то время как подают сырьевой газ из других газоподводящих отверстий на ранней стадии реакции, и обеспечивают путь для нисходящего газового потока после столкновения с потолком вакуумного колпака.

Изобретение относится к технологии получения стержней из поликристаллического кремния. .

Изобретение относится к уплотнению пористых субстратов пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации с использованием установки для осуществления этого способа.

Изобретение относится к пленкообразующему устройству, согласующему блоку упомянутого устройства и способу управления импедансом и может найти применение при изготовлении изделий с пленочным покрытием, полученным плазмохимическим осаждением из газовой фазы.

Изобретение относится к способу контроля или моделирования процесса уплотнения по меньшей мере одного пористого субстрата пиролитическим углеродом путем химической инфильтрации газовой фазой, в соответствии с которым помещают в печь партию из одного или более субстратов, подлежащих уплотнению, нагревают указанный субстрат, подают в печь реакционный газ, содержащий по меньшей мере один углеводород, являющийся источником углерода, устанавливают в печи давление, при котором реакционный газ способен диффундировать в поры нагретого субстрата с образованием в них осадка пиролитического углерода, и выпускают из печи отработанный газ через выпускную трубу, соединенную с выходным отверстием печи.

Изобретение относится к металлическим покрытиям, нанесенным путем химико-термического осаждения из паровой фазы, а также к продуктам и способам. .

Изобретение относится к способу для формирования тонких пленок оксида на поверхности подложки, устройству для формирования тонких пленок (варианты) и способу мониторинга процесса формирования тонких пленок и может быть использовано при изготовлении упаковок в различных отраслях производства.

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке устройств, которые могут быть использованы для контроля процессов образования и разложения летучих соединений при нанесении покрытий из металлов (неметаллов) на металлических подложках.

Изобретение относится к способу для формирования тонких пленок оксида на поверхности подложки, устройству для формирования тонких пленок (варианты) и способу мониторинга процесса формирования тонких пленок и может быть использовано при изготовлении упаковок в различных отраслях производства.

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.

Изобретение относится к способу управления концентрацией и однородностью распределения легирующей примеси в синтетическом CVD-алмазном материале, используемом в электронных устройствах и датчиках.

Микроволновый плазменный реактор для производства синтетического алмазного материала с помощью химического осаждения из газовой фазы содержит: микроволновый генератор, сконфигурированный для генерации микроволн на частоте f; плазменную камеру, содержащую основание, верхнюю пластину и боковую стенку, простирающуюся от упомянутого основания до упомянутой верхней пластины, задавая объемный резонатор для поддержания микроволновой резонансной моды между основанием и верхней пластиной; конфигурацию микроволновой связи для подачи микроволн от микроволнового генератора в плазменную камеру; систему газового потока для подачи технологических газов в плазменную камеру и удаления их оттуда; держатель подложки, расположенный в плазменной камере и содержащий поддерживающую поверхность для поддержания подложки; и подложку, расположенную на поддерживающей поверхности.

Изобретение относится к технологическим процессам получения легированных алмазов, которые могут быть использованы в электронике и приборостроении, а также в качестве ювелирного камня.

Изобретение относится к технологии производства синтетического алмазного материала, который может быть использован в электронных устройствах. Алмазный материал содержит одиночный замещающий азот ( N s 0 ) в концентрации более примерно 0,5 ч/млн и имеющий такое полное интегральное поглощение в видимой области от 350 нм до 750 нм, что по меньшей мере примерно 35% поглощения приписывается N s 0 .

Изобретение относится к технологии химического осаждения из газовой фазы алмазных пленок и может быть использовано, например, для получения алмазных подложек, в которых монокристаллический и поликристаллический алмаз образует единую пластину, используемую в технологии создания электронных приборов на алмазе или применяемую в рентгеновских монохроматорах, где необходимо осуществить теплоотвод от монокристаллического алмаза.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического бесцветного алмаза химическим осаждением из паровой фазы (ХОПФ), который может быть использован для оптических и ювелирных применений.
Изобретение относится к контактному кольцу для осевого торцевого уплотнительного узла, включающему базовое тело, которое выполнено по меньшей мере из одного материала, содержащего карбидный материал, и покрытие, которое содержит алмазный материал, нанесено на базовое тело и образует поверхность скольжения.

Изобретение относится к плазменному реактору и может найти применение для высокоскоростного осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда. .

Изобретение относится к изготовлению слоя бесцветного алмаза (монокристаллического и поликристаллического) химическим осаждением из паровой фазы (ХОПФ-алмаза), который может быть использован, например, для оптических применений или в качестве драгоценных камней.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического, полученного химическим осаждением из газовой фазы (ХОГФ), синтетического алмазного материала, который может быть использован в качестве квантовых датчиков, оптических фильтров, частей инструментов для механической обработки и исходного материала для формирования окрашенных драгоценных камней. Алмазный материал имеет общую концентрацию азота непосредственно после выращивания, равную или превышающую 5 ч./млн, и однородное распределение дефектов, которое определяется одной или более из следующих характеристик: (i) общая концентрация азота, когда она отображается масс-спектрометрией вторичных ионов (МСВИ) по площади, равной или превышающей 50×50 мкм, используя область анализа 10 мкм или менее, обладает поточечной вариацией менее чем 30% от среднего значения общей концентрации азота, или когда она отображается посредством МСВИ по площади, равной или превышающей 200×200 мкм, используя область анализа 60 мкм или менее, обладает поточечной вариацией менее чем 30% от среднего значения общей концентрации азота; (ii) концентрация азотно-вакансионных дефектов (NV) непосредственно после выращивания равна или превышает 50 ч./млрд при измерении с использованием замеров УФ-видимого поглощения при 77 К, где азотно-вакансионные дефекты однородно распределены по алмазному материалу так, что при возбуждении с использованием источника лазерного излучения с длиной волны 514 нм с размером пятна равным или меньше чем 10 мкм при комнатной температуре с использованием 50 мВт лазера, работающего в непрерывном режиме, и отображаемая по площади, равной или превышающей 50×50 мкм, с интервалом данных менее 10 мкм, имеется низкая поточечная вариация, где отношение площадей интенсивностей азотно-вакансионных пиков фотолюминесценции между областями высокой интенсивности фотолюминесценции и областями низкой интенсивности фотолюминесценции составляет менее 2 для либо пика фотолюминесценции (NV0) при 575 нм, либо пика фотолюминесценции (NV-) при 637 нм; (iii) вариация в рамановской интенсивности такова, что при возбуждении с использованием источника лазерного излучения с длиной волны 514 нм (приводящему к рамановскому пику при 552,4 нм) с размером пятна, равным или меньше чем 10 мкм, при комнатной температуре с использованием 50 мВт лазера, работающего в непрерывном режиме, и отображаемая по площади, равной или превышающей 50×50 мкм, с интервалом данных менее 10 мкм, имеется низкая поточечная вариация, где отношение площадей рамановских пиков между областями низкой рамановской интенсивности и высокой рамановской интенсивности составляет меньше 1,25; (iv) концентрация азотно-вакансионных дефектов (NV) непосредственно после выращивания равна или превышает 50 ч./млрд при измерении с использованием замеров УФ-видимого поглощения при 77 К, где при возбуждении с использованием источника лазерного излучения с длиной волны 514 нм с размером пятна, равным или меньше чем 10 мкм, при 77 К с использованием 50 мВт лазера, работающего в непрерывном режиме, интенсивность при 575 нм, соответствующая NV0, превышает более чем в 120 раз рамановскую интенсивность при 552,4 нм, и/или интенсивность при 637 нм, соответствующая NV-, превышает более чем в 200 раз рамановскую интенсивность при 552,4 нм; (v) концентрация одиночных азотных дефектов замещения (Ns) равна или превышает 5 ч./млн, где одиночные азотные дефекты замещения однородно распределены по монокристаллическому, полученному ХОГФ, синтетическому алмазному материалу, так что используя характерное инфракрасное поглощение при 1344 см-1 и делая выборку площади больше чем площадь 0,5 мм2, вариация, выведенная делением стандартного отклонения на среднее значение, составляет менее 80%; (vi) вариация в интенсивности красной люминесценции, определенная посредством стандартного отклонения, разделенного на среднее значение, составляет менее 15%; (vii) среднее стандартное отклонение в концентрации нейтрального одиночного азота замещения составляет менее 80%; и (viii) интенсивность окраски, измеренная с использованием гистограммы изображения, полученного микроскопией, со средним уровнем яркости больше чем 50, где интенсивность окраски является однородной по монокристаллическому синтетическому алмазному материалу, так что вариация в сером цвете, характеризующаяся стандартным отклонением уровня яркости, разделенным на среднее значение уровня яркости, составляет менее 40%. Алмазный материал имеет высокое и однородное распределение общих азотных дефектов, одиночных азотных дефектов замещения Ns, азотно-вакансионных дефектов NV, не имеет полосчатости в условиях фотолюминесценции. Однородность достигается по всему алмазному материалу, выращенному в ходе одного цикла и от цикла к циклу выращивания. 19 з.п. ф-лы, 8 ил., 5 табл.
Наверх