Ни­кто и не пред­по­ла­гал, что ме­тод раз­ра­бо­тан­ный во вре­мя Вто­рой ми­ро­вой вой­ны для при­ме­не­ния в во­ен­ных це­лях, бу­дет в те­че­ние ше­сти де­сят­ков лет слу­жить де­лу вы­ра­щи­ва­ния син­те­ти­че­ских ал­ма­зов для по­сле­ду­ю­щей встав­ки в юве­лир­ные укра­ше­ния.

Сле­дить за эво­лю­ци­ей тех­но­ло­ги­че­ских до­сти­же­ний – за­ня­тие по­рой очень да­же увле­ка­тель­ное, од­на­ко ча­ще все­го де­ло при­хо­дит­ся иметь с ли­те­ра­ту­рой, ори­ен­ти­ро­ван­ной ис­клю­чи­тель­но на фа­на­тов хи­мии и фи­зи­ки или на уз­ких спе­ци­а­ли­стов в сфе­ре ал­ма­зов и брил­ли­ан­тов, ко­па­ю­щих­ся в мел­ких де­та­лях конъ­юнк­ту­ры рын­ка. Пред­ла­га­ем ва­ше­му вни­ма­нию крат­кий об­зор все­го то­го, что вам хо­те­лось узнать о про­цес­се хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния (ХПО – CVD, chemical vapor disposition), и о мно­гом дру­гом.

В на­ча­ле 50-х го­дов ХХ ве­ка пе­ре­до­вые тех­но­ло­гии то­го вре­ме­ни поз­во­ля­ли вы­ра­щи­вать в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях син­те­ти­че­ские ве­ще­ства, в том чис­ле син­те­ти­че­ские ал­ма­зы. Спер­ва ис­поль­зо­вал­ся ме­тод с при­ме­не­ни­ем вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры и вы­со­ко­го дав­ле­ния, а с 70-х го­дов – про­цесс хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния.

Про­цесс по­на­ча­лу пред­на­зна­чал­ся для вы­ра­щи­ва­ния ве­ще­ств, на­хо­див­ших свое при­ме­не­ние в про­мыш­лен­но­сти. Се­год­ня его ис­поль­зу­ют в про­из­вод­стве син­те­ти­че­ских ал­ма­зов юве­лир­но­го ка­че­ства.

Вы­ра­щи­ва­ние ал­ма­зов в «хи­ми­че­ской ба­не» в усло­ви­ях низ­ко­го дав­ле­ния – тех­но­ло­гия, поз­во­ля­ю­щая кон­тро­ли­ро­вать ко­неч­ные ха­рак­те­ри­сти­ки по­лу­ча­е­мо­го ма­те­ри­а­ла и тем са­мым от­кры­ва­ю­щая нам но­вые го­ри­зон­ты их при­ме­не­ния в раз­лич­ных от­рас­лях про­мыш­лен­но­сти. Ис­поль­зо­ва­ние ме­то­да ХПО для вы­ра­щи­ва­ния ал­ма­зов с за­дан­ны­ми свой­ства­ми да­ет воз­мож­ность мак­си­маль­но эф­фек­тив­но вос­поль­зо­вать­ся ме­ха­ни­че­ски­ми, теп­ло­вы­ми, оп­ти­че­ски­ми и элек­тро­про­во­дя­щи­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми по­лу­ча­е­мо­го ма­те­ри­а­ла.

Ме­тод ХПО поз­во­ля­ет вы­ра­щи­вать син­те­ти­че­ские ал­ма­зы в ви­де ши­ро­ких плос­ких пла­сти­нок. Вне­се­ние по­сто­рон­них вклю­че­ний в ал­маз в про­цес­се его вы­ра­щи­ва­ния да­ет воз­мож­ность по­лу­чать по­лу­про­вод­ни­ки р-ти­па, а это еще од­но ши­ро­кое раз­но­об­ра­зие ви­дов при­ме­не­ния.

Брил­ли­ан­ты, об­ра­бо­тан­ные под вы­со­кой тем­пе­ра­ту­рой

Зна­че­ние про­цес­са ХПО

Хи­ми­че­ское па­ро­фаз­ное оса­жде­ние – про­цесс со­зда­ния ве­ществ вы­со­кой сте­пе­ни чи­сто­ты, ко­то­рый ис­поль­зу­ет­ся в про­из­вод­стве по­лу­про­вод­ни­ков для из­го­тов­ле­ния тон­ко­го, пле­ноч­но­го слоя ма­те­ри­а­ла. Под­лож­ка под­вер­га­ет­ся воз­дей­ствию ле­ту­чих или не­ста­биль­ных со­еди­не­ний, и в про­цес­се хи­ми­че­ской ре­ак­ции по­яв­ля­ет­ся же­ла­е­мое ве­ще­ство. Осталь­ные по­боч­ные про­дук­ты хи­ми­че­ской ре­ак­ции вы­во­дят­ся из ка­ме­ры или ней­тра­ли­зу­ют­ся пу­тем вве­де­ния в нее спе­ци­аль­ных га­зов. В хо­де про­цес­са ХПО есть ста­дия вве­де­ния при­ме­сей. Раз­лич­ные по­сто­рон­ние ве­ще­ства, на­ме­рен­но вво­ди­мые в аб­со­лют­но чи­стое ве­ще­ство, из­ме­ня­ют его ха­рак­те­ри­сти­ки про­во­ди­мо­сти, маг­нит­ные и оп­ти­че­ские свой­ства. Бла­го­да­ря чув­стви­тель­но­сти по­лу­ча­е­мо­го ма­те­ри­а­ла, его за­ви­си­мо­сти от вве­ден­ных при­ме­сей по­яви­лась воз­мож­ность внед­ре­ния та­ко­го ма­те­ри­а­ла в раз­лич­ные дру­гие про­цес­сы, а так­же при­ме­не­ния в оп­ти­ко-элек­трон­ных устрой­ствах. Для по­лу­че­ния же­ла­е­мых элек­трон­ных па­ра­мет­ров в по­лу­про­вод­ни­ке со­зда­ет­ся очень тон­кий слой «по­сто­рон­не­го» ве­ще­ства. Обыч­но этот про­цесс про­ис­хо­дит при тем­пе­ра­ту­ре от 600 до 800 гра­ду­сов Цель­сия и длит­ся от 6 до 12 ча­сов. Ин­тен­сив­ность ро­ста ма­те­ри­а­ла на под­лож­ке за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры и вре­ме­ни.

По­лу­про­вод­ни­ки под­раз­де­ля­ют­ся на два ви­да: по­лу­про­вод­ни­ки с по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом ос­нов­ных но­си­те­лей (р-тип) и по­лу­про­вод­ни­ки с от­ри­ца­тель­ным за­ря­дом ос­нов­ных но­си­те­лей (n-тип).

Про­цесс вве­де­ния при­ме­сей в по­лу­про­вод­ни­ки был впер­вые изоб­ре­тен во вре­мя Вто­рой ми­ро­вой вой­ны, ко­гда воз­ник­ла по­треб­ность в ма­те­ри­а­лах, име­ю­щих ха­рак­те­ри­сти­ки ме­тал­лов, что­бы со­здать не­об­хо­ди­мые усло­вия для функ­ци­о­ни­ро­ва­ния ра­дар­ных си­стем.

Бо­лее об­щий про­цесс хи­ми­че­ско­го па­ро­фаз­но­го оса­жде­ния вклю­ча­ет в се­бя мно­же­ство раз­лич­ных спо­со­бов и ме­то­дик, под­хо­дя­щих для по­лу­че­ния тех или иных свойств или ма­те­ри­а­лов. В про­из­вод­стве ма­те­ри­а­лов для мик­ро­элек­тро­ни­ки ХПО ис­поль­зу­ет­ся для при­да­ния им опре­де­лен­ной фор­мы – мо­но­кри­стал­ла, по­ли­ме­ра, кри­стал­ли­че­ской це­поч­ки, аморф­но­го ма­те­ри­а­ла и т.д. Тут-то мы и по­до­бра­лись к те­ме, име­ю­щей от­но­ше­ние к ал­маз­ной про­мыш­лен­но­сти: про­цесс ХПО так­же при­ме­ня­ет­ся для вы­ра­щи­ва­ния син­те­ти­че­ских ал­ма­зов.

Спо­соб вы­ра­щи­ва­ни­я

Спо­со­бы вы­ра­щи­ва­ния пу­тем хи­ми­че­ско­го оса­жде­ния ха­рак­те­ри­зу­ют­ся уров­нем дав­ле­ния, фи­зи­че­ски­ми свой­ства­ми ма­те­ри­а­ла, тем, как он «растет» в плаз­ме, и тем, как про­те­ка­ет сам про­цесс.

Под­раз­де­ле­ние по дав­ле­нию:

- ХПО в усло­ви­ях ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ни­я
- ХПО в усло­ви­ях низ­ко­го дав­ле­ния (та­кой про­цесс ми­ни­ми­зи­ру­ет по­боч­ные га­зо­об­ра­зу­ю­щие эф­фек­ты, уве­ли­чи­вая цель­ность по­лу­ча­е­мо­го пле­ноч­но­го слоя)
- ХПО в усло­ви­ях сверх­вы­со­ко­го ва­ку­у­ма

Под­раз­де­ле­ние по фи­зи­че­ским свой­ствам вво­ди­мо­го ма­те­ри­а­ла:

- ХПО с при­ме­не­ни­ем аэро­зо­ля, спрея или га­за­
- ХПО с впрыс­ки­ва­ни­ем жид­ко­сти не­по­сред­ствен­но в ка­ме­ру (уве­ли­чи­ва­ет ско­рость ро­ста ма­те­ри­а­ла)

Под­раз­де­ле­ние по плаз­мен­но­му ме­то­ду (вы­ра­щи­ва­ние в иони­зи­ро­ван­ном га­зе вы­зы­ва­ет ак­ку­му­ли­ро­ва­ние плаз­мы; вы­пол­ня­ет­ся в ла­бо­ра­тор­ных усло­ви­ях, по­сколь­ку тре­бу­ет на­гре­ва­ния до вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры или про­пус­ка­ния элек­три­че­ско­го то­ка че­рез газ):
- ХПО, ак­ти­ви­ро­ван­ный мик­ро­вол­но­вой плаз­мой­
- ХПО с пря­мой ак­ти­ва­ци­ей плаз­мой (поз­во­ля­ет уве­ли­чи­вать ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции с вво­ди­мым ве­ще­ством)
- ХПО с уда­лен­ной ак­ти­ва­ци­ей плаз­мой (под­лож­ка не на­хо­дит­ся в пря­мом кон­так­те с об­ла­стью раз­ряд­ки плаз­мы)

Под­раз­де­ле­ние по спо­со­бу ор­га­ни­за­ции про­цес­са:

- ХПО го­ре­ния, при ко­то­ром вво­ди­мые ве­ще­ства сго­ра­ют и оса­жда­ют­ся в ви­де тон­кой плен­ки
- ХПО с ис­поль­зо­ва­ни­ем го­ря­че­го на­гре­ва­те­ля (ни­ти) для раз­ло­же­ния вво­ди­мых га­зо­в
- Атом­но-сло­е­вое ХПО
- ХПО быст­ро­го на­гре­ва­ния, при ко­то­ром ис­поль­зу­ют­ся лам­пы на­ка­ли­ва­ния для разо­гре­ва под­лож­ки, из­бе­гая на­гре­ва га­зов или сте­нок ка­ме­ры­
- Ме­тал­ло­ор­га­ни­че­ское ХПО
- Гибрид­ное фи­зи­ко-хи­ми­че­ское па­ро­фаз­ное оса­жде­ние, при ко­то­ром од­но­вре­мен­но ис­поль­зу­ет­ся и вы­со­кое дав­ле­ние, и хи­ми­че­ское раз­ло­же­ние вво­ди­мо­го га­за и ис­па­ре­ние ис­ход­но­го твер­до­го ве­ще­ства
- ХПО в ви­де так на­зы­ва­е­мой па­ро­фаз­ной эпи­так­сии, ко­гда плен­ка по­лу­ча­ет­ся пу­тем оса­жде­ния мо­но­кри­стал­ли­че­ско­го ма­те­ри­а­ла на мо­но­кри­стал­ли­че­скую под­лож­ку

Из опи­сан­но­го вы­ше лег­ко по­нять, что син­те­ти­че­ские ал­ма­зы, вы­ра­щи­ва­е­мые ме­то­дом ХПО, не при­зва­ны «от­нять хлеб» у про­из­во­ди­те­лей при­род­ных брил­ли­ан­тов, а, ско­рее, пред­став­ля­ют со­бой ма­те­ри­ал с улуч­шен­ны­ми, управ­ля­е­мы­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми. Т.е. они поз­во­ля­ют усо­вер­шен­ство­вать и бо­лее эф­фек­тив­но ис­поль­зо­вать не­ко­то­рые си­сте­мы, су­ще­ству­ю­щие в на­шей жиз­ни. Как, рас­ска­жу поз­же.

Вско­ре бу­дет на­пе­ча­та­на вто­рая ста­тья из дан­ной се­рии.

Ста­тья пер­во­на­чаль­но опуб­ли­ко­ва­на в 208-м но­ме­ре жур­на­ла HaYahalom