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Verfahren zum Wachsen von künstlichen Diamanten
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wachsen bzw. Erzeugen von
künstlichen Diamanten.
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Es wurden bereits Vorschläge zum Wachsen synthetischer Diamanten aus
kleinen Diamanten beispielsweise durch Niederschlagen bzw.
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Abscheiden von Kohlenstoff aus der Dampfphase auf der Diamantoberfläche
unterbreitet.Nach diesen Vorschlägen tritt ein Kristallwachsen auf den äußeren Oberflächen
des kleinen Diamanten ein. Es wurde nun ein Verfahren erkannt, daß dadurch gekennzeichnet
ist, daß ein künstlicher Diamant durch einen Prozess innerlichen Wachsens innnerhalb
eines kleinen Diamantkristalls hergestellt werden kann.
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Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Wachsen eines Diamantkristalls
dadurch gekennzeichnet, daß der Diamantkristall mit einem Kohlenstoff-Ionenstrom
ausreichender Energie beschossen wird, um den Diamantkristall zu durchdringen und
ein Kristallwachsen zu bewirken, das wenigstens überwiegend innerlich ist, wobei
die Kristalltemperatur derart ist, daß die Diamantkristallstruktur während des Wachsens
aufrechterhalten bleibt.
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Die Bedingungen des Beschiessens sollten so gewählt werden, daß die
Möglichkeit einer Strahlungsbeschädigung zwecks Erzeugung einer Amorphisierung des
Diamanten vermieden ist. Das "Zerstäubungsverhältnis", d.h. die Anzahl der Atome,
die aus der Kristalloberfläche durch Zerstäuben entfernt werden, pro einfallendes
Ion ist natürlich kleiner als 1, da sonst der unter Beschuß stehende Kristall kleiner
werden würde.
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Ein besonderer Vorteil des innerlichen Wachsens der Kristalle gemäß
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß die Oberfläche des unter Beschuß stehenden
Diamten nicht perfekt zu sein braucht und sogar mit einer oberflächlichen Schicht
eines Verunreinigungsmaterials bedeckt sein kann. Es ist im allgemeinen demzufolge
nicht notwendig, sorgfältige Reinigungstechniken zu verwenden, beispielsweise
bestehend
aus dem Entfernen eines Schmiermittels und nachfolgender Oxydation zwecks Erzeugung
einer tadellosen Oberfläche.
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Im Betrieb sind die Kohlenstoff-Ionen im allgemeinen einfach geladen
und vom C-12 Isotop, obgleich die Ionen von einem anderen Kohlenstoff-Isotop sein
können, sofern dies gewünscht ist.
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Die zum Beschiessen verwendete Energie der Kohlenstoff-Ionen muß selbstverständlich
ausreichend sein, um den Diamantkristall richtig zu durchdringen, der sich einem
Wachstum vorzugsweise bis zur Größe von mindestens 10 Atom-Entfernungen unterzieht.
Eine Ionenenergie unter 600 eV kann keine ausreichende Durchdringung erzeugen und
eine Energie von 750 eV oder darüber werden bevorzugt, wobei insbesondere eine Energie
von mindestens 1 keV wie z.B.
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eine Energie zwischen 5 keV und 30 keV bevorzugt wird. Energien bis
100 keV haben zufriedenstellende Ergebnisse geliefert.
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Die Temperatur, bei der ein Übergang aus dem kristallinen in den amorphen
Zustand erfolgt, ist abhängig von der Kohlenstoff-Ionen-Dosisrate, und es resultiert
leicht eine Amorphisierung, wenn die Kristalltemperatur zu niedrig ist. Beträgt
die Temperatur mindes-0 tens 400 C, kann der Diamant mit einer Dosisrate beschossen
werden, die eine Wachstumsrate des Diamanten bis zu 0,1 gm/hr ergibt, während bei
einer Temperatur von mindestens 6000C die Dosisrate derart sein kann, daß sich eine
Wachstumsrate bis zu 3,2 rm/hr ergibt. Obgleich höhere Temperaturen die Verwendung
von sogar höheren Dosisraten erlauben können, muß die Temperatur, bei der der Diamant
zu graphitieren beginnt, nicht überschritten werden. Die Graphitierungstemperatur
ist abhängig von der Reinheit des Diamantexemplars und vom Vakuum, dem das Exemplar
unterworfen ist, und kann durch einen einfachen Versuch erzielt werden. Zufriedenstellende
Ergebnisse wurden jedoch bei Temperaturen 8000C oder darüber beispielsweise 10000C
erhalten, und es kann das Substrat noch auf höhere Temperaturen erhitzt werden,
obgleich vorteilhafterweise 10750C nicht überschritten werden. Die Verwendung von
Hochsubstrattemperaturen kann es ermöglichen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
über bedeutende
Zeitabschnitte ohne Unterbrechung durchgeführt werden
kann, um das Diamanttarget zu vergüten. Ein übermäßiges Erhitzen als Ergebnis sehr
hoher Dosisraten führt leicht zu einer Beschädigung des Targets, und die Stromdichte,
welche ein Maß der Dosisrate darstellt, übersteigt gewöhnlich nicht 10 mA/cm2. Obgleich
die Dosisrate, sofern dies erwünscht ist, klein sein kann, ist ein Betrieb bei einer
Stromdichte unter 0,01 mA/cm2 gewöhnlich unzweckmäßig.
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Die obere Grenze des Drucks in der Kammer, durch die ein Ionenfluß
strömt (wobei der Fluß im allgemeinen ein Strahl ist), wird gewöhnlich durch die
Fähigkeit des Ionenstrahls zum Durchqueren der Kammer und Beschiessen des Targets
und durch den Partialdruck des Sauerstoffs in der Kammer vorgeschrieben, was die
Graphitierungstemperatur nachteilig beeinflußt. Im allgemeinen übersteigt der Druck
nicht 10 3 torr und ist vorteilhafterweise nicht gröseer als 10 4torr. Obgleich
der Druck im Betrieb nicht größer als 106 torr sein soll, ist es gewöhnlich unzweckmäßig,
den Druck unter 10 9 torr herabzusetzen.
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Es wird vermutet, daß der Mechanismus des Wachsens eines Diamantkristalls,
der mit Kohlenstoff-Ionen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschossen wird,
die Ausbildung von Zwischengitterschleifen im Kristall durch Ionen aufweist, die
dort hinein eindringen, wodurch die dadurch geschaffenen zusätzlichen Zwischengitteratome
in die Zwischengitterschleifen ausplatten. Somit führt das Beschiessen ein zusätzliches
Zwischengitteratom in den Kristall für jedes auf den Kristall einfallende Ion ein.
Die zusätzlichen Zwischengitteratome platten vorteilhafterweise in Zwischengitterschleifen
aus und werden durch das Wachstum der Leerschleifen nicht kompensiert. Die Konzentration
und die Größe der Zwischengitterschleifen nehmen demzufolge während des Beschiessens
zu, und es werden die Außendlmenslonen des Kristalls dadurch erhöht.
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Das Wesen des Wachstuiverfahrens kann unter einem vorgegebenen Satz
von Betriebsbedingungen veranschaulicht werden, indem auf
der Fläche
eines Diamant-Ein-Kristalls ein Niederschlag aus einer amorphen Substanz wie beispielsweise
aus amorphem Kohlenstoff oder Siliciumdioxid mit einer Dicke von bis zu mehreren
hundert Angström erzeugt wird. Der Kristall wird dann mit Kohlenstoff-Ionen mit
einer geeigneten Dosisrate beschossen und nach dem Entfernen des restlichen amorphen
Niederschlags sind Dicke und Wesen jeder Wachstumsstufe bestimmt. Die Erzeugung
einer Stufe eines Diamanten ohne vollständiges Entfernen des Niederschlags während
des Wachsens zeigt, daß das Wachsen, das eingetreten ist, innerlich ist. Es gibt
selbstverständlich keine Grenze zwischen dem ursprünglichen Diamanten und der Stufe.
Bei einer typischen Veranschaulichung ist die Dosis derart gewählt, daß eine Diamantenstufe
mit einer Dicke von näherungsweise 1000 A erzeugt wird.
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Es sei erwähnt, daß zwecks Bestimmung, ob ein gegebener Satz von Betriebsbedingungen
ein Wachsen verursacht oder nicht, welches vollkommen innerlich ist, ein Zweitexperiment
durchgeführt werden kann, bei dem ein gleicher bzw. ähnlicher Diamantkristall mit
einer makellos sauberen Oberfläche beschossen wird und die Dicke der Diamantenstufe
in den zwei Erzeugnissen verglichen wird.
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Ein inneres Wachsen kann ferner durch Beschiessen eines Kristalls
veranschaulicht werden, dessen Stirnseite in Zonen geteilt ist, die einen Niederschlag
aus amorphen Kohlenstoff oder Siliciumdioxid mit einer Dicke tragen, die beispielsweise
von 0 bis 500 i variiert. Ein Entfernen des restlichen Niederschlags und die Festlegung,
daß die erzeugte Stufe rautenförmig und gleichmäßig in der Dicke in allen Bereichen
ist, beweist das innere Wesen des erzeugten Wachstums. Es sei erwähnt, daß bei geringer
Ionenenergie es im allgemeinen erforderlich ist, daß der amorphe Niederschlag äußerst
dünn ist, so daß das Hindernis für dessen Durchdringung unbedeutend ist und ein
bedeutsamer Vergleich mit den Ergebnissen bei einem Beschiessen von makellos sauberen
Targetoberflächen angestellt werden kann.
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Falls gewünscht kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Wachsen von
großen Diamanten für ein direktes Einfügen in die Schneidkanten,beispielsweise bei
Bohrern und Drehbankwerkzeugen,verwendet werden. Obgleich es im allgemeinen wünschenswert
ist, insbesondere dann,wenn einzelne Steine wachsen sol-0 len, einen Ionenstrahl
bei 90°C auf die Targetstirnseite zu richten, kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch beispielsweise dazu verwendet werden, daß bewirkt wird, daß eine Anzahl von
kleinen Diamanten, die in einer engen gegenseitigen Nähe gehalten sind, zusammenwachsen,um
eine durchgehende polykristalline Schicht zu bilden, wobei in diesem Falle es erforderlich
sein kann, die Orientierung der Diamanten in Bezug auf den Ionenstrahl zu variieren,
um daß laterale Wachsen in den Anfangsstufen des Beschiessens beispielsweise durch
exzentrisches Rütteln der Halterung zu begünstigen, auf der die Diamanten angeordnet
sind.
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Insbesondere wenn es wünschenswert ist, daß das Diamantenwachstum
in der Richtung gleichmäßig ist, kann es jedoch zweckmäßig sein, daß das Beschiessen
durchgeführt wird, während einer oder mehrere kleine Diamanten, beispielsweise in
einer offenen Tasse, in Schwingungen versetzt werden. Es wird jedoch angenommen,
daß der Mechanismus, durch den das Kristallwachstum erfolgt, unabhängig von der
Orientierung von diesen ist, wobei ein zufriedenstellendes Wachstum bei (111), (110),
und (100) -Oberflächen erzielt wird.
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Sollen reine Diamanten erzeugt werden, wird das Beschiessen im allgemeinen
mit einem Ionenstrom ausgeführt, der im wesentlichen aus Kohlenstoff-Ionen besteht,
und es ist im allgemeinen sehr wünschenswert, daß der Pegel der Verunreinigungen,
die in dem Target nicht löslich sind, wie beispielsweise Gase und insbesondere Argon
und Wasserstoff unbedeutend ist, d.h. gut unter 1 % des Ionenstroms. Kavitation
oder Blasenbildung des Targets wird sonst leicht erhalten. In einigen Fällen jedoch
kann es wünschenswert sein, daß der Strom eine oder mehrere Verunreinigungen
gewöhnlich
in Spurenmengen enthält, die im Diamant löslich sind. Derartige Verunreinigungen
können ansehnliche Farben oder verbesserte elektrische Eigenschaften verursachen.
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Werden beispielsweise Schmucksteine gefordert, ist es im allgemeinen
nicht wünschenswert, daß der Strom mehr als ir.sYcsamt 3 % dieser Verunreinigungen
enthält und daß insbesondere der Pegel nicht mehr als 1 % beträgt. Werden jedoch
geschliffene Steine gefordert, können höhere Pegel von löslichen Verunreinigungen
eingerichtet werden, vorausgesetzt, daß die physikalischen Eigenschaften des Erzeugnisses
nicht wesentlich darunter leiden.
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Verbesserungen in der elektrischen Leitfähigkeit können durch Dotieren
eines Diamantkristalls mit einer kleinen Menge einer Verunreinigung wie beispielsweise
ionischem Bor oder Phosphor erzielt werden. Die Verunreinigung kann im Kohlenstoff-Ionenstrom
vorliegen, der auf dem Targetkristall auftrifft, üblicher Weise in der Größenordnung
von nicht mehr als 0,1 % des Stroms, wobei in diesem Falle das Kristallwachsen und
das Dotieren synchron verlaufen und die Verunreinigung entweder die P- oder die
N-Leitfähigkeit verursacht. Wird dies gewünscht, kann jedoch der Kristall mit einem
Kohlenstoff-Ionenstrom und einem Strom von Dotierungsionen wechselweise beschossen
werden.
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Bei diesem Verfahren wird eine Diamantschicht erzeugt und anschließend
durch Beschiessen mit Dotierionen dotiert, wobei die Vorgänge erforderlichenfalls
wiederholt werden, bis die gewünschte Dicke des dotierten Diamanten erreicht worden
ist. Um eine im wesentlichen gleichmäßige Konzentration des Dotiermittels während
des Diamantwachsens zu erhalten, ist es seiner Dicke im allgemeinen gestattet, nicht
mehr als 100 2 und vorzugsweise nicht mehr als 50 2 zu erreichen, bevor der Zuwachs
dotiert ist. Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die Kohlenstoff-Ionen und die P-
oder N-Dotierionen durch unterschiedliche Ionenquellen zu erzeugen, wobei die Ströme
bei einem gleichzeitigen Beschiessen mit den Strömen sich vor dem Auftreffen auf
der Kristalloberfläche vereinigen, während die Ströme im allgemeinen unabhängig
gesteuert
werden. Bei einem PN-Ubergang ist es erforderlich, daß der Kristall mit einem Kohlenstoff-Ionenstrom
beschossen werden kann, der eine Verunreinigung enthält, die eine P- oder N-Leitfähigkeit
verursacht, worauf der Kristall mit Ionen beschossen wird,was zu der anderen Leitfähigkeit
führt, und dieses Beschiessen entweder mit oder ohne Beschiessen durch Kohlenstoff-Ionen
stattfindet, was von der Tiefe unter der Kristalloberfläche abhängig ist, die für
die Verbindung gefordert wird.
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Ein Diamantenwachstum, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt
wird, hat im wesentlichen gleiche Eigenschaften wie das zugrunde liegende Material,
beispielsweise die Brechungsindexwerte und die Kristallstruktur.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen beschrieben.
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Beispiel 1 Proben von kleinen Diamanten, die gespalten und poliert
worden sind, werden durch eine Maske (zwecks Schaffung einer Grenzlinie) bei einer
Temperatur von 500°C mit 100 keV C Ionen aus einem Schwerionenbeschleuniger bestrahlt.
Die Strahlung wird bis zu einer Dosis fortgesetzt, die ausreichend ist, um eine
Stufe zu erzeugen, die so groß ist, daß sie durch Interferenz-Mikroskopie leicht
beobachtet werden kann. Der gleiche Vorgang wird anschließen wiederholt, jedoch
bei Temperaturen von 6000C 0 bzw. 800 C.
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Die Erzeugnisses eines jeden Experiments werden nachfolgend geprüft
und die Interferenz-Mikroskopie zeigt eine Stufe, welche einen Zuwachs in der Dicke
von ca. 1/4 Sm entspricht. Dies entspricht einer Wachstumsrate von ungefähr 0,1
Fm/hr. Eine Streuungs- bzw. BeugungsprUfung der reflektierten hochenergetischen
Elektronen zeigt deutlich, daß das neuerzeugte Material kristallin
ist
mit der gleichen Struktur wie das benachbarte Diamantmaterial, welches nicht beschossen
worden ist.
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Auch zeigen Proben der Erzeugnisse, die bei einem Durchgang mit 200
keV Elektronen in einem Schwerionenbeschleuniger-Elektronenmikroskopglied bei 500°C
geprüft werden, keinen wesentlichen Verlust an Kristallinität und Wachstum einer
extrem feinen Versetzungs-Schleifen-Anordnung (über 1011 Linien/cm2). Eine derartige
Versetzungs-Schleifen-Anordnung kann ein Härten des Diamants zur Folge haben.
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Beispiel 2 Nach einer alternativen Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden eine Anzahl Diamantkristallite (beispielsweise in der Größe zwichen
0,1 and 0,5 mm) in einer Tasse angeordnet, die langsam zwecks Schaffung einer Bewegung
bzw. Umrührung in Schwingungen versetzt wird. Die in Schwingungen versetzten Kristallite
werden dann mit bis zu 100 mA C Ionen bei Energien zwischen 10 und 20 keV und einer
Temperatur von ca. 8000C bestrahlt, versehen mit einer gesteuerten Kombination einer
Wiederstand- und einer Strahl-Erhitzung. Die Kristallite wachsen stetig, während
das Beschiessen mit C Ionen voranschreitet.
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Beispiel 3 Es wird das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wiederholt,
jedoch in diesem Fall der polierte Diamant mit 30 keV C+ Ionen bei 68O0C und einer
Wachstumsrate von 3,2 km/hr bestrahlt. Eine Prüfung durch die beschriebene Technik
zeigt die Existenz einer Wachstumsstufe mit einer Höhe von 7,5 Fm, die als Diamant
identifiziert wird.
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Beispiel 4 Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wird wiederholt,
jedoch in diesem Fall der polierte Diamant mit 30 keV C+ Ionen bei 8500C
und
einer Wachstumsrate von 2,0 Fm/hr bestrahlt, um eine Diamantenstufe mit einer Höhe
von 4,0 sm zu erzeugen.
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Beispiel 5 Nachweis des inneren Wachstums eines Diamanten durch C
+-Ionenbeschiessung.
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Ein Dreieck-Diamant-Zwilling mit ca. 4 mm langen Seiten und einer
Dicke von 1 bis 2 mm wird in Aceton entfettet, in Scheidewasser gereinigt und schließlich
in Methanol und dann in destilliertem Wasser in einem Ultrason-Bad gespült, wobei
die (111) polierte Fläche des Kristalls mit SiO2 in parallelen Bändern verstäubungs-beschichtet
wird, die Bereiche unterschiedlicher Dicken, 0, 100, 300 bzw. 500 i, ergeben.
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Der Kristall wird auf einer Target-Heizvorrichtung befestigt (gem.
der Beschreibung in G. Faill AERE R 6603, 1970), die kolloidales Silber verwendet
(Acheson Colloids Ltd.). Das Exemplar wird mit einer Silizinscheibe maskiert, die
senkrecht zu den niedergeschlagenen SiO2-Bändern gelegen ist. Die Heizvorrichtung
mit dem befestigten Diamantkristall wird in der Targetkammer des Schwerionenbeschleunigers
(the Harwell Electromagnetic Separator) angeordnet, so daß die maskierte (111) Fläche
des Diamants senkrecht zur Richtung des aus der Ionenquelle stammenden Ionenstrahls
ist. Die Targetkammer wird auf einen Druck von ca. 10 6 torr evakuiert, und es wird
das Exemplar auf 7500C (gemessen durch ein Thermoelement und ein optisches Pyrometer)
erhitzt und mit 30 keV C+ Ionen beschossen. Der Strahl-Strom beträgt 300 bis 500
pA, und das Exemplar wird für 9,5 h beschossen, wäh-0 rend seine Temperatur bei
750 C während der Bestrahlung aufrechterhalten wird. Nach dem Bestrahlen wird das
Exemplar auf Umgebungstemperatur abgekühlt und aus dem Beschleuniger entfernt.
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Das restliche SiO2 wird entfernt, und es wird die Original-(111)-Oberfläche
durch multiple Strahlen-Interferometrie und Oberflächen-Profilometrie geprüft. Eine
Wachstumsstufe wird über dem gesamten beschossenen Bereich des Kristalls mit den
unterschiedlichen
Dicken des niedergeschlagenen Sio2 beobachtet.
Darüber hinaus ist die Höhe der Wachstumsstufe, 1350 A, längs der gesamten Wachstumsstufe
innerhalb der Meßgrenzen die gleiche. Demzufolge haben die C Ionen alle SiO2-Schichten
durchdrungen, um ein inneres Wachsen des Diamants zu erzeugen. Die Höhe des erzeugten
Zuwachses ist in dem unbeschichteten Bereich des Kristalls gleich dem Bereich, der
zuvor mit SiO2 bis zu 500 beschichtet worden ist.
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Die Wachstumsstufe wird mehreren Charakterisierungsversuchen unterworfen,
die nachfolgend beschrieben sind.
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Die Beugungsmuster der reflektierten hochenergetischen Elektronen
(80 kV) werden von der bestrahlten Kristalloberfläche abgenanmen. Das Ein-Kristall-Diamant-Punktnuster
ist noch in den Wachstumsbereichen ersichtlich und im wesentlichen identisch mit
deiR-jenigen aus dem nichtbeschossenen Umgebungskristall. Der Kristall wird befestigt
und Polierversuchen unterworfen. Im ersten Versuch wird der Kristall 24 Stunden
lang in einem Schwingungspoliergerät (Syntron Ltd.) poliert, wobei eine Suspension
von 500 R-Aluminiumoxidteilchen in Wasser verwendet wird. Im zweiten Versuch wird
das Exemplar 3 Stunden lang mit einem 10um großen Diamant glanzpoliert. Nach dem
Polieren wird die Wachstumsstufe nachgemessen, und es wird keine Veränderung in
der Stufenhöhe und kein Auftreten eines Polierens oder Exemplarentfernens beobachtet.
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Der Kristall wird chemisch in Scheidewasser und einer Lösung aus Kaliumdichromat
(K2Cr207) in Schwefelsäure bei 2000C getestet.
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Es erfolgt kein Auflösen weder von der Wachstumsstufe noch des umgebenden
Kristalls.
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Beispiel 6 Nachweis des inneren Wachstums des Diamants durch C Ionen-Beschiessung.
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Bei einem weiteren Beispiel wird ein gleicher bzw. ähnlicher
Diamantzwilling
(macle) gereinigt, und es wird eine 200 dicke Schicht aus amorphem Kohlenstoff auf
einem Bereich der polierten (111) Fläche niedergeschlagen. Der Kristall wird anschließend
durch eine Siliziunrtaske mit 30 keV C Ionen bei einer Temperatur von 8200C mit
einem Strahl-Strom von 500 pA 0,3 h lang beschossen. Nach dem Bestrahlen wird der
restliche amorphe Kohlenstoff entfernt und es wird die bestrahlte Fläche durch ein
multiples Strahlen-Interferenzmeßverfahren geprüft. Eine Wachstumsstufe wird beobachtet,
die, innerhalb der Meßgrenzen, eine Höhe von 850 R aufweist, die gleich der Höhe
des Bereichs, der vorstehend mit Kohlenstoff beschichtet worden ist, wie auch im
unbeschichteten Bereich ist. Demzufolge hat der C+-Ionenstrahl den Oberflächenfilm
durchdrungen, um ein vorherrschend inneres Wachsen des Diamants zu erzeugen.
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Die gesamte Wachstumsstufe wird zusätzlichen Charakterisierungsversuchen
unterworfen, die in Beispiel 5 beschrieben sind, wobei gleiche Ergebnisse erzielt
werden.
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Beispiel 7 Ein Diamantkristall, ca. 1 cm x 0,5 und 2mm dick, wird
gereinigt und auf einer Targetheizvorrichtung gemäß Beispiel 5 befestigt.
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Die beschossene Fläche des Kristalls weist eine (100) Orientierung
auf und wird poliert. Auf dieser Fläche werden zwei parallele Graphitstreifen mit
kolloidalem Silber befestigt bzw. beklebt, wobei ein zentrales seitenparalleles
Band mit einer Breite von 2 bis 3 mm der unbedeckten Kristallfläche zurückbleibt.
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Das Wachsen des Diamants während der nachfolgenden Bestrahlung findet
in diesem Bereich statt, wobei die Kristallbereiche durch den Graphit maskiert sind,
der nicht bestrahlt wird.
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Die Heizvorrichtung mit dem befestigten Diamantkristall wird in der
Targetkammer des Schwerionenbeschleunigers (Harwell Electromagnetic Separator) angeordnet,
so daß die maskierte (110) Fläche des Diamants senkrecht zur Richtung des aus der
Ionenquelle
stammenden Ionenstrahls ist. Die Targetkammer wird
auf einen Druck von ca. 10 6 torr evakuiert, und es wurde das Exemplar auf 680°C
(gemessen durch ein Thermoelement und ein optisches Pyrometer) erhitzt und mit 30
keV C Ionen beschossen. Der Strahl-Strom beträgt 850 pA, und es wird das Exemplar
für 2,3 Stunden beschossen. Während der Bestrahlung verbleibt die Temperatur des
Kristalls auf 700 + 200C. Das Exemplar wird auf Umgebungstemperatur abgekühlt undais
der Heizvorrichtung entfernt.
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Die Graphitmasken werden entfernt,und es wird der Kristall in Salpetersäure
gereinigt, um überschüssiges Kolloidalsilber zu entfernen.
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Das Exemplar wird in einer kalt-abbindenden Mischung befestigt, und
es werden die Höhe und das Profil der Wachstums stufe mit einem Oberflächenmesser
(surfometer; G;V. Planar Ltd.) gemessen. Die Höhe der Wachstumsstufe beträgt 7,5
Aufl. Die Wachstumsrate während der Bestrahlung beträgt 3,2 ph 1.
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Die gesamte Wachstumsstufe wird den im Beispiel 5 beschriebenen Charakterisierungsversuchen
unterworfen, wobei identische Ergebnisse erzielt werden.
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Der Kristall wird anschließend gespalten, um kleinere Kristalle zu
erzeugen, wobei einige von diesen Bereiche der Wachstumsstufe enthalten. Auf einem
von diesen ist der gewachsene Bereich so dünn, daß er für eine Übertragungselektronenmikroskopie
bei 100 kV ausreicht. Eine Prüfung dieses Bereichs durch Transmissionselektronenbeugung
enthüllt einen Einkristalldiamant, der eine hohe Dichte von Versetzungen bzw. Fehlstellen
enthält (größer als 1011 Linien cm Beispiel 8 Ein Dreieckdiamantzwiiling (macle),
ca. 4mm Seitenlänge und 1 bis 2 mm dick, wird gereinigt und auf einer Targetheizvorrichtung
gemäß Beispiel 5 befestigt. Die beschossene Kristallfläche
weist
eine (111) Orientierung auf und wird poliert. Auf dieser Fläche werden zwei parallele
Siliziumstreifen mit kolloidalem Silber befestigt bzw. beklebt, wobei ein zentrales
seitenparalleles Band mit einer Breit von 2 bis 3 mm der unbedeckten lristallfläche
zurückbleibt. Das Wachsen des Diamants während der nachfolgenden Bestrahlung findet
in diesem Bereich statt, wobei die durch das Silizium maskierten Kristallbereiche
unbestrahlt sind.
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Die Heizvorrichtung mit dem befestigten Diamantkristall wurde in der
Targetkammer eines Schwerionenbeschleunigers (Harwell Electromagnetic Separator)
angeordnet, so daß die maskierte (111) Fläche des Diamants senkrecht zur Richtung
des aus der Ionenquelle stammenden Ionenstrahls ist. Die Targetkammer wird auf einen
Druck von 10'6 torr evakuiert, und es wird das Exemplar auf 8200C erhitzt (gemessen
durch ein Thermoelement und ein optisches Pyrometer) und mit 30 keV C Ionen beschossen.
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Der Strahl-Strom beträgt 1,5 mA und es wird das Exemplar 5 Stunden
lang beschossen. Während des Bestrahlens verbleibt die Tem-0 peratur des Kristalls
bei 800 + 20 C. Das Exemplar wird auf Umgebungstemperatur abgekühlt und aus der
Heizvorrichtung entfernt.
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Die Siliziumasken werden entfernt, und es wird der Kristall in Salpetersäure
gereinigt, um überschüssiges Kolloidalsilber zu entfernen.
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Die Höhe und das Profil der Wachstumsstufe werden wie im Beispiel
7 beschrieben gemessen, wobei die Höhe 5 pm beträgt. Die Wachstumsrate während der
Bestrahlung beträgt 1,0 Fmh 1.
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Das Exemplar wird aus der Befestigung entfernt, gereinigt und 0 anschließend
2 Stunden lang bei 1800 C in einem Ultra-Hoch-Vakuum-Ofen vergütet bzw. angelassen.
Bei der hohen Temperatur beträgt der Druck 1-3 x 10 7 torr. Das Exemplar wird in
einem Aluminiumoxid-Schmelztiegel in einer Wolframumgebung eingebracht, und es wird
seine Temperatur durch optische Pyrometrie überwacht. Das Exemplar erleidet keinen
nennenswerten
Gewichtsverlust, und nach dem Vergüten ist die Höhe
der Wachstumsstufe unverändert, wobei sich während des Vergütens die Farbe von bernstein
bis strohfarben verändert.
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Die Wachstumsstufe wird den in dem Beispiel 5 beschriebenen Charakterisierungsversuchen
unterworfen, wobei gleiche Ergebnisse erzielt werden.
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Der Brechungsindex der Wachstumsstufe wird mit demjenigen des Umgebungskristalls
verglichen, indem ein optisches Transmissionsspektrum von 300 bis 2500 nm abyenann
wird, was gleich dem der Umgebung innerhalb von 7 %, der Genauigkeit der Bestimmung,
ist.
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Beispiel 9 Ein Dreieck-Diamant-Zwilling ca. 4mm seitenlang und 1 bis
2 mm dick wird hergerichtet und in einer Weise beschossen, die der jenigen gemäß
Beispiel 8 identisch ist, mit der Ausnahme, daß das Exemplar auf anfangs 8000C erhitzt
wird, was während des 0 Bestrahlens bei 800 + 20 C beibehalten wird.
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Die Höhe und das Profil der Wachstumsstufe, die gemäß Beispiel 7 gemessen
wird, beträgt 4 pin. Die Wachstumsrate während des Bestrahlens ist 0,8 ph 1.
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Das Exemplar wird aus der Befestigung entfernt, gereinigt und anschließend
wie in Beispiel 8 beschrieben vergütet bzw. angelassen, wobei die gleichen Ergebnisse
erzielt werden.
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Das Exemplar wird auf dem Heizvorrichtungstarget wieder befestigt,
und neue SiliziumeskRn werden über die näherungsweise gleichen Bereiche der polierten
Kristallfläche wie vorstehend gepaßt bzw. befestigt. Das 30 keV C Ionen-Strahlungsverfahren
wird bei 8000C 5 Stunden lang mit einem Strahl-Strom von bis zu 1,5 mA wiederholt.
Der Kristall wird aus dem Beschleuniger
entfernt und wie vorstehend
beschrieben gereinigt. Die gesamte Stufenhöhe beträgt 10 pin. Das Exemplar wird
2 Stunden lang bei 18000C wie vorstehend beschrieben vergütet, und es wird die Stufenhöhe
nachgemessen.
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Die Strahlungs- und Vergütungs-Behandlungsstufen werden fortgesetzt,
bis eine gesamte Wachstumsstufe von 50 pm bei 8 Bestrahlungen bei einer Durchschnittsrate
von 1,2 pmh 1 bei einer Strahlungstemperatur von 8000C erzeugt ist. Es werden optische
Mikrobilder von dem gesamten Wachstumsbereich fotografiert.
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Die Beugungsmuster der reflektierten Elektronen mit hoher Energie
(80 kV) werden aus der bestrahlten KristalloberflAche abgenommen. Das Ein-Kristall-Diamant-Punktmuster
ist noch im Wachstumsbereich ersichtlich und im wesentlichen identisch mit demjenigen
aus dem nichtbeschossen Umgebungskristalls. Die Laue'schen Beugungs- bzw. Streuungsmuster
bei reflektierten Röntgenstrahlen werden von der Wachstums stufe und dem nichtbeschossenen
Umgebungskristall abgenommen. Es wird kein Unterschied zwischen den Punktmustern
aus den beiden Bereichen festgestellt. Obgleich die meisten der das Muster-erzeugenden
Röntgenstrahlen aus einer Tiefe im Kristall kommen, die größer als die Höhe der
Wachstumsstufe ist, würde die Anwesenheit eines anderen Materials als ein Diamant
in der Wachstumsstufe zusätzliche Punkte bzw. Stellen im Beugungsmuster verursachen.
Keine derartigen zusätzlichen Stellen liegen in dem Muster vor.
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Der Kristall wird befestigt und Polierungsversuchen unterworfen. Beim
ersten Versuch wird der Kristall 24 Stunden lang in einem Vibrationspoliergerät
(Syntron Ltd.) poliert, wobei eine Suspension aus Aluminiumdioxidpartikeln von 500
i in Wasser verwendet wird. Beim zweiten Versuch wird das Exemplar 3 Stunden mit
einem 10 pm großen Diamantglanz poliert. Nach dem Polieren wird die Wachstumsstufe
nachgemessen und wieder fotografiert.
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Es wird kein Wechsel in der Stufenhöhe und kein Vorliegen eines Polierens
oder Exemplarabbaus beobachtet.
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Der Kristall wird chemisch in Scheidewasser und einer Lösung aus Kaliumdichromat
(K2Cr207) in Schwefelsäure bei 2000C getestet. Es tritt keine Auflösung weder aus
der Wachstumsstufe noch aus dem Umgebungskristall ein.
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Dieses Exemplar, welches die Wachstumsstufe von 50pm aufweist, wird
durch handelsübliche Diamantpoliergeräte poliert, um die Hälfte der Wachstumsdicke
aus der obersten Oberfläche zu entfernen. Die Seiten des Kristalls werden ebenfalls
abgeschrägt, so daß ein erhabener Bereich in der Mitte des Kristalls zurückbleibt,
dessen oberste Schicht gewachsener Kristall ist. Während dieser Polierverfahren
wird die Wachstumsstufe poliert, so als ob diese einfach eine Ausdehnung des darunter
liegenden bzw. zugrunde gelegenen Kristalls wäre. Die neu polierte Oberfläche der
Wachstumsstufe wird wieder durch ein Reflexions-Hochenergie-Beugen geprüft und weist
abermals ein Diamant-Einkristall-Punktmuster auf.
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Beispiel 10 Ein Dreieck-Diamant, der ungefähr 4 mm seitenlang und
1 bis 2 mm dick hergestellt ist, wird zurecht bereitet und in einer Weise beschossen,
die identisch mit derjenigen gemäß dem Beispiel 8 ist, mit der Ausnahme, daß das
Exemplar auf anfangs 0 1000 C erhitzt wird, wobei während des Bestrahlens die Temperatur
bei 1000 + 200C beibehalten wird, und mit der weiteren Ausnahme, daß die Strahlung
über 6 Stunden lang bei einem Strahl-Strom von 1,0 mA fortgesetzt wird.
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Die Höhe und das Profil der Wachstumsstufe werden wie im Beispiel
7 beschrieben gemessen, wobei die Höhe 10 pm beträgt.
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Die Wachstumsrate beträgt 1,7 Fmh 1.
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Die Beugungsmusterbestimmung der reflektierten Elektronen mit hoher
Energie, das Polieren und die chemischen Versuche gemäß Beispiel 5 werden auf dem
gereinigten Exemplar durchgeführt,
wobei identische Ergebnisse
erzielt werden.
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Beispiel 11 Ein Dreieck-Diamant, der mit ca. 4 mm Seitenlänge und
1 bi 2 mm Dicke hergestellt wird, wird zubereitet und in einer Weise beschossen,
die identisch mit derjenigen gemäß Beispiel 8 ist, mit der Ausnahme, daß das Exemplar
auf anfangs 10500C erhitzt wird, wobei die Temperatur bei 1050 + 200C während des
Bestrahlens aufrecht erhalten wird, und der weiteren Ausnahme, daß das Bestrahlen
5 Stunden lang bei einem Strahl-Strom von 1,4 mA fortgesetzt wird.
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Die Höhe und das Profil der Wachstumsstufe werden wie in Beispiel
7 beschrieben gemessen, wobei die Höhe 20 Fm beträgt. Die Wachstumsrate beträgt
4 Die Beugungsmusterbestimmung der reflektierten hochenergetischen Elektronen, daß
Polieren und chemischen Versuche gemäß Fig. 5 werden auf dem gereinigten Exemplar
durchgeführt, wobei identische Ergebnisse erzielt werden.
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Beispiel 12 Dotieren eines Diamantwachstums mit Bor.
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Ein (111) orientierter Diamantzwilling wird auf 8000C in einem Vakuum
von 4 x 10 6 torr erhitzt und mit 30 keV C+-und 32,5 keV B+-Ionen wechselweise bestrahlt.
Die Bestrahlungen mit C+-und B -Ionen weisen eine geeignete Intensität und Lebensdauer
auf, um eine Diamantwachstumsstufe von 3,4 Mikron zu erzeugen, die eine im wesentlichen
gleichmäßige Bor-Konzentration von ca.
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330 Teilchen pro Million enthält. Das Wachstum zeigt sämtliche Charakteristiken
eines natürlichen Diamanten, wo Zuwächse gezeigt sind, die durch die vorstehend
beschriebene 30 keV C Bestrahlung erzeugt werden. Darüber hinaus zeigen elektrische
Wiederstandsfähigkeitsversuche mit 4 Sonden, daß die Wachstumsschicht
mit
einem Widerstand in der Größenordnung von 106 Ohm 2 pro cm durchgeführt wird.
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Ein Schwerionenbeschleuniger (Harwell Electromagnetic Separator),
der geeignet ist, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu arbeiten, ist schematisch
(und nicht maßstabsgetreu) in der Zeichnung dargestellt. Die Vorrichtung ist ähnlich
derjenigen, die in den folgenden Publikationen zum Trennen von Isotopen beschrieben
ist: Freeman, J.H. Proc. Inst. Mass. Spec. Conf., Kyoto 1969 Freeman, J.H. Proc.
Roy. Soc. A311, 123 (1969) (Review) Freeman, J.H. AERE Report R6254 (1970) Unter
Bezugnahme auf die Zeichung weist ein Schwerionenbeschleuniger eine im Querschnitt
dargestellte Ionenquelle 1 auf, die aus einem 2 mm im Durchmesser messenden Wolframdraht
2 besteht, der in einer Aussparung 3 innerhalb eines Ionenquellenkörpers 4 angeordnet
ist, welcher aus einem festen Graphitblock ausgebildet ist, wobei die Aussparung
3 einen Entnahmeschlitz 5 im Körper mit einer Gaszuführungsleitung 6 verbindet.
Der Entnahmeschlitz 5 ist von einer Graphit-Entnahmeelektrode 7 in der Form einer
Platte beabstandet, die mit einem darin angeordneten Schlitz 8 versehen ist, welcher
in einer Übereinstimmung mit dem Entnahmeschlitz 5 des Ionenquellenkörpers 4 und
mit einem Schlitz 9 in einer geerdeten Graphitplattenelektrode 10 steht, die von
der Entnahmeelektrode in einem Abstand gelegen ist. Der Ionenquellenkörper 4 und
die Elektroden 7, 10 sind in einem Vakuumbehälter 11 enthalten, der durch eine Tankdiffusionspumpe
(nicht dargestellt) evakuierbar ist, welche mit einem Behälterpumpen-Isolierventil
verbunden ist, das mit dem Behälter durch eine Behälteröffnung 12 in Verbindung
steht. Der Vakuumbehälter 11 steht mittels einer in einer Übereinstimmung mit dem
Entnahmeschlitz
stehenden Öffnung 13 mit einer Vakuumröhre 14
in Verbindung,die vom Behälter 11 durch ein Isolationsventil 15 isolierbar ist,
das die Öffnung 13 verschieblich schließen kann. Ein Abschnitt der Röhre 16 ungefähr
in der Mitte zwischen ihren Enden ist um 600 gebogen und in diesem Bereich 16 durch
einen Sektormagnet 17 umschlossen. Die Röhre 14 ist angrenzend an jedes ihrer entsprechenden
Enden mit ersten und zweiten Röhrendiffusionspumpen (nicht dargestellt) versehen,
die mit Röhrenpumpen-Isolationsventilen (nicht dargestellt) in Verbindung sind,
welche mit der Röhre mittels erster und zweiter Röhrenöffnungen 18, 19 in Verbindung
stehen. Das von der Ionenquelle 1 am weitesten entfernte Ende der Röhre enthält
einen Targetstand, der einen elektrisch beheizten Zylinder aus korrisionsfestem
Stahl oder Molybden umfaßt (nicht dargestellt), der zur Ionenquelle 1 hin und von
dieser weg bewegbar ist. Die Temperatur des Zylinders wird durch ein Pt/Rh Thermoelement
(nicht dargestellt) überwacht. Das letztere Röhrenende enthält auch einen Flüssigkeitsstickstoffverschluß
21 und steht mittels einer dritten Röhrenöffnung 22 mit einer Vorpumpe (nicht dargestellt)
in Verbindung, die mit einem Vorpumpen-Isolierventil 23 versehen ist.
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Im Betrieb wird ein Gas wie beispielsweise Kohlenmonoxid in die Ionenquelle
1 eingespeist, wo es durch einen Durchlauf eines Stroms von typischer Weise 150
A bei 5 V durch den Draht 2 ionisiert wird, der als Negativpotential von typischerweise
90 V in ezug auf den Ionenquellenkörper 4 aufrechterhalten wird.
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Zwecks Vergrößerung der Ionisierungsrate des Gases wird ein schwaches
Magnetfeld von typischerweise 100 G parallel zum Draht durch einen nicht dargestellten
Magnet angelegt. Der Quellenkörper wird typischerweise. bei 40 keV positiv gehalten,
während die Entnahmeelektrode typischerweise bei -1 keV bezüglich der geerdeten
Elektrode 10 aufrecht erhalten wird. Die Dimensionen des Entnahmeschlitzes 5 sind
insbesondere: 40 mm hoch und 2 mm breit. Kohlenstoff- und Sauerstoffionen werden
aus einer Ionenquelle bei einem Strompegel von mehreren mA extrahiert und laufen
durch das Magnetfeld, welches durch den Sektormagnet
geschaffen
wird, der die Kohlenstoff-, Sauerstoff- und anderen Strahlen infolge ihrer unterschiedlichen
Masse trennt.
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Durch Einstellen der Spannung auf der negativen Entnahmeelektrode
7 und des Magnetfelds kann ein reiner Kohlenstoff-Ionenstrahl auf dem Target 20
fokussiert werden. Typische Kohlenstoff-Strahl-Ströme werden so gewählt, daß die
Stromdichte auf dem Target 2 bis 3 mA/cm2 erreichen kann. Unter den typischen Betriebsbedingungen
werden in den verschiedenen Systemteilen folgende Drücke gewählt: a) In der Aussparung
3 innerhalb des Ionenquellenkörpers 4: 10 2 bis 10 3 torr.
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b) Im Vakuumbehälter 10 typischerweise 10 4 torr.
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c) Im Bereich der Vakuumröhre zwischen den Enden: 10 5 torr.
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d) Am Targetende der Vakuumröhre typischerweise zwischen 10 5 bis
10-6 torr.
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Eine 50 Hz Dreieck-Wellenform von ungefähr 1 keV kann dem Ionenquellenkammerpotential
überlagert werden, um zu bewirken, daß der Strahl in Horizontalrichtung flutet und
somit eine relativ große Fläche des Targets bedeckt.
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Die Diamantkristalle werden an der Stirnseite der Heizvorrichtung
unter Verwendung eines Kohlenstoff- oder Silber-Spitzpunkts (dag) befestigt, und
es wird auf experimentelle Weise eine Maske zur Schaffung einer Grenzlinie auf der
Kristalloberfläche, die gewöhnlich entweder aus Silicium oder aus Kohlenstoff hergestellt
ist, ebenfalls mit Hilfe eines Kohlenstoff- oder Silber-Spitzpunktes (dag) angebracht.
Bei einem typischen Versuch steigt die Kristalltemperatur auf den richtigen Wert
vor dem Beschiessen der Oberfläche mit dem Ionenstrahl. Der Ionenstrahl
selbst
schafft etwas Erwärmung, und es wird demzufolge eine Targettemperatur durch Verringern
des elektrischen Stromeingangs gesteuert.