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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum chemischen Dampfabscheiden zur Herstellung von
Diamantkristallen und mehr im besonderen auf ein
verbessertes Verfahren zum Bilden oder Züchten von
Diamantkristallen unter Einsatz von elementarem Bor als einem Mittel
zur Förderung der Kernbildung und des Wachstums von
Diamaritkristallen, das dazu benutzt werden kann, die Größe,
Wachstumsrate und Anordnung von Kristallen größerer und
geringerer Abmessung zu kontrollieren.
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Es wird hingewiesen auf die EP-A-272 418 [Stand
der Technik gemaß Artikel 54(3)EPC]. Die EP-A-272 418
offenbart ein Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung
sowie eine Vorrichtung, mittels derer die Kernbildung von
Diamantkristallen auf einem erhitzten bevorzugten
Metallsubstrat verursacht wird als ein Ergebnis des in
Kontaktbringens einer aktivierten Gasmischung, die Wasserstoff
und Kohlenwasserstoff umfaßt, mit dem erhitzten
Metallsubstrat. Die Gasmischung wird vor der Diamantkristall-
Bildung oder Kernbildung daraus auf dem Substrat
gleich-Zeitig Mikrowellenenergie und einem erhitzten
wolframfaden ausgesetzt und in ein Gasplasma umgewandelt.
Diamantkristalle, die nach diesem Verfahren erhalten wurden, das
als ein Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung
bezeichnet ist, hatten nach etwa 48 Stunden des
Züchtungsverfahrens etwa 180 um in ihrer längeren Abmessung.
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JP-A-59-182 300 offenbart ein Verfahren zum
Herstellen von Diamant, bei dem eine Mischung aus
Wasserstoff und Methan durch einen Glühfaden derart aktiviert
wird, daß Diamant auf einem Substrat abgeschieden wird,
das aus Metall hergestellt ist, das auf seinen
Oberflächen mit Cermet oder Keramik mit mindestens einer
Verbindung überzogen ist, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden,
Carbonitriden, carboxynitriden, Boriden, Borcarbid und
Bornitrid von Metallen der Gruppe IV, Va und VIa, sowie
Si und Al, Borcarbid und Bornitrid.
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Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist es,ein
verbessertes Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung zum
Herstellen von Diamantkristallen kontrollierter Korngröße
zu schaffen.
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Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung,
ein Abscheidungsverfahren mit Gas geringen Druckes zur
Herstellung von Diamant zu schaffen, bei dem ein
verbessertes Substrat benutzt wird, auf dem die
Diamantkristalle gebildet oder gezüchtet werden.
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Es ist noch eine andere Aufgabe dieser
Erfindung, ein verbessertes, die Kristallkernbildung
unterstützendes Substrat zur Verwendung bei einem
Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Verfahren zur chemischen Dampf
abscheidung zur Herstellung von Diamantkristallen durch
Auftreffen einer aktivierten Gasmischung aus Wasserstoff und
Kohlenwasserstoff auf einem erhitzten Substrat zu
schaffen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die
Schaffung einer Einrichtung zum Mustern eines Substrates
mit Diamantkristallen gleicher oder verschiedener Größe.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Züchten von Diamant auf einer durch
chemische Dampfabscheidung gebildeten Schicht oder einem
solchen Film von polykristallinem Diamant zu schaffen.
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Eine andere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur
Verfeinerung der Korngröße von polykristallinem Diamant
durch chemische Dampfabscheidung zu schaffen.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Kontrollieren der Korngröße von
polykristallinem Diamant zu schaffen, der durch ein Verfahren
zum chemischen Dampfabscheiden hergestellt ist, bei dem
eine Gasmischung aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff
durch einen Glühf aden oder Mikrowellenernergie aktiviert
wird.
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Eine Gasmischung aus Wasserstoff und
Kohlenwasserstoff wird in eine Reaktionskammer zur chemischen
Dampf abscheidung geleitet, wo sie durch Aussetzen
gegenüber Mikrowellenenergie oder einem Glühf aden aus
Wolframdraht aktiviert wird, während sie sich in Kontakt mit
einer borfreien Substratstruktur befindet, die eine
Oberfläche umfaßt, auf der es eine wirksame Menge eines, die
Kristallkernbildung und das Wachstum fördernden Materials
gibt, das die Kristallkernbildung und das Wachstum von
Diamantkristallen unterstützt.
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Es wurde nun festgestellt, daß die Anwesenheit
von elementarem Bor auf dem borfreien Substrat
beträchtlich verbesserte Resultate und eine Fähigkeit ergibt, die
Wachstumsrate, Ausbeute und Größe der auf dem Substrat
gebildeten Diamantkristalle zu kontrollieren. Eine
verbesserte Substratoberfläche gemäß dieser Erfindung umfaßt
eine Trägeroberfläche, die vor dem Abscheidungsverfahren
mit elementarem Bor behandelt worden ist. Das borfreie
Substrat kann die Form eines schmalen Streifens einer
Metallfolie oder eines Bleches haben, vorzugsweise eines
Metalles, das selbst für die Bildung von Diamantkristal
len bei einem Verfahren zur chemischen Dampfabscheidung
darauf förderlich ist. Zu solchen Metallen gehören die
starken Carbidbildner, besonders die hochschmelzenden
Metalle Molybdän, Tantal, Silicium und Wolfram.
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Polykristalliner Diamant kann auch auf Graphit
5oder einem Substrat aus gesintertem Diamantpulver oder
auf einem Substrat aus polykristallinem Diamant, das
durch chemische Dampfabscheidung gebildet wurden ist,
mittels Dampfabscheidung gebildet werden. Der gesinterte
oder dampf abgeschiedene Diamant wird vorteilhafterweise
vor einer weiteren Abscheidungsstufe mit elementarem Bor
behandelt, um die Bildung von Kristallkernbildungsstellen
für die nachfolgenden Abscheidungscyclen zu fördern. Die
Anwesenheit selbst einer geringen Menge von elementarem
Bor auf der Oberfläche dieser Substratmaterialien
stimuliert die Diamant-Kristall-Kernbildung auf den Substraten.
Die Anwesenheit von elementarem Bor auf dem Substrat
scheint als ein Förderer der Diamantkristall-Kernbildung
zu wirken, wie durch die Anwesenheit einer großen Anzahl
von Kernbildungsstellen gezeigt, wenn es benutzt wird und
von weniger Kernbildungsstellen unter ähnlichen
Bedingungen, wenn es nicht vorhanden ist. Die besten Ergebnisse
werden bei der Ausführung dieser Erfindung erzielt, wenn
das elementare Bor direkt der lumineszenten Gasmischung
ausgesetzt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Oberfläche des Substrates, die
direkt der Wolframdraht-Heizeinrichtung und dem strömenden
Gasstrom vom Gaseinlaßrohr ausgesetzt ist, vor dem
Abscheidungsverfahren mit einer dünnen Schicht einer
Mischung gewisser Materialien, einschließlich Bor, in fein
zerteilter, kleinteiliger oder pulverisierter Form,
überzogen worden. Die Materialien schmelzen und legen dem
auftreffenden Gasstrom eine Bor enthaltende flüssige
Metallschicht frei.
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Ein verbessertes Substrat gemäß dieser
Erfindung umfaßt eine sehr dünne Schicht aus feinem
Teilchenmaterial einschließlich elementarem Bor auf einer
Trägeroberfläche, wobei die feine Teilchenschicht direkt dem
auf treffenden Gasstrom ausgesetzt ist.
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Sehr geringe Mengen von elementarem Bor
scheinen die Kristallkernbildung zu erleichtern. In einer
anderen Ausführungsform dieser Erfindung war amorphes Bor
aus sehr feinen Teilchen in einem Methanolträger
enthalten und wurde auf die Oberfläche eines Substrates auf
gebracht. Die Anwesenheit von Bor resultierte in mehr
Kristallkernbildung, verglichen mit der Ausführung des
Verfahrens ohne die Anwesenheit von Bor. Nicht verbundenes
oder elementares Bor kann zu der Oberfläche eines
Substrates hinzugegeben oder auf diese aufgebracht werden,
die der lumineszenten Gasmischung ausgesetzt ist, so daß
das Bor auch der Gasmischung ausgesetzt ist. Das Substrat
dieser Erfindung kann als ein Trägerteil beschrieben
werden, zum Beispiel ein streifen aus hochschmelzendem
Metall und elementarem Bor auf mindestens einem Teil der
Oberfläche des Trägerteiles. Elementares Bor kann der
Oberfläche als eifte feine Teilchenschicht hinzugefügt
werden oder es kann mit einem Trägermedium, das auf die
Oberfläche eines Substrates aufgebracht werden soll,
benutzt werden. Es ist eher bevorzugt, daß die Oberfläche
eines Substrates, die dem Gasplasma ausgesetzt ist, das
Bor auf seiner Oberfläche aufweist, als daß Bor in der
Substratmatrix enthalten ist. Es ist vorteilhafter,
elementares oder chemisch nicht gebundenes Bor zu verwenden.
Wie bemerkt, können Borteilchen in einem Träger oder
einem Wirtsmedium vorhanden sein, wie Methanol, das dann
auf ein Substrat aufgebracht wird. Alternativ kann Bor in
einem festen Material oder einer Matrix enthalten sein,
das bzw. die dann mit einem Substrat verbunden wird.
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Bor wird in Form von elementarem Bor
eingesetzt, sei es kristallin oder amorph. Das Bor kann
einfach mit einem flüchtigen Träger, zum Beispiel niederem
Alkohol, wie Methanol oder Ethanol, auf geschlämmt und
dann in irgendeinem erwünschten Muster auf die
Substratoberfläche aufgestrichen oder aufgebracht werden. Es
wurde festgestellt, daß die Grenze zwischen Bor tragenden
Bereichen und borfreien Bereichen scharf ist, wobei
zumindest anfänglich sehr viel kleinere Körner in den mit
Bor behandelten Bereichen zu sehen sind. Es ist klar, daß
Verwendungen, die kleine Diamantkörner erfordern, durch
den Einsatz von mit Bor überzogenen Substraten einfacher
bedient werden können. So können zum Beispiel
Schleifpreßlinge und Maschinenwerkzeuge mit Arbeitsoberflächen
versehen werden, die durch kleine Kristalle
charakterisiert sind. Die Bereiche oder Zonen kleiner Körner können
ein Muster variierender Gestalt und Abmessung bilden, die
von benachbarten Zonen mit großen Körnern oder kornfreien
Zonen unterschieden werden können. Dieses Merkmal der
Erfindung kann als Korngrößenmusterung bezeichnet werden.
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Der Begriff "Korngrößenmusterung", wie er hier
benutzt wird, bedeutet ein Bilden von Mustern oder
Bereichen, die durch die Korngröße der Diamantkristalle in der
Fläche oder dem Bereich unterschieden sind, z.B. Bereiche
mit Kristallen geringer Größe sind von Bereichen mit
Diamantkristallen großer Abmessungen unterschieden. Solche
Bereiche mit Kristallen geringer Größe sind als eine
beträchtlich höhere Dichte der Kristallkernbildungsstellen
aufweisend erkennbar, d.h. es gibt mehr
Kernbildungsstellen pro Flächeneinheit und daher beträchtlich kleinere
Diamantkristalle, wenn auch in größerer Zahl.
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Überraschenderweise ist die Grenze zwischen Bor
tragenden und borfreien Bereichen des Substrates scharf
und klar hinsichtlich der Größe der Diamantkörner oder
Kristalle. Wenn eine Kristallkernbildung in der borfreien
Zone stattfindet, dann sind die Kristalle deutlich größer
und leicht unterscheidbar von dem kleinkörnigen Diamant,
der sich auf der Bor tragenden Oberfläche des Substrates
bildet.
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Die die Kristallkernbildung fördernde
Borbehandlung kann nach irgendeinem geeigneten Verfahren an
dem Substrat ausgeführt werden. So kann z.B. eine Lösung
oder Aufschlämmung von Bor, z.B. amorphem Bor, in einem
geeigneten Lösungsmittel oder Träger, auf die Oberfläche
mittels einer Walze, einer Bürste oder einer
Aufbringvorrichtung aufgebracht werden. Ein niederer aliphatischer
Alkohol hat sich als ein geeigneter Träger erwiesen.
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Siebdruck ist ein besonders wirksames Mittel zum
Aufbringen des Bors in einem vorbestimmten Muster oder einer
solchen Figur. Alternativ kann Bor in Pulver- oder
Teilchenform direkt auf das Substrat aufgebracht werden durch
Einstäuben oder es kann in Form einer haf tenden Mischung
aufgebracht werden.
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Es können all die obigen Verfahren benutzt
werden, um die Anwesenheit von Bor auf der
Substratoberfläche zu verursachen.
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Wie in der EP-A-272 418 beschrieben, wird die
Zugabe von Borverbindungen, wie Diboran, zur Gasmischung
üblicherweise benutzt, um ein zusätzliches Element, Bor
in diesem Falle, in den gebildeten Diamantkristall
einzuführen und nicht dazu, Bor auf einer Substratoberfläche
zu schaffen. Die Injektion von Boratomen in einen
Diamantkristall ändert die elektrischen Eigenschaften des
Diamantkristalls deutlich. In der vorliegenden Erfindung,
die eine Anwesenheit von elementarem Bor auf einer
Substratoberfläche schafft, auf der eine Diamantkristall-
Kernbildung und ein Wachstum von Diamantkristallen
stattfindet, beeinf lußt diese sowohl die Kristallkernbildung
als auch das Wachstum deutlich.
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Diese Erfindung schafft eine verbesserte
Substratoberf läche in Form einer metallischen
Substratschicht, die Bor enthält, um größere Diamantkristalle zu
züchten. Weiter schafft die Verwendung einer Schicht aus
Borpulver enthaltendem pulverförmigem Material auf der
Oberfläche eines Substrates eine der Gasmischung
ausgesetzte körnige Oberfläche und eine außerordentlich große
Zunahme der Oberfläche, die der Gasmischung ausgesetzt
ist, sowie eine dramatische Zunahme der
Diamantkristall-Kernbildungsstellen, wobei jedes Teilchen eine Vielzahl
potentieller Stellen schafft. Ein primäres Merkmal dieser
Erfindung ist jedoch die Anwesenheit von Bor an der
Kristallkerne bildenden Oberfläche, das die
Kristallkernbildung beschleunigt oder fördert. Eine verbesserte
Substratkombination schließt einen Molybdänfolienstreifen
als einen Teil der Kombination, sowie die Anwesenheit von
Bor, z.B. als eine pulverschicht, als dem anderen Teil
ein. Es ist eine Kombination, die die Trägeroberfläche
sowie den Katalysator für die Diamantkristall-Kernbildung
direkt der Gasmischung aus Wasserstoff und
Kohlenwasserstoff darbietet. Die Ausführung dieser Erfindung zeigt,
daß Bor, in fester oder flüssiger Form, die
Kristallkern-Bildung fördert. Es wird jedoch angenommen, daß es die
tatsächliche Anwesenheit von Bor auf dem Substrat ist,
die die fördernde Wirkung erzeugt, und daß die Form
seiner Anwesenheit nicht der bedeutsame Faktor ist.
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Diese Erfindung schafft verbesserte Substrate
zum Züchten von Diamantkristallen variierender Größe
mittels eines Verfahrens zur chemischen Dampfabscheidung
durch Einbeziehen oder Schaffen der Anwesenheit von Bor
an der Kernbildungsstelle für den Diamantkristall durch
Gebrauch von feinteiligem oder pulverisiertem elementarem
Bor, zumindest als ein Teil eines Substrates und
vorzugsweise in Kombination mit einer Trägeroberfläche eines
hochschmelzenden Metalles, wie Molybdän.
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Im allgemeinen umfaßt eine Vorrichtung zur
chemischen Dampfabscheidung, die bei der Ausführung dieser
Erfindung geeignet ist, eine Reaktionskammer, die ein
Substrat enthält, auf dem Diamant abgeschieden wird,
sowie ein Wolfram-Widerstandselement, Einrichtungen zur
Zufuhr einer Gasmischung aus Wasserstoff und
Kohlenwasserstoff in die Kammer, einen Mikrowellengenerator zur
Bestrahlung des Substrates und der Gasmischung in der
Nähe des Substrates, sowie eine Einrichtung zum
Kontrollieren des Druckes innerhalb der Reaktionskammer.
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Mehr im besonderen umfaßt eine Vorrichtung zur
chemischen Dampfabscheidung eine Reaktionskammer in Form
eines Quarzrohres mit einem verschlossenen und einem
gegenüberliegenden offenen Ende. Die Reaktionskammer ist
innerhalb einer Mikrowellenkammer oder eines
Mikrowellenhohlraumes angeordnet. Innerhalb der Reaktionskammer sind
vier gleichermaßen beabstandete Molybdän-Trägerstäbe in
einer quadratischen Konfiguration angeordnet, wobei sich
ein Stab an jeder Ecke eines definierten Quadrates
befindet.
Ein Paar diagonal gegenüberliegender Stäbe trägt
einen elektrischen Widerstandsfaden oder -spulenerhitzer
benachbart dem verschlossenen Ende des
Reaktionskammerrohres. Das andere Paar diagonal gegenüberliegender Stäbe
stützt ein Substrat in einer vom verschlossenen Ende der
Reaktionskammer entfernteren Position als die
Heizeinrichtung. Es ist eine weite Vielfalt von
Substratmaterialien verfügbar. Hochschmelzende Metalle, wie Molybdän,
Rhenium, Tantal und Wolfram, sind bevorzugt. Andere zur
Verwendung als ein Substrat geeignete Materialien
schließen Graphit und Diamant ein. Ein Gaszufuhr- oder
Einlaßrohr aus Quarz mit geringem Durchmesser erstreckt sich
allgemein parallel, aber im Abstand von den Trägerstäben
und benachbart dem Zentrum des durch die Trägerstäbe
definierten Quadrates, in die Reaktionskammer, ohne die
eizeinrichtung oder das Substrat zu berühren. Da sich
das Einlaßrohr bis nahe dem verschlossenen Ende der
Reaktionskammer erstreckt, ist es in einer 180º-Kurve auf
sich selbst zurückgebogen so daß sein Austrittsende
benachbart der Wolfram-Heizspule endet. Während die
Gasmischung aus dem Gas-Einlaßrohr in die Reaktionskammer
strömt, wird es dadurch, daß es mit der Heizeinrichtung
bei der Glühtemperatur und/oder der Elektromagnetischen
Mikrowellenenergie ausgesetzt ist, ein Glühgasplasma.
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Die Vorrichtung ist mit einem
elektromagnetischen Wellenenergie-Generator versehen, der
Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer abgibt. Um die
Mikrowellenenergie in einem gewünschten Bereich zu fokussieren,
kann ein Parabolref lektor benutzt werden. Es ist in
diesem Bereich, in dem der Gasstrom ein lumineszentes
Gasplasma wird. Komponenten und
Strömungskontrolleinrichtung, um ein Gas oder eine Gasmischung einem
Gaseinlaßrohr zuzuführen, können von der Art sein, wie sie
allgemein bei Reaktoren zur chemischen Dampfabscheidung
benutzt werden.
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Ein Paar von Gasvorratstanks kann mittels
Gasströmungs-Kontrollventilen mit einer gemeinsamen Leitung
verbunden sein, wobei ein Tank nur mit Wasserstoff
gefüllt ist. Der andere Tank ist mit einer Mischung von 90
Vol.-% Wasserstoff (H&sub2;)-Gas und 10 Vol.-% Methan (CH&sub4;)-
Gas gefüllt. Durch Benutzen einer Mischung von Gasen in
einem Tank und einem einzelnen Gas im anderen Tank können
die Strömungsventile leichter eingestellt werden, um
geringere und genauere Änderungen in der Gasmischung, die
in die Reaktionskammer strömt, vorzunehmen. Eine
Vakuumpumpe kontrolliert die Entfernung der Gase aus der
Reaktionskammer und den Druck innerhalb der Reaktionskammer.
Elektrische Leistung wird der Heizeinrichtung, die eine
Drahtspule, z.B. aus Wolfram, Tantal, Molybdän oder
Rhenium, ist, zugeführt, um seine Temperatur auf etwa 2000ºC
zu erhöhen, bei der der Wolframdraht glüht. Während die
Gasmischung über die glühende Heizeinrichtung streicht,
kann sie gleichzeitig Mikrowellenenergie von einem
Generator ausgesetzt werden, die mittels eines bewegbaren
Parabolreflektors fokussiert wird. Andererseits kann
Mikrowellenenergie allein benutzt werden, um die
Gasmischung aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff anzuregen.
Wie in der vorgenannten EP-A-272 418 beschrieben, führt
das gleichzeitige Aussetzen der Gasströmung gegenüber der
Aktivierung durch eine Heizeinrichtung aus einem
glühenden Widerstandsdraht und der Mikrowellenenergie, im
allgemeinen Bereich gegenüber dem Ende des Einlaßrohres und
dem Substrat, zum Umwandeln des Gasstromes in ein
lumineszentes Plasma mit einem hohen Grad atomaren
Wasserstof fes in der Nähe des Substrates und erzeugt eine
erhöhte Ausbeute an Diamantkristallen sowie größere
Diamantkristalle auf dem Substrat.
BEISPIEL 1
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Eine Vorrichtung zur chemischen
Dampfabscheidung der oben beschriebenen Konfiguration wurde benutzt,
bei der ein Molybdänfolien-Substrat als eine
Trägeroberfläche für eine Schicht aus einer Mischung aus feinem
Teilchenmaterial diente, das die folgenden Komponenten,
in Gew.-%, umfaßte:
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Palladium Pd 62,0%
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Eisen Fe 5,5%
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Nickel Ni 15,5%
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Bor B 5,0%
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Kohlenstoff C 2,0%
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Die Strömungskontrollventile waren eingestellt,
um eine Strömung einer Gasmischung aus 1% Methan und 99%
5wasserstoff durch das Gaseinlaßrohr zu leiten. Die
Reaktionskammer war ein Quarzrohr mit einem inneren
Durchmesser von 5,08 cm (2,0 Zoll). Eine Evakuierungspumpe wurde
mit Energie versehen und hinsichtlich der Strömung
eingestellt, so daß die Strömungsrate der Gasmischung durch
den Gaseinlaß etwa 55 cm³/min betrug und der Gasdruck in
der Reaktionskammer konstant bei 1,13 kPa (8,5 Torr)
aufrechterhalten wurde. Eine Heizeinrichtungaus
Wolframdraht, gebildet aus einem Wolframdraht von 0,508 mm
(0,020 Zoll) Durchmesser, 2,54 cm (1,0 Zoll) Länge mit 18
Spulen und einem inneren Durchmesser von 3,175 mm (0,125
Zoll) , wurde mittels eines konstanten elektrischen
Stromes von 27,3 Ampere mit Energie versehen. Ein
Mikrowelnergie-Generator wurde mit seinem
Betriebs-Energieniveau von 500 Watt versehen und ein Reflektor eingestellt,
so daß der Gas strom die Spitzenlumineszens benachbart dem
Substrat erreichte. Die obigen Bedingungen wurden während
einer Dauer von 4 Stunden aufrechterhalten, wonach alle
elektrische Leistung abgestellt, die Gasströmung beendet
und das Substrat aus der Reaktionskammer herausgenommen
wurde. Eine Anzahl von relativ großen Diamantkristallefl
wurde mechanisch vom Substrat entfernt, wobei einige
davon die folgenden allgemeinen Abmessungen in um hatten,
was den Vorteil des beschriebenen Gebrauches von Bor
betont, verglichen mit der Anwendung des Verfahrens zur
chemischen Dampfabscheidung zur Herstellung von
Diamantkristallen in Abwesenheit von Bor.
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120 x 20 x 30
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150 x 70 x 100
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105 x 70 x 100
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105 x 105 x 40
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75 x 75 x 100
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100 x 80 x 50
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Eine Untersuchung des Substrates ergab, daß die
Pulvermischung geschmolzen war und in situ eine Legierung
gebildet hatte, die dann erstarrte, und daß die
Diamantkristall-Kernbildung auf der geschmolzenen Metallschicht
stattgefunden hatte. Die Diamantkristalle wurden
mechanisch von der Metallschicht entfernt, was zeigte, daß das
flüssige Metall die Oberfläche der Diamantkristalle nicht
unter Erzeugung einer starken Bindung benetzt hatte, und
daß die Diamantkristall-Kernbildung auf der Oberfläche
der oder in der flüssigen Metallschicht stattgefunden
hatte.
BEISPIEL 2
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Eine Molybdänscheibe von 1,9 cm (3/4 Zoll)
Durchmesser und 6,85 mm (1/4 Zoll) Dicke wurde auf einer
Seite poliert. Eine Mischung von 0,196 g Natriumalginat,
0,206 g kristallinem Bor und 4 g Wasser wurde zubereitet
und mittels Siebdruck auf die polierte Fläche der Scheibe
aufgebracht. Das Drucksieb war ein MEG-Sieb von 12,7 cm x
12,7 cm (5 x 5 Zoll) mit einer Öffnungsweite von 75 um
(Maschengröße 200). Der Drahtdurchmesser betrug 0,04 mm
(1,6/1000 Zoll) und der Winkel des Drahtsiebes zum
Druckhub war 22,50. ER-Harz wurde als Blockierungsmaterial für
das Sieb benutzt. Das Siebmuster war eine quadratische
Anordnung von 0,254 mm (10/1000 Zoll)-Linien mit 1,27 mm
(50/1000 Zoll)-Zentren, die einen Gesamtdurchmesser von
2,54 cm (1 Zoll) bildeten.
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Die siebbedruckte Scheibe wurde in einer
Quarz-Reaktionskammer mit einem Durchmesser von 5,08 cm
(2 Zoll), einer Vorrichtung zur chemischen Dampfabschei-
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dung, angeordnet, und es wurde eine Mischung aus 1 Vol.-%
Methan in wasserstoffgas mit einer Rate von 55 cm³/min in
die Reaktionskammer eingeleitet. Der Gasdruck wurde bei
etwa 1,13 kPa (8,5 Torr) aufrechterhalten.
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Die Gasmischung wurde mit einem
Wolfram-Glühfaden angeregt, der sich etwa 8 mm oberhalb der Scheibe
befand und durch den ein konstanter Strom von 25 Ampere
geleitet wurde. Der Faden war 2,54 cm (1 Zoll) lang,
geformt durch Wickeln von 18 Windungen auf einem Dorn von
3,175 mm (1/8 Zoll) Durchmesser.
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Die Reaktionskammer war innerhalb eines 500
Watt-Mikrowellenofens angeordnet, der auf hohe Leistung
eingestellt war. Es wurde ein Parabol-Aluminiumreflektor
benutzt, um die Mikrowellenenergie in die Reaktionskammer
in die Nähe der Scheibe und des erhitzten Fadens zu
fokussieren.
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Die Reaktionsbedingungen wurden 5 Stunden lang
aufrechterhalten, während dieser Zeit wurde die
Temperatur der Scheibe im Bereich von 800 bis 900ºC gehalten.
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Es bildeten sich schwarze Diamantkristallkerne
und wuchsen auf den gedruckten Borlinien. In den
unbedruckten Bereichen war die Diamantkristall-Kernbildung
statistisch, und die Dichte der Diamantkörner war sehr
viel geringer. Der mittlere Durchmesser der
Diamantkristalle betrug 25,4 um bis 38,1 um (1/1000 bis 1,5/1000
Zoll)
BEISPIEL 3
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Ein Substrat aus polykristallinein Diamant,
hergestellt durch Sintern von Diamantpulver unter Druck,
wurde teilweise mit amorphem Bor in Ethylalkohol
überzogen durch streichen der Bor-Aufschlämmung auf eine Hälfte
der substratoberf läche mit einem Baumwollappen. Man ließ
den Alkohol bei Raumtemperatur in umgebungsluft
verdampfen. Das Substrat wurde dann in einer Vorrichtung zur
chemischen Dampfabscheidung angeordnet, wie sie oben
beschrieben ist und unter den folgenden Bedingungen
betrieben.
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Strömungsraten: Querschnittsfläche = 100 cm²
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Total = 210 cm³/min
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100 H&sub2; = 175 cm³/min
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10% CH&sub4; in H&sub2; = 35 cm³/min
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Lineare Strömungsrate = 2 cm/min
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Glühfaden = 7,62 mm (0,030 Zoll)
218-Wolframdraht von 20 cm (7 7/8 Zoll) Länge
vertikaler Faden
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Trennung Faden-Substrat = 8,5 mm
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Fadentemperatur = 2.200ºC
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Ampere = 52 A
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Volt = 28 V
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Druck = 1,19 kPa (9 mmHg&supmin;&sup9; Torr)
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Versuchsdauer = 70 Stunden
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Wachstumsrate = 1,7 um/h (1,7 x 10&supmin;&sup4; cm/h)
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Dicke = 112 um (0,0112 cm)
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Diamantkristallgröße ohne Uberzug = 75 um
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Diamantkristallgröße mit Borüberzug < 15 um
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Die Untersuchung des abgeschiedenen
Diamantüberzuges zeigte, daß der nicht überzogene Teil des
Substrates große Kristalle aufwies, von denen einige bis zu
1/4 mm quer aufwiesen. Die mittlere Korngröße betrug etwa
75 um. Die Grenze zwischen mit Bor überzogenen und nicht
überzogenen Bereichen des Substrates war scharf und gut
definiert, ohne Anzeichen eines Bortransportes. Die
Diamantkorngröße auf dem mit Bor überzogenen Bereich betrug
1/2 bis 15 um.
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Die in den Beispielen 1 bis 3 beschriebenen
Bedingungen werden als repräsentativ für Bedingungen
angesehen, die geeignet sind für die Diamantzüchtung gemäß
der vorliegenden Erfindung. Die Variation von Strom,
Strömungsrate, Spannung , Druck und ähnlichem kann
erfolgen, um das Verfahren für spezifische Ergebnisse und
Techniken zu optimieren, bei denen Widerstands- und
Mikrowellen-Anregung separat oder gleichzeitig benutzt
werden.
BEISPIEL 4
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Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung
eines polykristallinen Mehrschichtaggregats, gekennzeichnet
durch abnehmende Korngröße in jeder aufeinanderfolgenden
Schicht abgeschiedenen Diamants, erhalten durch erneutes
Überziehen der vorhergehenden Diamantschicht mit Bor,
gefolgt von der Abscheidung der nächsten Diamantschicht.
In jedem Falle war der Diamant der vorhergehenden Schicht
das Substrat für die folgende Schicht, ausgenommen für
die erste Diamantschicht, die auf einem mit Bor
behandelten Molybdänsubstrat abgeschieden worden war.
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Das Molybdän-Ausgangssubstrat war ein Blech von
0,381 mm x 3,175 cm x 22,86 cm (0,015 x 1,25 x 9 Zoll),
das mit Bor überzogen worden war, das in Ethanol
aufgeschlämmt war. Das behandelte Substrat wurde parallel zu
einem Wolframfaden, der auf eine Temperatur von etwa
2.000ºC gebracht wurde, aufgehängt. Eine Mischung aus
Wasserstoff und Methan (1%) wurde mit einer Strömungsrate
von etwa 157 cm³/min durch das System geleitet. Nach
einer Abscheidungsperiode bestimmter Zeit wurde das mit
Diamant überzogene Substrat aus der Kammer herausgenommen
und, wie vorher, mit Bor überzogen und dann in seine
Position in der Kammer zur Abscheidung der nächsten
Diamantschicht zurückgebracht. Diese Prozedur wurde mehrmals
wiederholt, um eine Reihe aufeinanderfolgender Schichten
unter im wesentlichen den gleichen
Abscheidungsbedingungen zu schaffen, ausgenommen die Korngröße der
vorhergehenden Diamantschicht.
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Die Untersuchung der Diamant schichten mittels
Lichtmikroskopie zeigte eine nachweisbare Veringerung der
Größe der Diamantkörner oder -kristalle, die jede
aufeinanderfolgende Schicht bildeten, bezogen auf die
Anwesenheit einiger Körner von etwa 5 um Größe in der ersten
Schicht, bis zu Körnern von etwa 2 bis 3 um in der
zweiten
Schicht, bis zu Körnern von Submicron-Größe in den
folgenden Schichten.
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Das Verfahren von Beispiel 4 wurde im
wesentlichen wiederholt, ausgenommen, daß die
Mikrowellen-Anregung allein unter Bedingungen benutzt wurde, die im
wesentlichen die im Beispiel 1 beschriebenen waren, um zu
demonstrieren, daß die Mikrowellenenergie und die
Borbehandlung brauchbar waren für die Verfeinerung der
Korngröße der auf einanderfolgenden Schichten von durch
chemische Dampfabscheidung gebildetem Diamant. Die
lichtmikroskopische Untersuchung des resultierenden
Verbundstof fes zeigte eine auf einanderfolgende Verringerung der
mittleren Korngröße, wie in Beispiel 4 beschrieben.