De rol van vacuüm bij de productie van synthetische diamanten 11 juli 2022
4 MIN READ
Vermeld diamanten en de meeste mensen associëren dat met de sieradensector. Ze zullen er ook rekening mee houden dat dergelijke edelstenen in mijnen te vinden zijn en soms onder zware omstandigheden gewonnen worden ('bloeddiamanten'). Daarom onderzocht de industrie al in de jaren 1950 hoe synthetische diamanten kunnen worden geproduceerd.
Tegenwoordig zijn er verschillende processen beschikbaar om man-made diamanten te maken. Niet alleen voor sieraden waar zelfs experts worden uitgedaagd om een natuurlijke diamant te onderscheiden van een man-made, maar ook voor de veel grotere markt voor diamanten in de industriële sector.
Vier uitstekende eigenschappen van synthetische diamanten
De belangrijkste eigenschappen van synthetische diamanten die ze zo interessant maken voor de industriële sector zijn:
- Mechanisch (hogere hardheid dan chemische inertheid)
- Optisch (hoge transparantie)
- Elektrisch (halfgeleidereigenschappen)
- Thermisch (hoogste warmtegeleidingscoëfficiënt)
Voorbeelden van typische industriële toepassingen zijn bewerkings- en snijgereedschappen, venstermateriaal voor het doorgeven van infrarood- en microgolfstraling en koellichamen voor lasers en transistoren. Synthetische diamanten zijn ook het basismateriaal voor halfgeleiderwafers en Qubits voor kwantumcomputing.
Hoe worden diamanten verkregen?
Traditioneel werden diamanten miljarden jaren geleden op natuurlijke wijze gevormd in de aardkorst door koolstofatomen die werden blootgesteld aan intense hitte en druk. Door technische vooruitgang is er echter een nieuwe bron van synthetisch gekweekte diamanten gecreëerd. Deze markt kan worden onderverdeeld in 2 hoofdproductiemethoden:
- HPHT (High-Pressure High Temperature)- Deze methode is gebaseerd op hoe diamanten op natuurlijke wijze werden gevormd – koolstof samendrukken en warmte toevoegen. De voetafdruk van de apparatuur heeft vaak een grote en beperkte procescontrole.
- CVD (Chemical Vapor Deposition)- Deze methode is gebaseerd op het creëren van een vacuümomgeving en vervolgens het introduceren van specifieke gassen om een reactie te activeren. De apparatuur neemt vaak weinig ruimte in beslag en heeft een uitstekende procesregeling.
MPCVD (Microwave Plasma CVD) groeiproces
Vanwege de kleine voetafdruk en de uitstekende procescontrole is het MPCVD-kweekproces steeds populairder geworden. Een belangrijk onderdeel van het MPCVD-proces is het creëren en handhaven van optimale vacuümomstandigheden in een groeikamer. Een typische groeikameropstelling ziet er als volgt uit:
Proces voor het maken van synthetische diamanten. Bron: NNE, 2019
De typische processtappen zijn de volgende:
- Indeling diamantzaad/substraat
- Sluit kamer en evacueer kamer voor conditionering, verwarm substraat
- Waterstof invoeren
- Schakel de microgolfoven in en genereer plasma (~4000 °C) boven het substraat
- Introduceer procesgassen en start epitaxiale groei
- Methaan – koolstofbron
- Ethanol, aceton of zuurstof (optioneel) - helpt de kwaliteit te verbeteren door zuurstofplasma-etseffect
- Stikstof (optioneel) - helpt het proces te versnellen (geleerd uit ervaring en maakte de groei van MPCVD economisch haalbaar)
- 1 tot 4 weken groeiperiode
Wat zijn de vereisten voor vacuümpompen tijdens de groeiperiode?
- Initiële pomp omlaag tot ongeveer 2E-2 mbar basisdruk
- Handhaaf de druk (100-300 mbar, gewoonlijk in een bereik van 100-130 mbar) terwijl de procesgassen stromen
- Lagedrukreiniging van diamantkleur na productie
Tegenwoordig worden oliegesmeerde of tweetraps draaischuifpompen doorgaans gebruikt in het MPCVD-proces. Dit komt omdat deze pompen zeer goed geschikt zijn om een lage conditioneringsdruk te bereiken, maar ook omdat ze voornamelijk zijn ontworpen voor continu bedrijf bij fijnvacuüm. Bovendien worden deze pompen geconfronteerd met slechte smering, oververhitting of hoog olieverlies wanneer ze dagenlang werken in de ruwe drukfase die nodig is voor dit proces.
Voordelen van de door Leybold ontwikkelde tweetrapspompen
De oliesmering van TRIVAC-pompen wordt gewaarborgd door een ingebouwde oliepomp, die ook een gelijkmatige olieverdeling bij werking onder ruwe druk mogelijk maakt, terwijl standaardpompen zonder dergelijke oliepompen kunnen uitvallen.
De NEO D 2-traps draaischuifpomp is ontworpen voor gebruik bij ruwe druk en biedt een perfecte oplossing voor de diverse drukvereisten van dit groeiproces:
- Het ontwerp is gebaseerd op onze bekende SOGEVAC industriële pompserie en biedt bewezen robuustheid voor industriële toepassingen
- De lage einddruk kan gemakkelijk voldoen aan de initiële pomp-downvraag, maar het ontwerp van de pomp maakt ook een continue werking bij elke (zelfs ruwe) bedrijfsdruk mogelijk
- Geïntegreerd hoogefficiënt uitlaatfilter dat olieverlies tot een technisch minimum kan beperken. De olie blijft in de pomp!
- Compacte vormgeving Er is geen externe uitlaatolienevelafscheider met olieretour nodig
Voor klanten die een conditioneringsdruk in het hoogvacuümbereik <10-3 mbar willen bereiken, kan Leybold ook een breed scala aan turbopompen aanbieden, zoals de TURBOVAC-serie. Daarnaast bieden we de vereiste meters en hardware aan.
Leybold: uw one-stop-shop partner
Met 175+ jaar ervaring en een breed productassortiment is Leybold een geweldige partner voor uw CVD-diamantgroei. Van ruwpompen tot turbopompen of accessoires, wij hebben een grote verscheidenheid aan producten. Wij hebben ook een toegewijd toepassingsteam klaar om de ideale pompconfiguratie te berekenen.
Met een wereldwijde ondersteuningsorganisatie kunnen wij uw productieactiviteiten ondersteunen, waar ze zich ook bevinden.
