Zwei Wege, ihn zu züchten. Ein Weg, ihn zu fertigen.
Diamant ist nur unter Druck thermodynamisch stabil – und lässt sich doch bei wenigen Kilopascal in einem Plasma zum Wachsen bringen. Wir nutzen beide Routen, weil sie unterschiedliche Dinge gut können, und fertigen die Ergebnisse auf einer einzigen Produktionslinie.
Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese.
- Druck
- 5 – 6 GPa
- Temperatur
- 1 300 – 1 600 °C
- Verfahren
- Temperaturgradient
- Dauer
- Tage bis Wochen je Lauf
- Ergebnis
- Einkristalle für Platten bis 15 × 15 mm
In einer Multi-Anvil-Presse wird eine Zelle mit Kohlenstoffquelle, metallischem Lösungsmittel und Diamantkeim auf die Drücke und Temperaturen gebracht, bei denen Diamant und nicht Graphit die stabile Form des Kohlenstoffs ist: mehrere Gigapascal und deutlich über 1 300 °C. Ein gezielter Temperaturunterschied über die Zelle löst Kohlenstoff am heißen Ende und scheidet ihn am kalten Ende auf dem Keim ab, Atomlage für Atomlage, über Tage oder Wochen.
Der entstehende Kristall ist ein Kuboktaeder mit großen {100}- und {111}-Flächen. Gut geführt, liefert das Verfahren dicke, versetzungsarme Einkristalle mit hervorragender optischer Homogenität – deshalb ist es die Route für Diamantstempel, optische Fenster, Substrate und Platten in Quantenqualität. Schlecht geführt, liefert es Stickstoff, Einschlüsse und Spannungen. Der Unterschied liegt in der Reinheit des Ausgangsmaterials, in der Stabilität des Gradienten über Hunderte von Stunden und in den Gettern, die bei Typ-IIa-Material den Stickstoff aus der Zelle binden.
Mikrowellenplasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung.
- Anregung
- 2,45-GHz-Mikrowellenplasma
- Gas
- H₂ / CH₄, Dotierstoffe auf Anfrage
- Substrat
- HPHT-Keim · Si · Mo
- Wafer
- bis Ø 50 mm
- Ergebnis
- SC-Schichten · poly 30 nm → 1 mm
In einem CVD-Reaktor wird ein Wasserstoff-Methan-Gemisch bei einem Bruchteil des Atmosphärendrucks durch 2,45-GHz-Mikrowellen zu einem Plasma angeregt. Atomarer Wasserstoff hält die wachsende Oberfläche frei von Graphit, während Kohlenstoffradikale sich an das Gitter anlagern. Die Wachstumsraten liegen bei Mikrometern pro Stunde – langsam, aber die Fläche wird nur durch Plasma und Substrat begrenzt.
Auf einem HPHT-Keim setzt die Schicht das Gitter des Keims fort, und das Produkt ist einkristalliner Diamant mit einer bis auf ppb kontrollierten Dotierung. Auf Silizium oder Molybdän keimt die Schicht an vielen Stellen und wächst als polykristalliner Wafer bis 50 mm Durchmesser – von 30-nm-Filmen auf einem Rahmen bis zu freistehenden Platten von einem Millimeter Dicke. Polykristallines CVD ist das Material für große Fenster, Wärmespreizer, Strahlmonitore und Membranen.
Keine Rivalen. Verschiedene Werkzeuge.
Fast jeder einkristalline CVD-Prozess beginnt auf einem HPHT-Keim, und fast jedes große Diamantfenster ist CVD. Die Frage lautet nie, welche Technologie besser ist, sondern nur, welche das Teil, das Sie brauchen, in der nötigen Qualität und zu einem vertretbaren Preis liefert. Wir fertigen beides – unsere Empfehlung ist also kein Verkaufsargument.
| Eigenschaft | HPHT-Einkristall | CVD-Einkristall | CVD polykristallin |
|---|---|---|---|
| Maximales Format | 15 × 15 mm | ≈ 10 × 10 mm | Ø 50 mm |
| Dicke | 0.25 – 2 mm | 0.05 – 1 mm | 30 nm – 1 mm |
| Versetzungsdichte | am niedrigsten | niedrig | Korngrenzen |
| Optische Homogenität | hervorragend | sehr gut | Streuung an Korngrenzen |
| Dotierkontrolle | B bis 10 ppm | ppb bis ppm | ppm |
| Wärmeleitfähigkeit | > 2 000 W/m·K | ≈ 2 000 W/m·K | 700 – 1 900 W/m·K je Qualität |
| Am besten für | Stempel, Optiken, Substrate | Elektronik, NV-Schichten | Fenster, Wärmespreizer, Membranen |
Fünf Stationen zwischen Kristall und Versandbox.
Orientierung
Jeder Kristall und jeder Wafer wird aufgespannt und per Röntgen-Laue-Beugung orientiert. Die von Ihnen spezifizierte Ebene und Fehlorientierung werden hier eingestellt, nach dem Schneiden erneut gemessen und in den Materialpass eingetragen. Bei Stempeln und Keimen entscheidet dieser Schritt darüber, ob das Teil überhaupt funktioniert.
Wasserstrahlgeführtes Laserschneiden
Ein Laserstrahl wird in einem haarfeinen Wasserstrahl geführt, der den Schnitt kühlt und Abtrag abführt. Es gibt keine Wärmeeinflusszone, keine Graphitisierung und keine Konizität, sodass Platten, Scheiben, Stempelrohlinge, Aperturen und Mehrsektorkonturen mit minimalem Verlust vom Kristall abgetrennt werden.
Läppen und Polieren
Die Teile werden beidseitig plan geläppt und anschließend auf diamantbelegten Gusseisenscheiben poliert. Einkristallflächen erreichen routinemäßig Ra ≤ 5 nm und ≤ 2 nm, wenn spezifiziert; polykristalline Flächen erreichen ≤ 10 nm. Keile, Fasen und Culets entstehen an dieser Station.
Metallisierung und Fügen
Gesputterte Ti/Pt/Au-, Ti/Ni/Au- und Cr/Au-Schichtsysteme ergeben lötbare, bondbare und elektrisch definierte Oberflächen. Lithografie strukturiert Kontakte und trennt Flächen. Vakuumlöten und Laserschweißen verbinden Diamant mit Metallträgern und Flanschen, bei Bedarf gefolgt von einer Nickel- oder Goldbeschichtung.
Prüfung und Materialpass
Jedes fertige Teil wird auf Abmessungen, Ebenheit, Gesamtdickenschwankung, Rauheit und Orientierung gemessen sowie auf optische, elektrische oder vakuumtechnische Kennwerte, wo die Anwendung sie verlangt. Die Ergebnisse kommen in den Materialpass, der Materialpass kommt in die Box.
Warum die Zahlen den Preis wert sind.
| Eigenschaft | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit, Typ IIa | 2 000 – 2 200 | W/m·K |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | ≈ 1.0 | 10⁻⁶/K |
| Bandlücke | 5.47 | eV |
| Spezifischer Widerstand, undotiert | > 10¹³ | Ω·cm |
| Dielektrizitätskonstante | 5.7 | — |
| Durchbruchfeldstärke | > 10 | MV/cm |
| Brechungsindex bei 633 nm | 2.42 | — |
| Transmission | 225 nm – 2.5 µm · > 6 µm | — |
| Knoop-Härte | ≈ 100 | GPa |
| Elastizitätsmodul | ≈ 1 100 | GPa |
| Dichte | 3.52 | g/cm³ |
| Raman-Linie | 1 332 | cm⁻¹ |
Was wir messen – und woran.
Geprüft wird zwischen den Stationen und am Ende. Ein Kristall mit Einschlüssen erreicht nie die Säge, und eine Platte mit falscher Fehlorientierung erreicht nie die Poliermaschine.
| Verfahren | Bestimmt | Angewendet auf |
|---|---|---|
| Röntgen-Laue-Beugung | Orientierung und Fehlorientierung | jede Platte, jeden Stempel und Keim |
| FTIR-Spektroskopie | substitutioneller Stickstoff, Typ | alle Einkristalle |
| UV-Vis-NIR-Spektroskopie | Absorptionskante, Transmission | Optiken, Quantenqualität |
| Abbildung unter gekreuzten Polarisatoren | Spannung, Doppelbrechung | Stempel, Optiken, IIa-Platten |
| Photolumineszenz | Farbzentren, NV-Gehalt | Quantenqualität |
| Röntgen-Rockingkurve | kristalline Perfektion | Substrate auf Anfrage |
| Weißlichtinterferometrie | Ebenheit, TTV, Parallelität, Keil | jedes polierte Teil |
| Rasterkraftmikroskopie | Rauheit Ra, Rq | polierte Flächen |
| Lichtmikroskopie, DIC | Einschlüsse, Poren, Ausbrüche, Kratzer | jedes Teil |
| Vierspitzenmessung | spezifischer Widerstand | dotierte und metallisierte Teile |
| Helium-Lecktest | Leckrate | gelötete Baugruppen |
| Wärmeleitfähigkeit, Laser-Flash | κ je Qualität | CVD-Wafer, je Los |
Bringen Sie uns die schwierige Spezifikation.
Die Teile, die andere Lieferanten als „im Prinzip möglich“ bezeichnen, sind die, bei denen wir am nützlichsten sind. Sagen Sie uns, welche Randbedingung bindend ist.