STWIRHong Kong
STWIR/Technologie

Deux façons de le faire croître. Une seule de le finir.

Le diamant n'est thermodynamiquement stable que sous pression, et pourtant on peut le convaincre de croître à quelques kilopascals dans un plasma. Nous utilisons les deux voies, parce qu'elles excellent sur des objets différents, et nous finissons les résultats sur une seule ligne de fabrication.

§ 01Voie n° 1

Synthèse haute pression haute température.

Pression
5 – 6 GPa
Température
1 300 – 1 600 °C
Méthode
gradient de température
Durée
de quelques jours à quelques semaines par run
Produit
monocristaux jusqu'à des plaquettes de 15 × 15 mm

Dans une presse multi-enclumes, une cellule contenant une source de carbone, un solvant métallique et un germe de diamant est portée aux pressions et températures auxquelles le diamant, et non le graphite, est la forme stable du carbone : plusieurs gigapascals et bien au-dessus de 1 300 °C. Une différence de température délibérée à travers la cellule dissout le carbone à l'extrémité chaude et le dépose sur le germe à l'extrémité froide, une couche atomique à la fois, pendant des jours ou des semaines.

Le cristal qui en sort est un cuboctaèdre aux grandes faces {100} et {111}. Bien conduite, la méthode donne des monocristaux épais, à faible densité de dislocations et d'excellente homogénéité optique ; c'est pourquoi elle est la voie des enclumes, des fenêtres optiques, des substrats et des plaquettes de qualité quantique. Mal conduite, elle donne de l'azote, des inclusions et des contraintes. La différence tient à la pureté de la charge, à la stabilité du gradient sur des centaines d'heures, et aux getters qui piègent l'azote dans la cellule lorsque le matériau de type IIa est visé.

§ 02Voie n° 2

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes.

Excitation
plasma micro-ondes 2.45 GHz
Gaz
H₂ / CH₄, dopants sur demande
Substrat
germe HPHT · Si · Mo
Wafer
jusqu'à Ø 50 mm
Produit
couches SC · poly 30 nm → 1 mm

Dans un réacteur CVD, un mélange hydrogène-méthane à une fraction de la pression atmosphérique est excité en plasma par des micro-ondes à 2.45 GHz. L'hydrogène atomique maintient la surface en croissance exempte de graphite tandis que les radicaux carbonés s'ajoutent au réseau. Les vitesses de croissance se mesurent en micromètres par heure, ce qui est lent, mais la surface n'est limitée que par le plasma et le substrat.

Sur un germe HPHT, la couche prolonge le réseau du germe et le produit est un diamant monocristallin au dopage contrôlé à la partie par milliard. Sur silicium ou molybdène, la couche nuclée en de nombreux points et croît en wafer polycristallin jusqu'à 50 mm de diamètre, des films de 30 nm sur cadre aux plaques autoportantes d'un millimètre d'épaisseur. Le CVD polycristallin est le matériau des grandes fenêtres, des diffuseurs thermiques, des moniteurs de faisceau et des membranes.

§ 03Choisir la voie

Pas des rivales. Des outils différents.

Presque tout procédé CVD monocristallin commence sur un germe HPHT, et presque toute grande fenêtre en diamant est en CVD. La question n'est jamais de savoir quelle technologie est la meilleure, mais laquelle fabrique la pièce dont vous avez besoin, à la qualité requise et au prix que vous pouvez justifier. Nous pratiquons les deux : la recommandation n'est donc pas un argument de vente.

HPHT et CVD comparés
PropriétéMonocristal HPHTMonocristal CVDCVD polycristallin
Format maximal15 × 15 mm≈ 10 × 10 mmØ 50 mm
Épaisseur0.25 – 2 mm0.05 – 1 mm30 nm – 1 mm
Densité de dislocationsla plus faiblefaiblejoints de grains
Homogénéité optiqueexcellentetrès bonnediffusion aux joints de grains
Contrôle du dopageB jusqu'à 10 ppmdu ppb au ppmppm
Conductivité thermique> 2 000 W/m·K≈ 2 000 W/m·K700 – 1 900 W/m·K selon le grade
Idéal pourenclumes, optiques, substratsélectronique, couches NVfenêtres, diffuseurs, membranes
§ 04Chaîne de fabrication

Cinq postes entre le cristal et la boîte.

Orientation

Chaque cristal ou wafer est monté et orienté par diffraction de Laue aux rayons X. Le plan et la désorientation que vous avez spécifiés sont fixés ici, mesurés à nouveau après découpe et inscrits sur le passeport. Pour les enclumes et les germes, cette étape décide si la pièce fonctionnera tout court.

Laue aux rayons Xdésorientation ≤ 0.5° sur demande

Découpe laser guidée par jet d'eau

Un faisceau laser est guidé à l'intérieur d'un jet d'eau fin comme un cheveu, qui refroidit la coupe et évacue les débris. Pas de zone affectée thermiquement, pas de graphitisation, pas de conicité : plaquettes, disques, ébauches d'enclumes, ouvertures et contours multisecteurs sortent du cristal avec une perte minimale.

aucune zone affectée thermiquementcontours libres

Rodage et polissage

Les pièces sont rodées à plat sur les deux faces puis polies sur des plateaux en fonte chargés de diamant. Les faces monocristallines atteignent couramment Ra ≤ 5 nm et ≤ 2 nm lorsque spécifié ; les faces polycristallines atteignent ≤ 10 nm. Coins, biseaux et culets sont générés à ce poste.

Ra ≤ 5 nm SCcoin, biseau, culet

Métallisation et assemblage

Les empilements Ti/Pt/Au, Ti/Ni/Au et Cr/Au déposés par pulvérisation donnent des surfaces brasables, câblables et électriquement définies. La lithographie structure les contacts et isole les faces. Le brasage sous vide et le soudage laser assemblent le diamant sur supports métalliques et brides, suivis d'un placage nickel ou or si nécessaire.

empilements pulvériséslithographiebrasage sous vide

Contrôle et passeport

Chaque pièce finie est mesurée en dimensions, planéité, variation totale d'épaisseur, rugosité et orientation, ainsi qu'en grandeurs optiques, électriques ou de vide lorsque l'application l'exige. Les résultats vont sur le passeport, le passeport va dans la boîte.

contrôle à 100 %sérialisé
§ 05Données matériau

Pourquoi les chiffres valent leur prix.

Diamant monocristallin, valeurs typiques à température ambiante
PropriétéValeurUnité
Conductivité thermique, type IIa2 000 – 2 200W/m·K
Coefficient de dilatation thermique≈ 1.010⁻⁶/K
Largeur de bande interdite5.47eV
Résistivité électrique, non dopé> 10¹³Ω·cm
Constante diélectrique5.7—
Champ de claquage> 10MV/cm
Indice de réfraction à 633 nm2.42—
Transmission225 nm – 2.5 µm · > 6 µm—
Dureté Knoop≈ 100GPa
Module d'Young≈ 1 100GPa
Masse volumique3.52g/cm³
Raie Raman1 332cm⁻¹
Valeurs de la littérature, à titre indicatif. Les valeurs mesurées d'une pièce donnée figurent sur son passeport.
§ 06Métrologie

Ce que nous mesurons, et sur quoi.

Le contrôle s'exerce entre les postes autant qu'en fin de ligne. Un cristal à inclusions n'atteint jamais la scie, et une plaquette à la mauvaise désorientation n'atteint jamais la polisseuse.

Méthodes de caractérisation
MéthodeDétermineAppliquée à
Diffraction de Laue aux rayons Xorientation et désorientationchaque plaquette, enclume et germe
Spectroscopie FTIRazote substitutionnel, typetout le monocristal
Spectroscopie UV-Vis-NIRseuil d'absorption, transmissionoptiques, qualité quantique
Imagerie en polariseurs croiséscontraintes, biréfringenceenclumes, optiques, plaquettes IIa
Photoluminescencecentres colorés, teneur en NVqualité quantique
Rocking curve aux rayons Xperfection cristallinesubstrats sur demande
Interférométrie en lumière blancheplanéité, TTV, parallélisme, coinchaque pièce polie
Microscopie à force atomiquerugosité Ra, Rqfaces polies
Microscopie optique, DICinclusions, piqûres, éclats, rayureschaque pièce
Sonde à quatre pointesrésistivitépièces dopées et métallisées
Test de fuite à l'héliumtaux de fuiteassemblages brasés
Conductivité thermique, flash laserκ par gradewafers CVD, par lot

Apportez-nous la spécification difficile.

Les pièces que d'autres fournisseurs décrivent comme possibles en principe sont celles sur lesquelles nous sommes le plus utiles. Dites-nous quelle contrainte est bloquante.