Отжиг монокристаллических алмазов, полученных химическим осаждением из газовой фазы

Изобретение относится к отжигу алмаза, а именно к отжигу монокристаллического CVD-алмаза. Способ включает увеличение температуры CVD-алмаза до температуры отжига, составляющей по меньшей мере 1500°С при давлении по меньшей мере 4,0 ГПа в пределах стабильной фазы графита или только в пределах стабильной фазы алмаза. В частных случаях выполнения изобретения после достижения CVD-алмазом температуры отжига проводят понижение температуры монокристаллического CVD-алмаза до температуры окружающей среды при сохранении давления на монокристаллическом CVD-алмазе. Перед отжигом может быть проведена первоначальная стадия выращивания монокристаллического коричневого алмаза при температуре примерно 1400-1460°С в атмосфере, содержащей 4-5% N₂/CH₄. Получают осветленный или бесцветный монокристаллический алмаз с улучшенными оптическими свойствами, в котором устранены дефекты. 8 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение заявляет приоритет предварительной заявки No.60/486435, поданной 14 июля 2003, которая включена в данное описание в виде ссылки.

Подтверждение государственного права

Настоящее изобретение осуществлено при поддержке правительства США по гранту c номером EAR-0135626, предоставленному Национальным Научным Фондом. Правительство США имеет определенные права на данное изобретение.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к отжигу алмаза и, более конкретно, к отжигу монокристаллического CVD-алмаза.

Описание уровня техники

Рост алмазов химическим осаждением из газовой фазы достигается передачей энергии углеродсодержащим молекулам предшественников в газовой фазе. Например, микроволновая энергия может быть использована для создания плазмы, из которой углерод осаждается так, что происходит образование алмаза на затравке алмаза. Практически до последнего времени все способы CVD при выращивании алмаза приводили в результате к поликристаллическому алмазу или к очень тонким слоям монокристаллического алмаза. Авторы настоящего изобретения разработали способ CVD, индуцированный микроволновой плазмой, для выращивания больших CVD-монокристаллов, который раскрыт в находящейся одновременно на рассмотрении патентной заявке серийный номер 10/288499, поданной 6 ноября 2002, которая включена в данное описание в виде ссылки.

Способ CVD, индуцированный микроволновой плазмой, разработанный авторами настоящего изобретения, дает возможность выращивать монокристаллический алмаз на затравке алмаза, например на желтом синтетическом HPHT-алмазе типа Ib со скоростями до 150 микрон в час. Цвет алмазов, полученных способом CVD, индуцированным микроволновой плазмой, который разработан авторами настоящего изобретения, зависит от температуры, при которой выращивают алмаз. Более конкретно, когда алмаз выращивают в определенной температурной области, которая зависит от смеси газов в плазме, то могут быть получены бесцветные алмазы. Однако алмазы, полученные при температурах вне определенной области, имеют желтый или коричневый цвет.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, настоящее изобретение направлено на отжиг монокристаллического CVD-алмаза, который по существу устраняет одну или несколько проблем, обусловленных ограничениями и недостатками предшествующего уровня техники.

Целью настоящего изобретения является осветление или удаление цвета монокристаллического CVD-алмаза.

Другая цель настоящего изобретения состоит в устранении дефектов монокристаллического CVD-алмаза.

Другая цель настоящего изобретения состоит в улучшении оптических свойств монокристаллического CVD-алмаза.

Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут изложены в приведенном ниже описании и частично будут понятны из описания или могут быть изучены при практическом осуществлении изобретения. Указанные цели и другие преимущества данного изобретения будут реализованы и достигнуты с помощью системы, в частности, указанной в описании и в формуле изобретения.

Для достижения указанных целей и других преимуществ и в соответствии с целью настоящего изобретения, которое осуществлено и подробно описано, предложен способ улучшения оптической прозрачности монокристаллического CVD-алмаза, который включает увеличение температуры CVD-алмаза до установленной температуры, по меньшей мере, 1500°C при давлении, по меньшей мере, 4,0 ГПа.

Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются иллюстративными и пояснительными и предназначены для дальнейшего разъяснения заявленного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Теперь будет сделана ссылка на подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Авторы настоящего изобретения использовали разработанный ими способ CVD, индуцированный микроволновой плазмой, для выращивания монокристаллических алмазов c толщиной более чем 1 миллиметр на затравке алмаза, например гранях {100} синтетического HPHT-алмаза типа Ib. С целью увеличения скорости роста до примерно 50-150 мкм/час и активации процесса сглаживания роста грани {100} монокристаллический CVD-алмаз выращивали в атмосфере N₂/CH₄=0,2-5,0%, CH₄/H₂=12-20% при суммарном давлении 120-220 торр и при температуре 900-1500°C. Спектры комбинационного рассеяния показали наличие небольшого количества гидрогенизированного аморфного углерода (a-C:H)⁴ и азотсодержащего a-C:H(N:a-C:H)⁴, что являлось причиной появления монокристаллического CVD-алмаза с коричневым или желтым цветом, когда алмаз выращивали при <950°C или >1400°C. Кроме того, спектр фотолюминесценции (СФ) указывал на примеси, связанные с вакансией азота (N-V).

Монокристаллический CVD-алмаз быстрее растет при более высоких температурах 1400-1500°С, но при этом полученный алмаз имеет коричневый цвет. Независимо от цвета монокристаллические CVD-алмазы, полученные в результате использования авторами настоящего изобретения разработанного ими способа CVD, индуцированного микроволновой плазмой, могли все еще содержать примеси. Несомненно, что желательно получение более светло окрашенного алмаза, более прозрачного алмаза или не имеющего цвета алмаза.

Об осветлении коричневого цвета природных коричневых алмазов, а также и уменьшении примесей при помощи отжига при высоких температурах и высоком давлении было сообщено I.M.Reinitz et al. в Gems & Gemology 36, 128-137 (2000). Однако авторы настоящего изобретения установили, что HPHT-отжиг желтого или коричневого монокристаллического CVD-алмаза при температуре 1800-2900°C и при давлении 5-7 ГПа в течение примерно 1-60 минут с использованием реактора в обычной установке высоких давлений и высоких температур также превращает некоторые коричневые монокристаллические CVD-алмазы в прозрачный бесцветный монокристаллический алмаз. Более конкретно, монокристаллический желтый или светло-коричневый CVD-алмаз, выращенный с высокой скоростью роста при температуре примерно 1400-1460°C в атмосфере, содержащей отношение N₂/CH₄, равное 4-5%, мог быть отожжен до бесцветного монокристаллического алмаза. Кроме того, спектр комбинационного рассеяния и СФ такого отожженного CVD-алмаза указывают на исчезновение гидрогенизированного аморфного углерода и значительное уменьшение примесей N-V в таком бесцветном монокристаллическом алмазе. Такие изменения подобны изменениям, отмеченным I.M.Reinitz et al., касающимся улучшения прозрачности, полученного HPHT-отжигом коричневых природных алмазов.

Химический реактор может быть ячейкой, например, как описано в патентах США №3745623 или 3913280, которые включены в данное описание в виде ссылки. К целой ячейке прикладывают давление свыше 4,0 ГПа, например 5-7 ГПа, и нагревают до температуры свыше 1500°C, например 1800-2900°C, так что условия по давлению и температуре в ячейке или реакторе находятся в пределах стабильной фазы графита или только в пределах стабильной фазы алмаза в течение периода времени, который может быть таким коротким, как 1 минута, или таким длинным, как один час. Для ячейки предусмотрено охлаждение перед снятием давления, чтобы монокристаллический CVD-алмаз не превратился в графит.

ПРИМЕР 1

Монокристаллический CVD-алмаз выращивали в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре примерно 1500°C на желтом синтетическом HPHT-алмазе типа Ib в Carnegie Institution of Washington. Размер монокристаллического алмаза CVD-алмаза составлял 1 см² и несколько превышал один миллиметр по толщине. Цвет монокристаллического алмаза CVD-алмаза был коричневым. Коричневый монокристаллический CVD-алмаз на синтетическом затравочном HPHT-алмазе типа Ib затем помещали в качестве образца в реактор.

Реактор помещали в обычное HPHT-устройство. Сначала давление увеличивали до давления 5,0 ГПа, а затем температуру быстро поднимали до 2200°C. Образец выдерживали при этих условиях отжига в течение пяти минут, а затем температуру уменьшали в течение примерно одной минуты до комнатной температуры прежде, чем снимали давление.

Образец удаляли из реактора и исследовали под оптическим микроскопом. Коричневый монокристаллический CVD-алмаз приобрел светло-зеленый цвет и остался прочно связанным с желтым синтетическим HPHT-алмазом типа Ib. Желтый цвет синтетического HPHT-алмаза типа Ib стал светло-желтым или более прозрачно-желтым.

ПРИМЕР 2

Полностью соответствует рассмотренному выше примеру 1, за исключением того, что образец в условиях отжига выдерживали в течение 1 часа. Темно-коричневый монокристаллический CVD-алмаз приобрел светло-зеленый цвет, который был более прозрачным, чем светло-зеленый цвет, полученный в примере 1, и алмаз остался прочно связанным с желтым синтетическим HPHT-алмазом типа Ib. Желтый цвет синтетического HPHT-алмаза типа Ib стал светло-желтым или более прозрачно-желтым.

ПРИМЕР 3

Монокристаллический CVD-алмаз выращивали в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре примерно 1450°C на желтом синтетическом HPHT-алмазе типа Ib в Carnegie Institution of Washington. Размер монокристаллического CVD-алмаза составлял 1 см² и несколько превышал один миллиметр по толщине. Цвет монокристаллического CVD-алмаза был светло-коричневым или желтым. Другими словами, светло-коричневый цвет не был таким темным, как у коричневого монокристаллического CVD-алмаза в рассмотренном выше примере 1. Желтый или светло-коричневый монокристаллический CVD-алмаз на синтетическом затравочном HPHT-алмазе типа Ib затем помещали в качестве образца в реактор.

Реактор помещали в обычное HPHT-устройство. Давление увеличивали до примерно давления 5,0 ГПа, а затем температуру быстро поднимали до примерно 2000°C. Образец выдерживали при этих условиях отжига в течение пяти минут, а затем температуру уменьшали в течение примерно одной минуты до комнатной температуры прежде, чем снимали давление.

Образец удаляли из реактора и исследовали под оптическим микроскопом. Светло-коричневый или желтый монокристаллический CVD-алмаз стал бесцветным и остался прочно связанным с желтым синтетическим HPHT-алмазом типа Ib. Желтый цвет синтетического HPHT алмаза типа Ib стал светло-желтым или более прозрачно-желтым.

ПРИМЕР 4

Полностью соответствует примеру 1, за исключением того, что бесцветный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре ˜1200°C был отожжен. После отжига CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристалл стал голубым. Указанный голубой CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз обладал очень высокой прочностью>20 MPa м^1/2. Твердость составляла примерно ˜140 ГПа.

ПРИМЕР 5

Полностью соответствует примеру 1, за исключением того, что бесцветный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз в атмосфере с отношением N₂/CH₄, равным 5%, при температуре ˜1200°C был отожжен. CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз остался бесцветным. Указанный бесцветный CVD-выращенный в индуцированной микроволновой плазме монокристаллический алмаз обладал твердостью ˜160 ГПа и прочностью ˜10 MPa м^1/2.

Поскольку настоящее изобретение может быть осуществлено в нескольких формах, не отходя от сути или его существенных признаков, следует также понимать, что описанные выше варианты не ограничены никакими подробностями приведенного выше описания, если не оговорено особо, и их следует толковать широко в пределах его сущности и объема, которые определены в прилагаемой формуле изобретения, и поэтому подразумевается, что все изменения и модификации, которые входят в пределы объема формулы изобретения или эквивалентны такому объему, включены в прилагаемую формулу изобретения.

1. Способ улучшения оптической прозрачности монокристаллического CVD-алмаза, включающий увеличение температуры CVD-алмаза до температуры отжига, составляющей по меньшей мере 1500°С, при давлении по меньшей мере 4,0 ГПа в пределах стабильной фазы графита или только в пределах стабильной фазы алмаза.

2. Способ по п.1, в котором монокристаллический CVD-алмаз выращивают на затравке алмаза.

3. Способ по п.1, в котором температуру монокристаллического CVD-алмаза увеличивают до температуры отжига в пределах от 1800 до 2900°С.

4. Способ по п.1, в котором температуру отжига монокристаллического CVD-алмаза поддерживают в течение менее примерно 1 мин.

5. Способ по п.1, в котором температуру отжига монокристаллического CVD-алмаза поддерживают в течение периода времени от 1 до 5 мин.

6. Способ по п.1, в котором температуру монокристаллического CVD-алмаза увеличивают до 2200°С при давлении примерно 5,0 ГПа.

7. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию после достижения температуры отжига понижения температуры монокристаллического CVD-алмаза до температуры окружающей среды при сохранении давления на монокристаллическом CVD-алмазе.

8. Способ по п.1, в котором монокристаллический CVD-алмаз первоначально имеет коричневый цвет и становится бесцветным.

9. Способ по п.1, дополнительно включающий первоначальную стадию выращивания монокристаллического коричневого алмаза при температуре примерно 1400-1460°С в атмосфере, содержащей 4-5% N₂/CH₄.