Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа

Способ синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы, а также устройство для реализации этого способа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение касается способа синтеза материала, в частности алмаза, посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD), согласно которому в вакуумной камере вблизи субстрата, предназначенного для размещения на нем синтезируемого материала, создают плазму, и согласно которому в камеру вводят Н₂ и вещество-носитель углерода, например СН₄ или С₂Н₂, для получения в камере газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, при помощи которых впоследствии осуществляется синтез указанного материала.

Такой способ известен из патента US 4859490. Согласно известному способу используют вакуумную камеру, в которой размещается субстрат и поддерживается давление от 40 до 400 Торр. Плазму создают при помощи электрического потенциала, прикладываемого между нитью накала и сеткой, причем сетка находится между нитью и субстратом. Нить нагревают до температуры не менее 1600°С и в камеру вводят Н₂ и газ-носитель углерода, чтобы синтезировать из углерода алмаз посредством химического осаждения из паровой фазы.

Недостатком известного способа является относительно низкая, около 1 мкм в час, скорость осаждения синтезируемого твердого материала, и поэтому процесс, даже если он позволяет получать алмазы хорошего качества, с экономической точки зрения оказывается мало рентабельным.

Настоящее изобретение относится к способу синтеза материала посредством химического осаждения из паровой фазы, позволяющему получить более высокую скорость осаждения, чем в известном способе, и одновременно обеспечить хорошее качество получаемого материала.

Для этого способ по настоящему изобретению включает выбор из электромагнитных спектров поглощения и неупругого рассеяния синтезируемого материала частот поглощения, способствующих реакциям, приводящим к образованию синтезируемого материала, и генерирование лучей в виде фотонных пучков, несущих то количество энергии, которое соответствует каждой из указанных частот поглощения и неупругого рассеяния, причем указанный фотонный пучок вводится (инжектируется) в плазму, где вещества-носители атомов реактивного углерода поглощают фотоны, имеющие энергию, соответствующую энергетическим состояниям твердого вещества. Получение и использование лучей в виде фотонных пучков, энергия которых каждый раз точно соответствует частотам поглощения (собственным или активным по умолчанию) и неупругого рассеяния (для фотонов и нейтронов), позволяет веществам-носителям атомов реактивного углерода, присутствующим в создаваемой в камере плазме, поглощать энергию, в достаточной мере соответствующую энергии энергетических состояний синтезируемого материала. Это позволяет более эффективно направлять предназначенную для поглощения энергию, чтобы синтезировать необходимый материал. В результате вероятность формирования молекул синтезируемого материала значительно повышается, что позволяет добиться намного более высокой скорости осаждения синтезируемого материала, чем в известном способе. Кроме того, эффективное использование предназначенной для поглощения энергии позволяет синтезировать материал отличного качества.

Предпочтительно в качестве носителя атомов реактивного углерода используют газообразный носитель углерода. Добавление газа легко контролировать, и газ обеспечивает более эффективное поглощение энергетических лучей.

В качестве энергетических лучей, способствующих взаимодействию между энергетическими состояниями радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками и энергетическими состояниями фононов получаемого материала, предпочтительно используется инфракрасное излучение. Инфракрасные лучи охватывают широкий диапазон частот, присутствующих в спектре синтезируемого материала. Первый предпочтительный вариант осуществления заявленного способа характеризуется тем, что синтезируемый материал имеет кристаллографическую ячейку, имеющую набор плоскостей, например, октаэдра или, в случае алмаза, додекаэдра, соответствующий двум наборам векторов, где первый набор векторов задает нормали к главным плоскостям кристаллической решетки, причем более высокая плотность атомов определяет возможные плоскости указанного материала, а второй набор состоит из волновых векторов, допускающих распространение фононов в соответствии с кристаллографической структурой рассматриваемого материала. При этом указанный фотонный пучок направляют и инжектируют в направлениях, соответствующих указанным двум наборам векторов. Таким образом, в этом варианте осуществления заявляемый способ включает инжектирование фотонных пучков с энергиями, соответствующими энергии фононных мод ω, ориентированных по соответствующим волновым векторам К, лежащим в зоне Бриллюэна и построенным по кривым дисперсии для указанного материала, например в критических точках и в точках высокой симметрии, включая центр зоны, обычно обозначаемый Г. Эти два набора направлений, относящиеся, соответственно, к ячейкам прямой и обратной решетки, в конечном счете задают направления, выбираемые для фотонного пучка. Учитывая эти два набора векторов во время инжекции фотонного пучка, можно повысить вероятность фотон-фононного взаимодействия и, тем самым, поспособствовать увеличению скорости осаждения синтезируемого материала.

Второй предпочтительный вариант осуществления заявленного способа отличается тем, что в плазму инжектируют пучок лучей УФ-С. Инжекция пучка УФ-С позволяет, в частности, увеличить плотность плазмы и стимулировать таким образом синтез твердого материала.

Третий предпочтительный вариант осуществления заявленного способа отличается тем, что плазму получают путем создания в вакуумной камере электрического поля, причем указанное электрическое поле создают при помощи первого и второго электрического потенциала, где указанный первый электрический потенциал создают в первой области, смещенной вверх по отношению к субстрату, а второй электрический потенциал создают в области, находящейся в непосредственной близости от субстрата, где первая и вторая зоны соседствуют между собой. При этом первый и второй потенциалы имеют градиент, направленный в сторону субстрата, и крутизна первого потенциала больше, чем крутизна второго потенциала. Это позволяет эффективнее концентрировать вещества-носители молекул с незаполненными электронными оболочками или радикалов вблизи от субстрата и таким образом повышать вероятность синтеза материала.

Объектом настоящего изобретения также является устройство для осуществления способа по настоящему изобретению.

Далее следует более детальное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример выполнения заявленного устройства и на которых:

фиг.1a, b и с представляют собой схематичный вид устройства по настоящему изобретению;

фиг.2 и 3 иллюстрируют излучатели для получения фотонного пучка;

фиг.4 иллюстрирует излучатель для генерирования лучей УФ-С;

фиг.5 иллюстрирует способ по изобретению, осуществляемый в устройстве по изобретению;

фиг.6-8 показывают стадии способа;

фиг.9 представляет собой спектр поглощения алмаза, полученного с применением процесса CVD;

фиг.10 иллюстрирует пример выполнения системы для фокусировки плазмы; фиг.11 показывает первый и второй потенциалы;

фиг.12 иллюстрирует первую зону Бриллюэна ячейки материала, такого как алмаз.

На чертежах одинаковые или аналогичные элементы обозначены одинаково.

Фиг.1a, b и с схематично иллюстрируют пример выполнения устройства по настоящему изобретению. На фиг.1а показана конструкция устройства, тогда как на фиг.1b показано расположение в пространстве элементов устройства. Устройство 1 предназначено для применения способа синтеза материала посредством химического осаждения из паровой фазы с использованием горячей нити накаливания (HFCVD, т.е. Hot Filament Chemical Vapor Deposition). Тем не менее должно быть понятно, что представленное устройство позволяет также осуществлять любой другой способ, предназначенный для синтеза материала посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD), и что изобретение не ограничивается способом HFCVD и может использоваться для любого способа CVD-типа.

Устройство 1, показанное на фиг.1a, b и с, содержит вакуумную камеру 2, которую предпочтительно доводят до давления 10^-3 Торр, прежде чем запустить процесс синтеза. Вакуум в камере создают известным способом, например при помощи насоса. В камере находится носитель 3 субстрата, например в виде площадки, выполненной с возможностью размещения на ней синтезируемого материала 17. Этот материал может быть любым веществом, подходящим для осуществления осаждения, например таким, как алмаз, W, WCCo, WCNi, диоксид кремния и т.д.

В предпочтительном варианте носитель субстрата соединен с первым источником 16 напряжения переменного тока по причинам, которые будут описаны ниже. В случае необходимости носитель субстрата может также быть соединен с источником 16' постоянного тока. Предпочтительно носитель 3 субстрата устанавливают на охлаждающей площадке 18, служащей для регулирования температуры субстрата. Для этого с этой охлаждающей площадкой 18 соединяют вход 19А и выход 19В охлаждающей жидкости.

Над субстратом находится сетка 4, а над сеткой - нить 5 накаливания. Предпочтительно нить установлена между двумя коллиматорами 5А, которые служат для фокусировки электрического поля с целью лучшей коллимации плазмы. Коллиматоры обеспечивают лучшее распределение температуры и плазмы в области осаждения. Необходимо также отметить, что изобретение не ограничено показанным на фиг.1а и b расположением сетки и нити, и что их можно менять местами.

Сетка 4 соединена с вторым источником 6 напряжения, а нить 5 - с третьим источником 7 напряжения. Второй и третий источники напряжения являются источниками постоянного тока. В случае необходимости сетку можно также соединить с четвертым источником напряжения переменного тока (на чертеже не показан). Нить соединяют также с пятым источником 8 напряжения, который является источником переменного тока. Первые, вторые и третьи источники напряжения служат для изменения электрического потенциала между субстратом, сеткой и нитью накаливания, тогда как пятый источник 8 напряжения служит для нагрева нити. Посредством изменения электрического потенциала между субстратом, сеткой и нитью накаливания можно изменять электрическое поле в камере и, таким образом, контролировать создаваемую в камере плазму. Напряжение, подаваемое на нить накаливания и на сетку, может меняться от 0,1 до 400 вольт в зависимости от синтезируемого материала. Сетка, в основном, предназначена для регулирования потока химических веществ, несущих радикалы или молекулы с незаполненными электронными оболочками и присутствующих в камере, тогда как нить накаливания служит для активации газа.

Устройство по настоящему изобретению содержит также систему 9 фокусировки плазмы, расположенную вблизи субстрата, предназначенную для улучшения распределения температуры и плазмы в области, где происходит синтез твердого материала и его осаждение. На фиг.10 представлен пример такой системы 9 фокусировки плазмы. Система фокусировки плазмы представляет собой, например, кольцо 50, установленное вокруг субстрата и смещенное вверх по отношению к субстрату. Система 9 фокусировки может также представлять собой набор металлических проводов, согнутых по существу в виде перевернутого U и размещенных вокруг субстрата. Система фокусировки плазмы получает питание от шестого источника 10 напряжения, который дает постоянный ток. Форма кольца для фокусировки плазмы в сочетании с нитью накаливания предпочтительно имеет вид двух полуокружностей, расположенных с двух сторон от носителя субстрата. В предпочтительном варианте систему 9 фокусировки плазмы располагают с наклоном в сторону носителя субстрата, чтобы лучше фокусировать плазму в направлении субстрата.

Устройство по настоящему изобретению содержит также генераторы 11-1 - 11-5 фотонных пучков, расположенные сверху камеры и предназначенные для генерирования энергетических лучей, в частности инфракрасных (ИК) лучей в виде фотонных пучков. Число генераторов фотонных пучков определяют в зависимости от кристаллографии вещества, и оно не ограничено числом, показанным на фиг.1а и b. Можно также использовать один-единственный генератор фотонных пучков, как это сделано в варианте выполнения, проиллюстрированном на фиг.1 с. Этот генератор или эти генераторы предназначены для генерирования энергетических лучей, частота которых определяется в зависимости от спектральной плотности Ψ(ω, К) синтезируемого материала, где ω является частотой, а К является волновым вектором, который поляризован или не поляризован в плоскости, как описано ниже. Наконец, устройство оснащено генератором 12-1, 12-2 и 12-3 (последний на чертеже не показан) пучков лучей УФ-С. Эти генераторы предпочтительно располагаются по кругу через промежутки 120° по соображениям симметрии.

Следует отметить, что из соображений простоты изложения будет описан только вариант выполнения генераторов фотонных пучков, предназначенных для генерирования инфракрасных лучей. Тем не менее изобретение не ограничивается этим вариантом выполнения, и могут быть использованы другие энергетические лучи электромагнитного спектра, взаимодействующие с материалом (рентгеновские лучи, УФ лучи, видимые лучи).

Поскольку внутри камеры 2 необходимо получать плазму, устройство по настоящему изобретению содержит также связанный с источником 13 питания вход, позволяющий вводить в камеру водород (Н₂) и вещество-носитель углерода, в частности в виде газа-носителя углерода. Разумеется, вводимое вещество соответствует синтезируемому материалу. Источник соединен с камерой через вентиль 14 контроля расхода, позволяющий регулировать поток нагнетаемого в камеру газа. Для формирования алмаза вещество-носитель углерода вводят в камеру для получения газа, содержащего вещества-носители атомов реактивного углерода в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых в дальнейшем происходит синтез формируемого материала. Газ-носитель углерода является, например, метаном (СН₄) или ацетиленом (С₂Н₂). Эта реакция синтеза сама по себе известна и описана, например, в статье авторов J.E.Butler, Y.A.Mankelevich, A.Cheesman, Jie Ma и M.N.R. Ashfold под названием "Understanding the chemical vapor deposition of diamond: recent progress", опубликованной в "Journal of Physics Condensed Matter", 21, 2009. В случае необходимости газ можно предварительно нагревать при помощи нагревательного устройства 15, и лишь затем подавать в камеру. С камерой связан блок 27 откачки газа, предназначенный для откачки газа и обеспечения равновесного давления газа внутри камеры. Для формирования материала, отличного от алмаза, вещество, необходимое для получения указанного материала, вводят в камеру для получения в ней газа, содержащего вещества-носители базовых атомов реактивного материала в виде радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками, из которых в дальнейшем происходит синтез формируемого материала.

Вблизи субстрата находится зона осаждения. Именно в этой зоне осаждения происходит реакция синтеза, и поэтому в зоне осаждения распределение температуры и распределение активируемых химических веществ должны быть равномерными.

Способ по настоящему изобретению основан на физическом явлении резонанса во время селективного возбуждения и взаимодействия специфических квантовых состояний активных химических веществ и специфических квантовых состояний синтезируемого материала. Этот синтезируемый материал может быть как твердым веществом, так и жидкостью и даже газом. Задачей изобретения является повышение эффективности способа синтеза путем обеспечения селективных переходов на уровне квантовых состояний. Способ по настоящему изобретению увеличивает вероятность получения материала в ходе синтеза, предопределяя определенные специфические квантовые состояния, соответствующие действительному или кажущемуся спектру поглощения этого материала в ходе этапов реакции и приводящих к формированию указанного материала.

Способ по настоящему изобретению также увеличивает вероятность формирования химического вещества, предопределяя некоторые специфические квантовые переходы, соответствующие синтезируемому материалу. Наконец, способ по настоящему изобретению увеличивает вероятность формирования химического вещества, предопределяя некоторые специфические квантовые состояния синтезируемого химического вещества в ходе этапов реакции во время соответствующего формирования указанного химического вещества.

В рамках заявленного способа в камеру подают энергию (E^DA _st), которая может действовать в отдельные моменты реакции или в течение всей реакции. Так, различают:

- E^D _st, которая является энергией диссоциации, приводящая к разрыву некоторых из химических связей, присутствующих в веществе, и селективному формированию, в частности посредством резонанса, исходных или переходных веществ, которые впоследствии должны привести к получению синтезируемого материала. Энергию диссоциации дают, например, лучи УФ-С.

- E^A _st, которая является энергией структурирования, формирования, агрегации или конфигурирования формируемой структуры. Эта энергия приводит к фиксации структуры формируемого или синтезируемого вещества.

Функция спектральной плотности [Ψ(ω, К)] синтезируемого материала представляет собой сумму функций спектральных плотностей состояний. Ψ(ω, К)=ΨE(ω, К)+Ψv(ω, К)+ΨR(ω, К)+Ψт(ω, К),

где ΨE является функцией спектральной плотности электронных состояний, Ψ_v является функцией спектральной плотности вибрационных или звуковых состояний, Ψ_R является функцией спектральной плотности вращательных состояний и Ψт является функцией спектральной плотности трансляционных состояний. Более подробно эта функция спектральной плотности состояний на примере вибрационных состояний алмаза описана в статье Claude Klein, Thomas Hartnett и Clifford Robinson под названием "Critical-point phonon frequencies of diamond", опубликованной в Physical Review В, том 45 №22 от 1 июня 1992 года. В частности, в случае алмаза общая функция спектральной плотности состояний описывается суммой функций спектральной плотности электронных (ΨE(ω, К)) и вибрационных (Ψv(ω, К)) состояний. Если материал представляет собой жидкость, то необходимо учитывать вращательные состояния, а для газа необходимо учитывать трансляционные состояния.

В способе по настоящему изобретению используется такая функция спектральной плотности состояний или, в ее отсутствие, действительный или кажущийся электромагнитный спектр поглощения синтезируемого материала. Для алмаза можно обратиться к спектру поглощения, показанному на фиг.9 в статье Klein и других. Эти электромагнитные спектры поглощения являются спектрами, собственными для данного материала или наблюдаемыми по умолчанию. Эти электромагнитные спектры поглощения являются в том числе спектрами неупругого рассеяния фотонов или нейтронов на синтезируемом материале. Из электромагнитного спектра поглощения отбирают частоты поглощения (f_i), характеризующие синтезируемый материал и участвующие, таким образом, в реакциях, приводящих к формированию синтезируемого материала.

Так, например, по-прежнему отталкиваясь от статьи Klein и др., используют 17 уровней энергии при l≤i≤17 из таблицы II, соответствующей двухфотонному спектру (и (или) из таблицы I в той же статье, соответствующей однофотонному спектру). Основываясь на этих уровнях энергии и соответствующих им частотах поглощения для каждой из этих частот f_i формируют фотонный пучок, несущий энергию E_i=hf_i, где h является постоянной Планка. Таким образом, для алмаза получают семнадцать фотонных пучков, каждый из которых имеет четко определенную энергию E_i. Разумеется, число частот зависит от синтезируемого твердого материала. Выбор i=17 связан с примером из статьи Klein и соавторов и ни в коем случае не ограничивает настоящее изобретение.

Разумеется, можно использовать все частоты спектра синтезируемого материала, показанные на фиг.9 указанной статьи. Однако на практике достаточно взять наиболее характерные частоты, необходимые для определения материала. Так, можно взять значения, представленные в таблице III из статьи R. Vogelgesang, A. Alvarenga, Hyunjung Kim, A. Ramdas и S. Rodrigues под названием "Multiphonon Raman and infrared spectra of isotopically controlled diamond", опубликованной в Physical Review В, том 58, номер 9 от сентября 1998 года, стр.5408-5416. Однако, как видно из этой таблицы, не все уровни энергии активны в инфракрасном диапазоне частот, поэтому нет необходимости получать фотонный пучок для тех частот, которые не обладают активностью.

Таким образом, энергия каждого фотонного пучка представляет собой энергию возбуждения определенных фононных мод синтезируемого материала. Так, присутствующие в плазме вещества-носители атомов реактивного углерода, которые контактируют фотоном и при этом обладают частотой поглощения, соответствующей частоте фотонов данного пучка, будут подвергаться, если речь идет о синтезе твердого материала, вибрационным переходам, что будет влиять на их взаимодействие с субстратом (или с уже сформировавшейся твердой фазой). Поскольку энергия фотонов соответствует энергии фононных состояний синтезируемого материала, в результате достигается более эффективное взаимодействие и более целенаправленная реакция на поверхности указанного материала, что придает способу по изобретению более высокую эффективность по сравнению с уже известным способом, в котором энергия распределяется по всем частотам неселективно (электронные, вибрационные и т.д.). Способ по настоящему изобретению для оптимального взаимодействия двух систем использует явление взаимодействия материала и веществ-носителей атомов реактивного углерода в межфазной области посредством фотонов.

Эти фотонные пучки инжектируются в плазму, присутствующую в камере 2, при помощи генераторов 11-i. Энергия каждого фотонного пучка представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы вызвать резонансное поглощение на уровне фононных состояний. Таким образом, вещества, содержащие атомы реактивного углерода, присутствующие в плазме, будут поглощать эту энергию, приводя к более эффективной реакции синтеза формируемого твердого материала. Поскольку энергия фотонов каждый раз соответствует энергии фононных состояний, получают более целенаправленную реакцию с более высокой вероятностью поглощения энергии фотонов, что дает более высокую эффективность способа по сравнению с известным способом, где энергия распределяется по всем частотам неселективно.

На фиг.2 представлен пример выполнения излучателя (11-i), генерирующего фотонный пучок. Такой генератор позволяет получать фотонный пучок с энергиями Е, соответствующими выбранным частотам f_i поглощения. Генератор содержит корпус 20, предпочтительно изготовленный из меди для обеспечения высокой производительности.

Этот корпус имеет форму усеченного конуса и содержит в своей головной части набор керамических нагревательных пластин 21, формирующих инфракрасный (ИК) генератор. В представленном примере генератор содержит семь пластин, распределенных по всей поверхности и показанных в верхней части фигуры. Генератор содержит также входы 22 для газа, например аргона. Этот газ служит для уменьшения окисления внутренней стенки, что позволяет поддерживать ее высокий коэффициент отражения. Газ снижает также и поглощение генерируемых инфракрасных лучей, а также способствует образованию фотонного пучка с очень селективным значением энергии. В случае необходимости для обеспечения циркуляции жидкости в системе 29 охлаждения предусмотрен насос 28.

Рядом с входом в усеченную конусную трубу установлен первый набор широкополосных фильтров 23. Эти фильтры сформированы, например, из сапфиров. Вместо использования набора фильтров можно использовать только один фильтр, хотя такие решение и является более дорогим. Этот набор фильтров позволяет выбирать частоту генерируемой энергии. Под первым фильтром установлен второй набор узкополосных фильтров 24 таким образом, что первый и второй наборы фильтров находятся с двух сторон от входа газа 22-1. Этот второй набор состоит из многополосных оптических фильтров, позволяющих выбрать все частоты f_i, необходимые для реакции синтеза. На конце генератора находится оптическая линза 25, которая служит коллиматором для фотонного пучка. Электрический источник питания 26, связанный с регулятором, позволяет контролировать температуру излучателя.

Таким образом, в ходе работы генератора фотонного пучка частота генерируемых фотонов регулируется с помощью первого и второго наборов фильтров 23 и 24. Излучатель 21 генерирует фотоны, а необходимая энергия f_i получается посредством регулирования наборов фильтров 23 и 24. Так, из второго набора фильтров 24 выходит фотонный пучок с энергией E_i=hf_i для выбранной частоты f_i. Наличие нескольких генераторов ll-i позволяет генерировать несколько энергетических пучков E_i(f_i) одновременно.

Синтезируемый материал имеет кристаллическую решетку, которой можно приписать два набора векторов. Первый набор векторов задает нормали к основным плоскостям кристаллической ячейки, характеризующимся более высокой атомной плотностью, определяющим возможные плоскости указанного твердого материала, например, в случае алмаза - плоскости октаэдра или додекаэдра. Второй набор волновых векторов состоит из волновых векторов, задающих направления, разрешенные для распространения фононов в соответствии с кристаллографической структурой материала.

Более подробно это описано, например, в статье A. Ramdas под названием "Raman, Brillouin and infrared spectroscopy of phonons in conventional diamond", опубликованной в IEE за июль 2000 года. На фиг.12 показана первая зона Бриллюэна решетки такого материала, как алмаз, с точками высокой симметрии Г, L, X, W, Σ, ξ, Указанный фотонный пучок ориентируют и инжектируют в направлениях, соответствующих указанными векторами. Способ включает также инжекцию фотонных пучков, обладающих энергиями фононных мод ω и ориентированных по соответствующим волновым векторам К, лежащим в зоне Бриллюэна и построенным по кривой дисперсии для указанного синтезируемого твердого материала, например в критических точках и в точках высокой симметрии, включая центр зоны, обычно обозначаемый Г. Эти два набора направлений, относящиеся, соответственно, к ячейкам прямой и обратной решетки, в конечном счете задают направления, выбираемые для фотонного пучка. Учитывая эти два набора векторов во время инжекции фотонного пучка, можно добиться повышения вероятности взаимодействия и таким образом увеличить скорость осаждения синтезируемого твердого материала.

Для повышения эффективности синтеза желательно учитывать такие кристаллографические факторы и инжектировать фотонные пучки в направлениях, соответствующих нормалями к граням кристаллической решетки, и (или) также в направлениях, соответствующих волновым векторам, определяющим разрешенные для распространения фононов направления. Следует отметить, что хотя такой вариант осуществления способа по настоящему изобретению улучшает описанную выше инжекцию фотонов, такую инжекцию можно также проводить напрямую, не учитывая эти преимущественные направления. Генераторы установлены на камере так, чтобы обеспечивать возможность такого выбора.

На фиг.3 представлен другой пример выполнения одночастотного генератора 30 фотонного пучка. Этот генератор содержит корпус 31 излучателя, который тоже предпочтительно выполнен из меди для обеспечения высокого коэффициента отражения фотонов. В верхней части корпуса, имеющего форму усеченного конуса, установлена керамическая нагревательная пластина 32 с узкой полосой излучения. На верхней части предусмотрен также вход газа 33. Этот газ играет ту же роль, что и в примере на фиг.2.

Описываемый генератор содержит первый набор широкополосных фильтров 34, позволяющий предварительно выбрать частоту, соответствующую f_i, за счет сужения полосы пропускания. В то же время, этот первый фильтр позволяет уменьшать тепло, производимое генератором. Второй набор узкополосных фильтров 35 позволяет выбирать требуемую частоту f_i, а оптическая линза 36 обеспечивает коллимацию фотонных пучков.

Наконец, источник питания 37 обеспечивает подачу электрического тока, а регулятор 38 позволяет регулировать температуру.

Чтобы дополнительно стимулировать синтез материала, необходимо, чтобы в плазме было достаточно радикалов или молекул с незаполненными электронными оболочками. Действительно, такие радикалы или молекулы являются основными «кирпичиками» в процессе осаждения материала. Для этого способ по настоящему изобретению включает в себя генерирование пучков УФ-С лучей, которые затем инжектируют в плазму. На фиг.4 представлен пример выполнения такого генератора (40) лучей УФ-С. Этот генератор содержит корпус 41, предпочтительно изготовленный из алюминия для обеспечения высокого коэффициента отражения лучей УФ-С. Внутри корпуса 41 установлена лампа УФ-С 42. Эта лампа производит лучи УФ-С, которые проходят к коллиматору 43, имеющему вид воронки. Предпочтительно излучатель лучей УФ-С установлен на боковой стенке камеры для непосредственной инжекции лучей в плазму. Таким образом, лучи УФ-С стимулируют реакцию СН₄→СН⁺ ₃+Н^-, что приводит к повышению концентрации катионов СН⁺ ₃, способствующих синтезу требуемого материала.

Чтобы еще больше повысить эффективность осаждения в ходе синтеза формируемого материала используют систему фокусировки плазмы. На фиг.10 показан первый вариант выполнения такой системы. В камере установлено кольцо 50, расположенное вблизи от носителя 3 субстрата и смещенное по высоте относительно субстрата 17. Кольцо находится под нитью 5 накаливания и связано с электрическим источником питания. Второй вариант выполнения системы фокусировки плазмы можно получить путем замены кольца, показанного на фиг.10, электрическим проводником, сконфигурированным в виде последовательности извилистых элементов, расположенных вблизи от носителя 3 субстрата. Как кольцо, так и электрический проводник производят электрическое поле, направленное к субстрату, которое будет фокусировать присутствующую в камере плазму в направлении субстрата. Система фокусировки плазмы находится между сеткой 4 и субстратом 3.

Далее описание способа по настоящему изобретению излагается со ссылками на фиг.5-8 и 11. Сетка 4 и нить накаливания 5 позволяют создать первый электрический потенциал в первой зоне RFG, смещенной вверх относительно субстрата. Эта первая зона находится в области сетки 4 и нити 5. Система фокусировки плазмы позволяет создать второй электрический потенциал во второй зоне RD, находящейся на поверхности носителя 3 субстрата. Первая и вторая зоны являются смежными, чтобы не создавать, если можно так выразиться, «пустоты» между первым и вторым потенциалами. В камере находится также зона RPF плазмы вокруг нити 5. В первой зоне RFG плазма устанавливается за счет разности потенциалов между нитью и сеткой. В зоне RGC вблизи от субстрата плазма устанавливается за счет разности потенциалов между сеткой и системой фокусировки 9, тогда как в зоне RCS под системой фокусировки плазма устанавливается за счет разности потенциалов между системой фокусировки и носителем субстрата.

Учитывая разную конфигурацию и техническую концепцию первого и второго потенциала, они имеют разные градиенты. Даже несмотря на то, что оба электрических поля, создающих эти потенциалы, направлены к субстрату, градиент первого потенциала превышает по модулю градиент второго потенциала. На фиг.11 показано распределение электрического поля в камере. Для облегчения понимания на фиг.11 тоже показаны сетка 4, нить 5 накаливания и субстрат 3. На этой фигуре видно, что потенциал концентрируется вокруг субстрата, создавая таким образом потенциальную яму, в которой находится субстрат. Действительно, вокруг нити потенциал концентрируется таким образом, чтобы простираться над носителем субстрата. Таким образом, в этой области субстрата условия для осаждения при синтезе материала будут более благоприятны. Отмечается, что вокруг сетки электрическое поле имеет конфигурацию в виде овального контура. В примере, представленном на фиг.11, напряжение на сетке составляет 185 В, на нити накаливания -25 В, а на носителе субстрата - 0,1 В, и система фокусировки находится под напряжением 20 В. На этой фигуре также видно, что потенциал, производимый системой фокусировки, способствует концентрированию плазмы вокруг носителя субстрата.

Далее более дательное описание способа по настоящему изобретению излагается со ссылками на фиг.5-8. В камере 2 создается плазма 60, как это было описано выше, и в камеру вводят газ через источник 13. Значения первого и второго потенциалов устанавливают в зависимости от синтезируемого материала.

На основе функции спектрального распределения или, в случае ее отсутствия, на основе спектра поглощения синтезируемого материала пользователь определяет различные частоты f_i поглощения, чтобы при помощи генераторов 11 получить фотонные пучки 61 с энергией E_i=hf_i, необходимой для синтеза материала. На фиг.5 показано, каким образом в зоне RI энергетические лучи заходят в камеру. В случае необходимости направляемые в камеру лучи могут быть поляризованы. В этом случае учитывают направление волнового вектора, связанного со значением частоты, и плоскость поляризации волнового вектора, связанного с кристаллографией материала. Полученную таким образом энергию направляют в плазму, где ее могут поглотить вещества-носители атомов реактивного углерода, присутствующие в плазме. Поскольку плазму фокусируют вблизи субстрата и на его поверхности, в результате добиваются лучшего энергетического взаимодействия между веществами-носителями атомов реактивного углерода и субстратом, где присутствует уже сформировавшийся материал.

Улучшения также можно достичь, активируя генераторы 17 лучей УФ-С, которые будут селективно возбуждать вещества, содержащиеся в плазме. Это должно позволить увеличить содержание в плазме селективной формы, содержащей радикалы или молекулы с незаполненными электронными оболочками, и повысить, таким образом, вероятность поглощения энергии. Эти лучи УФ-С поступают в зону RAS, то есть в зону сетки. В случае алмаза в плазму инжектируют 17 значений частот в соответствии с набором векторов L, W, Е и ξ четыре пучка в направлении вектора L, три пучка в направлении вектора W, семь пучков в направлении вектора 2 и три пучка в направлении вектора Наконец, при помощи системы фокусировки можно образовать плазменную яму 63 вокруг носителя субстрата (зона RD), чтобы сфокусировать таким образом вокруг субстрата вещества, содержащие атомы реактивного углерода.

Разумеется, изобретение не ограничивается синтезом алмаза, и его можно применять для других синтезируемых материалов. Так, например, способ по настоящему изобретению можно применять для легирования алмаза бором с целью получения сверхпроводника. Условием для получения сверхпроводника является плотность атомов n_в>3×10²⁰ атомов /см³ (>600 частей на миллион). Чтобы получить сверхпроводник, сначала способ по настоящему изобретению осуществляют аналогично способу, описанному для синтеза алмаза. Для осуществления легирования алмаза бором в камеру подают газ-носитель бора, например триметилборат или трихлорид бора, или диборан, в частности диборан (В₂Н₆) в количестве от 0,01 до 200 частей на миллион по отношению к Н₂, в частности от 1 части на миллион до 20 частей на миллион. Этот газ-носитель бора вводят, например, когда слой алмаза уже имеет толщину не менее 1 мкм, в частности примерно от 1 до 5 мкм. После резонансного физико-химического синтеза алмаза в камеру инжектируют также второй фотонный пучок с частотой, соответствующей эл