סינתטי ושמו CVD

אתה נמצא כאן: ראשי \ גמולוגיה \ סינתטי ושמו CVD
Capture_557
27 מאי 2015 - 22:58, הכותב , בתאריך גמולוגיה, יהלומים סינטטיים, מידע מקצועי, Comments off

סינתטי ושמו CVD
מאת יהודה יקר G.G GIA, GCI מרכזים גמולוגיים

איש לא יכול היה להעלות בדעתו, שתהליך שפותח במלחמת העולם השנייה לצורכי מלחמה ישמש כעבור למעלה משישים שנה לגידול יהלומים סינתטיים המיועדים לשיבוץ בתכשיטים. נפלאים גלגוליהם של פיתוחים טכנולוגיים, אולם הם מחייבים אותנו לחצות שורות אחדות של הסברים המיועדים ל"חנונים" חובבי כימיה ופיזיקה או ליהלומנים מעמיקים, המבקשים להבין את האותיות הקטנות של תנאי השוק המשתנים. לפניכם: הרבה יותר ממה שרציתם לדעת על ה-CVD

התפתחות הטכנולוגיה ושכלולה הביאו בתחילת שנות החמישים של המאה שעברה ליכולת לגדל חומרים בצורה סינתטית ומבוקרת בתנאי מעבדה, לרבות יהלומים סינתטיים – בתחילה בטכניקת HPHT, ומשנות השבעים – גם בשיטת CVD – שיטת הריבוד הפלזמתי – Chemical Vapor Deposition (שיקוע כימי). תחילתו של התהליך בגידול מוצרים לשם יישום בתעשייה וסופו, לפי שעה, בגידול יהלומים סינתטיים לצורכי נוי.

האפשרות לגדל יהלומים בשיטת שיקוע כימי בלחץ נמוך, ביחד עם טכניקות המאפשרות שליטה על תכונות החומר, פותחות בפנינו עולם חדש של יישומים בתעשיות שונות. גידולם של יהלומי CVD בעלי התכונות המבוקשות מאפשר לנו יישומים המנצלים את התכונות המכאניות, התרמיות, האופטיות והחשמליות שלהם. גידול יהלומים בשיטה זו מאפשר יצירתם של יהלומים סינתטיים בצורת פלטות שטוחות מורחבות, פלטות שטוחות או חלונות. יכולת ההטמעה של היהלומים תוך כדי תהליך הגידול מאפשרת הימצאותם של מוליכים למחצה בעלי מטען חשמלי חיובי מסוג Type-P, ופותחת פתח ליישומים חדשים.

מהות ה-CVD

CVD – Chemical Vapor Deposition הוא תהליך כימי ליצירת חומרים מוצקים בעלי רמת טוהר ויכולות ביצוע גבוהות. התהליך משמש את תעשיות המוליכים למחצה (semiconductor industry) ליצירת שכבות פילם דקות של חומר. חומר המצע המכונה Wafer נחשף לאחד או יותר חומרים נדיפים או בלתי יציבים, הגורמים לתגובה, ויוצרים שיקוע של החומר המבוקש על פני המצע. תוצרי לוואי נדיפים נוספים נוצרים תוך כדי התהליך, אולם הם מסולקים מתא ההיווצרות תוך כדי הזרמת או פליטת גזים החוצה.

במהלך התהליך מתרחשת פעולה נוספת הנקראת Doping – החדרה, הטמעה. במוליכים למחצה מאפשרת פעולת ה'דופינג' להחדיר לחומר המאוד טהור, בכוונה תחילה, 'מזהמים' שונים, וכך לגרום לאפיון החומר (מודיפיקציה) ולשינוי תכונותיו החשמליות, המגנטיות או האופטיות. רגישות החומר הנוצר ותלותו בחומר ה'מזהם' פותחות לפנינו אפשרויות חדשות בישומם ובשילובם בתהליכים אחרים ובמכשירים אופטו-אלקטרוניים. במוליכים למחצה יש צורך ביצירת שכבה 'מזוהמת' מאוד דקה כדי להשיג את התכונות האלקטרוניות המבוקשות. התנאים הדרושים להיווצרות התהליך הם, בדרך כלל, חום של 600 – 800 מעלות צלזיוס למשך פרק זמן של 6 – 12 שעות. קיימת תלות בין מידת הטמפרטורה, משך הזמן הדרוש וקצב גידול החומר על מצע ה-Wafer.

ישנם שני סוגים של מוליכים למחצה:Positive (P-type) electron charge carriers – נושאי מטען חשמלי חיובי, ו-Negative (N-type) electron charge carriers – נושאי מטען חשמלי שלילי.

תהליכי 'דופינג' במוליכים למחצה פותחו בראשונה בתקופת מלחמת העולם השנייה בה היה צורך באפיוני מתכות, כמו גלאי רדיו, כדי לספק את התנאים שיתאימו להפעלת מערכת הרדאר.

קיימות טכניקות ושיטות שונות לתהליכיCVD , שכל אחת מהן מותאמת ליצירת חומרים או תכונות שונות. בתהליכי ייצור מזעריים Microfabrication processes)) משתמשים בטכניקת CVD כדי להשקיע חומרים בתצורות שונות: יצירת גביש יחיד, יצירת פולימרים – שרשרת גבישים, יצירת חומרים אמורפיים ועוד. וכאן אנו מגיעים למשפט הרלוונטי לחיינו בענף היהלומים: תהליך CVD משמש גם לגידול יהלום סינתטי.

טכניקות הגידול

השיטות לגידול חומרים בטכניקת שיקוע כימי מסווגות בהתאם ללחץ הפעולה, בהתאם לתכונות הפיסיקליות של החומר המושקע, בהתאם לאופי הגידול מתוך פלזמה, או בהתאם לדרך בה אנו גורמים לתהליך להתרחש:

סיווג בהתאם ללחץ הפעולה:

CVD המגודל בלחץ אטמוספרי APCVD;
CVD המגודל בלחץ נמוך LPCVD- תהליך המקטין את התגובות הגזיות האפשריות, ובכך משפר את אחידות שכבת הפילם הנוצרת על המצע;
CVD המגודל בתנאי ואקום אולטרה גבוה – UHVCVD.

סיווג בהתאם לתכונות הפיסיקליות של החומר המושקע:

CVD הנעזר באירוסול – תרסיס של נוזל או גז המונע בתהליך על קולי AACVD;
CVD הנעזר בתהליך של הזרקת נוזלים ישירה אל תא הגידול DLICVD מאפשר קצב גידול מהיר של החומר;

סיווג בהתאם לתהליך פלזמתי (גידול מתוך גז מיונן. יצירת מצב הצבירה פלזמה. נעשה במעבדות תוך כדי חימומו לטמפרטורות גבוהות, או העברת זרם חשמלי דרך הגז):

פלאזמה הנעזרת בגלי מיקרו MPCVD;
פלאזמה משופרת PECVD המגבירה את תהליך השיקוע;
פלאזמה משופרת מרוחקת RPECVD, שבה חומר המצע אינו במגע ישיר בתוך החומר המיונן;

סיווג בהתאם לדרך בה אנו גורמים לתהליך להתרחש:

CVD שיקוע כימי מתוך בעירה;
CVD שיקוע כימי תוך שימוש בחוט להט לפירוק הגזים המשמשים בתהליך;
CVD שיקוע אטומי של מצעים שונים ליצירת שכבה דקה ALCVD;
CVD בטכניקת חימום מהיר RTCVD המשתמש בנורות לחימום המצע ולא לחימום הגז או קירות תא ההיווצרות;
CVD בטכניקת מתכות אורגניות כסמן MOCVD;
CVD המשלב תהליך מעורב של שיקוע כימי ופיזי HPCVD ובו התפרקות כימית של גז והתאדות ממקור מוצק כאחד;
שיקוע במצב אדים אפיטקסי VPE בו החומר משוקע בתצורה גבישית על מצע גבישי תוך יצירת קשר בין שכבת העל לחומר המצע.

מתוך האמור לעיל יש ביכולתנו להבין שגידול חומרים בתהליך CVD אינו מתיימר להיות דרך שבה ניתן לגדל יהלומים סינתטיים כדי 'להפיל בפח' יהלומנים, אלא הוא תוצר שבאפשרותו לייעל ולשפר מערכות שונות בתחומי חיינו באמצעות יכולת השליטה על תכונות החומר, כפי שיוסבר בהמשך.

HPHT מול CVD

54

 

כידוע, השיטה שהייתה מוכרת לנו עד כה לייצור יהלומים סינתטיים היא שיטת ה-HPHT – לחץ גבוה-חום גבוה. יצירת יהלומים סינתטיים בשיטה זו מניבה גבישים נפרדים, בדרך כלל בצבעי צהוב, כחול, ירוק, ורוד, ושלל צבעים נוספים. ייצור היהלומים הסינתטיים בשיטת ה-CVD, כלומר – מתוך פלזמה (גזים מיוננים בלחץ נמוך), מאפשרת לגדל את החומר על פני שטח גדול, לגדל את היהלומים על פני מצע של חומר שונה (ר' בסעיף הבא) ולשלוט על תכונות החומר המגודל. רוב היהלומים המגודלים ב-CVD חסרי צבע. עלינו לזכור, שאפשר לשנות צבעיהם של היהלומים הסינתטיים ללא קשר לשיטה שבה הם גודלו. שימוש בגביש ראשוני (Seed Crystal) מאפשר להגדיל את מימדיו של היהלום.

ניתן לשקע כימית יהלומים על סוגי מצע שונים כגון יהלום, סיליקון, טונגסטן, מוליבדניום, קרבורונדום (סיליקון קרבייד), סיליקון ניטריד, זכוכית קוורץ, תרכובות פחמן ((Cemented Carbide ואחרים, ובתנאי שחומר המצע Wafer יהיה עמיד בטמפרטורות גבוהות, לא יותקף (כימית) על ידי הגזים הפעילים בתהליך ולא ימוסס את הפחמן.

אחת מבעיות היסוד הראשונות בתהליך גידול היהלומים הסינתטיים היא היותו של הפחמן חומר אלוטרופי – יסוד כימי המסוגל להתקיים בשתיים או יותר תצורות. בתנאים רגילים גרפיט הוא המצב התרמו דינאמי היציב של הפחמן. לכן, הדרישה הראשונית בתהליך גידול ה- CVD היא שיקוע אטומי הפחמן במקביל לדיכוי יצירת קשרי שיתוף אלקטרונים מסוג sp2, המאפיינים את הגרפיט. הוספת שכבה רוויה של אטומי מימן Hydrogen לתהליך ותפעולה על ידי חום או פלזמה משיגים את המטרה.

התנאים האידיאליים לשיקוע יהיו על כן שימוש ב-1% גז מתאן (המכונה גם גז ביצות) מעורב במימן כגז העיקרי, בטמפרטורה של 700 – 1000 מעלות צלזיוס ולחץ גז של 30 – 300 תור (שווה ערך ל-0.4 לחץ אטמוספרי). השיטות השונות לשיקוע כימי של יהלומים סינתטיים נבדלות זו מזו בעיקר באופן בו מופעל המצב הגזי על ידי פלזמה הנעזרת בגלי מיקרוגל, או בעזרת חוט להט. לכל אחת מהטכניקות יתרונות וחסרונות. ההבדלים העיקריים הם קצב שיקוע החומר, גודל שטח השיקוע ואיכות היהלום המשוקע. קצב השיקוע המרבי אליו הגיעו מאפשר גידול ממוצע של כמעט 1 מ"מ עובי בשעה! אולם קצב שיקוע כזה מוגבל לשטח של פחות מ-1 סמ"ר. ככל שמהירות קצב השיקוע גבוהה יותר כך יורדת איכות היהלום הגדל. לקבלת יהלומים שקופים למראה בעלי מוליכות חום גבוהה נעזרים בקצב שיקוע של 10 µm/h (עשר אלפיות המטר בשעה).

שימושים אפשריים

צירוף תכונות מכאניות, אופטיות, חשמליות ותרמיות ייחודיות הופכת את היהלום לחומר אידיאלי ביישומים קיצוניים. יהלומים שגודלו בשיטת CVD ונעשתה בהם פעולת הטמעה של Boron הם בעלי מוליכות חשמלית. הוסיפו לזה את עובדת היותו של היהלום חומר בעל מוליכות חום מעולה והרי קיבלנו מוליך חשמלי שאינו מתחמם. שערו בנפשכם, שאת שבב המחשב או הטלפון הנייד שלנו יחליף בבוא היום משטח מזערי ודק של יהלום, שיעשה את העבודה במהירות וביעילות, וגם אם נדבר שעות במכשיר הטלפון הוא לא יתחמם. המחשב הביתי והמחשב הנייד ישנו את עוביים וצורתם. לא יהיה עוד צורך במערכות אוורור וקירור, ויעילות פעולתם תגדל לעין ערוך. השבב, כמו רכיבים אלקטרוניים אחרים, יהפכו להיות ליעילים יותר. השליטה על תכונותיהם החשמליות תגדיל את יכולת השימוש בהם.

מחקרים פיסיקליים באנרגיות גבוהות עושים שימוש ברכיבי יהלומים סינתטיים כמו גם בטלקומוניקציה, קרני רנטגן ותעשיית הלייזר. יהלום CVD הוא בעל יכולת העברה מעולה של קרני אור החל בקרניים אולטרה סגולות (230 nm) עד לאינפרה אדום, למעט בליעה מזערית באזור 2.5 ו-6 µm. עובדה זו הופכת אותו לחומר אידיאלי רב שימושי בתעשיות ויישומים אופטיים. היכולת לגדל משטחים דמויי עדשה שהם בעלי עבירות גבוהה לקרני אור מאפשרים לקבל עדשות מצלמה באיכות על. מכשירי צפייה וטלסקופיים האוספים מידע מן היקום ומחוץ למערכת השמש יספקו לנו נתונים באיכות טובה לאין שיעור מזו המתקבלת כיום. עדשות הצילום יישמרו טוב יותר משום קשיותם הגבוהה. הן לא תישרטנה. רק יהלום יכול שרוט אותן!

חומרים אלקטרונים מבודדים משמשים כחלון חיצוני במערכות מתח גבוה. עדשת חלון עשויה יהלום CVD היא החומר היחיד המסוגל לשמש כעדשה בתהליך של היתוך גרעיני, תוך שהיא מעבירה את הקרינה בעוצמה הרצויה בלי הצורך להשתמש בטכניקות קירור עקב יצירת מרכזי חום נקודתיים. מדענים משערים שזה הדור הבא של אנרגיה נקייה הניתנת לחידוש (מעט מאמונתם זו נפגע בעקבות אסון פוקושימה ביפן).

אפשרות שיקוע של שכבות יהלום CVD על חומר מצע אחר נותנת בידינו את היכולת לנצל את קשיות היהלום בייצור מכשירים מכאניים. להבי מנועים לא יישרטו ולא יתבלו בקצב הנוכחי. ייצורם של דיסקים בעלי יכולת ליטוש ומירוק גבוהים משמש אותנו כבר היום בתעשיות קידוחי הנפט והגז, חיתוך שיש ועד למקדחה הביתית בה אנו נעזרים כדי לקדוח בבטון. כלי חיתוך מ-CVD מאפשרים חיתוך איכותי ומדויק. גידול היהלום בתנאים מבוקרים מאפשר לנו לקבל את התכונות הרצויות בצורה עקבית וברורה הרבה יותר טוב מאשר ניתן לקבלן מיהלומים טבעיים.

ובאשר למגזר יהלומי הנוי: עולם שלם של אפשרויות נפרס לרגליהם של מעצבי התכשיטים – יהלומים במגוון צבעים וגוונים המיוצרים תוך הקפדה על עומק צבע וגוון זהים בפרקי זמן ובמחירים סבירים. אם ביום מן הימים ידלדל או ייגמר מלאי היהלומים בעולם (או שלא יהיה כדאי כלכלית להפיקם) ניתן יהיה לספק את צורכיהם ורצונותיהם של המבקשים. אם אמרנו יהלומים לנצח הרי שכיום יש באפשרותנו להתערב ולהשפיע לנצח נצחים…

תכונות המוצר

עלינו לזכור, כי יהלום סינתטי המגודל בשיקוע כימי הוא יהלום לכל דבר. כלומר, הרכבו הכימי הוא פחמן כמעט טהור וקשיותו – 10 בסולם מוה. לפיכך, בתהליך הייצור והעיבוד עלינו להכיר ולהבין את כיווני הניסור, הביקוע והליטוש כמו בעת עיבוד יהלומים טבעיים.

משקלו הסגולי של יהלום ה-CVD הוא 3.52, כך שחישובי נוסחה והערכת משקל לא יצביעו על כל נתון חריג. מוליכות החום שלו טובה, כך שבכל אמצעי הבדיקה והזיהוי הסטנדרטיים נקבל תוצאות המצביעות על יהלום. בדיקה מיקרוסקופית של יהלומים מגודלים בשיקוע אינה מספקת תשובות חד משמעיות. רוב יהלומי ה-CVD מיוצרים ברמות ניקיון גבוהות – VS ומעלה. מכל אלה נובע,שהאפשרות היחידה להבחין בין יהלום טבעי ליהלום CVD היא אך ורק באמצעי בדיקה מתקדמים, המצריכים ידע וציוד מיוחד ויקר (על כך בכתבה הבאה). אבחון יהלומים אלה כיהלומים סינתטיים הכרחי, וחייבת חובה לדווח עליהם ככאלה בכל אחד משלבי המסחר.

צפי לעתיד

חברות אחדות כבר משווקות יהלומי נוי CVD לשוק ובהן Gemesis (שהתמחתה בגידול גבישי יהלומים בשיטת HPHT וכיום היא מגדלת יהלומים גם בשיטת CVD, SCIO (בעבר – אפולו), Chatam, Life Gem, D Nea Diamonds ועוד. כדאי לנו לשים לב במיוחד לחברת אלמנט 6 (Element Six) או בשמה הקודם – 'יהלומי תעשיה דה-בירס', המתמחה בייצור יהלומים סינתטיים, בורון ניטריד קובי ושאר חומרים בעלי קשיות מיוחדת לצרכים תעשייתיים.
החברה נוסדה בשנת 1946 על ידי סר ארנסט אופנהיימר כדי לספק יהלומים סינתטיים ומוצרי לוואי אחרים המושתתים על חומרים בעלי קשיות עילאית לצורכי תעשייה. כיום, אלמנט 6 היא מהמובילות בעולם בגידול חומרים בעלי קשיות עילאית ובהם יהלומים סינתטיים. בה בשעה משקיעה דה בירס משאבי ענק במחקר ובפיתוח של מוצרים טכנולוגיות ויכולות שיאפשרו לנו לזהות ולהבדיל את היהלומים הסינתטיים מהיהלומים הטבעיים.
חיים אבן-זוהר שוחח עם ג'ונתן אופנהיימר, בנו של ניקי אופנהיימר, שמכר באחרונה את חלקו בדה בירס לאנגלו אמריקן. ג'ונתן – אומר אבן-זוהר – ימכור בסופו של דבר יהלומים סינתטיים באיכות נוי. "בשיחה שניהלנו באיטליה מוקדם יותר השנה, הוא סיפר לי בהתלהבות, כי לזרוע היהלומים הסינתטיים של דה בירס, Element Six (ובקיצור E6), שג'ונתן מכהן (עליי לומר 'כיהן') כיו"ר שלה, יש תפיסות ותוכניות שיווק קונקרטיות, "אבל היא לא תתחרה בדה בירס. לעולם לא נעשה זאת". הוא רמז גם כי התמחור של היהלומים הסינתטיים יהיה שונה למדי מהתמחור של יהלומים טבעיים. חברת E6 היא עסק יהלומים עולמי מצליח בתחום חומרי העל, המספק סחורה ליצרני כלים וספקי יישומים ממגוון רחב של תעשיות.
לחברה יש מתקני ייצור גדולים באירלנד, סין, גרמניה, שבדיה, דרום אפריקה ובריטניה. מדובר חלקית במיזם משותף בשליטתה של דה בירס, לצד Umicore הבלגית, אף כי עסקי היהלומים הסינתטיים באיכות נוי הם בבעלותה המלאה של דה בירס. זהו עוף מוזר מבחינתה של אנגלו-אמריקן, ואני בהחלט צופה שתוך שנתיים היא עשויה למכור את החלק הזה בדה בירס בחזרה למשפחת אופנהיימר."
אם נביא בחשבון את הידלדלות משאבי היהלומים בבטן האדמה [ר' גרף מעניין שפורסם ב'היהלום' 203] נבין, שיש כאן בהחלט חומר למחשבה.

cvd-diamonds-process

About author:

תנאי שימוש למאמרים - לחצו כאן