Институт монокристаллов, ООО

АДРЕС: 600058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 43
Директор – к.ф-м.н. Винс Виктор Генрихович
Тел./факс: (383) 363-09-80.
E-mail: vgvins@gmail.com

Создание производства синтетических алмазов для микро-, наноэлектроники, квантовой спинтроники

Аннотация: Предлагается создать производство стратегического материала – алмаза, для ультравысокотехнологичных применений в микро- и наноэлектронике, нанофотонике, квантовой спинтронике. Выращивание алмазов предлагается организовать методом TGG-роста (температурного градиента) при высоких давлениях и температурах (НРНТ-метод) на ста и более аппаратах высокого давления типа «БАРС». Продукцией производства будут НРНТ монокристаллы алмаза типов Ib, IIa, IIb совершенного кристаллического качества размерностью: на стартапе – до 9–10 мм и весом до 8 карат, на последующих этапах – до 15–20 мм.

Описание: Алмаз имеет кубическую кристаллическую структуру с сильными ковалентными связями атомов углерода и с рекордно высокой атомной плотностью 1,76∙1023см¯³. Это свойство и предопределяет многие особенности алмаза. Действительно, при ширине запрещенной зоны 5,45 эВ удельное сопротивление нелегированного алмаза составляет 10¹³–10¹⁴Ом∙см, подвижность электронов и дырок – 4500 и 3800 см²/В•с, соответственно. Поле пробоя достигает 10⁷В/см. По сочетанию важнейших параметров алмаз занимает исключительное место среди наиболее перспективных широкозонных полупроводников. Алмаз чрезвычайно устойчив химически, нерастворим в плавиковой, соляной, серной и азотной кислотах. В присутствии кислорода алмаз окисляется (травится) при температурах выше 600°С. В высоком вакууме поверхностная графитизация алмаза происходит при температуре 1700°С. Правда, оборотная сторона высокой инертности и твердости алмаза – серьезные проблемы, связанные с его обработкой. У алмаза рекордная среди всех известных материалов теплопроводность – 20–24 Вт/см∙К при комнатной температуре. Это связано с его рекордно высокой температурой Дебая Т_D=1860К, благодаря чему комнатная температура является «низкой» в отношении динамики решетки алмаза. В результате алмаз может служить «идеальной» теплоотводящей диэлектрической подложкой. Более того, в очищенном от изотопов алмазе (природные кристаллы содержат 1,1 % изотопа 13^С) теплопроводность может достигать 33 Вт/см∙К. Кроме того, алмаз – радиационно-стойкий материал. Он прозрачен в широком диапазоне спектра (от ультрафиолетового до радиоволнового), имеет высокую твердость (81–100 ГПа), рекордно высокую скорость распространения звука (18 км/с), низкую диэлектрическую проницаемость (ε= 5,7). 

Благодаря таким уникальным свойствам алмаз перспективен для применения в самых различных ультравысокотехноло-гичных устройствах. Однако высокотехнологичные применения алмаза до последнего времени сдерживались отсутствием надежного источника материала требуемого качества. Размеры природных кристаллов алмаза невелики (как правило, несколько миллиметров), камни размером более 10 мм редки и крайне дороги. Но главное – природные алмазы содержат неконтролируемые дефекты и примеси, что приводит к огромному разбросу их параметров. В последние годы стало ясно, что многочисленные «высокотехнологичные перспективы» алмаза могут быть реализованы только на выращенных кристаллах, получаемых как при высоких давлениях (НРНТ), так и при низких давлениях осаждением из газовой фазы (CVD). По мнению многих исследователей, выращенным алмазам будет принадлежать ключевая роль в ультравысокотехнологичных областях микро –, опто – и биоэлектроники, квантовой крипто графии, рентгеновской оптики, возможно, в создании квантовых компьютеров. Следует отметить, что рост применений алмаза происходит в основном за счет деятельности западных компаний, а в первую очередь – дочерней компании De Beers – «Element Six». По образному выражению одного из топ-менеджеров этой компании, «наступает рассвет алмазной электроники».

Инновационные аспекты предложения: Наиболее совершенный в кристаллическом отношении алмаз может быть получен только в области стабильности алмаза при сверхвысоких давлениях и температурах (HPHT-технология). Предлагается создать производство стратегического материала – НРНТ синтетических алмазов совершенного кристаллического качества с управляемым содержанием структурных дефектов. Продуктом такого производства будут монокристаллы синтетического алмаза на уровне (и превосходящих уровень) лучших мировых образцов, обладающие следующими характеристиками:

• Кристаллы алмаза типа IIа, с низким (менее 1 ppm) содержанием азота, бесцветные, прозрачные в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. По своим оптическим и теплофизическим свойствам превосходят природные кристаллы типа IIа.
• Кристаллы алмаза типа IIb, голубого или синего цвета, обладают, за счет легирования бором, полупроводниковыми свойствами – проводимостью р-типа.
• Монопримесные кристаллы типов IIa+Ib и Ib, с концентрацией дисперсного азота в диапазоне от 1 до 200 ppm.
• Типичный максимальный размер кристаллов, получаемых на первом этапе, будет в пределах до 9–10 мм, весом до 8 карат. Планируемый в проекте НИОКР позволит выращивать кристаллы размером до 15–20 мм.
• Техника, используемая для выращивания кристаллов, также позволяет проводить глубокий термобарический отжиг выращенных кристаллов с целью модификации их примесно-дефектной структуры и расширения области применения. Тем самым будут созданы:
• Уникальная сырьевая основа для ультравысокотехнологичных, в том числе микро- и нано применений на основе алмаза.
• Производство подложек больших размеров для выращивания монокристаллических алмазных пленок методом химического осаждения из газовой фазы (CVD).
• Производство сверхострого, с шириной острия менее 100 нм, нанолезвийного инструмента для микрохирургических и полостных операций.
• Производство бриллиантов уникальных фантазийных цветов.
• Производство другой высокотехнологичной продукции – элементов рентгеновской оптики и алмазных наковален.

Главные преимущества предложения: Отсутствие собственной сырьевой базы монокристаллического алмазного сырья ставит отечественные высокотехнологичные компании в жесткую зависимость от мировых монополистов на это сырье – De Beers, в лице дочерней компании «ElementSix» (E6), и «Sumitomo Electric Industries». Кроме того, существует потребность в подложках для CVD роста и элементах для оптических приложений размерами больше 6 мм. Такие размеры доступны в очень ограниченных количествах, а начиная с 9 мм, – недоступны. Собственное производство позволит осваивать эти и бóльшие размеры подложек. Масштабное производство монокристаллов алмаза, помимо научно-технологической ценности, позволит достаточно быстро окупить затраты в предлагаемый проект. Достигнуто это будет поставками на рынок дорогой и востребованной продукции, изготовляемой из НРНТ монокристаллов алмаза размерностью от 3 до 8 карат, в первую очередь:

• ограненных алмазов (бриллиантов) уникальных фантазийных желтого, розового/красного и голубого/синего цветов, размерностью от 0,5 до 2,0 карата и стоимостью от 2,5 до 5,0 тыс. долл. США/карат;
• уникального лезвийного инструмента, с шириной острия менее 100 нм, для микрохирургии глаза, нейрохирургии, полостных операций;
• подложек для CVD роста монокристаллических пленок размерами больше 6×6 мм²;
• оптических окон мощных лазеров и оптических приборов;
• высокотемпературных электронных датчиков температуры (терморезисторов);
• алмазных наковален для камер сверхвысокого давления;
• датчиков радиационного излучения;
• теплоотводов и теплостоков;
• подложек для ионной имплантации при создании электронных микросхем, полупроводниковых приборов (диодов Шоттки);
• приборов коммунального хозяйства: счетчиков-расходомеров холодной и горячей воды, тепла, газа и др.

Следует особо отметить безусловную окупаемость данного предложения. Современная емкость только одного из рынков сбыта – ограненных цветных НРНТ синтетических алмазов (бриллиантов) такова, что позволит поглотить всю продукцию предполагаемого предприятия, т. е. ограненные алмазы, выращенные на всех ста аппаратах «БАРС». На стартапе производства, для окупаемости привлеченных инвестиций, основное внимание будет уделено выпуску следующей продукции:

• подложек для CVD роста монокристаллических пленок размерами больше 6×6 мм²;
• уникальных офтальмологических скальпелей и лезвийного алмазного инструмента с шириной острия менее 100 нм;
• чрезвычайно востребованных ювелирным рынком ограненных алмазов (бриллиантов) фантазийных желтого, розового и голубого/синего цветов.

Текущая стадия развития: Опытные образцы продукции – монокристаллы совершенного кристаллического качества типов IIa, IIb, Ib, размерностью до 5,5 карата.

Права интеллектуальной собственности: Производство крупных монокристаллов алмаза – это сложный, наукоемкий процесс. Успех в выращивании крупных кристаллов алмаза стал возможным только после решения ряда задач на стыке таких наук как: материаловедение, физическая химия, физика металлов, кристаллография, физика твердого тела, тепломассоперенос, численное моделирование процессов при высоких давлениях и температурах и др. При решении данной проблемы создан ряд технических решений («khow how»). Однако, учитывая мировую практику, защита данных технических решений патентами представляется нецелесообразной.

Тип требующегося сотрудничества: Финансовые ресурсы.