MX2008012012A - Diamantoides tratados quimicamente para nucleacion de pelicula de diamante cvd. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método nuevo para la nucleación del desarrollo de una película de diamante. El método comprende proporcionar un substrato que tiene un dimantoide acoplado químicamente a éste, el cual funciona como un sitio de nucleación superior, y así facilitar el desarrollo de la película de diamante.

Description

DIAMANTOIDES TRATADOS QUIMICAMENTE PARA NUCLEACION DE PELICULA DE DIAMANTE CVD CAMPO DE LA INVENCION Se describe un método mejorado de nucleación del desarrollo de película de diamante. La presente invención también se relaciona con una nueva aplicación para tales películas de diamante. ANTECEDENTES DE LA INVENCION Los diamantoides se encuentran disponibles en una amplia variedad de formas y tamaños. Los diamantoides son cicloalquenos con anillos con puentes. Los diamantoides, adamantano, diamantano y triamantano inferiores, están compuestos de 1, 2 y 3 jaulas de cristal de diamante respectivamente. Los diamantoides superiores descubiertos recientemente, desde tetramantano hasta undecamant ano , están constituidos por desde 4 hasta 11 jaulas de cristal de diamante. Tales diamantes superiores son descritos en la Patente Estadounidense No. 6,815,569; 6,843,851; 6,812,370; 6,828,469; 6,831,202; 6,812,371; 6,844,477; y 6,743,290, tales patentes se incorporan aquí en su totalidad como referencia. Intentos por sintetizar películas de diamante con el uso de técnicas de deposición de vapor químico (CVD, por sus siglas en inglés) datan desde épocas pasadas antes de los 80' s. Una desventaja de estos esfuerzos fue la aparición de No. Ref . : 196590 nuevas formas del carbono bastante amorfas en su estado natural, que aun contienen un alto grado de enlaces sp3-hibridizados , y de esa manera exhiben muchas de las características del diamante. Para describir tales películas se acuñó el término "carbono parecido a diamante" (DLC, por sus siglas en inglés), aun cuando este término no tiene una definición precisa en la literatura. En "The Wonderful World of Carbón", Prawer enseña que puesto que la mayoría de los materiales parecidos al diamante exhiben una mezcla de tipos de enlaces, la proporción de átomos de carbono que están coordinados cuatro veces (o sp3-hibridi zados ) es una medida del contenido de "parecido a diamante" del material. La creación de una película de diamante CVD exitosa se describe en la Patente Estadounidense No. 6,783,589, la cual se incorpora aquí como referencia en su totalidad. Otras publicaciones las cuales discuten el aumento de películas de diamante incluyen a Spitsyn, B. V., "Nucleation of diamond from vapor phase and synthesis of nanostructured diamond films," NATO Science Series, II: Mathematics, Physics and Chemistry 155 (Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings), 123-136 (2004); Soga, T . ; Sharda, T . ; Jimbo, T., "Precursors for CVD growth of nanocrystalline diamond, " Physics of the Solid State (Traducción de Fizika Tverdogo Tela (Sankt-Peterburg), 46(4), 720-725 (2004); Jager, W. ; Jiang, X., "Diamond heteroepitaxy-nucleation, inferíase structure, film, growth, " Acta Metallurgica Sínica (English Letters) 14(6), 425-434 (2004) ; Jiang, X., "Textured and heteroepitaxial CVD diamond films," Semiconductors and Semimetals 76 (Thin-Film Diamond I), 1-47(2003); Iijima, S., Aikawa, Y. & Baba K. "Growth of diamond particles in chemical vapor deposition," J Mater Res. 6,1491-1497 (1991) ; Philip J., Hess, P, Feygelson T., Butler J.E., Chattopadhyay S., Chen K.H., and Chen L.C, "Elastic, mechanical, and thermal properties of nanocrystalline diamond films," Journal of Appl . Physics V. 93 #3 (2003) . El potencial de los materiales parecidos a diamante en la microelectrónica y otras aplicaciones es ilimitado. Mientras que existen excelentes métodos para crear diamante CVD, siempre son necesarias mejoras adicionales. Los métodos de nucleación previos son limitados porque solamente pueden generar películas de diamante po 1 i c r i s t a 1 i no . Las películas po 1 i c i s t a 1 i n a s son limitadas en uso, especialmente para aplicaciones electrónicas, en que las cristalitas de diamante exhiben varias orientaciones con respecto a su estructura reticular interna, y están separadas por límites de granos que no son diamante. Adicionalmente , los métodos previos muestran densidades de nucleación limitadas lo cual puede producir una cobertura superficial limitada y superficies ásperas que resultan por la formación de cristalita grande.

SUMARIO DE LA INVENCION El acoplamiento químico de diamantoides al substrato deseado previo a una deposición CVD proporciona el potencial de mejorar significativamente el proceso de creación de diamante CVD así como permite nuevas aplicaciones para las estructuras de diamante CVD. Existen múltiples maneras en las cuales los diamantoides pueden contribuir extraordinariamente.

Se ha descubierto que existen muchas ventajas en el acoplamiento químico de diamantoides a los substratos previo a una deposición. Estas incluyen: (1) densidades máximas de sementado produciendo tamaños de cristalitas más pequeños reduciendo la rugosidad superficial; (2) mitigación de problemas de deslaminado con una mejora concomitante en las características de transferencia de calor; (3) no hay abrasión superficial del substrato; (4) la capacidad de crear un patrón al desarrollo CVD; (5) mejoramiento del desarrollo CVD de caras de cristal de diamante particulares permitiendo un desarrollo homoepitaxial lo que mejora enormemente las propiedades de película de diamante haciendo posible nuevas aplicaciones electrónicas; (6) capacidad de seleccionar el tamaño de simientes de nucleación; (7) desarrollo de diamante dopado; (8) revestimiento de substratos no conductores; y (9) uso de irradiación. Todas las ventajas anteriores son llevadas en la práctica de la presente invención, lo cual proporciona un método nuevo de nucleación del desarrollo de una película de diamante, con el substrato sobre el cual la película está creciendo siendo acoplado químicamente a éste un diamantoide previo a la nucleación. BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La Figura 1 muestra una película cristalina de diamante CVD formada utilizando cristales simientes de diamantoide. La Figura 2 muestra una molécula de diamantoide unida a una superficie que actúa como un cristal simiente orientado. La Figura 3 muestra un diamantoide unido a una superficie de metal. Las Figuras 4A, 4B y 4C muestran diamantoides acoplados a una superficie de silicona a través de un enlace de silil éter . Las Figuras 5A, 5B y 5C muestran cómo moléculas de decamantano puede ser acopladas a una superficie de silicona.

La Figura 6 muestra un reactor para sublimar diamantoides en la fase gaseosa para CVD. DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El término "diamantoides" se refiere a compuestos enjaulados substituidos y no substituidos de la serie de adamantanos que incluye al adamantano, diamantano, triamantano, tetramantano, pentamantano, hexamantano, heptamantano, octamantano, nonamantano, decamantano, undecamantano, y similares, que incluye a todos los isómeros y estereoisómeros de los mismos. Los compuestos tienen una topología "diamantoide" , lo cual significa que su arreglo de átomo de carbono se puede superponer sobre un fragmento de una retícula de diamante FCC. Los diamantoides substituidos comprenden desde 1 hasta 10 preferiblemente de 1 hasta 4 subst ituyentes de alquilo seleccionados independientemente. Los diamantoides incluyen "diamantoides inferiores" y "diamantoides superiores", puesto que estos términos son aquí definidos, así como mezclas de cualquier combinación de diamantoides inferiores y superiores. El término "diamantoides inferiores" se refiere a adamantano, diamantano y triamantano y cualquiera y/o todos los derivados no substituidos y substituidos de adamantano, diamantano y triamantano. Estos componentes de diamantoide no muestran isómeros o quiralidad y son sintetizados fácilmente, lo que los distingue de los "diamantoides superiores". El término "diamantoides superiores" se refiere a cualquier y/o todos los componentes de tetramantano substituidos y no substituidos; a cualquiera y/o todos los componentes de pentamantano substituidos y no substituidos; a cualquier y/o todos los componentes de hexamantano substituidos y no substituidos, a cualquier y/o todos los componentes de heptamantano substituidos y no substituidos, a cualquier y/o todos los componentes de octamantano substituidos y no substituidos, a cualquier y/o todos los componentes de nonamantano substituidos y no substituidos, a cualquier y/o todos los componentes de decamantano substituidos y no substituidos, a cualquier y/o todos los componentes de undecamantano substituidos y no substituidos; asi como mezclas de los anteriores e isómeros y estereoisómeros de tetramantano, pentamantano, hexamantano, heptamantano, octamantano, nonamantano, decamantano, y undecamantano. Aislamiento de Diamantoides de Materias Primas de Petróleo Las materias primas que contienen cantidades recuperables de diamantoides superiores incluyen, por ejemplo, condensados de gas natural y corrientes de refinería que resultan de los procesos de dispersión, destilación, coquización, y similares. Son particularmente preferidas las materias primas originarias de la Formación de Norphlet en el Golfo de México y la Formación de LeDuc en Canadá. Estas materias primas contienen grandes cantidades de diamantoides inferiores (frecuentemente tanto como aproximadamente dos tercios) y cantidades menores pero significativas de diamantoides superiores (frecuentemente tanto como aproximadamente 0.3 hasta 0.5 por ciento en peso) . El procesamiento de tales materias primas para retirar componentes no diamantoides y separar diamantoides superiores e inferiores (si se desea) puede llevarse a cabo utilizando, únicamente a manera de ejemplo, técnicas de separación por tamaño, tal como membranas, rejillas moleculares, etc., separadores de evaporación y térmicos ya sea bajo presiones normales o reducidas, extractores, separadores electrostáticos, cristalización, cromatografía, separados de cabeza de pozo, y similares. Un método de separación preferido típicamente incluye la destilación de las materias primas. Esto puede retirar componentes de bajo punto de ebullición, no diamantoides. También puede retirar o separar componentes diamantoides inferiores y superiores que tienen un punto de ebullición menor que el diamantoide ( s ) superior seleccionado para aislarlo. En cualquier caso, los cortes inferiores estarán enriquecidos en diamantoides inferiores y materiales no diamantoides de bajo punto de ebullición. La destilación puede ser operada para proporcionar varios cortes en el intervalo de temperatura de interés para proporcionar el aislamiento inicial del diamantoide superior identificado. Los cortes, los cuales están enriquecidos en diamantoides superiores o el diamantoide de interés, son retenidos y pueden requerir una purificación adicional. Otros métodos para el retiro de contaminantes y purificación adicional de una fracción enriquecida de diamantoide pueden incluir adicionalmente los siguientes ejemplos no limitantes: técnicas de separación por tamaño, evaporación ya sea bajo presión normal o reducida, sublimación, cristalización, cromatografía, separadores de mantos de pozo, destilación por expansión súbita, reactores de lecho fijo o fluido, presión reducida, y similares.

El retiro de componentes no diamantoides también puede incluir un paso de pirólisis ya sea antes o subsecuentemente a la destilación. La pirólisis es un método eficaz para retirar hidrocarburos, componentes no diamantoides de las materias primas. Esto se efectúa mediante el calentamiento de la materia prima bajo condiciones de vacio, o en una atmósfera inerte, a una temperatura de por lo menos aproximadamente 390°C, y lo más preferiblemente a una temperatura en el intervalo de aproximadamente 410 hasta 450°C. La pirólisis se continua por un periodo de tiempo suficiente, y a una temperatura suficientemente alta, para degradar térmicamente por lo menos aproximadamente 10 por ciento en peso de los componentes no diamantoides que se encontraban en el material de suministro previo a la pirólisis. Más preferiblemente por lo menos aproximadamente 50 por ciento en peso, y aun más preferiblemente por lo menos 90 por ciento en peso de los no diamantoides son degradados térmicamente. Mientras que la pirólisis es preferida en una modalidad, no siempre es necesaria para facilitar la recuperación, aislamiento o purificación de diamantoides. Otros métodos de separación pueden permitir que la concentración de diamantoides sea suficientemente alta dadas ciertas materias primas de manera que los métodos de purificación directa tal como cromatografía incluyendo la cromatografía de gas preparativa y cromatografía líquida de alto rendimiento, cristalización, sublimación fraccionaria pueden ser utilizados para aislar diamantoides . Aun después de la destilación o pirólisis/destilación, una purificación adicional del material puede ser deseada para proporcionar diamantoides seleccionados para usarse en las composiciones empleadas en esta invención. Tales técnicas de purificación incluyen cromatografía, cristalización, técnicas de difusión térmica, refinamiento por zona, recristalización progresiva, separación por tamaño, y similares. Por ejemplo, en un proceso, la materia prima recuperada es sometida a los siguientes procedimientos adicionales: 1) cromatografía de columna por gravedad que utiliza gel de sílice impregnado de nitrato de plata; 2) cromatografía de gas capilarmente preparatoria de dos columnas para aislar diamantoides; 3) cristalización. Un proceso alterno es utilizar cromatografía líquida de una sola o múltiples columnas, que incluye la cromatografía líquida de alto rendimiento, para aislar los diamantoides de interés. De acuerdo a lo anterior, se pueden utilizar múltiples columnas con diferentes selectividades. Procesamientos adicionales que utilizan estos métodos permiten separaciones más refinadas lo cual puede conducir a un componente substancialmente puro. Métodos detallados para procesar materias primas para obtener composiciones de diamantoides superiores son establecidos en la Solicitud de Patente Provisional Estadounidense No. 60/262,842 presentada el 19 de Enero de 2001; Solicitud de Patente Provisional Estadounidense No. 60/300,148 presentada el 21 de Junio de 2001; y Solicitud de Patente Provisional Estadounidense No. 60/307,063 presentada el 20 de Julio de 2001. Estas solicitudes se incorporan aquí como referencia en su totalidad. A diferencia de las partículas de diamante grandes las cuales frecuentemente son utilizadas como siemientes para deposición de diamante CVD, los diamantoides pueden ser derivados fácilmente con grupos químicos que pueden actuar con enlazadores para unir químicamente el diamantoide a una superficie. Un ejemplo es el acoplamiento de derivados de diamantoide-tiol a superficies de metal, por ejemplo, oro. Otro es el acoplamiento de diamantoides a superficies de silicona mediante un enlace de oxígeno. Un medio de acoplamiento de diamantoides a obleas de silicona es la reacción de sililación de enlazamiento . Las reacciones de sililación han sido ampliamente usadas para acoplar porciones de hidrocarburo a superficies de sílice y vidrio. Los trimetilsilil éteres son agentes establecidos para derivar vidrio y sílice para formar superficies que no pueden humectarse. Los alquilsilil éteres son ampliamente utilizados para formar derivados con estabilidad térmica mejorada para auxiliar, por ejemplo, en el análisis de espectro de masa de alta temperatura de acuerdo a lo discutido por Denney, R. C, Silylation Reagents for Chomatography . Spec. Chem. 6 (1983) . Tales capas son térmicamente estables a una temperatura de operación CDV. Un método de acoplamiento incluiría formar agentes de sililación que contienen diamantoides que podrían reaccionar con porciones de siloxilo sobre superficies se silicona oxidizadas. Tales métodos podrían emplear, por ejemplo, reactivos de sililación que contienen diamantoides específicos o diamantoides de alquilo como uno de los grupos alquilo sobre un trialquilhalosilano u otros reactivos de sililación de trialquilo. Las reacciones de sililación involucrarían métodos de base establecida catalizada. Otros métodos de unión química apropiados mediante un químico de enlazamiento de grupos también podrían ser utilizados. Los diamantoides también pueden ser unidos juntos para formar dimeros, trímeros, etc., y después acoplados como dimeros, trímeros, etc. al substrato por medio de un enlazador químico. También, los diamantoides pueden primero ser acoplados al substrato a través de un tipo de grupo enlazador, y después unidos juntos en una orientación deseada a través de otro tipo de grupo enlazador, por ejemplo, para hacer posible una homoepitaxia . Debido a que la calidad de desarrollo de diamante CVD es una función de la densidad de sementado, los diamantoides, que son las unidades de diamante más pequeñas posibles, aseguran la densidad de sementado más alta posible y películas de mejor calidad. Los cristales simientes CVD pequeños promueven una nucleación eficaz y películas de diamante CVD más uniformes con propiedades mecánicas, electrónicas, (por ejemplo, campo de emisión), ópticas, y de conductividad térmica superiores. En la actualidad, la nucleación CVD se obtiene por abrasión o rayado de una superficie (por ejemplo, silicona pulida) con partículas de diamante de grano fino previo a los procesos CVD. Iijima, S., Aikawa, Y. & Baba K. , en "Growth of diamond particles in chemical vapor deposition." J. Mater. Res. 6, 1491-1497 (1991), han mostrado que esta técnica de abrasión incorpora fragmentos de diamante diminutos (decenas de nm en tamaño) en la superficie de silicona. Estas propagaciones tienen varias orientaciones haciendo imposible la homoepitáxia . Estos fragmentos de diamante actúan como simientes para el desarrollo CVD. Iijima et al. (1991) ha determinado que la densidad de nucleación más alta posible que puede alcanzarse con esta técnica de abrasión es 1010 hasta 10 /cm2. Los diamantoides son las partículas de diamante más pequeñas posibles, teniendo tamaños en el intervalo desde 1 hasta 2 nm. El tamaño pequeño de los diamantoides hace posible incrementar la densidad de nucleación a 1013 hasta 1014 /era2 una gran mejora sobre densidades de nucleación posibles con técnicas anteriores. Los diamantoides pueden ser depositados sobre una superficie ya sea físicamente o químicamente (como derivados de diamantoide ) previo a los procesos CVD. La Figura 1 muestra un película cristalina de diamante CVD formada con el uso de cristales simientes de diamantoide ( tetramantano ) (condiciones CVD: 6% 50 ton, 5K , 333H2, SCCM/22 Cl-I4, 700°C, 8hrs) . La delaminación de capas CVD de sus substratos es problemática y un impedimento para aplicaciones potenciales de diamante CVD. El acoplamiento químico de diamantoides hacia el substrato como una monocapa proporcionará un número astronómico (sobre el orden de 1013 hasta 1014 /cm2) de puntos de anclaje y de esa manera mitigará o eliminará el problema de delaminación. Esto también proporciona una transferencia de calor a través de la inferíase. Los diamantoides no necesitan se incorporados físicamente en una superficie como partículas simientes de diamante con el uso de procesos de abrasión (ralladura o ultrasonido) que daña físicamente la superficie. Por lo tanto, la abrasión superficial puede ser eliminada por acoplamiento químico de cristales simientes de diamantoide a una superficie previo al CVD. La prevención o minimización de daño superficial es especialmente importante en aplicaciones tal como microelectrónica y producción de Micro Sistemas Electro Mecánico (MEMS) . Los diamantoides pueden ser acoplados químicamente a superficies en varios patrones. Por ejemplo, un circuito electrónico podría ser dirigido sobre superficies metálicas con diamantoide-t ioles para nanolitografía . Estos patrones pueden ser utilizados como es, o utilizados como simientes para el desarrollo CVD de diamante con patrones. Adicionalmente , la deposición CVD con patrones se puede lograr al enmascarar una superficie (por ejemplo, silicona pulida) por lo que solamente son expuestos patrones específicos sobre esa superficie. Por ejemplo, agentes de sililación que contienen diamantoides pueden ser reaccionados con porciones siloxilo sobre la superficie de silicona expuesta, de esa manera formar un patrón predeterminado, denso de cristales simientes de diamante CVD. Una vez que se ha completado el enlazado de los diamantoides mediante enlaces de sili-éter, la máscara es retirada y se deposita diamante con el proceso CVD de alta temperatura. La deposición de diamante CVD en patrones predeterminados hace posible un amplio intervalo de nuevas aplicaciones microelectrónicas, tal como la producción de capas aislantes ultra delgadas con alta conductividad térmica, y aplicaciones tal como la producción de componentes MEMS compuestos de diamante. El diamante es un material altamente deseable para construcción MEMS debido a su resistencia, resistencia al desgaste, y bajo coeficiente de fricción. Además de la formación de patrones, los diamantoides pueden ser acoplados al substrato con el fin de inducir el desarrollo de diamante CVD de una cara de diamante particular.

Por ejemplo, el diamantoide puede ser anclado al substrato con el fin de inducir la propagación a lo largo de la cara (111), creando una superficie de diamante extremadamente plana. Con el uso de métodos actuales para sementar (por ejemplo, nanodiamantes Rusos) las caras de cristal con cristales simientes son orientados aleatoriamente. Estas orientaciones aleatorias provocan la formación de películas CVD policristalinas . La homoepitaxia solamente es posible para una nucleación utilizando caras de cristal de diamante orientadas. Al utilizar derivados diamantoides es posible controlar la orientación de las caras de cristal de diamante utilizadas para una nucleación de diamante CVD. Con el fin de controlar completamente las orientaciones de diamante para hacer las mejores películas homoepitaxiales los diamantoides acoplados a la superficie pueden ser enlazados uno con otro para asegurar el resultado deseado. El enlace químico de diamantoides a las superficies (Figuras 2 y 3) previo a CVD hace posible la orientación predeterminada de caras de cristal de diamante de los simientes. La Figura 4A muestra una porción de [ 1 ( 2 , 3 ) ] pentamantano unida a un grupo siloxilo sobre una superficie de silicona. El [ 1 ( 2 , 3 ) 4 ] pentamantano es unido al siloxilo superficial mediante un carbono terciario cabeza de puente a través de un enlace silil éter de alquilo. La unión del [ 1 ( 2 , 3 ) 4 ] pentamantano a la superficie de esta manera expone su superficie plana de -diamante (111) para una nucleación CVD / deposición de diamante. El eficacia relativa de las caras de diamante {100} y {110} hacia la nucleación CVD también podría ser aplicada utilizando otras estructuras diamantoides . La Figura 4B muestra una porción de [ 1 ( 2 , 3 ) 4 ] pentamantano unida a un grupo siloxilo sobre una superficie de silicona mediante un carbono terciario de cabeza de puente a través de un enlace silil éter de alquilo. La unión del [ 1 ( 2 , 3 ) 4 ] pentamantano a la superficie de esta manera expone su superficie (100) a los reactivos CVD. De igual forma, la Figura 4C muestra porciones de [ 123] tetramantano unidas a un grupo siloxilo sobre una superficie de silicona mediante carbonos terciarios de cabeza de puente a través de enlaces silil éter de alquilo. La unión de [ 123 ] tetramantanos a una superficie de esta manera expone sus superficies (110) . Los [ 123 ] tetramantanos mostrados en la Figura 4C ofrecen la única oportunidad de utilizar la quiralidad de cristal simiente en la nucleación de formación de diamante CVD. El [ 123 ] tetramantano es una molécula quiral que puede resolucionar que tiene una capacidad helicoidal principal (muestra ambas estructuras helicoidales principales del lado izquierdo y del derecho) . La Figura 2 muestra una molécula de diamantoide, 1, unida a una superficie que actúa como cristal sementado orientado para nucleación/producción de diamante CVD. 2 es una superficie, por ejemplo, un metal, silicona, vidrio, cerámica, polímero orgánico, cualquier material que puede ser unido a 1, un diamantoide inferior, diamantoide superior, heterodiamantoide , u otro derivado diamantoide. 1, la porción de diamantoide es unida a 2 por medio de un grupo enlazador (4), esto es acoplado a la superficie por la unión 3, y el diamantoide por la unión 5. Alternativamente, el diamante puede ser unido directamente a la superficie. La Figura 3 muestra un ejemplo de un diamantoide, en este caso [ 12312 1 ( 2 ) 3 ] decamantano, unido a una superficie de metal, por ejemplo, oro, mediante un enlace de tio azufre. La Figura 4 muestra diamantoides acoplados a una superficie de silicona a través de un enlace de silil éter. La Figura 4A es un [ 1 ( 2 , 3 ) ] pentamantano con su cara expuesta (111) . La Figura 4B es un [ 1 ( 2 , 3 ) 4 ] pentamantano con su cara expuesta (100) . La Figura 4C es par enantiómero, [ 123 ] tetramantano Quiral con caras expuestas (110) . Las Figuras 5A, 5B, y 5C muestran como moléculas de [ 1231241 ( 2 ) 3 ] decamantano pueden ser acopladas a una superficie de silicona en varias formas para exponer caras de cristal de diamante específicas. La Figura 5A muestra cómo enlazar a través de un enlace de silil éter podría exponer una cara de diamante (111), Figura 5B una cara de diamante (100), y Figura 5C la cara (110) . De esta manera, los diamantoides podrían ser utilizados para determinar ambos la orientación de la cara de cristal y el tamaño de cristal y uniformidad de los simientes de nucleación de diamante CVD, de esa manera hacer posible la homoepitaxia . El desarrollo de diamante homoepitaxico es necesario para la producción de materiales de diamante de alta calidad para aplicaciones microelectrónicas. Esto puede ser alcanzado mediante el enlace de los diamantoides acoplados a la superficie uno con otro al utilizar un enlazador químico apropiado . Los diamantoides están disponibles en una variedad de tamaños que se encuentran en el intervalo desde 1 hasta 11 jaulas de cristal de diamante. Esto proporciona la capacidad de seleccionar el tamaño preciso de simientes de nucleación, una capacidad que no es posible con otros métodos de nucleación CVD. En algunas aplicaciones es deseable utilizar simientes un tanto más grandes o más pequeños para producir capas de diamante de propiedades y calidad apropiada. Los diamantoides pueden ser derivados con nitrógeno o boro u otras porciones. La incorporación de de estos derivados en capas de cristal sementado de diamantoide superficiales resulta en películas de diamante CVD dopadas con ya sea elementos tipo-n o tipo-p en la retícula ofreciendo una nueva forma de dopar diamantes CVD. El uso de técnicas de unión química puede permitir el desarrollo de diamante sobre superficies frágiles o no conductivas. Las superficies primero deben ser revestidas con diamantoides para crear una capa de alta densidad de sitios de nucleación y después es utilizado un proceso CVD de baja temperatura para desarrollar la capa de diamante. Películas de diamante más finas y más uniformes pueden ser elaboradas por el acoplamiento químico de diamantoides a las superficies para formar monocapas las cuales podrían ser irradiadas para producir una capa parecida a diamante sin un calentamiento superficial asociado con el procesamiento CVD. Una vez que los diamantoides son acoplados al substrato como un simiente, un técnico puede utilizar métodos CVD estándares. Metano, etano, etileno, acetileno y otras fuentes de carbono gaseoso pueden ser utilizadas en métodos estándares CVD. El hidrógeno puede ser utilizado en el proceso de nucleación también, junto con el gas de origen de carbono, y preferiblemente en combinación con un gas inerte tal como nitrógeno o argón. En otra modalidad, una vez que el diamantoide deseado ha sido acoplado químicamente a la superficie, se pueden emplear técnicas como las descritas en la Patente Estadounidense No. 6,783,589 para sublimar diamantoides en la fase gaseosa para CVD. Un reactor ejemplar a ser utilizado es mostrado en general en 400 en la Figura 6. Un reactor 400 comprende las paredes de reactor 401 que cierran un espacio de proceso 402. Un tubo de entrada de gas 403 es utilizado para introducir un gas de proceso en el espacio de proceso 402, el gas de proceso comprende metano, hidrógeno, y opcionalmente un gas inerte tal como argón. Un dispositivo de sublimación o volatilización de diamantoide 404, similar al transpirador de cuarzo discutido anteriormente, puede ser utilizado para volatilizar e inyectar un diamantoide que contiene gas dentro del reactor 400. El volatilizador 404 puede incluir un medio para introducir un gas portador tal como hidrógeno, nitrógeno, argón, o un gas inerte tal como un gas noble diferente al argón, y puede contener otros gases precursores de carbono tal como metano, etano, o etileno. Consistente con reactores CVD convencionales, el reactor 400 puede tener salidas de escape 405 para retirar gases de proceso del espacio de proceso 402; una fuente de energía para acoplar energía en los gases de proceso del espacio de proceso 402 (e impactar un plasma de) contenidos dentro del espacio de proceso 402; un filamento 407 para convertir hidrógeno molecular a hidrógeno monoatómico; un susceptor 408 sobre el cual una película que contiene diamantoide 409 se desarrolla; un medio para girar el susceptor 408 para mejorar la uniformidad sp3-hibridizado de la película que contiene diamantoides 409; y un sistema de control 411 para regularizar y controlar el flujo de gases a través de la entrada 403, la cantidad de energía acoplada desde la fuente 406 dentro del espacio de procesamiento 402, y la cantidad de diamantoides inyectados en el espacio de procesamiento 402 la cantidad de gases de proceso que escapan a través de los puertos de escape 405; la atomización de hidrógeno del filamento 407; y el medio 410 para girar el suceptor 408. En una modalidad ejemplar, la fuente de energía de plasma 406 comprende una bobina de inducción de manera que la energía es acoplada en los gases de proceso dentro del espacio de procesamiento 402 para crear un plasma 412. Un precursor diamantoide (el cual puede ser un triamantano o diamantoide superior) puede ser inyectado dentro del reactor 400 de conformidad con modalidades de la presente invención a través del volatilizador 404, el cual funciona para volatilizar los diamantoides . Un gas portador tal como metano o argón puede ser utilizado para facilitar la transferencia de los diamantoides introducidos en el gas portador dentro del espacio de proceso 402. La inyección de tales diamantoides puede facilitar el desarrollo de una película de diamante CVD desarrollado 409 al permitir que átomos de carbono sean depositados a un índice de aproximadamente 10 hasta 100 o más a la vez, a diferencia de las técnicas de diamante CVD de plasma convencional en las cuales carbonos son agregados a la película de desarrollo en un átomo a la vez. Los índices de desarrollo pueden ser incrementados por al menos dos o tres veces en algunas modalidades, los índices de desarrollo pueden ser incrementados por al menos un orden de magnitud.

Puede ser necesario, en algunas modalidades, para los gases de metano y/o hidrógeno inyectados "rellenar" material de diamante entre los diamantoides , y/o "reparar" regiones de material que son "atrapadas" entre los agregados de diamantoides sobre la superficie de la película de desarrollo 409. El hidrógeno participa en la síntesis de diamante por técnicas PECVD al estabilizar el carácter de enlace sp3 de la superficie de diamante en desarrollo. De acuerdo a lo discutido en la referencia citada anteriormente, A. Erdemir et al. enseña que el hidrógeno también controla el tamaño del núcleo inicial, la disolución de carbono y generación de radicales de carbono condensables en la fase gaseosa, abstracción de hidrógeno de hidrocarburos acoplados a la superficie de la película de diamante en desarrollo, producción de sitios vacantes en donde precursores de carbono sp3 unidos pueden ser insertados. El hidrógeno graba la mayor parte del carbono enlazado doble o sp2 de la superficie de la película de diamante en desarrollo, y de esa manera impide la formación de carbono de grafito y/o amorfo. El hidrógeno también graba aparte granos de diamante más pequeños y suprime la nucleación. En consecuencia, las películas de diamante de desarrollo CVD con hidrógeno suficiente presente conduce a revestimientos de diamante que tienen principalmente granos grandes con superficies altamente biseladas. Tales películas pueden exhibir una rugosidad superficial de aproximadamente 10 por ciento del espesor de película. En la presente modalidad, puede no ser necesario estabilizar la superficie de la película, puesto que los carbonos sobre el exterior de un diamantoide depositado son ya sp3 estabilizados. Los diamantoides pueden actuar como precursores de carbono para una película de diamante CVD, lo que significa que cada uno de los carbonos de los diamantoides inyectados en el espacio de procesamiento 402 son agregados a la película de diamante en una forma subs tancialment e intacta. En adición a este papel, los diamantoides 413 inyectados en el reactor 400 desde el volatilizador 404 pueden funcionar simplemente para nuclear un desarrollo de película de diamante CVD de conformidad con técnicas convencionales. En tal caso, los diamantoides 413 son introducidos en un gas portador, el último el cual puede comprender metano, hidrógeno, y/o argón, e inyectados dentro del reactor 400 al principio de un proceso de deposición para nuclear una película de diamante que se desarrollará del metano como un precursor de carbono (y no diamantoide) en pasos subsecuentes. En algunas modalidades, la selección del isómero particular de un diamantoide particular puede facilitar el desarrollo de una película de diamante que tiene una orientación cristalina deseada que pudo haber sido difícil de alcanzar bajo circunstancias convencionales. Alternativamente, la introducción de un agente de nucleación de diamantoide en el reactor 400 del volatilizador 404 puede ser utilizada para facilitar una morfología ultra cristalina en la película de desarrollo para los propósitos discutidos anteriormente. El peso de diamantoides y diamantoides substituidos, como una función del peso total de la película CVD (en donde el peso de los grupos funcionales diamantoides están incluidos en la porción diamantoide) , puede en una modalidad encontrarse en el intervalo desde aproximadamente 1 hasta 99.9 por ciento en peso. En otra modalidad, el contenido de diamantoides y diamantoides substituidos es aproximadamente 10 hasta 99 por ciento en peso. En otra modalidad, la proporción de diamantoides y diamantoides substituidos en la película CVD en relación con el peso total de la película es de aproximadamente 25 hasta 95 por ciento en peso. Mientras que la presente invención ha sido descrita con referencia a modalidades específicas, esta solicitud tiene previsto cubrir varios cambios y substituciones que pueden ser realizados por las personas experimentadas en la técnica sin separarse del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas . Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por el solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (42)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones : 1. Un método para la nucleación del desarrollo de una película de diamante, caracterizado porque comprende proporcionar un substrato sobre el cual la película debe ser nucleada, en donde por lo menos un diamantoide es acoplado químicamente al substrato.
2. 2. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el diamantoide es un diamantoide inferior .
3. 3. El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el diamantoide inferior es seleccionado del grupo que consiste de adamantano, diamantano y triamantano .
4. 4. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el diamantoide es un diamantoide superior.
5. 5. El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el diamantoide superior es seleccionado del grupo que consiste de tetramantano, pentamantano, hexamantano, heptamantano, octamantano, nonamantano, decamantano, y undecamantano .
6. 6. El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el diamantoide es derivado con nitrógeno o boro.
7. 7. Un método para nuclear el desarrollo de una película de diamante, caracterizado porque comprende los pasos de: a) proporcionar un reactor que tiene un espacio de proceso cerrado; b) posicionar un substrato dentro del espacio de proceso y acoplar químicamente un diamantoide al substrato; c) introducir un gas de proceso dentro del espacio de proceso; y, d) acoplar energía dentro del espacio de proceso desde una fuente de energía.
8. 8. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque además comprende inyectar por lo menos un diamantoide superior dentro del espacio de proceso, en donde el por lo menos un diamantoide superior nuclea el desarrollo de la película de diamante sobre el substrato.
9. 9. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque además comprende inyectar por lo menos diamantoide dentro del espacio de proceso, en donde el por lo menos un diamantoide superior es derivado con nitrógeno o boro.
10. 10. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque además comprende inyectar por lo menos un diamantoide inferior dentro del espacio de proceso, en donde el por lo menos un diamantoide inferior nuclea el desarrollo de la película de diamante sobre el substrato.
11. 11. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el reactor está configurado para llevar a cabo una técnica de deposición de vapor químico (CVD) .
12. 12. El método de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la técnica de deposición de vapor químico es una técnica de deposición de vapor químico de plasma mejorada (PECVD) .
13. 13. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el por lo menos un diamantoide superior es un diamantoide superior substituido.
14. 14. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la nucleación es independiente de la naturaleza del substrato.
15. 15. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el substrato es un substrato de formación de carburo.
16. 16. El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado porque el substrato es seleccionado del grupo que consiste de Si y Mo .
17. 17. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el substrato es un substrato de formación que no es carburo.
18. 18. El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el substrato es seleccionado del grupo que consiste de Ni y Pt .
19. 19. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el gas de proceso comprende metano e hidrógeno .
20. 20. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el gas de proceso además incluye un gas inerte .
21. 21. El método de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el gas inerte es argón.
22. 22. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la fuente de energía comprende una bobina de inducción de manera que la energía acoplada dentro del espacio de proceso genera un plasma.
23. 23. El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque además incluye el paso de convertir el hidrógeno dentro del espacio de proceso a hidrógeno monoatómico .
24. 24. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el paso de inyectar comprende volatilizar el por lo menos un diamantoide superior por calentamiento por lo que se sublima en la fase gaseosa.
25. 25. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el paso de inyectar incluye la introducción del diamantoide superior sublimado en un gas portador el cual es introducido dentro de la cámara de proceso.
26. 26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque el gas portador es por lo menos un gas seleccionado del grupo que consiste de hidrógeno, nitrógeno, un gas inerte, y un gas precursor de carbono.
27. 27. El método de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque el gas inerte es un gas noble, y en donde el gas precursor de carbono es por lo menos un gas seleccionado del grupo que consiste de metano, etano, y etileno.
28. 28. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la densidad de nucleación es por lo menos 1013 cm"2.
29. 29. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque la inyección de por lo menos un diamantoide superior incrementa el índice de crecimiento de la película de diamante por un factor de por lo menos dos a tres veces .
30. 30. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado . porque la inyección del por lo menos un diamantoide inferior incrementa el desarrollo de la película de diamante por un factor de por lo menos dos o tres veces.
31. 31. El método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque además incluye el paso de seleccionar un diamantoide superior particular para facilitar el desarrollo de una película de diamante que tiene una orientación cristalina deseada.
32. 32. El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el substrato es rotado durante por lo menos una parte del desarrollo de la película de diamante .
33. 33. Una película de diamante nucleada sobre un substrato, caracterizada porque tiene un diamantoide acoplado químicamente al substrato previo a la nucleación.
34. 34. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 33, caracterizada porque el diamantoide se deriva con nitrógeno o boro.
35. 35. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 33, caracterizada porque el diamantoide es un diamantoide superior.
36. 36. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 33, caracterizada porque el diamantoide es un diamantoide inferior.
37. 37. Una película de diamante, caracterizada porque es nucleada mediante los pasos que comprenden: a) proporcionar un reactor que tiene un espacio de proceso cerrado; b) posicionar un substrato dentro del espacio de proceso, con el substrato que tiene acoplado químicamente a éste un diamantoide; c) introducir un gas de proceso dentro del espacio de proceso; y, d) acoplar energía dentro del espacio de proceso desde una fuente de energía.
38. 38. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 37, caracterizada porque es una película ultrananocristalina.
39. 39. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 38, caracterizada porque la película ultrananocristalina tiene una microestructura que comprende un tamaño de cristalita de tres a cinco nanómetros.
40. 40. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 37, caracterizada porque el diamantoide se deriva con nitrógeno o boro.
41. 41. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 37, caracterizada porque el diamantoide es seleccionado del grupo que consiste de adamantano, diamantano, triamantano, tetramantano, pentamantano, hexamantano, heptamantano, octamantano, nonamantano, decamantano, y undecamantano .
42. 42. La película de diamante de conformidad con la reivindicación 37, caracterizada porque el diamantoide superior es seleccionado del grupo que consiste de adamantano, diamantano, triamantano, tetramantano, pentamantano, hexamantano, heptamantano, octamantano, nonamantano, decamantano, y undecamantano.