Bombas de vacío en la producción de diamantes sintéticos

Sabemos que cuando decimos “diamantes" la mayoría de la gente lo asocia con el sector de la joyería. También tendrán en cuenta que estas gemas se encuentran en las minas y en ocasiones se obtienen de forma dudosa ("diamantes de sangre"). Es por ello que desde la década de 1990 la industria se dedicó a investigar cómo producir diamantes sintéticos.

Hoy en día existen varios procesos disponibles para crear diamantes artificiales. No solo para joyería, donde incluso los expertos encuentran desafiante distinguir un diamante natural de uno artificial, sino también para el mercado mucho más grande de diamantes en el sector industrial.

Contenido de este artículo:
Propiedades sobresalientes de los diamantes sintéticos
¿Cómo se obtienen los diamantes?
¿Cuáles son los requisitos de la bomba de vacío para el período de crecimiento?
Ventajas de las bombas de 2 etapas desarrolladas por Leybold
Leybold para producción de diamantes

Propiedades sobresalientes de los diamantes sintéticos

Las propiedades clave de los diamantes sintéticos que los vuelven tan interesantes para el sector industrial son:

• Mecánicas (dureza superior e inercia química)
• Ópticas (alta transparencia)
• Eléctricas (propiedades de semiconductores)
• Térmicas (máxima conductividad térmica)

Algunos ejemplos típicos de aplicaciones industriales son las herramientas de mecanizado y corte, material de ventana para transmitir radiación infrarroja y microondas, y disipadores de calor para láseres y transistores. Los diamantes sintéticos también son el material base para obleas de semiconductores y Qubits para computación cuántica.

¿Cómo se obtienen los diamantes?

Tradicionalmente, los diamantes se formaron naturalmente hace miles de millones de años en la corteza terrestre al exponer átomos de carbono a un calor y presión intensos. Sin embargo, debido a los avances técnicos, se creó una nueva fuente de diamantes cultivados sintéticamente. Este mercado se puede dividir en 2 métodos principales de fabricación:

1.- HPHT (alta temperatura y alta presión): Este método se basa en cómo se formaron los diamantes de forma natural: comprimiendo el carbono y agregándole calor. La huella del equipo a menudo tiene un control de proceso grande y limitado.

2.- CVD (deposición química de vapor): Este método se basa en crear un entorno de vacío y luego introducir gases específicos para desencadenar una reacción. La huella del equipo a menudo tiene un control de proceso pequeño y excelente.

Proceso de cultivo MPCVD (Microwave Plasma CVD)

Debido a su tamaño reducido y sus excelentes controles de proceso, el proceso de cultivo MPCVD ha ganado popularidad. Una parte importante del proceso MPCVD es la creación y mantenimiento de condiciones de vacío óptimas dentro de una cámara de crecimiento. A continuación te mostramos una configuración típica de cámara de crecimiento:

Proceso de fabricación de diamantes sintéticos. Fuente: NNE, 2019

Los pasos típicos de este proceso son:

1.- Diseño de semillas de diamante/sustrato.

2.- Cerrar la cámara y evacuarla para acondicionamiento, calentar el sustrato.

3.- Introducir hidrógeno.

4.- Encender el microondas y generar plasma (~4000 °C) sobre el sustrato.

5.- Introducir gases de proceso y comenzar el crecimiento epitaxial:

• Metano: Fuente de carbono.
• Etanol, acetona u oxígeno (opcional): Ayudan a mejorar la calidad a través del efecto de grabado con plasma de oxígeno.
• Nitrógeno (opcional): Ayuda a acelerar el proceso (se aprende de la experiencia y hace que el crecimiento de MPCVD sea económicamente factible).
  
  

6.- 1 a 4 semanas de período de crecimiento.

¿Cuáles son los requisitos de la bomba de vacío para el período de crecimiento?

1.- Bombeo inicial hasta aproximadamente 2E-2 mbar de presión base.

2.- Mantener la presión (100-300 mbar, típicamente en un rango de 100-130 mbar) mientras los gases de proceso fluyen.

3.- Limpieza a baja presión del color del diamante después de la producción.

Hoy en día, las bombas de vacío industriales de paletas rotativas selladas con aceite o de 2 etapas se utilizan típicamente en el proceso MPCVD gracias a que son ideales para lograr una presión de acondicionamiento baja, además de estar diseñadas principalmente para un funcionamiento continuo con un vacío fino. Además, estas bombas se enfrentan a una mala lubricación, sobrecalentamiento o una gran pérdida de aceite cuando funcionan durante días en la fase de presión brusca requerida por este proceso.

Ventajas de las bombas de 2 etapas desarrolladas por Leybold

La lubricación mediante aceite de las bombas Leybold TRIVAC está asegurada por una bomba de aceite integrada, que además permite una distribución uniforme del aceite en condiciones de funcionamiento con presión brusca, mientras que las bombas estándar sin estas bombas de aceite podrían fallar.

La bomba de paletas rotativas de 2 etapas Sogevac NEO D Leybold está diseñada para operar en presiones bruscas y proporciona una solución perfecta para los diversos requisitos de presión de este proceso de cultivo:

• El diseño se basa en nuestra famosa gama de bombas industriales SOGEVAC y ofrece una robustez comprobada para aplicaciones industriales.
  
• La baja presión final puede satisfacer fácilmente la solicitud inicial de vaciado, además el diseño de la bomba permite una operación continua a cualquier presión de funcionamiento (incluso aproximada).
• Filtro de escape integrado de alta eficiencia que puede reducir las pérdidas de aceite al mínimo técnico. Permitiendo que el aceite se quede dentro de la bomba.
• Diseño compacto, por lo que no hay necesidad de un separador de neblina de aceite de escape externo con retorno de aceite.

Para aquellos clientes que desean lograr una presión de acondicionamiento en el rango de alto vacío <10-3 mbar, Leybold también puede ofrecer una amplia gama de bombas turbo como la serie TURBOVAC. Además ofrecemos los calibres y el hardware necesarios.

Leybold para producción de diamantes

Con más de 175 años de experiencia y una amplia gama de productos, Leybold es un gran socio para la fabricación de diamantes CVD. Desde bombas de desbaste hasta turbobombas o accesorios, brinda una gran variedad de productos. Además cuenta con un equipo de aplicaciones exclusivo para calcular la configuración ideal de la bomba.

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