Método CVD para la síntesis de diamantes

El CVD (Chemical Vapor Deposition, deposición química en fase de vapor) es un método para cultivar diamantes en condiciones de baja presión utilizando un gas que contiene carbono, normalmente metano. A diferencia del método HPHT (High Pressure High Temperature, alta presión y alta temperatura), en el que el carbono se cristaliza bajo condiciones extremas de presión y temperatura, en el proceso CVD los átomos de carbono se depositan capa por capa sobre un sustrato, formando una red cristalina de diamante.

Equipos de síntesis CVD

El equipo utilizado para la síntesis CVD es un reactor de plasma por microondas. A diferencia del HPHT, el crecimiento cristalino en este método no ocurre en una mezcla metálica fundida, sino sobre sustratos cuidadosamente seleccionados que actúan tanto como semilla como superficie de crecimiento.

En el pasado se utilizaban láminas finas de diamantes naturales como sustratos. Hoy en día, se emplean placas de diamante CVD de alta pureza, libres de astillas y tensiones internas. Para diamantes de 5 quilates se usan sustratos de 10×10 mm, mientras que para piedras más grandes se requieren placas de 20×20 mm o más.

Proceso de síntesis CVD

Los principios básicos del crecimiento de diamantes bajo estas condiciones fueron descritos ya en la década de 1950 [1], pero no fue sino hasta principios de los años 2000 cuando se logró una velocidad de crecimiento suficientemente eficiente para su aplicación industrial. El proceso se desarrolla de la siguiente manera.

Los sustratos se colocan sobre un soporte y se introducen en la cámara de crecimiento. Antes de comenzar el proceso, se evacúa completamente el aire de la cámara con el fin de eliminar gases no deseados y partículas de polvo. Incluso una partícula diminuta puede provocar un defecto en la estructura del cristal.

En el interior de la cámara, un magnetrón genera radiación de microondas a una frecuencia de 915 MHz o 2,45 GHz, según el diseño del reactor y las condiciones de crecimiento deseadas.

• A una frecuencia de 915 MHz, el crecimiento de diamantes se realiza en grupo dentro de grandes instalaciones industriales. La cantidad de cristales obtenidos puede alcanzar hasta 100 unidades por ciclo. Este método se emplea para producir material en bruto destinado a piedras pequeñas de 1 a 2 quilates.

• A 2,45 GHz, se puede sintetizar tanto un solo cristal como varios simultáneamente. Se utilizan reactores compactos de laboratorio, y el crecimiento de cada diamante se monitoriza individualmente. A esta frecuencia, la nube de plasma puede extenderse hasta 100 – 120 mm, lo que permite cultivar cristales grandes en modo individual o varios en modo grupal. Sin embargo, la zona de crecimiento está limitada por el diámetro del plasma. La formación del material necesario para un diamante de un quilate suele tardar aproximadamente dos semanas.

A la cámara se introduce una mezcla de gases compuesta por metano, hidrógeno, oxígeno y, ocasionalmente, boro o nitrógeno. Bajo la acción de las microondas, estos gases generan una nube de plasma. Con una potencia de 6 kW y una presión de 200 – 250 Torr, el plasma se expande hasta cubrir la superficie del sustrato.

Cuando se alcanza el volumen de plasma deseado, la potencia del magnetrón se reduce a 4 kW y la presión se eleva a 300 – 350 Torr. Estas condiciones permiten una velocidad de crecimiento óptima de 20 – 25 µm/hora. Una presión más baja ralentiza el crecimiento; una mayor lo acelera pero disminuye la calidad del cristal. A presión atmosférica, el plasma se estrecha y la velocidad puede alcanzar los 50 µm/hora, aunque el crecimiento ocurre principalmente en altura, sin aumentar en anchura.

Composición de la mezcla de gases

• Metano: fuente de iones de carbono. Su exceso incrementa la velocidad de crecimiento pero reduce la calidad.
• Hidrógeno: impide la formación de grafito y favorece la generación de iones de carbono altamente reactivos. Constituye el componente principal de la mezcla gaseosa [2].
• Oxígeno: acelera el crecimiento, pero se utiliza con moderación (menos del 1 %).
• Nitrógeno: se añade para obtener diamantes amarillos. Su concentración no debe superar la del metano.
• Boro: se utiliza para sintetizar diamantes azules y materiales con conductividad eléctrica. Sin embargo, debido a consideraciones de seguridad, los diamantes azules suelen obtenerse mediante irradiación electrónica en aceleradores de partículas [3].

La temperatura del plasma alcanza los 3000 – 4000 °C , mientras que la del sustrato se mantiene entre 900 y 1200 °C . Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápido es el crecimiento, pero menor la calidad.

A través de la ventana de observación del reactor puede observarse el cambio de color de la nube de plasma, que pasa de blanco a rosa intenso. El color rosa indica que el carbono ha salido de la zona activa del plasma.

Proceso de crecimiento del diamante CVD

Cada ciclo de crecimiento produce un cristal de aproximadamente 5 mm de grosor. A continuación, el diamante se extrae y se limpia de la capa policristalina formada durante el crecimiento, y se elimina el material acumulado en la cámara. Con el tiempo, los policristales pueden distorsionar el campo de plasma y reducir la calidad. El diamante limpio se vuelve a cargar y se repite el ciclo. Para cultivar piedras grandes suelen requerirse 2 – 3 ciclos.

Los cristales resultantes tienen forma cuadrada. Tras la limpieza con láser, se inspeccionan para detectar tensiones internas y se marcan las zonas más limpias para el corte.

La calidad del diamante depende de los parámetros del proceso y de la posición del sustrato respecto a la nube de plasma. Como la concentración de iones de carbono es máxima en el centro del plasma, los cristales formados en los bordes tienden a tener menor calidad en cuanto a color y pureza. Estos representan entre 15 y 20 % de la producción y pueden ser descartados, vendidos como material de menor categoría o sometidos a tratamientos de mejora.

Mejora de diamantes CVD

Para mejorar el color, se utiliza el recocido HPHT: el diamante se calienta a 1000 °C bajo una presión de 1000 atmósferas. Este tratamiento, denominado mejoramiento, se aplica tanto a diamantes sintéticos como naturales, y puede mejorar significativamente su apariencia y valor comercial [4].

El método CVD representa una técnica altamente avanzada y respetuosa con el medio ambiente de síntesis de diamantes, que permite un control preciso de los parámetros de crecimiento y la obtención de cristales de alta calidad. Gracias a su flexibilidad y escalabilidad, el CVD se ha convertido en uno de los principales métodos de producción tanto de diamantes gemológicos como industriales.