CN101319359B - 单晶金刚石 - Google Patents

Abstract

提供了一种从在基本上没有表面缺陷的基质上通过化学气相淀积(CVD)生长的CVD金刚石生产大面积的单晶金刚石板的方法。横截在其上面进行金刚石生长的基质的表面地切开所述均相外延CVD生长的金刚石和所述基质，以生产大面积的单晶CVD金刚石板。

Description

单晶金刚石

本申请是发明名称为“单晶金刚石”，申请日为2003年9月19日，申请号为03822264.7(PCT/IB03/04057)的中国专利申请的分案申请。

发明背景

本发明涉及单晶金刚石。

金刚石提供了一系列的独特性能，包括透光性、热传导性、刚性、耐磨性及其电子性能。尽管金刚石的很多机械性能可以在不只一种类型的金刚石中实现，但其它性能对所使用的金刚石的类型非常敏感。例如，为了获得最好的电子性能，CVD单晶金刚石是重要的，通常优于多晶CVD金刚石、HPHT金刚石和天然金刚石。

在很多金刚石应用中，可以得到的金刚石的有限的横向尺寸是一种重大的限制。对于多晶结构适宜的应用来说，多晶CVD金刚石层状物基本上解决了这个问题，但在很多的应用中多晶金刚石是不合适的。

尽管天然和HPHT金刚石可能不适合于某些应用，但它们被用作在其上生长CVD金刚石的基质。虽然基质可以具有多种的晶体学取向，但可被生产用于高品质CVD金刚石生长的最大和最适宜的基质取向通常是(001)。在本说明书中，假设z方向是垂直于基质表面和平行于生长方向的方向，来记载基于轴x、y、z定义平面的Miller指数{hk1}。因此，轴x、y是在基质平面之内，并通常因对称性而是等价的，但因为生长方向而不同于z。

大的天然单晶金刚石极为稀有和昂贵，并且因为在其制备和使用中有关的非常高的经济风险，还没有见到适宜于CVD金刚石生长的大的天然金刚石基质板。天然金刚石经常是有应变的和有缺陷的，在较大的基质板中尤其如此，并且这在CVD附晶生长中会造成孪晶和其它问题，或在合成期间造成断裂。此外，在天然金刚石基质中普遍存在的位错在CVD层中被复制，也降低其电子性能。

HPHT合成金刚石在尺寸上也有限，通常在较大的宝石中质量较差，以夹杂物为主要问题。从合成金刚石制造的较大的板常表现出缺角，以至于存在与{100}不同的边缘小平面(例如{110})，或它们会包含杂物或有应变。在合成过程中，形成了其它的小平面如{111}，它位于(001)顶面和{110}侧面之间(见附图的图1)。最近几年中，很大的努力投向了用于例如单色光镜之类的应用的高品质HPHT金刚石的合成，并且据报道已取得了一些进展，但适合用作基质的HPHT板的尺寸仍然有限。

在厚层的CVD合成中，通常知道特别是{111}面会形成孪晶，在合成过程中限制完美的单晶生长的面积，并经常导致劣化和甚至断裂，并由于生长温度导致的热应力而进一步恶化。在{111}上的孪晶作用尤其干扰最大板的尺寸的增加，该最大板可以由(001)主面来制造，并以{100}侧面为边界。

当以{100}边为边界时，通常可以得到的(001)基质可高达约7mm²，并且当以{100}和{110}边为边界时，主面宽度可高达约8.5mm。

金刚石的CVD均相外延合成包括在已有的金刚石板上外延生长CVD，并且文献中对该方法有详细描述。这当然仍受已有的金刚石板的可获得性的限制。为了得到更大的面积，注意力还集中到横向生长，以增加附晶生长的板的总面积。EP0879904中描述了这种方法。

均相外延生长的一种替代方案是异相外延生长，其中利用外延方法在非金刚石基质上面生长。然而，在所有已报道的案例中，这种方法的产品与均相外延生长的产品明显不同，其在高度取向但没有精确取向的区域之间有低角度的边界。这些边界严重地劣化金刚石的性能。

为扩大CVD板的面积的均相外延金刚石生长存在很多困难。

如果可以在金刚石板上实现理想的均相外延生长，那么该可以实现的生长基本上可由附图的图1和2来图示说明。所图示的生长形态假设不存在竞争的多晶金刚石生长。然而实际上，通常存在来自多晶生长，即从金刚石基质板固定在其上面的表面开始的生长的竞争。这点由附图的图3来说明。

参考图3，所提供的金刚石基质板10被固定在表面12上。用于表面12的材料实例包括钼、钨、硅和碳化硅。在CVD金刚石生长过程中，单晶金刚石生长将发生在(001)面14上和侧面上，侧面16中的两个被显示。所述的侧面16为{010}面。生长还会发生在所述板的角和顶点18上，并由此向外延伸。所有的这种生长将是均相外延的单晶生长。在每个存在于基质上的面上的和在生长过程中产生的任何新表面上的生长构成生长区。例如，在图3中，金刚石生长24源自{101}平面，因此是{101}生长区。

与均相外延单晶生长相竞争的将是在表面12上发生的多晶金刚石生长20。取决于在表面14上所生产的单晶金刚石层的厚度，多晶金刚石生长20可能如图3中所示，沿线22与均相外延单晶金刚石生长很好地接触。

基于图2，人们可能会期望在基质侧面上的纯侧向生长可以被用来制造包括原始基质材料的更大的基质。然而，如从图3中可清楚看出的那样，这样的板实际上含有竞争的多晶生长物。平行于原始基质制造的，但在生长层上更高的板很可能包含孪晶，特别是来自{111}生长区的材料。

在其中多晶金刚石不与单晶金刚石竞争的生长条件下，仍然可能存在着由于金刚石基质边缘存在的不同几何形状和加工条件造成的侧向单晶生长质量通常较差的问题，该问题会因为用来抑制多晶生长的方法而恶化。

在用于CVD金刚石生长的基质中的缺陷复制进入在其上生长的层中。显然，因为所述方法是均相外延的，所以例如孪晶之类的区域在新的生长中被延续。此外，例如位错之类的结构被延续，因为由于其基本性质，线位错不能简单地自我终止，而两个相反的位错湮灭的概率很小。每次当生长过程开始时，将形成其它位错，主要在表面上的不均匀性上，它可以是刻蚀凹陷、尘土颗粒、生长区边界等。因此位错在单晶CVD金刚石基质中是一个特别的问题，并且在其中来自一个过程的附晶被用作下一个生长的基质的一系列生长中，位错密度往往会显著增加。

发明概述

根据本发明，一种生产单晶金刚石板的方法包括如下步骤：提供具有基本上没有表面缺陷的表面的金刚石基质，通过化学气相淀积(CVD)在所述表面上均相外延地生长金刚石，和典型地垂直(即以90°或接近90°)横截在其上面进行金刚石生长的基质的表面地切开所述均相外延CVD生长的金刚石和所述基质，以生产单晶CVD金刚石板。

在所述基质的表面上的均相外延CVD金刚石生长优选按照WO01/96634中所描述的方法进行。特别地，使用这种方法，可以在基质上生长厚的高纯度单晶金刚石。可以实现大于10mm，优选大于12mm，更优选大于15mm的均相外延生长的CVD金刚石的生长厚度。这样，通过本发明的方法，可以生产至少一个线性尺寸超过10mm，优选超过12mm，更优选大于15mm的单晶CVD金刚石板。“线性尺寸”是指在主表面上或临近主表面的两个点之间得到的任何线性测量的尺寸。例如，这种线性尺寸可以是基质的边的长度、从一边或边上的一个点到另一边或所述边上另一个点的测量的尺寸、轴或其它相似的测量的尺寸。

特别地，通过本发明的方法可以生产矩形的(001)单晶金刚石板，该金刚石板以{100}侧面为边界，或者以诸如线性<100>边尺寸之类的至少一个线性尺寸超过10mm，优选超过12mm，更优选超过15mm的面为边界。

然后，通过本方法生产的单晶CVD金刚石板本身可用作本发明方法中的基质。厚的单晶CVD金刚石可在所述板的主表面上均相外延地生长。

根据另一个方面，本发明提供了主表面的相对边以{100}侧面为边界的(001)单晶CVD金刚石板，即其中主表面为{001}面，每个主表面有至少一个超过10mm的线性尺寸的板。在本发明的一种形式中，所述板为矩形、正方形、平行四边形等形状，其至少一个侧面，优选两个侧面都具有超过10mm，优选超过12mm，更优选超过15mm的尺寸。最优选的是，这些侧面是{100}表面或面，使得所述板的超过10mm的边尺寸(或多个边尺寸)是在<100>方向。还有，本发明的方法提供了较大的金刚石板或金刚石块，从该金刚石板或金刚石块可以制造由{100}侧面和{001}主面限定的这种板。

在于金刚石基质表面上进行的均相外延金刚石生长中，在该表面中的，或在与基质的界面上产生的，或源自基质的边的任何位错或缺陷通常在金刚石生长物中垂直传播。这样，如果基本上垂直于在其上面进行金刚石生长的表面进行切割，那么，切割的表面在横跨所述表面的材料内将基本上没有位错，因为位错通常平行于该表面扩展。这样，通过使用这种新的板作为基质重复本方法，可以实现在材料体中位错密度的降低，并且通过切割所述被垂直于所述基质切割的任何板的主表面，可以实现位错密度的进一步降低。此外，存在着得益于其中存在的位错通常平行于主面而不是通常垂直于主面扩展的板的应用。

通常，最高品质的CVD生长物是包含在垂直的(001)生长区内的生长物。而且，因为基质的边可能形成位错，并且这些位错通常垂直向上扩展，那么最高品质的CVD生长物体积是由从基质边向上升起的垂直平面所限定的体积。本发明的方法使得能够完全地从此体积内制造一个或多个新的大面积的板，由此使板内的缺陷最少和使其晶体质量最佳。

组合本发明的各种特征，可以生产具有比原始基质材料更低的位错密度的金刚石，该位错密度的低限仅由重复本方法的次数确定。特别地，本发明的大面积的板和随后在其上面合成的任何层状物，典型地在垂直于生长方向的表面(这种表面通常在CVD金刚石中表现出最高的位错密度)内，可以具有小于50/mm²，优选小于20/mm²，更优选小于10/mm²，更更优选小于5/mm²的位错密度。在使用暴露缺陷的优化的等离子或化学蚀刻(称为暴露等离子体蚀刻)，例如使用WO01/96634中所描述类型的短等离子体蚀刻之后，通过光学评价可最容易地表征缺陷密度。此外，对于其中在所述板的主面内的位错密度是主要关心的问题的应用，通过本发明方法制造的板可以在其主面上显示出小于50/mm²，优选小于20/mm²，更优选小于10/mm²，更更优选小于5/mm²的位错密度。

在所述基质为天然基质或HPHT合成基质时，对于垂直切割的板来说，包括来自原始基质的材料通常不是有利的，虽然可以这样做。当所述基质本身是可以通过本方法制备的CVD金刚石板时，在此板中包括来自基质的材料可能是有利的。

附图简述

图1为在其上面进行了理想的均相外延金刚石生长的金刚石板的示意性透视图；

图2为沿图1的线2-2的断面图；

图3为通过一个金刚石板的断面图，举例说明了单晶金刚石生长和多晶金刚石生长；

图4为通过一个金刚石板的断面图，在所述金刚石板上按照本发明一个实施方案进行了均相外延金刚石生长；

图5为一个金刚石板的示意图，显示了位错方向相对于金刚石板主表面的角度α；和

图6为一个金刚石板的示意图，显示了位错方向相对于金刚石板的主表面的法线的角度β。

实施方案的描述

现将参考附图来描述本发明的实施方案。参考图4，提供了金刚石板30。所述的金刚石板30为单晶金刚石板。上面的面32为(001)面，侧面34为{010}面。表面32基本上没有表面缺陷，特别地，它基本上不含如WO01/96634中所描述的晶体缺陷。

按照WO01/96634中所描述的方法，在金刚石基质30上进行金刚石生长36。这种金刚石生长垂直发生在上表面32上，由基质30的角38向外和由侧面34向外。这种金刚石生长通常是均相外延的、单晶的和高品质的，虽然如前所述可能在{111}上存在位错和孪晶。

不可避免地，在其上放置了基质的表面上将发生某些多晶金刚石生长。取决于金刚石生长区36的厚度，这种多晶金刚石生长可能接触到这个区域的下表面40。

一旦已进行了需要的厚度的金刚石生长36，如虚线44所图示的，垂直于表面32(大约90°)切割金刚石生长区域36和基质30。这样生产出高品质的单晶金刚石板46。从实际的目的来看，原始基质和金刚石生长物之间的界面与样品的整体是不可区分的。原始的基质材料可以形成板46的一部分，或者可以被从板46除掉。可以生产一个以上的板，每个板与下一个板平行，并垂直于所述基质。

使用WO01/96634中的方法，可以生产深度超过10mm的金刚石生长区域36。这样，所生产的金刚石板46将具有长度超过10mm的侧面48。

板46可被用作用于本发明方法的基质。这样，如果板46具有长度大于10mm的侧面48，并且在所述板的主表面50上生产厚度超过10mm的金刚石生长物，就可以生产正方形、矩形或类似形状的板，所述板的所有四个侧面的长度都超过10mm。

图4中的切割被显示垂直于表面32进行。切割可以以不垂直于面32的角度进行，平行于基质的板除外。在基质具有(001)主面时，以不垂直于所述基质的角度切割所生产的板将具有不同于{100}的主面，例如{110}、{113}、{111}，或更高序列的平面。

还有，可以沿与图4的切割面44成直角的平面进行切割，这样也可形成具有{100}主面的板，或以相对于切割面44的任何其它角度进行切割，这样将形成具有{hk0}类型的主面的板。为了实现单晶金刚石板，对在边缘的多晶或缺陷生长物的一些修裁可能是必要的。

本领域的技术人员将认识到，常规的方法不需受限于具有(001)主面的基质，而是可以等同地适用于具有例如{110}、{113}或甚至{111}主面的其它基质，但一般来说，优选的方法是使用具有(001)主面的基质，因为最高品质的CVD金刚石生长物可以最容易地生长在此面上，并且在这种面上生长的CVD所形成的小平面的布置通常最适于从所生长的材料切割的大板的生产。

为此，在具有(001)主面的基质板中，关键尺寸是仅由{100}侧面所限定的、可制造的最大矩形板。在此板上的生长可相对容易地生产由{110}侧面或由旋转45°的面所限定的板，如图1中所示，因为这有限地或没有利用来自{111}生长区的材料。这种新的由{110}侧面所限定的板的面积至少为由{100}所限定的板的面积的两倍，但原来的由{100}所限定的板通常仍然是可从它制造的最大的内切(inscribed){100}限定的板。因此，在本说明书中提到具有(001)主面的单晶金刚石板的尺寸时，通常明确地指由{100}边所限定的最大面积的内切矩形板的尺寸，如果该板已经没有{100}边的话。

本发明方法的应用使得可以制造以前不可能制造的产品。例如，其中由于通光孔径(clearaperture)、支撑、机械完整性、真空完整性等原因，不能够以小窗子装配来实现的大面积的窗，现在可以实现。高压设备也成为可能，其中大的面积提供了对所述设备的活性区周围的电弧的防护。本发明的低位错密度的材料还使得诸如其中位错起载流子捕集物或电子短路作用的电子设备之类的应用得以实现。

CVD金刚石层的生长方向一般可以通过其中的位错结构来确定。有一系列可能存在的结构：

1)最简单的情况是，其中位错全部基本平行并按照生长的方向生长，使得生长方向清晰明了。

2)另一种常见的情况是，其中位错在生长方向周围缓慢地展开，通常表现为在生长方向周围对称的某种形式，并且在该轴两侧的角度典型地小于20°，更典型地小于15°，更更典型地小于10°，最典型地小于5°。又一次地，从CVD金刚石层的小面积，可容易地通过位错来确定生长方向。

3)有时，生长面本身不与该局部的生长方向成直角，而是偏离此某一小的角度。在这种情况下，位错可偏向与其中发现位错的生长区的基质表面垂直的方向。特别是在接近边缘的地方，生长方向可以显著偏离所述层状物的本体，例如在{101}边与具有{001}主生长面的基质成斜角。在这两种情况下，查看整个基质，从位错结构可以清楚看出总的生长方向，但同样清楚的是，所述材料从多于一个的生长区形成。在其中位错方向是重要的的应用中，通常希望使用仅来自一个生长区的材料。

在本说明书中，位错的方向是基于以上模型的位错分布分析显示是层状物的生长方向的方向。典型地和优选地，在特定生长区内的位错方向，将是使用向量平均的位错的平均方向，并且其中至少70％，更典型80％，更更典型90％的位错位于在平均方向的20°内，更优选15°内，还是更优选10°内，和最优选5°内的方向中。

位错的方向可以通过例如X-射线拓扑图来确定。这种方法不需要分辨各个位错，但可以分辨位错束，通常强度部分地与束中位错的数目成比例。简单或优选地，然后可以从沿位错方向的平面的横截面绘制的拓扑图得到强度加权的向量平均，其中垂直于那个方向所取得的拓扑图是独特的，因为具有点图案而不是线图案。在板的原始生长方向已知的情况下，那么这是一个明智的起点，从它可以确定位错的方向。

在根据以上方法确定了位错方向后，其取向可以相对于单晶CVD金刚石板的主面进行分类。参考图5，金刚石板60有相对的主表面62和64。如果位错方向66与板60的至少一个主面62、64的平面68、70成小于30°，优选小于20°，还是更优选小于10°，最优选小于5°的角度α，通常由线66所指示的位错方向被认为通常平行于金刚石板60的主面62、64取向。这种位错取向典型地是在单晶CVD金刚石板被基本上垂直于在其上进行生长的基质切割时实现的，特别是当单晶CVD金刚石板是从包含在垂直的(001)生长区内的最高品质的CVD生长物上切割得到的时实现的。

受益于位错方向通常平行于主面的应用包括光学应用，其中与当相同的位错分布基本上垂直于主表面时的结果相比，对沿通过所述板的光束观察到的折光指数变化的影响将显著减少传播。这样的应用受益于可以生产横向尺寸都超过2mm，更优选3mm，还是更优选4mm，更更优选5mm和又更优越选7mm的板，如现在通过本发明的方法使得成为可能的那样。

受益于选择通常平行于板的主面的位错方向的其它应用是使用高电压的应用，其中位错可能在施加电压的方向上导致短路。

另一种应用是激光窗口(laser window)的应用，其中平行于位错传播的光束的影响可能提高局部电场并导致故障。这可以通过使位错方向偏离光束方向来控制，或者优选地通过将位错方向设定为平行于激光窗口的主表面，由此使它与入射激光束成直角来控制。由此，通过实施本发明的方法可以实现最大的激光损害阈值。

对位错方向分类的另一种方法是其相对于所述板的主面的法线的取向。参考图6，金刚石板80具有相对的主表面82和84。如果由以上方法所确定的位错方向86与法线88之间的角β超过20°，更优选超过30°，还是更优选超过40°，最优选超过50°，那么位错方向86就被认为是偏离所述板的至少一个主表面82、84的法线88。这种位错取向典型地是在以与其上进行生长的基质表面呈某一角度切割单晶CVD金刚石板时实现的。或者，在所述板被基本上垂直于在其上面进行生长的基质切割，但是是在生长面本身不平行于最初的基质表面的区域中，例如在(001)基质上生长的层的{101}生长区中的情况下，可能出现这种位错取向。

通过确保位错方向仅仅偏离所述板的至少一个主面的法线，在某些应用中可以实现明显的益处。在将金刚石应用于标准器的应用中有这样的要求。

通过以下的非限制性的实施例，可进一步理解本发明。

实施例1

按照WO01/96633中所描述的方法，制备用于CVD金刚石生长的两个{001}合成金刚石基质。然后在这些金刚石基质的上面生长层状物至6.7mm的厚度。表征所述层状物的位错方向，结果发现，通过X射线拓扑图可见的位错的90％以上都在生长方向的20°以内，并且所述位错的80％以上在生长方向的10°以内。

从这些层状物的每一个切出一块板，使每块板的主面具有＞6×5mm的尺寸，且生长方向在所述主面的平面中。

然后，将一块板用于第二阶段的CVD金刚石生长，按照WO01/96633中的方法制备它，由此生产了第二个层状物，其厚度超过4mm，适于制备4×4mm的切割板，以在主表面内包括生长方向。然后，通过产生小平面和使用暴露等离子体蚀刻的方法，来表征所述层状物在生长方向中的位错密度，结果发现位错密度非常低，在10/mm²的区域内。这使得该材料尤其适宜于标准器的应用。

实施例2

在光学应用中，一个关键参数是诸如双折射和折光指数之类的性能值的均匀性和跨距。这些性能受在位错束周围的应变场的影响。

按照WO01/96633中描述的方法制备用于CVD金刚石生长的两个{001}合成金刚石基质。然后在该金刚石上面生长层状物至4mm的厚度。表征所述层状物的位错方向，结果发现，平均位错方向在生长方向的15°以内。从这些层状物中切割出两块板，使所述板的主面具有＞4×4mm的尺寸，且生长方向在所述主面的平面内。

随后，将这些层状物用作第二次生长过程中的基质。X射线拓扑图显示，所得到的生长物(至3.5mm的厚度)具有非常低的位错含量，并且在新的附晶生长物中的位错垂直于用作基质的原始CVD层状物中的那些位错。在此第二次生长后，该样品可被用于要求非常低的散射和双折射的光学应用中。

实施例3

按照WO01/96633中描述的方法制备用于CVD金刚石生长的一个合成金刚石基质。然后在该金刚石上面生长层状物至7.4mm的厚度。合成的条件使该层状物掺杂硼至在固体中测量的硼浓度为7×10¹⁶[硼]原子/cm³。表征所述层状物的位错方向，发现平均位错方向在生长方向的25°以内。从该层状物中切割出两块板，使所述板的主面具有＞4×4mm的尺寸，且生长方向在所述主面的平面内。

由于在主表面内的低的位错密度以及掺杂硼，这些板具有特殊用途，可作为用于电子设备如金刚石金属半导体场效应晶体管(MESFET)的基质。

实施例4

用WO01/96633中所描述的方法制备一块6×6mm的合成基质lb。然后分阶段在此基质上进行生长，典型地在每个阶段中增加约3mm的生长物。在每个阶段结束后，所述的层被保留在在它周围生长的多晶金刚石层状物中，用激光修剪方法将这种多晶层状物修剪为直径约25mm的盘，然后将这种盘固定在凹进去的钨或其它金属盘中，使其中单晶暴露在多晶金刚石层状物以上的点与钨盘的上表面基本上水平(在0.3mm以内)。

使用以上的技术，可以生长最终厚度在10-18mm范围的层状物，从该层状物可以垂直切割具有{100}边的板。生产的板在所述板的平面中具有10-16mm的第一<100>尺寸，和3-8mm的第二正交尺寸。

然后，还是采用以上的技术，将这些板制备成基质，并用于第二阶段的生长，以生产10-18mm厚的层状物。从这些层状物可以垂直地切割出这样的板，其在主面内的<100>第二尺寸大于10-18mm，并且第一<100>尺寸保持在10-18mm的范围内。例如，生产出按正交的<100>方向测量的尺寸大于15mm×12mm的板。

Claims (10)

1.一种单晶化学气相淀积金刚石板，其具有相对的两个主表面，并具有在生长过程中产生的位错，其中所述位错的平均方向相对于至少一个主表面的角度小于30°。

2.权利要求1的金刚石板，其中所述位错的平均方向相对于至少一个主表面的角度小于20°。

3.权利要求2的金刚石板，其中所述位错的平均方向相对于至少一个主表面的角度小于10°。

4.权利要求3的金刚石板，其中所述位错的平均方向相对于至少一个主表面的角度小于5°。

5.权利要求1至4中任何一项的金刚石板，其中每个主表面具有超过2mm的第一线性尺寸，该第一线性尺寸的方向相应于平均位错方向。

6.权利要求5的金刚石板，其中所述的第一线性尺寸超过3mm。

7.权利要求6的金刚石板，其中所述的第一线性尺寸超过4mm。

8.权利要求7的金刚石板，其中所述的第一线性尺寸超过5mm。

9.权利要求8的金刚石板，其中所述的第一线性尺寸超过7mm。

10.权利要求5的金刚石板，其中每个主表面的、与第一线性尺寸正交的第二线性尺寸等于或大于所述的第一线性尺寸。

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