CN104160061B

CN104160061B - 大面积光学质量合成多晶金刚石窗户

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Publication number: CN104160061B
Application number: CN201280068522.4A
Authority: CN
Inventors: P·N·英格利斯; J·R·布莱顿; J·M·多德森; T·P·莫拉特
Original assignee: Element Six Technologies Ltd
Current assignee: Element Six Technologies Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: US20140349068A1; JP2021001115A; JP2018158887A; EP2791386B1; CN104160061A; EP2791386A1; WO2013087797A8; JP2016183100A; WO2013087797A1; US9720133B2

Abstract

本发明涉及一种多晶化学气相沉积的(CVD)金刚石晶圆，其包括：最大线性尺寸等于或大于70mm；厚度等于或大于1.3mm；以及在室温(标称的298K)下测量的、多晶CVD金刚石晶圆的至少中心区域上的以下特征中的一个或两个：在10.6μm下吸收系数≤0.2cm^‑1；和在145GHz下介电损失系数为tanδ≤2×10^‑4，所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶圆的中心点为中心，并且具有的直径为多晶CVD金刚石晶圆的最大线性尺寸的至少70％。

Description

大面积光学质量合成多晶金刚石窗户

技术领域

本发明涉及利用化学气相沉积(CVD)技术进行的光学质量合成多晶金刚石窗户的制造。

背景技术

用于金刚石材料合成的化学气相沉积(CVD)工艺现在是本领域中众所周知的。与金刚石材料的化学气相沉积相关的有用背景信息可见于物理期刊的特刊：CondensedMatter，Vol.21，No.36(2009)，其专注于金刚石相关的技术。例如，R.S Balmer等人的评论文章给出了CVD金刚石材料、技术和应用的综述(参见“Chemical vapour depositionsynthetic diamond:materials,technology and applications (化学气相沉积合成金刚石：材料、技术和应用)”J.Phys.：Condensed Matter，Vol.21，No.36(2009)364221)。

在金刚石与石墨相比是亚稳态的区域中，在CVD条件下的金刚石合成是由表面动力学而不是批量热力学推动的。通过CVD进行的金刚石合成通常利用小部分的碳(通常为<5％)来执行，通常为甲烷的形式，但是在分子氢过量的情况下也可以采用其它含碳气体。如果分子氢被加热到超过2000K的温度，那么会显著地解离为原子氢。在存在合适的基质材料的情况下，可以沉积合成金刚石材料。

原子氢对于该过程而言是必要的，原因是其从基质选择性地腐蚀掉非金刚石碳，从而能够发生金刚石生长。多种方法可以用来加热含碳气体种类和分子氢，以便生成CVD金刚石生长所需的反应性含碳自由基和原子氢，这些方法包括电弧加热等离子体射流、热丝、DC弧、氧-乙炔火焰和微波等离子体。

涉及电极(例如DC弧等离子体)的方法可能由于电极腐蚀以及材料结合到金刚石中而具有缺陷。燃烧方法避免了电极腐蚀的问题，但是依赖于较昂贵的进给气体，该进给气体必须被净化到与高质量金刚石生长相符的水平。另外，即使在燃烧氧-乙炔混合物时，火焰的温度也不足以实现在气体流中原子氢占大部分，并且这些方法依赖于将气体熔剂集中在局部区域中以实现合理的生长速率。也许，燃烧没有广泛用于批量金刚石生长的原理原因在于能够提取的kWh能量方面的成本。与电力相比，高纯度的乙炔和氧产生热的方式是昂贵的。热丝反应器虽然表面上看起来较为简单，但是其具有的缺陷是受限于在较低气体压力下使用，该较低气体压力是确保将有限量的原子氢较为有效地传递到生长表面所要求的。

鉴于以上情况下，已经发现的是，在功率效率、生长速率、生长区域以及能够获得的产品纯度的组合方面，微波等离子体是驱动CVD金刚石沉积的最有效的方法。

微波等离子体活化的CVD金刚石合成系统通常包括与气体供应源和微波电源两者联接的等离子体反应器容器。等离子体反应器容器被构造成用以形成支持驻波微波的谐振腔体。包括碳源和分子氢的气源气体被进给到等离子体反应器容器中，并且能够通过驻波微波而活化，以便在高电场区域中形成等离子体。如果紧邻等离子体设有合适的基质，那么反应性含碳自由基可以从等离子体扩散到基质并且沉积在该基质上。原子氢还可以从等离子体扩散到基质，并且从该基质选择性地腐蚀掉非金刚石碳，从而可以出现金刚石生长。

采用CVD工艺的用于合成金刚石薄膜生长的微波等离子体反应器的可能的范围在本领域中是已知的。这样的反应器具有多种不同的设计。共同的特征包括：等离子体腔室；设置在等离子体腔室中的基质保持器；用于形成等离子体的微波发生器；用于将微波从微波发生器进给到等离子体腔室中的耦合构造；气体流动系统，其用于将过程气体进给到等离子体腔室中以及将过程气体从等离子体腔室去除；以及温度控制系统，其用于控制基质保持器上的基质的温度。

Silva等人的概述各种可能的反应器设计的有用综述文章可见于之前提到的物理期刊(参见“microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamonddeposition(用于金刚石沉积的等离子体辅助CVD反应器的微波工程设计)”J.Phys.：Condens.Matter，Vol.21，No.36(2009)364202)。参考专利文献，US6645343(Fraunhofer)公开了微波等离子体反应器的例子，该反应器被构造成用于经由化学气相沉积工艺而进行金刚石薄膜生长。本文所述的反应器包括圆柱形等离子体腔室，其基部上安装有基质保持器。冷却装置设置在基质保持器下方，以用于控制基质保持器上的基质的温度。此外，在等离子体腔室的基部中设置有气体入口和气体出口，以用于供应和去除过程气体。微波发生器经由高频同轴线联接到等离子体腔室，高高频同轴线在其递送端部处在等离子体腔室上方进行细分，并且在等离子体腔室的周边处引导到大致环形的微波窗户，该微波窗口为安装在等离子体腔室的侧壁中的石英环的形式。

使用诸如现有技术中公开的那些微波等离子体反应器，能够通过在合适的基质上的化学气相沉积使多晶金刚石晶圆生长，该合适的基质为例如硅晶圆或形成耐火金属盘的碳化物。这样的多晶CVD金刚石晶圆在其生长形式中通常是不透明的，但是可以通过打磨晶圆的相对表面而制成是透明的，以便产生用于光学应用的透明多晶金刚石窗户。

金刚石材料用作光学部件，原因是其具有从紫外线到红外线的宽光学透明度。金刚石材料相对于其它可能的窗户材料具有的额外优点在于，其机械强度高、是惰性的并且是生物相容的。例如，金刚石材料的惰性使其对于在反应性化学环境中使用而言是优良的选择，其它光学窗户材料将不适合于该反应性化学环境。另外，金刚石材料具有非常高的导热性和低热膨胀系数。这样，金刚石材料在部件将被加热的高能量束应用中用作光学部件。金刚石材料将热快速地导出，以冷却发生加热的区域，从而防止热累积在特定地点，例如在高能量束穿过材料的地方。就材料被加热而言，金刚石材料的低热膨胀系数确保部件不会严重变形，该严重变形在使用中可能导致光学和/或机械问题。

制造多晶CVD金刚石光学部件的一个问题在于，在CVD生长过程期间，诸如氮、硅和非金刚石碳的瑕疵和/或杂质结合到金刚石材料中，如下所述。

大气氮在源过程气体中通常作为杂质出现，并且还可以例如由于不完美真空密封和/或(在使用期间可能被释放的)被吸收到CVD反应器的内表面上的残余瑕疵和/或杂质而作为残余杂质出现在CVD反应器部件中。此外，在合成金刚石生长过程期间，氮气通常有意地引入到CVD合成大气中，原因在于已知的是氮增大合成金刚石材料的生长速率。虽然氮对于获得商业上有用的生长速率而言是有利的，但是氮结合到合成金刚石材料中可能不利地影响材料的光学和热性能特性。因此，在CVD合成大气中提供足够的氮以获得可接受的生长速率而同时限制结合到生长的固体CVD金刚石材料中的氮的量，这之间的平衡可能受到冲击。设备和工艺条件可能影响CVD合成大气中的氮结合到生长的固体CVD金刚石材料中的速率。

硅瑕疵和/或杂质可能来自CVD反应器中的硅基部件。例如，石英窗户或钟形罩通常用来将微波耦合到等离子体腔室中，和/或约束基质生长表面附近的等离子体和过程气体以实现CVD金刚石生长。这样的含硅石英部件在使用中暴露于来自等离子体的极端温度，并且这可能导致来自这些部件中的硅被结合到合成金刚石材料中。设备和工艺条件可能影响硅结合到生长的固体CVD金刚石材料中的速率。

在CVD金刚石生长过程期间，非金刚石碳(例如sp2混合石墨碳)不可避免地沉积在基质的生长表面上。如上所述，原子氢对于CVD金刚石生长过程而言是必要的，原因是其从基质选择性地腐蚀掉非金刚石碳，从而能够发生金刚石生长。然而，这种选择性的腐蚀过程通常并不去除所有沉积的非金刚石碳，因此这样的材料变得结合到CVD金刚石材料中而形成瑕疵。设备和工艺条件可能影响非金刚石碳结合到生长的固体CVD金刚石材料中的速率。

鉴于以上情况，显然，设备构造和过程条件必须仔细地选择和控制，以确保对于高性能光学部件而言，在CVD生长期间结合到合成金刚石材料中的瑕疵和/或杂质的水平极小。

除了绝对杂质水平的控制之外，还关键的是要确保杂质摄取的均匀度得到控制，以获得具有一致性能特性的产品。均匀度在整个生长表面上的杂质摄取率的空间变化以及在生长运行上的杂质摄取率的时间变化方向存在问题。例如，物理和/或化学过程参数在生长表面上的不均匀分布可能导致在整个合成多晶金刚石晶圆上的杂质摄取率的空间变化。此外，当合成多晶金刚石晶圆生长时，晶粒的尺寸增大，合成多晶金刚石晶圆内的晶粒之间的边界的尺寸也增大。当合成多晶金刚石晶圆生长得较厚时，晶粒的尺寸和晶粒边界的尺寸的增大导致放大的晶粒边界内的瑕疵和/或杂质摄取率增大，这可能导致瑕疵浓度增大和/或穿过合成多晶金刚石晶圆的厚度的瑕疵和/或杂质增多。

除了上述问题之外，在整个合成多晶金刚石晶圆上生长速率的变化可能导致杂质摄取的变化。例如，当生长速率增加时，在被封装到合成多晶金刚石晶圆中之前从生长表面腐蚀掉非金刚石碳所用的时间减少。此外，生长速率的变化还导致厚度的变化，这可能导致合成多晶金刚石晶圆在完成CVD生长过程之后进行冷却时产生应力和破裂。生长速率的变化可能是由于整个生长表面上等离子体的不均匀以及合成多晶金刚石晶圆在其上生长的基质的温度的不均匀所导致的。

尽管存在上述问题，但是迄今为止能够制造最多直径为大约100mm和厚度为1mm的高光学质量多晶金刚石晶圆。然而，较大和/或较厚的高光学质量多晶金刚石晶圆的生产已经被证明是有问题的。虽然能够已经制造较大和/或较厚的多晶金刚石晶圆，但是这些具有较低的光学质量，尤其是朝向晶圆的周边。这样的晶圆不满足某些商业应用的要求，这些商业应用要求具有极高光学质量的、较厚的、较大直径的合成多晶金刚石窗户。例如，某些非常高的照明激光束应用要求直径>70mm、厚度>1.3mm的通光孔口、光学等级的多晶金刚石激光窗户，其能够应对所涉及的极端功率密度。具有相关光学特性的多晶金刚石激光窗户可获得为较小的尺寸和厚度。然而，这些尺寸和厚度并没有高到足以用于某些应用。这样的多晶金刚石窗户还被要求用作抗辐射窗户。

本发明的某些实施例的目的在于提供一种合适的微波等离子体反应器构造和合适的CVD过程条件，以便制造厚的(例如至少1.3mm)、大的(例如直径为至少70mm)合成多晶金刚石窗户，其在基本上所有(例如横跨至少70％)窗户区域上具有极高光学质量。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供一种多晶化学气相沉积(CVD)的金刚石晶圆，其包括：

最大线性尺寸等于或大于70mm；

厚度等于或大于1.3mm；以及

在室温(标称的298K)下测量的、多晶CVD金刚石晶圆的至少中心区域上的以下特征中的一个或两个：

(1)在10.6μm下吸收系数≤0.2cm^-1；和

(2)在145GHz下介电损失系数为tanδ≤2×10^-4，

所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶圆的中心点为中心，并且具有的直径为多晶CVD金刚石晶圆的最大线性尺寸的至少70％。

优选地，多晶CVD金刚石晶圆至少在中心区域上还包括以下结构特征中的一个或多个：

(3)在拉伸情况下的多晶CVD金刚石晶圆的成核面的拉伸断裂强度：在厚度为200至500μm时≥760MPa×n；在厚度为500至750μm时≥700MPa×n；在厚度为750至1000μm时≥650MPa×n；在厚度为1000至1250μm时≥600MPa×n；在厚度为1250至1500μm时≥550MPa×n；在厚度为1500至1750μm时≥500MPa×n；在厚度为1750至2000μm时≥450MPa×n；或在厚度≥2000μm时≥400MPa×n，其中乘数n为1.0，1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，或2；

(4)在拉伸情况下的多晶CVD金刚石晶圆的生长面的拉伸断裂强度：在厚度为200至500μm时≥330MPa×n；在厚度为500至750μm时≥300MPa×n；在厚度为750至1000μm时≥275MPa×n；在厚度为1000至1250μm时≥250MPa×n；在厚度为1250至1500μm时≥225MPa×n；在厚度为1500至1750μm时≥200MPa×n；在厚度为1750至2000μm时≥175MPa×n；或在厚度≥2000μm时≥150MPa×n，其中乘数n为1.0，1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，或2；以及

(5)表面平整度≤5μm，≤4μm，≤3μm，≤2μm，≤1μm，≤0.5μm，≤0.2μm，或≤0.1μm。

优选地，多晶CVD金刚石晶圆至少在中心区域上还包括以下特征中的一个或多个：

(6)平均黑斑密度不大于1mm^-2，0.5mm^-2，或0.1mm^-2；

(7)黑斑分布使得在任何3mm²区域中具有不超过4，3，2，或1个黑斑；

(8)当在范围为2760cm^-1至3030cm^-1的修正的线性背景下测量时，每单位厚度的综合吸光度不超过0.20cm^-2，0.15cm^-2，0.10cm^-2，或0.05cm^-2；

(9)导热率不小于1900Wm^-1K^-1，2000Wm^-1K^-1，2100Wm^-1K^-1，或2200Wm^-1K^-1；

(10)对于厚度为0.7mm的样本，在10.6μm下，在前向半球中的总的综合散射不超过1％，0.5％，或0.1％，其中前表面和后表面被抛光到小于15nm的均方根粗糙度；以及

(11)次级离子质谱仪测量的硅浓度不超过10¹⁷cm^-3，5×10¹⁶cm^-3，10¹⁶cm^-3，5×10¹⁵cm^-3，或10¹⁵cm^-3。

各实施例可以包括前述优选特征的任何组合。然而，上述记载的十一个特征中，多晶CVD金刚石晶圆优选地包括所述特征中的两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或最优选地全部十一个特征。

本发明的某些实施例已经通过以下方式实现：(i)提供特定的微波等离子体反应器构造；(ii)将微波等离子体反应器构造进一步修改到极为精确的设计公差；以及(iii)提供合适的工艺条件，以用于操作微波等离子体反应器构造，从而实现具有极高光学质量的大合成多晶金刚石窗户的制造。

参考第(i)点，微波等离子体反应器被构造成用以通过等离子体腔室的顶板将过程气体(经由一个或多个气体入口喷嘴)和微波(经由环形介电窗户)两者朝向安装在等离子体腔室的基部中的适当地控制温度的基质耦合，使得过程气体和微波以旋转对称的方式耦合到等离子体腔室中，并且引向基质生长表面。这样的构造已经发现在以下方面是有用的，即允许高气体流量、高过程压力和高微波功率过程条件用于在高生长速率下利用适当地控制的氮浓度获得质量良好的合成金刚石生长。此外，与替代方案相比，围绕等离子体腔室的顶板的周边区域设置环形介电窗户可以减少硅在生长期间转移到合成金刚石材料中，这些替代方案为例如使用钟形罩，使用等离子体腔室的整个中心部分上的窗户跨距，或设置在等离子体腔室的侧壁中的环形介电窗户，所有这些都增加了介电窗户材料暴露于腔室内的等离子体区域。

参考第(ii)点，已经发现的是，即使采用这样的构造，也难以制造非常大面积(例如直径≥125mm)的、具有极高光学质量而没有破裂的合成多晶金刚石窗户。这个问题已经追溯到微波耦合构造、气体递送系统以及基质安装和温度控制系统中的相对于等离子体腔室的中心旋转对称轴线的非常微小的不对准。虽然微小的不对准自身不会显著地降低在较小区域上生长的合成金刚石材料的质量，但是已经发现的是，当在较大的区域(例如直径≥125mm)上制造合成金刚石材料时，即使各部件之间非常微小的不对准也可能不利地影响材料质量，尤其是在合成多晶金刚石晶圆的周边区域周围。这样，已经发现的是，各部件尤其是环形介电窗户，应当是旋转对称的，每个部件具有处于谐振腔体的中心旋转对称轴线的0.2mm内的旋转对称轴线。优选地，诸如基质保持器和一个或多个气体入口喷嘴的其它部件也应当精确地构造和对准。这种精确对准与过程气体和微波均沿轴向方向朝向基质生长表面而耦合到等离子体腔室中的前述构造的组合，允许在高程度旋转对称的情况下获得高气体流量和高微波功率条件，这已经发现对于实现具有极高光学质量的大面积的厚合成多晶金刚石窗户的制造而言是关键的。

参考第(iii)点，已经发现的是，即使采用前述精确地对准的微波等离子体反应器构造，围绕多晶金刚石晶圆的周边区域的多晶金刚石材料的质量也可能不满足极高的光学质量要求。具体地，已经发现的是，诸如非金刚石碳的杂质和/或瑕疵在较大面积的晶圆的周边区域处有所增加。这个问题在还生长到较大厚度时加重了，原因是当合成多晶金刚石晶圆生长时，晶粒边界的尺寸增大，并且这导致晶粒边界中的杂质摄取率增大。已经发现的是，通过增大压力、功率和氢气体流量，可以缓和这个问题。要考虑的是，在非常大的直径下，可用于从基质选择性地腐蚀掉非金刚石碳的原子氢的浓度较低，从而降低了非金刚石碳腐蚀的效率。据信，增加被引向生长表面的氢气体流量将更多的原子氢推到多晶金刚石晶圆的周边区域，从而增大非金刚石碳从生长表面腐蚀掉的速率，并且改进生长晶圆的周边区域中的材料的质量。增加功率和压力也有助于增大从等离子体到生长表面的原子氢通量。可供选择的或额外的方案是提供气体入口喷嘴阵列，该阵列具有指向基质的生长表面的多个气体入口喷嘴，并且设置在足够大的区域上，以确保在生长期间在多晶金刚石晶圆的周边区域中提供足够大的原子氢浓度。另一个可供选择的或额外的方案是降低多晶CVD金刚石晶圆的生长速率，以允许更多的时间用于将非金刚石碳从生长表面腐蚀掉。例如，通过在多晶CVD金刚石晶圆在基质上生长期间降低碳原子浓度和/或氮原子浓度，可以随着多晶CVD金刚石晶圆的厚度增大而降低生长速率。

通过组合反应器设计、工程公差控制和工艺设计中的各种改进，能够实现具有极高光学质量的大合成多晶金刚石窗户的制造。

附图说明

为了更好地理解本发明并且示出如何能够有效实施本发明，现在将参考附图，仅仅以举例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1示出了微波等离子体反应器，其被构造成用以制造大面积光学质量多晶CVD金刚石晶圆；

图2(a)、2(b)和3示出了用于将微波耦合到等离子体腔室中的微波耦合构造的各部件；

图4(a)至4(c)示出了用于改变微波等离子体反应器中的基质的高度的电场轮廓图；

图5(a)至5(c)示出了基质的生长表面如何相对于围绕基质的表面的平均高度进行计算；

图6(a)和6(b)示出了大面积光学质量多晶CVD金刚石晶圆；以及

图7示出了根据本发明实施例的从直径为140mm的母体晶圆提取出来的用于激光量热法测量的四个直径为20mm的测试样本。

具体实施方式

图1所示的微波等离子体反应器包括以下部件：等离子体腔室2；基质保持器4；基质5；微波发生器6；等离子体8，其在使用中生成为用于使具有成核面9’和生长面9”的多晶CVD金刚石晶圆9生长；微波耦合构造10；介电窗户12；气源气体容器系统14；一个或多个气体入口16；一个或多个气体出口18；间隔物线材或间隔物垫片20，其用以限定基质保持器4的支撑表面和基质5的后表面之间的气体间隙22；以及基质温度控制布置，其包括经由供应管道26与气体间隙22耦合的气体供应系统24和用于冷却基质保持器的冷却剂液体供应系统28。

微波等离子体反应器可以被认为包括三个子系统：(A)气体和微波递送系统，其被构造成通过等离子体腔室的顶板将过程气体和微波递送到等离子体腔室中；(B)等离子体腔室，其包括基部、顶板和侧壁，该侧壁从基部延伸到顶板，以限定用于支持微波谐振模式的谐振腔体，谐振腔体包括从基部延伸到顶板的中心旋转对称轴线S；以及(C)基质安装构造，其包括基质保持器和基质温度控制系统，该基质保持器设置在等离子体腔室的基部中，以提供用于支撑基质的支撑表面，在使用中多晶CVD金刚石晶圆能够在该基质上生长，该基质温度控制系统包括冷却剂递送系统，在使用中该冷却剂递送系统用于将液体和/或气体冷却剂供应到基质保持器，以控制基质保持器的整个支撑表面上的温度轮廓。

以下将更详细地描述每个子系统。

(A)气体和微波递送系统

微波耦合构造10包括同轴波导管，该同轴波导管被构造成用以将微波从矩形波导管进给到环形介电窗户12。同轴波导管包括内部导体和外部导体。环形介电窗户由诸如石英的微波可透过的材料制成，该材料在等离子体腔室的顶部部分上形成真空密封窗户。微波发生器6和微波耦合构造10被构造成用以生成合适波长的微波，并且将该微波感应地耦合到等离子体腔室中，以便在等离子体腔室中形成驻波，该驻波具有在使用中正好位于基质5上方的高能量波腹。

微波耦合构造10还包括波导板13。图2(a)、2(b)和3中更详细地示出了波导板13及其安装构造。波导板13包括设置在环形构造中的多个孔口32，每个孔口形成波导管，该波导管用于通过环形介电窗户12将微波从同轴波导管耦合到等离子体腔室中。波导板还可以包括在孔口之间延伸的多个通道34，这些通道适用于将冷却剂和/或过程气体从外部周边区域供应到内部轴向区域。

这种构造已经发现是有利的，原因是其允许微波功率经由环形介电窗户耦合到等离子体腔室中，同时还允许将冷却剂和/或过程气体提供到由波导管结构封闭的等离子体腔室的区域。

除了上述之外，波导板还可以被构造成用以支撑同轴波导管的中心导体。因此，虽然图1所示的中心导体是接地柱，但是在一个可供选择的布置中，中心导体可以形成为电气浮置柱，其不需要在矩形波导管的上部壁上从微波发生器接地。电气地浮置在波导管中的内部导体在许多方面中是更加简单且更加便利的将功率从矩形波导管传递到同轴波导管的方法。这具有失去接地点的缺陷，在该接地点处，诸如冷却水和过程气体的服务可以通过中心导体而被引入，如图1所示。然而，本发明的某些实施例提供经由波导板中的通道供应这样的服务的可供选择的途径。

此外，波导板可以被构造成用以将等离子体腔室的上部部分和下部分布耦合在一起，并且在不使用通过同轴波导管的中心导体的机械锚固点的情况下避免在使用中在环形介电窗户上出现大的压缩应力。另外，环形介电窗户可以包括两个相对的表面，微波穿过这两个表面而耦合到等离子体腔室中，并且在所述两个相对的表面上可以设置有密封件。这允许在等离子体腔室的上部部分和下部部分之间和在介电窗户处形成可靠的密封。

图3示出了微波等离子体反应器的一部分的横截面图，其示出了环形介电窗户12和波导板13可以如何安装在反应器中的例子。在图示的布置中，波导板13的外周边部分设置在同轴波导管38的外部导体36和等离子体腔室的侧壁40之间。环形介电窗户12的外周边部分设置在波导板13和等离子体腔室的侧壁40之间。环形介电窗户12的内部部分保持在波导板13的内部部分和另一个板42之间。波导板中的孔口32与环形介电窗户12对准，并且用于供应冷却剂和/或过程气体的通道34在孔口之间通到波导板13的内部部分中。环形介电窗户12可以利用弹性体O形环44安装到波导板。在这种布置中，该另一个板42可以附接到波导板13，其中介电窗户12的一部分经由弹性体O形环44而设置并保持在该另一个板和波导板之间。

上述波导板履行若干有益功能：

(i)其允许注入冷却剂和/或过程气体；

(ii)其支撑中心同轴导体；

(iii)其形成等离子体腔室的上部部分和下部部分之间的耦合件；

(iv)其将微波沿着朝向基质的轴向方向从同轴波导管进给到等离子体腔室中；以及

(v)其支撑环形介电窗户。

在图示实施例中，波导板中的多个孔口被构造成用以沿着与等离子体腔室的中心轴线平行的方向将微波耦合到等离子体腔室中。在这种布置中，波导板设置在与等离子体腔室的中心轴线垂直的平面中，并且形成等离子体腔室中的上部壁的一部分。已经发现的是，沿着与腔室的轴线平行的方向将微波耦合到等离子体腔室中是更加高效的，并且不再需要更加复杂的同轴进给构造。这样，即使用于冷却剂和/或过程气体的通道没有设置在波导板中，和/或没有提供浮置柱，根据本发明的波导板仍然有利地用于以高效且简单的方式将微波耦合到等离子体腔室中。

多个孔口优选地被构造成具有周期性的旋转对称。例如，如果设有n个孔口，那么孔口绕圆形对称地构造，具有n个折叠旋转对称。对称布置是优选的，以避免由于孔口的不对称而导致的等离子体腔室中的电场的不对称。

如上所述，环形介电窗户由介电材料的单个完整环形成。然而，在可供选择的布置中，环形介电窗户可以由多个分开的弧形区段形成，每个区段密封波导板的整个对应孔口。尤其对于制造极大面积多晶CVD金刚石晶圆而言，本发明的某些实施例的一个重要特征在于，环形介电窗户是旋转对称的，并且具有的旋转对称轴线处于谐振腔体的中心旋转对称轴线的0.2mm，0.15mm，0.10mm，或0.05mm内。

在一种构造中，在波导管的孔口之间延伸的一个或多个通道包括至少两个通道，这些通道被构造成用以将过程气体供应到一个或多个注入端口，所述注入端口布置成与基质保持器相背，以用于朝向基质保持器注入过程气体。这种构造允许在与微波耦合构造相同的腔室的端部处设置轴向气体流动布置。

波导板的中心部分可以支撑与基质保持器相背地设置的传导表面46。传导表面可以通过波导板而形成，或者可以由单独的金属本体形成，该金属本体连接到波导板的中心部分。一个或多个气体入口喷嘴16可以设置在传导表面中，以用于朝向基质保持器注入过程气体。在一种构造中，传导表面是弯曲的，并且朝向等离子体腔室的中心区域延伸。例如，传导表面可以形成锥形本体。这样的传导表面是有用的，原因是其能够有助于防止在等离子体腔室的上部区域中的等离子体形成。有效地，传导表面在使用中可以屏蔽高电场区域。也就是，传导表面可以定位成用以封闭高电场波腹区域，该高电场波腹区域将会存在于不包括朝向等离子体腔室的中心区域延伸的传导表面的对应腔室中。

波导板可以包括2，3，4，5，6，7个或更多个孔口。已经发现的是，改变开口的数量可以影响微波耦合到等离子体腔室中的效率。根据某些布置，波导板包括奇数个孔口，最优选地包括的孔口的数量为质数。例如，波导板可以包括3，5，或7个孔口。

每个孔口实际上等同于矩形波导管。三通孔口可以有助于使得孔口的长度最大化。从模式稳定性的观点看，四通和六通的可选方案均是有缺陷的。尽管具有若干孔口，但是功率可以主要以TM_0mn模式耦合到腔体中。在高阶模式(即TM_lmn(其中l不等于零))生成形式中可以看到的孔口的对称性具有效果。从而，所有三个孔口被同相激发的三通孔口将联接到TM_3mn系列的模式，而四通和六通孔口可能期望与更高阶的TM_8mn和TM_12mn模式耦合。然而，在实施过程中，四通和六通孔口倾向于寄生模式。从而，四通或六通孔口可以耦合到TM_2mn模式中。总体上，效果在于，四通和六通孔口可以在等离子体中产生不对称性，这导致等离子体偏离中心或者分为两路。三通孔口提供稳定的三通牵引效果，与其它构造出现的更严重的单通和双通中断模式相比，该牵引效果不是那么不期望的。利用基本上为金属本体的模式取消块来处理不稳定性，该金属本体对局部电场产生扰动，这用来取消该孔口产生的三通模式的电场扰动。这些金属块的位置可以按照经验来确定。通过将它们放置在高壁电流的区域(即H场高的位置)中，这些块可以用来中断不期望的模式。这样，在一种布置中，多个模式取消块设置在等离子体腔室的内壁上，例如在侧壁上或者在腔室的基部上，这些模式取消块被构造成用以补偿由多个孔口引起的电磁扰动。模式取消块间隔开，以便与孔口构造对称地相关。例如，模式取消块的数量可以等于设置在波导板中的孔口的数量，模式取消块定位成具有与孔口布置相对应的对称性。例如，如果三个孔口设置在波导板中，那么三个模式取消块可以围绕等离子体腔室的壁安装在等离子体腔室的下部部分中，并且对称地布置，以便取消孔口引起的电场中的扰动。作为另外一种选择，模式取消块的数量可以是孔口的数量的整数倍，同时仍然布置成与孔口构造对称地相关。模式取消块可以附着到等离子体腔室的内壁，或者可以通过等离子体腔室的壁一体地形成。三通孔口的另一个可能的替代形式是使用五通或七通孔口。因为这些是质数，所以它们利用较低阶的双通模式等抵抗过模模制。在这种情况下，可以不需要模式取消块。

进一步有利的是，经由具有特定径向宽度的孔口向等离子体腔室供应微波能量。波导板中的孔口提供的环形间隙(沿径向方向)与等离子体腔室的直径的比率可以在1/10至1/50，1/20至1/40，1/25至1/35的范围内，或可任选地为大约1/30。可以通过将孔口定位在等离子体腔室的侧壁附近来提供这个环形间隙，其中同轴波导管的外部导体的直径与等离子体腔室的谐振腔体的直径相当，内部导体仅仅稍稍小于外部导体，以获得如上指定的用于环形间隙的比率。通过改变这两个导体的直径的比率，能够找到实现与腔室匹配的最佳点。在可供选择的布置中，孔口可以远离等离子体腔室的侧壁布置，例如布置在顶板的中心和边缘之间的中间位置处。有利地，腔室和微波耦合组件的各部件应当被构造成高精确度，例如使得各部件的尺寸和定位处于规定规格的0.1％内。

气体供应系统包括气源气体容器系统14、一个或多个气体入口16以及一个或多个气体出口18。图1中示出了一个轴向设置的气体入口，其处于还形成有前述波导板13的等离子体腔室的顶板的中心。可任选地，气体入口可以被改动，以便在等离子体腔室的顶板的整个区域上提供气体入口喷嘴阵列。

气体入口在基质保持器的直接上方定位在等离子体腔室的顶部部分中，并且被构造成用以将气体朝向基质直接高速进给。过程气体在等离子体腔室的基部中或附近的一个或多个出口处被去除。可任选地，过程气体可以利用泵再循环到入口。这样的系统的优点在于，朝向基质引导的高速气体流通过对流将活化气体种类从等离子体传递到基质。与依赖于活化气体种类从等离子体扩散到基质的系统相比，这有助于增大生长速率。此外，如上所述，通过利用这样的布置增加氢气流量，能够将更多的原子氢推到多晶金刚石晶圆的周边区域，从而增大非金刚石碳从生长表面腐蚀掉的速率，并且改进生长晶圆的周边区域中的材料的质量。

可供选择的或额外的方案是提供气体入口喷嘴阵列，该阵列具有指向基质的生长表面的多个气体入口喷嘴，并且设置在足够大的区域上，以确保在生长期间在多晶金刚石晶圆的周边区域中提供足够大的原子氢浓度。就这一点而言，较大数量的喷嘴可以密集地间隔开，以确保较为均匀的气流。已经发现的是，在阵列中提供较大数量密度的喷嘴在使用中改进了流向基质的气流的均匀度，并且允许等离子体相对于基质均匀地平整化和成形，以便在较大区域上以高速率获得均匀的金刚石膜形成物。还已经发现的是，能用于提供较小区域的喷嘴，使得喷嘴阵列的区域在很大程度上由喷嘴之间的空间而不是喷嘴出口自身的区域构成。这样，鉴于已经发现有利的是与喷嘴入口阵列的区域相关地提供较大数量密度，还已经发现有利的是提供这样的阵列，在该阵列中，喷嘴入口的面积除以喷嘴阵列整体的面积的比率小。已经发现的是，小喷嘴对于提供高速引导的气流而言是有利的。然而，还期望的是，在较大区域上具有较为均匀的气流，以便金刚石膜均匀沉积在较大区域上。因此，较小入口喷嘴尺寸和较大数量密度的这种喷嘴的组合被发现是有利的，以实现高速引导的气流和较大区域上气流的均匀度之间的平衡。

鉴于以上情况，改动的气体流动系统可以包括气体入口喷嘴阵列，该气体入口喷嘴阵列包括多个气体入口喷嘴，这些气体入口喷嘴与基质保持器相对地设置，以用于将过程气体引向基质保持器，气体入口喷嘴阵列包括：至少六个气体入口喷嘴，它们设置成相对于等离子体腔室的中心轴线大致平行地或相异地取向(大致平行指的是完美平行布置的至少10°，5°，2°，或1°内)；气体入口喷嘴数量密度等于或大于0.1个喷嘴/cm²(但是对于某些应用而言优选地高得多)，其中通过将喷嘴伸入到通常与等离子体腔室的中心轴线平行的平面上并且在所述平面上测量气体入口数量密度，来测量气体入口喷嘴数量密度；并且喷嘴面积比等于或大于10(但是对于某些应用而言优选地高得多)，其中通过将喷嘴伸入到通常与等离子体腔室的中心轴线平行的平面上，测量所述平面上的气体入口喷嘴区域的总面积，除以喷嘴的总数以给出与每个喷嘴相关的面积，并且将与每个喷嘴相关的面积除以每个喷嘴的实际面积，来测量该喷嘴面积比。

根据本发明的某些实施例，一个或多个气体入口喷嘴具有的旋转对称轴线处于谐振腔体的中心旋转对称轴线的1.0mm，0.5mm，0.25mm，0.2mm，0.15mm，0.10mm，或0.05mm内。

(B)等离子体腔室

等离子体腔室被构造成用以形成在使用中支持驻波微波的谐振腔体。根据一种构造，等离子体腔室被构造成用以在使用中支持TM_01n驻波微波，例如TM₀₁₁模式。操作频率可以在400至500MHz或800至1000MHz的范围内。

还已经发现有利的是提供圆柱形谐振腔体，其被构造成所具有的直径满足谐振腔体高度/谐振腔体直径的比率在0.3至1.0，0.4至0.9，或0.5至0.8的范围内的条件。与现有技术的布置相比，这样的比率构成较小直径的腔体。尽管看起来与直觉相背，但是已经发现有利的是使用一种等离子体反应器腔室，其具有较小的直径，以形成均匀的、稳定的、大面积等离子体，以便在大面积上实现均匀的CVD金刚石生长。较小直径的腔体可以提供以下的有益技术效果：

(i)改善腔室内的谐振模式纯度，并且在CVD金刚石合成所需的长时间操作期间避免多个模式之间的复杂相互作用。例如，小直径的腔室可以减少CVD金刚石生长表面中温度稍稍不稳定而刺激不受欢迎的较高阶模式的问题。

(ii)在特定的较小直径范围内形成的腔体被认为允许在基质处更加均匀地形成局部较高阶轴对称模式以在整个基质上形成电场，而不在基质的顶部角部处形成非常强的径向电场。

(iii)具有较低Q因子的小直径的腔体更易于开始和调节，并且对于微波源频率的变化不太敏感。

这样的较小直径的腔体还有助于缓和在腔室内形成的导致等离子体不稳定的复杂且相互作用的气体对流的问题。也就是，本发明人考虑到，小直径的腔体在等离子体腔室内的气流和微波功率两个方面提供更加简单和更加容易的控制系统，使得更加均匀的、稳定的大面积等离子体可以形成并保持，以在大面积上实现均匀的CVD金刚石生长。同时，腔体的直径不应当小到使得等离子体在整个基质上变得被压缩和不均匀。

例如，从等离子体腔室的基部到顶板测量的谐振腔体高度可以处于以下范围：在微波频率f处于400MHz至500MHz范围内时为300mm至600mm，300mm至500mm，或400mm至500mm；或者在微波频率f处于800MHz至1000MHz范围内时为150mm至300mm，150mm至250mm，或200mm至250mm。谐振腔体直径可以处于以下范围：在微波频率f处于400MHz至500MHz范围内时为400mm至1000mm，500mm至900mm，或600mm至800mm；或者在微波频率f处于800MHz至1000MHz范围内时为200mm至500mm，250mm至450mm，或300mm至400mm。谐振腔体的体积可以处于以下范围：在微波频率f处于400MHz至500MHz范围内时为0.018m³至0.530m³，0.062m³至0.350m³，0.089m³至0.270m³，或0.133m³至0.221m³；或者在微波频率f处于800MHz至1000MHz范围内时为0.002m³至0.06m³，0.007m³至0.04m³，0.01m³至0.03m³，或0.015m³至0.025m³。

当使用如上所述的小腔体布置时，一个可能的问题在于腔室的壁部件的过热。然而，已经发现有利的是提供一种布置，其中谐振腔体的壁在使用时暴露于等离子体，即等离子体不容纳在钟形罩中，以避免硅污染。等离子体反应器容器通常由焊接的不锈钢制成，原因在于这对于超高真空(UHV)腔室而言是可接受的材料选择。然而，已经发现的是，这产生在交界处形成电弧放电、在热表面上形成积灰以及总体上不佳的热传递的问题。此外，这些腔室要花费大量的金钱去构建。已经发现铝在热上是较佳的材料，并且还易于加工。从而，虽然不锈钢对于真空腔室而言是良好的材料，但是其非常差的热性能使其不能够良好地适用于经受高功率密度的区域。诸如铝的材料虽然在传统上被认为不适合于高真空，但是实际上对于可以使用常规弹性体密封的适度的高真空使用而言是极佳的。

鉴于以上情况，谐振腔体可以包括内壁，该内壁被构造成在使用时暴露于在谐振腔体中形成的等离子体，该内壁包括金属表面，该金属表面形成谐振腔体内的内壁的总表面积的至少75％，80％，85％，90％或95％。金属表面可以由铝或其合金制成，该合金按重量计包括至少80％，90％，95％，或98％的铝。此外，由环形介电窗户形成的内壁的部分优选地不超过谐振腔体内的内壁的总表面积的25％，20％，15％，10％，或5％。

尽管图1中示出了基本圆柱形腔室构造，但是也可以提供额外的可选的特征。例如，在某些例子中，可以设有从腔室的壁突出的突起。这些可以设置成用以改变在基质附近形成的电场，以引入竖向不对称性，相对于在不期望形成等离子体的等离子体腔室的相对端部处的电场，该竖向不对称性增大了基质上方的电场。此外，这样的突起可以用作模式过滤器，以有助于驱动等离子体的电场的稳定性和/或纯度。这样的突起还可以设置成用以改变等离子体的热特性，这可以有助于改善CVD金刚石生长的均匀度，在使用时用作物理边界以界定等离子体并防止等离子体在基质上方偏离轴向中心位置，和/或中断沿着等离子体腔室的侧壁向上的气流，由此减少气体夹带和腔室中不期望的对流，否则将使得入口气流和/或等离子体不稳定。在这样的情况下，应当确保设置在等离子体腔室中的任何额外结构具有高程度的旋转对称性以及与等离子体腔室的旋转对称轴线的对准，以获得试图具有大直径的良好光学质量材料。

(C)基质安装构造

已经发现的是，当基质被引入到谐振腔体中时，电场轮廓被显著地扰动，如模式化或经验测量可以示出的。就这一点而言，图4(a)至4(c)示出了电场轮廓绘图，其示出了电场如何随着等离子体反应器的谐振腔体中的基质的不同高度而变化。该绘图示出了Y轴上的电场E_z的大小对基质上方的谐振腔体的整个直径上的侧向位置X。

图4(a)示出了基质S的生长表面正好位于谐振腔体C的基部B上方时的电场轮廓。该电场轮廓由为用于TM_01n腔室的J₀贝塞尔函数的空腔室的电场占据主导。这仅仅稍稍有助于基质的上边缘的电场大小形成在基质和腔室壁之间建立的同轴模式。在这种布置中，电场在基质的中心区域上方较高，并且朝向基质的边缘显著下降。这样，该电场轮廓导致基质生长表面的周边区域中的不佳的CVD金刚石生长。

图4(b)示出了基质S的生长表面位于谐振腔体C的基部B上方较高位置处时的电场轮廓。该电场轮廓现在由在基质和腔室壁之间建立的同轴模式占据主导，该同轴模式在腔室的中心区域中短暂地衰减。在这种布置中，电场在基质的周边区域上方较高，并且朝向基质的中心区域显著下降。这样，该电场轮廓导致基质生长表面的中心区域中的不佳的CVD金刚石生长。

图4(c)示出了基质S的生长表面位于谐振腔体C内的围绕表面上方正确高度处时的电场轮廓。空腔室的这种电场轮廓利用在基质和腔室壁之间建立的同轴模式进行平衡，以在基质的大部分上形成大致均匀的电场区域，其中较高电场环局部围绕基质边缘。电场的中心区域是大致均匀的，但是具有正好在局部围绕基质边缘的较高电场环内的稍稍较低电场区域。可以认为，这种较低电场区域将导致CVD金刚石生长在生长表面的这个区域处不佳。然而，在实施过程中，已经发现的是，较高电场环处于较低电场区域的直接外侧有助于将等离子体向外牵引，以补偿中心区域中的稍稍不均匀性，并且在基质的大部分上形成大的、平的、均匀的等离子体，从而能够在大面积上进行均匀的CVD金刚石生长。在实施过程中，已经发现的是，当基质的生长表面的基质直径/高度的比率处于10至14，11至13.5，或11.0至12.5的范围内时，可以获得使得能够在大面积上进行均匀的CVD金刚石生长的在基质的大部分上的大的、平的、均匀的等离子体，其中基质的生长表面的高度是相对于围绕基质的表面的平均高度。

根据本发明的某些实施例，基质保持器具有的旋转对称轴线处于谐振腔体的中心旋转对称轴线的1.0mm，0.5mm，0.25mm，0.2mm，0.15mm，0.10mm，或0.05mm内。此外，在使用时，基质可以位于基质保持器上，并且在基质保持器上对准，使得基质的旋转对称轴线在定位于基质保持器上方时处于谐振腔体的中心旋转对称轴线的1.0mm，0.5mm或0.2mm内。

对于基质保持器的直径与基质的直径相同的布置，基质保持器将整个位于基质下方，并且围绕基质的表面可以由等离子体腔室的基部形成。这样，在这种情况下，围绕基质的表面的平均高度将与等离子体腔室C的基部B的高度相当，并且基质的生长表面的高度H_gs将从围绕基质S和基质保持器SH的等离子体腔室的基部测量，如图5(a)所示。作为另外一种选择，对于基质保持器壁基质大得多而形成围绕基质的大平坦表面的布置，围绕基质的表面的平均高度将与基质保持器的顶部表面相当。这样，在这种情况下，基质的生长表面的高度H_gs将从围绕基质S的基质保持器SH的顶部表面测量，如图5(b)所示。对于基质保持器从基质向外延伸而具有围绕基质的倾斜、弯曲或台阶顶部表面的布置，那么局部围绕表面的平均高度H_lss可以由Rs下的基质的边缘之间的横截面的平均高度H_local以及沿径向方向X离开基质边缘的为基质厚度的大约两倍的距离2×Ts限定：

图5(c)中示出了用于倾斜基质保持器的这样的布置。例如，对于所具有的顶部表面以45°的角度倾斜离开基质到沿径向方向距基质的距离为2×Ts的基质保持器，围绕基质的表面的平均高度将相当于基质保持器SH的高度的一半。这样，在这种情况下，基质的生长表面的高度H_gs将从基质保持器SH的高度的一半测量。

与以上相关地，已经发现的是，在基质生长表面和局部围绕表面之间提供特定高度的步骤使等离子体腔室的电场轮廓扰动，从而空腔室的电场轮廓利用在基质和腔室壁之间建立的同轴模式进行平衡，以在基质的大部分上形成大致均匀的电场区域，其中较高电场环局部围绕基质边缘，如上所述。

在基质和腔室壁之间建立的同轴模式的大小还可能受谐振腔体直径/基质直径的比率的影响。因此，在某些布置中，可能优选的是提供一种构造，其中谐振腔体直径/基质直径的比率处于1.5至5，2.0至4.5，或2.5至4.0的范围内，其中谐振腔体直径在小于谐振腔体的高度的50％，40％，30％，或20％的高度下测量。在一个特别优选的布置中，当谐振腔体直径在基质的生长表面的高度下测量时，保持前述比率。

从而，提供合适的基质尺寸并且将基质正确地定位在等离子体腔室中可以有助于在较大的区域上提供更加均匀的等离子体。此外，通过这样的构造获得的均匀等离子体还提供流向基质的较为均匀的热流，这已经发现有助于缓解当CVD金刚石在生长之后冷却时CVD金刚石破裂的问题。就这一点而言，CVD金刚石晶圆中的应力平衡在很大程度上由金刚石晶圆上的生长温度的变化来确定。生长期间较热的区域在冷却期间收缩的更多，因此处于拉伸状态；较冷的区域收缩的较少，因此保持处于压缩状态。在冷却期间CVD金刚石晶圆内的应力变化可能导致破裂。这样，基质温度的大的变化是不期望的。

也就是，使用前述布置的一个可能的问题在于，围绕基质的边缘设置的高电场环可能在基质的边缘处导致较高的基质温度，并且当CVD金刚石材料在生长之后冷却时这可能潜在地导致基质破裂。实际上，与直观上可能期望的在整个基质生长表面上具有完全均匀的温度不同，本发明人考虑的是实际上期望的是确保基质生长表面的边缘温度比基质生长表面的中心区域的温度低。这样布置的原因在于，通过确保CVD金刚石材料内的压缩区域处于可能引起破裂的位置附近，即CVD金刚石晶圆的边缘附近，可以使得破裂的传播最小化。因此，在生长期间保持基质生长表面的边缘比中心区域稍冷，在所得的CVD金刚石晶圆的边缘附近形成压缩区域方面被认为是有利的。如果在冷却期间破裂起始于CVD金刚石晶圆的边缘处，那么CVD金刚石晶圆的边缘附近的压缩区域防止破裂朝向CVD金刚石晶圆的中心传播。这样，引发的任何破裂将保持是短小的，并且位于CVD金刚石晶圆的外边缘处，这可以随后进行处理，以去除任何微小的边缘损坏。就这一点而言，有利的是提供一种基质温度控制系统，图1的反应器构造中示出了这种基质温度控制系统的例子。

基质5通过间隔物线材或间隔物垫片20与基质保持器4间隔开，以在基质保持器4的支撑表面与基质5的后表面之间限定出气体间隙22。此外，气体供应系统24经由供应管道26联接到气体间隙22，该供应管道从气体供应系统24延伸穿过基质保持器4，并且被构造成用以通过基质保持器的支撑表面中的一个或多个出口而将气体供应到气体间隙22中。还设有用于冷却基质保持器4的冷却剂液体供应系统28。

冷却剂液体供应系统28为基质保持器提供粗略的基本冷却。然而，该系统已经发现对于基质的精细温度控制而言是不够精确的，为了获得CVD金刚石在大面积上的高质量的均匀的沉积，本发明人认为精细温度控制是需要的。因此，设有气体供应系统24、26，以便能够更精确地控制基质温度。气体供应系统可以被构造成用以将具有不同导热率的至少两种气体注入到基质下方的气体间隙中，并且改变所述至少两种气体的比率，以控制基质保持器上的基质的温度。例如，气体供应系统可以利用诸如氢的轻气体与诸如氩的重气体的混合物，该重气体的导热率较低。有利地，用来控制基质的温度的气体是还用在主工艺化学中的气体，从而不需要额外的气源。如果基质的边缘温度相对于基质的中心区域太高，那么重气体相对于轻气体的比例可以增大以降低基质的中心区域下方的气体的导热率，从而使得基质的中心区域相对于基质的边缘升温。反之，如果基质的边缘温度相对于基质的中心区域太低，那么轻气体相对于重气体的比例可以增大以增大基质的中心区域下方的气体的导热率，从而使得基质的中心区域相对于基质的边缘冷却。还可以通过改变基质下方的气体间隙中的气流和气体组成，来控制基质的绝对温度以及基质的不同区域的相对温度。

间隔物线材16可以被构造成用以限定基质下方的中心气体间隙腔体，从而气体在中心气体间隙腔体中游动。例如，间隔物线材16每个都可以具有弧形的形状，并且被构造成在它们之间具有间隙的环，气体可以流过这些间隙。间隔物元件可以是导电的和/或可以利用导电粘合剂(例如Silver DAGTM)固定就位，该导电粘合剂已经发现可用于确保间隔物元件和基质保持器之间的良好电接触。这有助于防止基质下方电弧放电的问题，该电弧放电可能不利地影响温度控制。还已经注意的是，间隔物线材的环区段之间的间隙的位置可能产生金刚石晶圆的厚度的变化。如果需要，数量和位置可以进行调节，以补偿给定的反应器产生的金刚石晶圆中的其它固有不均匀性。

微波等离子体反应器还包括一个或多个温度测量装置，其被构造成用以取得至少两种温度测量值，包括基质的生长表面的中心区域中的一个或多个测量值以及基质的生长表面的周边区域中的一个或多个测量值，如上所述。温度测量值可以同时取得，或者彼此在短时间间隔内取得，并且基质温度控制系统可以用来确保温度梯度不会运动到前述范围之外。温度测量装置可以包括高温计30，如图1所示。可以设有两个高温计，一个取得中心温度测量值，另一个取得周边温度测量值。

微波等离子体反应器还可以包括诸如围绕基质设置的金属温度修改环的进一步的特征。这样的温度修改环执行两个任务：使高电场环移动远离基质边缘；以及为分开地加热(通过等离子体)和冷却(通过腔室基部)的对象，其直接改变基质边缘温度。这样，该环可以用来冷却基质的边缘，降低任何拉伸应力的大小，使得CVD金刚石不太可能破裂。此外，围绕基质设置的调节温度修改环还可以改变CVD金刚石沿着基质的边缘向下的过度生长，由此有助于CVD金刚石材料从基质释放。正如前述结构，如果任何这样的环结构设置在等离子体腔室中，那么应当确保其是旋转对称的并且相对于等离子体腔室的旋转轴线精确地对准，以防止在大面积光学质量合成金刚石窗户生长时出现不利的不对称性。

基质温度控制系统可以被构造成用以在CVD金刚石在基质上生长期间控制基质的生长表面的温度，以便满足以下条件：5℃<Tc–Te<120℃；10℃<Tc–Te<100℃；10℃<Tc–Te<80℃；20℃<Tc–Te<80℃；或20℃<Tc–Te<60℃，其中Tc是生长表面的中心区域中的温度，Te是生长表面的周边区域中的温度。如果Tc-Te变得太大，那么可能在冷却期间在CVD金刚石晶圆的中心区域中产生过度的拉伸，导致CVD金刚石晶圆的中心区域中的破裂。如果Tc-Te变得太小，那么将不会在CVD金刚石晶圆的边缘附近形成压缩区域，并且初始在晶圆的边缘处的任何破裂很有可能传播到整个CVD金刚石晶圆，导致非常长的破裂，包括晶圆完全断裂。

即使当采用诸如以上所述的布置时，仍然可能存在多个问题，但是这些问题基本上可以通过前述布置而得到缓解。例如，在某些情况下，仍然可能存在这样的问题：整个基质上的不均匀的CVD金刚石生长，金刚石晶圆在CVD金刚石生长期间从基质剥离，以及在CVD金刚石晶圆生长之后的冷却期间引发和/或传播破裂，尤其是当较大的基质用于大面积多晶金刚石盘的生长时或者当多个单晶金刚石在单个生长中的生长在多个单晶金刚石基质上进行时，该多个单晶金刚石基质附着以在较大面积上支撑基质。这是尤其有问题的，原因在于会继续要求增大高质量的均匀CVD金刚石能够在其上生长的区域。此外，当基质再次用于后续生长运行时，这些问题将会恶化。耐火金属基质存在的具体问题在于它们是昂贵的，并且再利用是商业竞争工业工艺中期望的。

发明人考虑到的一个可能的方案是，生长表面的质量在某种程度上影响CVD金刚石晶圆在生长之后的冷却时的释放，从而引起破裂。然而，发现的是，处理生长表面以具有更加精确限定的平整度和粗糙度本质上并没有解决这些问题。在聚焦于处理这些问题的许多研究之后，本发明人惊奇地发现，所观察到的这些问题是由于基质的整个生长表面上的温度的小变化导致的，而这些温度小变化是由基质下方的气体间隙的高度的非常微小的变化引起的。具体地，本发明人发现，尽管由供应商提供的圆柱形耐火金属基质具有标称的平的前表面和后表面，但是这些表面不是充分平坦的。基质的后表面中的微小平整度变化会导致气体间隙的高度的微小变化，已经发现的是，这会导致整个基质上的有差别的冷却。气体间隙高度的变化所引起的温度变化导致在CVD金刚石生长之后进行冷却时CVD金刚石的应力变化，这可能在至少一定比例的生长过程中导致金刚石晶圆破裂，从而导致产量下降。

虽然前述布置可以控制周向对称的温度变化，但是可能更加难以控制非周向对称的温度变化，例如气体间隙高度变化引起的那些温度变化。例如，耐火金属基质在使用期间趋于下垂和弯曲(尽管离它们的熔点还有一段长距离)。均匀的下垂主要改变了能够如上所述地控制的Tc-Te。然而，弯曲导致围绕晶圆边缘的温度的不均匀性，该不均匀性是不对称的。因此，不容易保持整个边缘处于压缩状态。典型的弯曲大小可能大于20微米(峰顶到谷底)。对于大约200微米的气体间隙，这对应于10％的厚度变化，和对应的温度变化。这可能导致晶圆边缘周围出现高达60℃的温度变化。

为了解决这个问题，有利的是确保气体间隙的高度h的变化不超过200μm，150μm，100μm，80μm，60μm，40μm，20μm，10μm，或5μm。这可以例如通过以下方式来实现，即进一步处理供应商提供的基质的后表面，以便具有非常精确地限定的轮廓，该轮廓与基质保持器的支撑表面的轮廓互补。例如，如果基质保持器的支撑表面是平的，那么基质的后表面应当进行处理以确保其是非常精确地平的。

因此，通过机械手段(优选地，均匀的非方向性的处理，例如研磨而不是磨削)来控制基质的后表面的形状已经被发现是有利的。此外，基质保持器的支撑表面还可以被处理以具有精确地限定的轮廓，该轮廓与基质的后表面的轮廓互补。

除了上述之外，还已经发现的是，供应商提供的某些圆柱形耐火金属基质并不会导致均匀的高质量的CVD金刚石晶圆，即使前表面和后表面都进行如上的处理。可商购获得的耐火金属通常包含形成瑕疵的少量石墨和/或诸如铁和镍的杂质。已经发现，甚至非常小比例的这种瑕疵和/或杂质也会影响在这种基质的生长表面上的CVD金刚石生长。因此，除了施加如上所述的基质前表面和后表面的精确处理之外，有利的是使用形成碳化物形成耐火金属基质，其具有小于基质的生长表面处的石墨形成瑕疵和/或杂质的重量的0.5％，0.1％，0.075％，0.05％，0.025％，0.01％，0.005％，或0.001％的非常高的化学纯度。

可任选地，生长表面的表面粗糙度R_a在1nm到1μm的范围内。已经发现的是，生长表面的粗糙度可以影响在其上生长的CVD金刚石的晶体结构以及CVD金刚石对基质的附着强度。已经发现的是，在1nm到1μm的范围内的表面粗糙度R_a尤其能够用于在生长期间提供对CVD金刚石的足够的附着，以便防止在生长期间的早期剥离，同时提供足够低的附着，以使得金刚石材料可以在CVD生长之后进行冷却时从基质释放，而材料不会破裂。表面粗糙度的优选范围可以为1nm至500nm，10nm至500nm，10nm至200nm。通常，耐火金属盘首先在铸铁轮上利用悬浮在研磨流体中的金刚石砂砾进行研磨。通常，研磨处理用于批量的材料去除，并且还用来获得用于给定处理的所需平整度。具有若干使用研磨表面的工艺。用于研磨表面处理的典型Ra值为100nm至500nm。然而，通常研磨表面接下来利用例如磨削/抛光机进行进一步的处理，并且利用更精细的砂砾以获得较低的表面粗糙度值。在CVD金刚石生长之前，耐火金属基质可以被清洁，以确保来自研磨处理的所有污染物已经被去除和/或清除，以有助于用于其上的金刚石生长的成核作用。

工艺条件

利用前述设备，提供一种用于在大面积上制造高光学质量CVD金刚石材料的方法。该方法包括：

将基质定位在基质保持器上，该基质是旋转对称的，并且具有旋转对称轴线，该旋转对称轴线处于位于基质保持器上方的谐振腔体的中心旋转对称轴线的1.0mm内；

在处于15至40kW，20至35kW，或25至30kW的范围内的功率下，通过环形介电窗户将微波进给到等离子体腔室中；

通过一个或多个气体入口喷嘴将过程气体进给到等离子体腔室中，该过程气体的氢原子浓度在98至99％的范围内，碳原子浓度在0.3至1.2％，0.5至1.1％，或0.7至1.0％的范围内，氮原子浓度在30至270ppb，50至220ppb，或100至200ppb的范围内，其中过程气体的总流量处于2000至15000sccm，2000至10000sccm，2000至5000sccm，或2500至4000sccm的范围内，并且等离子体腔室内的压力处于140至235托，160至225托，180至220托，或200至215托的范围内；

在处于775至950℃，800至925℃，825至920℃，或850至910℃的范围内的基质温度下，使多晶CVD金刚石晶圆在基质上生长；

将多晶CVD金刚石晶圆从微波等离子体反应器移除；以及

抛光该多晶CVD金刚石晶圆。

高压、高功率、高气体流量条件已经发现对于在大面积上合成高光学质量材料而言是有利的。然而，这样的条件难以以均匀的方式控制。如上所述的微波等离子体反应器和基质构造能够以稳定且均匀的方式维持这样的条件，以便实现本发明。

然而，已经发现的是，即使采用前述精确地对准的微波等离子体反应器构造，围绕多晶金刚石晶圆的周边区域的多晶金刚石材料的质量也可能不满足非常大面积的极高的光学质量要求。具体地，已经发现的是，诸如非金刚石碳的杂质和/或瑕疵在较大面积的晶圆的周边区域处有所增加。这个问题在还生长到较大厚度时加重了，原因是当合成多晶金刚石晶圆生长时，晶粒边界的尺寸增大，并且这导致晶粒边界中的杂质摄取率增大。已经发现的是，通过增大氢气体流量，可以缓和这个问题。要考虑的是，在非常大的直径下，可用于从基质选择性地腐蚀掉非金刚石碳的原子氢的浓度较低，从而降低了非金刚石碳腐蚀的效率。据信，增加被引向生长表面的氢气体流量将更多的原子氢推到多晶金刚石晶圆的周边区域，从而增大非金刚石碳从生长表面腐蚀掉的速率，并且改进生长晶圆的周边区域中的材料的质量。可供选择的或额外的方案是提供气体入口喷嘴阵列，该阵列具有指向基质的生长表面的多个气体入口喷嘴，并且设置在足够大的区域上，以确保在生长期间在多晶金刚石晶圆的周边区域中提供足够大的原子氢浓度。另一个可供选择的或额外的方案是降低多晶CVD金刚石晶圆的生长速率，以允许更多的时间用于将非金刚石碳从生长表面腐蚀掉。例如，通过在多晶CVD金刚石晶圆在基质上生长期间降低碳原子浓度和/或氮原子浓度，可以随着多晶CVD金刚石晶圆的厚度增大而降低生长速率。

在抛光之后，通过执行等离子体或化学处理以在多晶CVD金刚石晶圆上生成氧封端的表面，可以对多晶CVD金刚石晶圆进行进一步的处理。这是有用的，原因是表面封端可以影响光学特性。

产品

利用如上所述的设备和方法，能够制造如图6(a)和6(b)所示的多晶CVD金刚石晶圆。该多晶CVD金刚石晶圆包括：

多晶化学气相沉积的(CVD)金刚石晶圆，其包括：

最大线性尺寸等于或大于70mm；

厚度等于或大于1.3mm；以及

在室温(标称的298K)下测量的、多晶CVD金刚石晶圆的至少中心区域上的以下特征中的一个或两个，所述中心区域是圆形的，以多晶CVD金刚石晶圆的中心点为中心，并且具有的直径为多晶CVD金刚石晶圆的最大线性尺寸的至少70％：

(1)在10.6μm下吸收系数≤0.2cm^-1，≤0.1cm^-1，或≤0.05cm^-1；以及

(2)在145GHz下介电损失系数为tanδ≤2×10^-4，≤10^-4，≤5×10^-5，≤10^-5，≤5×10^-6，或≤10^-6。

(3)在拉伸情况下的多晶CVD金刚石晶圆的成核面的拉伸断裂强度：在厚度为200至500μm时≥760MPa×n；在厚度为500至750μm时≥700MPa×n；在厚度为750至1000μm时≥650MPa×n；在厚度为1000至1250μm时≥600MPa×n；在厚度为1250至1500μm时≥550MPa×n；在厚度为1500至1750μm时≥500MPa×n；在厚度为1750至2000μm时≥450MPa×n；或在厚度≥2000μm时≥400MPa×n，其中乘数n为1.0，1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，或2。

(4)在拉伸情况下的多晶CVD金刚石晶圆的生长面的拉伸断裂强度：在厚度为200至500μm时≥330MPa×n；在厚度为500至750μm时≥300MPa×n；在厚度为750至1000μm时≥275MPa×n；在厚度为1000至1250μm时≥250MPa×n；在厚度为1250至1500μm时≥225MPa×n；在厚度为1500至1750μm时≥200MPa×n；在厚度为1750至2000μm时≥175MPa×n；或在厚度≥2000μm时≥150MPa×n，其中乘数n为1.0，1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，或2。

(6)平均黑斑密度不大于1mm^-2，0.5mm^-2，或0.1mm^-2；

优选地，满足上述限定特征的中心区域的直径为所述最大线性尺寸的至少75％，80％，85％，90％，95％，或99％。也就是，上述限定特征优选地扩展到多晶CVD金刚石晶圆的大部分或基本上所有的多晶CVD金刚石晶圆。

多晶CVD金刚石晶圆可以具有至少一个线性尺寸，但是优选地具有至少两个正交的线性尺寸，其等于或大于70mm，80mm，90mm，100mm，110mm，120mm，125mm，130mm，135mm，或140mm。例如，多晶CVD金刚石晶圆可以为大致圆形盘的形式，其具有的直径对应于所述尺寸。多晶CVD金刚石晶圆的厚度可以等于或大于1.3mm，1.5mm，1.7mm，1.8mm，1.9mm，2.0mm，2.2mm，2.5mm，2.75mm，或3.0mm。

多晶CVD金刚石晶圆还可以进行处理，以具有不超过200nm，150nm，100nm，80nm，60nm，或40nm的表面粗糙度。此外，可以在多晶CVD金刚石晶圆的表面中或表面上形成有抗反射的或衍射的结构。

对于某些应用，期望的是处理多晶CVD金刚石晶圆以形成透镜。凸形表面可以形成在晶圆的一侧上(即单凸透镜)或形成在晶圆的两侧上(即双凸透镜)。为了实现用于透镜的合适曲率半径与较大直径的组合，要求多晶CVD金刚石晶圆被制造得足够厚。当多晶CVD金刚石晶圆为透镜形式时，透镜的至少最厚部分具有的厚度可以等于或大于1.3mm，1.5mm，1.7mm，1.8mm，1.9mm，2.0mm，2.2mm，2.5mm，2.75mm，或3.0mm。这样，本发明的实施例使得能够以高质量光学等级的多晶CVD金刚石材料制造这样的大透镜结构。

根据最终的应用，多晶CVD金刚石晶圆可以用于大面积形式，或者还可以被切割成较小的对象。

测量技术

吸收系数

激光量热法是用于测量低损耗材料和光学部件的吸收率的方法选择。这种测量的细节可见于光学激光部件的测试方法ISO/FDIS11551，International Organisation forStandardisation(国际标准化组织)，Geneva(1995)，以及G.Turri等人的Opticalabsorption，depolarization，and scatter of epitaxial single-crystalchemical-vapor-deposited diamond at 1.064μm(1.064μm下的外延单晶化学气相沉积的金刚石的光学吸收、去偏振和散射)，Optical Engineering(光学工程)46(6)，064002(2007)。激光量热法涉及测量依赖于时间的测试样品的温度升高和降低，该测试样品暴露于已知功率的激光一段固定的时间段。从样品的温度响应分析中，可以确定吸光度A，其中A被限定为由样品吸收的入射激光功率的分数。当吸收系数α与样本厚度d的乘积远小于1时，α≈A/d。这种近似对于光学质量多晶金刚石而言是合理的。此外，光学质量多晶金刚石通常用于在10.6μm下操作的CO₂激光光学装置。因此，利用CO₂激光器的10.6μm线执行激光量热法测量尤其适合于本发明。用于量热法的测试样品制备如下。首先，晶圆的生长面和成核面被研磨和抛光至均匀的期望厚度。最少20μm被从成核面抛光掉，以便去除在合成成核阶段期间可能结合进来的任何污染物。其次，一系列量热法测试样品从抛光的晶圆进行激光加工。这些样品在两侧上进一步抛光至<15nm的rms粗糙度。

介电损失

利用开放的谐振技术来测量材料的介电损失系数tanδ。谐振器的特征在于非常高的未负载Q因子，通常>100000，并且在高程度极化的TEM_00n模式中进行操作，其中n表示两个反射器之间的半波导波长的数量。样本厚度必须被控制成使得其在测量频率下的厚度理想地为半波长的整数倍。这种技术可见于Sussmann等人的“Properties of bulkpolycrystalline CVD diamond(批量多晶CVD金刚石的特性)”，Diamond and relatedmaterials(金刚石和相关材料)，3(1994)303-312。

拉伸强度

可以利用不同的技术执行材料的强度测试，所有这些技术具有它们的优点和缺点。这对于本领域技术人员而言是众所周知的。一种强度测试方法是所谓的3点弯曲测试。这种技术应用于多晶金刚石样品可详细见于Philosophical Magazine Vol.83，No.36，4059–4070(2003)，Strength of free-standing chemically vapour-deposited diamondmeasured by arrange of techniques(通过技术范围测量的自立式化学气相沉积金刚石的强度)，A.R.Davies，J.E.Field，C.S.J.Pickles。生长的CVD晶圆如下准备进行3点弯曲强度测试。首先，晶圆的生长面和成核面被研磨和抛光至均匀的期望厚度。最少20μm被从成核面抛光掉，以便去除在合成成核阶段期间可能结合进来的任何污染物。其次，侧向尺寸为18mm×2mm的一系列40个矩形强度测试样品从抛光的晶圆进行激光加工。这些样品从整个晶圆上提取，以提供均匀的采样。对成核面处于拉伸的第一组20个样本执行3点弯曲测试，对生长面处于拉伸的第二组20个样本执行3点弯曲测试。通过计算每个样本组的算法平均，来确定成核面和生长面的平均强度。

黑斑

光学显微镜法用于黑斑的分析。多晶金刚石样本的光学显微镜法通常揭示了在合成期间在各个晶粒中形成的微观破裂状特征(术语称为“黑斑”)的存在，这最有可能是由于晶粒间应力导致的。这些黑斑具有不同的形状，然而通常具有大约50-100微米的半径，并且已经显示出在某些膜物理特性上具有负面影响。黑斑可以在×50显微镜下进行检查。

综合吸收

利用FTIR光谱仪测量每单位厚度的样本的综合吸收。与膜内的CHx种类的拉伸模式相关的吸收处于2760cm^-1至3030cm^-1之间。这种吸收是在室温下测量的，利用在400cm^-1至4000cm^-1之间进行扫描的FTIR光谱仪中的5mm的孔口尺寸.在计算综合面积之前，将线性基线从峰顶减去。该技术可见于Twitchen等人的“Thermal conductivity measurements onCVD diamond(CVD金刚石上的导热率测量)”，Diamond and related materials(金刚石和相关材料)，10(2001)731-735。

导热率

利用导热率与FTIR吸收光谱的CHx分量之间的已经证明的关系，测量厚金刚石晶圆中的导热率。这种关系可见于Twitchen等人的“Thermal conductivity measurementson CVD diamond(CVD金刚石上的导热率测量)”，Diamond and related materials(金刚石和相关材料)，10(2001)731-735。金刚石窗户的IR光谱的区域2760cm^-1至3030cm^-1中的CHx分量的综合面积一旦利用线性基线进行修正，就已经显示出在量上与金刚石的导热率相关。

光学散射

利用所谓的Coblentz球体测量沿前向方向的总的综合散射，该球体能够收集相对于入射光束成≥2.5°的角度的前向散射光。该技术可见于J.C.Stover，OpticalScattering(光学散射)：Measurement and Analysis(测量与分析)，SPIE PressMonograph(1995)。CO₂激光器的10.6μm线用于这些测量。用于散射测量的测试样品制备如下。首先，晶圆的生长面和成核面被研磨和抛光至均匀的期望厚度。最少20μm被从成核面抛光掉，以便去除在合成成核阶段期间可能结合进来的任何污染物。其次，一系列测试样品从抛光的晶圆进行激光加工。这些样品在两侧上进一步抛光至<15nm的rms粗糙度。

实例

利用标准研磨和抛光工艺以产生R_a为20-60nm的表面，来制备适用于合成多晶CVD晶圆的直径为120mm的耐火金属碳化物形成基质。

该基质被引入到CVD反应器中，并且开始合成过程。反应气体以用于氢/甲烷/氩的3500/43/43sccm的流量流入到反应器中。引入受控制水平的氮，以提供150ppb的气相浓度，如光学射线光谱学量化的。

腔室中的压力保持在185托下，并且基质的平均温度调节为830℃，并且在生长运行过程期间保持在该点下。从中心到边缘的基质温度差保持为小于30℃。

在最少金刚石晶圆沉积厚度为1.9mm之后，终止合成过程。金刚石晶圆从基质移除。30μm厚的层被从成核面研磨掉。生长面被研磨，以产生平均厚度为1.7mm的大致平的晶圆。由此，根据图7提取的四个直径为20mm的测试样本进行激光切割，以用于10.6μm下的激光量热法测量。

在移除最少材料的情况下，四个测试样本在两侧上被进一步抛光至<15nm的rms粗糙度。对于这四个测试样本中的每一个，在10.6μm下的平均吸收系数α被确定为小于0.2cm^-1。进一步的测量根据前述测量技术而执行，并且落在生产段限定的范围内。

虽然已参考优选的实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种变化。

Claims

1.一种多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其包括：

最大线性尺寸等于或大于70mm；

厚度等于或大于1.3mm；以及

在室温下测量的、多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的至少中心区域上的以下特征：

在145GHz下介电损失系数为tanδ≤5×10^-5；和

导热率不小于1900Wm^-1K^-1，

所述中心区域是圆形的，以多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的中心点为中心，并且具有的直径为多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的最大线性尺寸的至少70％。

2.根据权利要求1所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆还包括在至少中心区域上的以下特征中的一个或多个：

在拉伸情况下的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的成核面的拉伸断裂强度：在厚度为200至500μm时≥760MPa×n；在厚度为500至750μm时≥700MPa×n；在厚度为750至1000μm时≥650MPa×n；在厚度为1000至1250μm时≥600MPa×n；在厚度为1250至1500μm时≥550MPa×n；在厚度为1500至1750μm时≥500MPa×n；在厚度为1750至2000μm时≥450MPa×n；或在厚度≥2000μm时≥400MPa×n，其中乘数n为1.0，1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，或2；

在拉伸情况下的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的生长面的拉伸断裂强度：在厚度为200至500μm时≥330MPa×n；在厚度为500至750μm时≥300MPa×n；在厚度为750至1000μm时≥275MPa×n；在厚度为1000至1250μm时≥250MPa×n；在厚度为1250至1500μm时≥225MPa×n；在厚度为1500至1750μm时≥200MPa×n；在厚度为1750至2000μm时≥175MPa×n；或在厚度≥2000μm时≥150MPa×n，其中乘数n为1.0，1.1，1.2，1.4，1.6，1.8，或2；

表面平整度≤5μm，≤4μm，≤3μm，≤2μm，≤1μm，≤0.5μm，≤0.2μm，或≤0.1μm。

3.根据权利要求2所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆还包括在至少中心区域上的以下特征中的一个或多个：

平均黑斑密度不大于1mm^-2，0.5mm^-2，或0.1mm^-2；

黑斑分布使得在任何3mm²的区域中具有不超过4，3，2，或1个黑斑；

当在范围为2760cm^-1至3030cm^-1的修正的线性背景下测量时，每单位厚度的综合吸光度不超过0.20cm^-2，0.15cm^-2，0.10cm^-2，或0.05cm^-2；

导热率不小于2000Wm^-1K^-1，2100Wm^-1K^-1，或2200Wm^-1K^-1；

对于厚度为0.7mm的样本，在10.6μm下，在前向半球中的总的综合散射不超过1％，0.5％，或0.1％，其中前表面和后表面被抛光到小于15nm的均方根粗糙度；以及

次级离子质谱仪测量的硅浓度不超过10¹⁷cm^-3，5×10¹⁶cm^-3，10¹⁶cm^-3，5×10¹⁵cm^-3，或10¹⁵cm^-3。

4.根据权利要求3所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆包括所述特征中的两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或全部十一个特征。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中最大线性尺寸等于或大于80mm，90mm，100mm，110mm，120mm，125mm，130mm，135mm，或140mm。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中所述中心区域的直径为所述最大线性尺寸的至少75％，80％，85％，90％，95％，或99％。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆包括等于或大于70mm，80mm，90mm，100mm，110mm，或120mm的至少两个正交的线性尺寸。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中所述厚度等于或大于1.5mm，1.7mm，1.8mm，1.9mm，2.0mm，2.2mm，2.5mm，2.75mm，或3.0mm。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中在室温下测量的吸收系数在10.6μm下为≤0.2cm^-1，≤0.1cm^-1或≤0.05cm^-1。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中在室温下测量的介电损失系数tanδ在145GHz下为≤10^-5，≤5×10^-6，或≤10^-6。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆具有氧封端的表面。

12.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的表面粗糙度不超过200nm，150nm，100nm，80nm，60nm，或40nm。

13.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中在多晶化学气相沉积的金刚石晶圆的表面中或表面上形成有抗反射的或衍射的结构。

14.根据权利要求1-4中任一项所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中多晶化学气相沉积的金刚石晶圆为透镜的形式，并且其中所述透镜的至少最厚部分的厚度等于或大于1.3mm，1.5mm，1.7mm，1.8mm，1.9mm，2.0mm，2.2mm，2.5mm，2.75mm，或3.0mm。

15.根据权利要求14所述的多晶化学气相沉积的金刚石晶圆，其中所述透镜为单凸透镜或双凸透镜。