CN110914204B - 大单晶金刚石及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种生产大单晶金刚石的方法，包括：(i)在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面，(ii)使用金刚石生长工艺，在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。

Description

大单晶金刚石及其生产方法

技术领域

本发明涉及大单晶金刚石及其生产方法。

背景技术

众所周知，金刚石具有最高的晶体质量和极端的物理、光学和介电性能。然而，金刚石的稀缺和具有均一质量的大尺寸金刚石的有限可得性一直是其朝向作为各种应用的主流资源的潜力的障碍。

金刚石生长工业已经改善了这种稀缺。目前，生长方法的两种主要形式包括高压高温(HPHT)生长方法和化学气相沉积(CVD)生长方法。

尽管改善了金刚石的稀缺，但具有均一质量的大尺寸金刚石的有限可得性仍有待克服。这从目前的事实可以清楚地看出，即迄今为止的最大面积的单晶金刚石仅具有小于1厘米(cm) x 1 cm的面积。

生长大面积CVD单晶金刚石的障碍之一是无法获得(或有限地获得)大单晶金刚石衬底。克服这种障碍的已知方法是将几个具有相似高度的可得单晶金刚石衬底组装成拼嵌形式，然后使用CVD生长方法生长。然而，这种生长方法在两个单晶金刚石衬底之间的界面处产生一个或多个缺陷，如非外延微晶、热解碳和/或小丘。这些缺陷随着金刚石的生长增加，在两个单晶金刚石衬底的界面处产生高应力单晶金刚石(或甚至更差的多晶金刚石材料)。在生长的大面积CVD单晶金刚石上的这种高应力单晶界面或多晶界面可能将这些金刚石仅限制于进行热化学抛光和完全不能进行使用机械抛光进行加工。

此外，在将衬底以拼嵌形式放置之后，还难以获得具有均一的衬底性能的所需数量的单晶金刚石衬底用于生长。除非衬底具有均一质量和相似的厚度，否则将难以在衬底之间实现低应力。

由于上述原因，尽管高度地寻求技术，但具有均一质量的可用于实际应用的大面积单晶金刚石尚不可得。

发明内容

根据本发明的一个实施方案，提供了一种生产大单晶金刚石的方法，包括：(i)在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面，(ii)使用金刚石生长工艺，在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。

根据本发明的另一个实施方案，提供了单晶化学气相沉积(CVD)金刚石，包括：具有至少一个大于6毫米(mm)的边缘的表面，其中所述表面显示垂直于该大于6 mm的表面的边缘延伸的至少一个应力区。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出如何实现本发明，现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了根据本发明的一个实施方案的示例性的生长的金刚石的示例性顶视图和侧视图。

图2A示出了根据本发明的一个实施方案的在相邻金刚石之间的边界处的示例性表面形貌实例。显示了生长层的形态，该生长层横穿具有(100)侧面的两个下面的衬底的边界生成。

图2B示出了根据本发明的一个实施方案的在六个不同点处的示例性的生长的金刚石的示例性拉曼线宽分析图。显示了相对于A中所示的6个点，金刚石的一级拉曼峰(λmax=1332cm^-1)的空间分辨线宽。

图3示出了根据本发明的一个实施方案的在生长之前以阵列形式布置的示例性单晶金刚石板。显示了多阵列单晶金刚石衬底。

图4示出了根据本发明的一个实施方案的以一维阵列形式的示例性金刚石衬底布置。显示了单阵列单晶金刚石衬底。

图5示出了根据本发明的一个实施方案的示例性单晶金刚石衬底。

图6示出了根据本发明的一个实施方案两个衬底沿着横截面水平面的生长方向。显示了一维阵列中发生的金刚石生长的横截面图。

图7A和7B示出了根据本发明的一个实施方案的分别具有{111}和{113}的晶体取向的大衬底。

图8示出了根据本发明的一个实施方案的制造大板状单晶金刚石的示例性方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明的一个实施方案，提供了一种生产大单晶金刚石(也可以称为生长的金刚石(Grown Diamond))的方法，包括以下步骤：在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面；和使用金刚石生长工艺，由此在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。在一个实施方案中，这两个(2个)相邻表面可以指第一表面和另外的表面，或第二表面和另外的表面，或另外的表面和另一个另外的表面，或与另一个表面相邻的任何表面。除了上述之外，两个或更多个单晶金刚石衬底的相邻表面还可以指彼此接触的表面。

当两个或更多个单晶金刚石衬底在单晶金刚石衬底的一个或多个另外的表面处连接在一起时，连接侧表面具有相同的晶体取向或具有预定范围公差的相似的晶体取向。所述另外的表面可以是侧表面。

每个单晶金刚石衬底具有第一表面，该第一表面具有晶体取向，并用作生长表面。第一表面可以是顶表面。每个单晶金刚石衬底具有第二表面，其可以是底表面。每个单晶金刚石衬底具有相同的厚度或彼此具有预定范围公差的相似的厚度，并且。另外，每个单晶金刚石衬底具有预定范围的表面粗糙度。

首先将单晶金刚石衬底布置在能够进行金刚石生长工艺的室中。金刚石生长工艺可以是化学气相沉积(CVD)金刚石生长工艺。单晶金刚石衬底布置成使得单晶金刚石衬底的至少一个另外的表面与至少一个其它的单晶金刚石衬底的至少一个另外的表面接触。接触的另外的表面由不接触的另外的表面界定，并且其中所述另外的表面具有彼此相同、相似或不同的晶体取向。接触的侧表面也可称为“接触”表面而不接触的侧表面也可称为“非接触”侧表面。

在金刚石生长工艺期间，单晶金刚石衬底经受合适的操作条件，包括温度范围，如700℃至1200℃。单晶金刚石衬底在顶表面处经历向上生长，使得在已经连接在一起的单晶金刚石衬底(single diamond substrate)的顶部上形成单个生长层。

同时，单晶金刚石衬底还在侧表面处经历横向生长，使得接触侧表面熔合在一起并导致形成一个具有单个扩大的顶表面积以及均一质量的大单晶金刚石衬底。接触侧表面的熔合产生沿着接触侧表面的熔合界面的应力图。

受控的金刚石生长工艺考虑了晶体生长形式，该形式有利于sp3键合的立方金刚石结构的形成且不利于缺陷(例如，非外延微晶、热解碳、小丘或任何其它多晶生长)的形成。这样，当两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻放置时，这种受控的生长在衬底的熔合界面处形成具有相对低应力的大单晶金刚石。这种相对低的应力区可以使用X射线晶体学测量和/或拉曼测量在单晶金刚石衬底的熔合界面处证实。

根据本发明的另一个实施方案，单晶化学气相沉积(CVD)金刚石包括具有至少一个大于6毫米(mm)的边缘的表面(即，顶表面)，其中所述表面显示垂直于该大于6 mm的表面的边缘延伸的至少一个应力区。

应力区延伸直到所述至少一个边缘的长度除以N，其中N的值是大于1的整数。该表面处的应力的测量值小于另外的表面(即，底表面)上的应力的测量值。当与单晶CVD金刚石的其它区域相比时，应力区周围的应力较大。该表面和所述另外的表面具有{100}的晶体取向。单晶CVD金刚石具有至少0.1 mm的厚度。应当理解，应力区可以使用选自以下的成像方法之一来显示：X-射线形貌成像和交叉偏振显微术。在一个实施方案中，应力区内的应力足够低，以便能够对单晶CVD金刚石进行机械抛光。当使用拉曼分析测量时，应力区内的应力产生范围在3.3 cm^-1至3.8 cm^-1之间的拉曼线宽。

大面积单晶金刚石沿着熔合界面显示应力区。这种应力区是熔合单晶金刚石衬底的相邻侧表面并在其上连续生长金刚石的结果。在熔合界面内的应力可以与生长在相应相邻衬底上的单晶金刚石本体内的内应力一样低，或者高于单晶金刚石的相邻区域内的应力值，但是足够低以允许单晶金刚石的任何已知的生长后处理。特别地，该方法对于需要机械抛光的大面积金刚石是有利的。由于熔合界面处的应力低，机械抛光不会在金刚石表面上产生新的缺陷。

可以通过另外的实施方案进一步理解本发明。

在一个实施方案中，单晶金刚石衬底包括顶表面、底表面和4个侧表面。顶表面和底表面具有{100}晶体取向。4个侧表面具有{100}晶体取向，并且4个侧表面中的每一个由具有{110}晶体取向的另外的侧表面界定。4个侧表面和另外的侧表面限定单晶金刚石衬底的厚度为至少0.1 mm。首先将单晶金刚石衬底置于化学气相沉积(CVD)室中。单晶金刚石衬底布置成使得单晶金刚石衬底的至少一个侧表面与另一个单晶金刚石衬底的至少一个侧表面接触。接触侧表面具有{100}晶体取向，而非接触侧表面具有{110}晶体取向。在CVD工艺期间，单晶金刚石衬底经受合适的生长条件。由于非接触侧表面的{110}晶体取向，当经受CVD生长工艺时，具有{100}晶体取向的侧表面生长并会聚成“假想的”尖端(即，类似于形成棱锥形结构)。换句话说，单晶金刚石衬底在平行于具有{110}晶体取向的侧表面的方向上生长。受控的CVD生长考虑了晶体生长形式，该形式有利于sp3键合的立方金刚石结构的形成且不利于缺陷(例如，非外延微晶、热解碳、小丘或任何其它多晶生长)的形成。这样，当两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻放置时，这种受控生长形成在衬底的熔合界面处具有相对低的应力的大面积单晶金刚石。这种相对低的应力区可以使用X射线晶体学测量和/或拉曼测量在单晶金刚石衬底的熔合界面处来证实。

除了以会聚于“假想”尖端的方式的单晶金刚石衬底的受控生长之外，通过选择相同且均一质量的衬底，降低了两个相邻单晶金刚石衬底熔合的界面处的应力。在一个实施方案中，单晶金刚石衬底在其高度、晶体取向、缺陷密度、缺陷位置等方面可以是均一的。应该理解，不均一的单晶金刚石衬底可能使两个相邻放置的单晶金刚石衬底之间的熔合界面处的应力加剧。因此，在一个实施方案中，单晶金刚石衬底的选择和制备方法可本质上有助于熔合相似和均一质量的单晶金刚石衬底。这些衬底应该具有以具有相同的晶体取向或最大容许取向偏差为3°、优选2°、更优选1°的相似的晶体取向的侧表面形式的接触的另外的表面。晶体取向的这种测量可以通过Laue法实现。此外，单晶金刚石衬底可以仅具有小于15μm、优选10μm并且更优选5μm的各衬底之间的厚度变化。选择相同和均一质量的单晶金刚石衬底对于生长厚且大面积的单晶金刚石也是必要的。

图1示出了根据本发明的一个实施方案的大单晶金刚石(生长的金刚石)的顶视图和侧视图。在一个实施方案中，生长的金刚石110可以使用化学气相沉积(CVD)工艺生长。这种生长的金刚石110也可以称为CVD金刚石。生长的金刚石110可以是单晶金刚石。在一个实施方案中，生长的金刚石110是IIa型单晶金刚石。

生长的金刚石110由其具有各尺寸的边缘限定。在一个实施方案中，生长的金刚石110的顶视图由具有尺寸X和Y的边缘限定。在图1中，生长的金刚石110的尺寸X为6毫米(mm)。生长的金刚石110的尺寸Y为3 mm。在另一个实施方案中，生长的金刚石的尺寸X和Y可以分别大于6 mm和3 mm (未示出)。

生长的金刚石110的侧视图提供了另外的尺寸Z。应该理解，尺寸Z也可以称为生长的金刚石110的厚度。在图1中，生长的金刚石110的尺寸Z为1 mm。在另一个实施方案中，生长的金刚石的尺寸Z可以是大于0.1 mm的任何值。

图1的顶视图还示出了在生长的金刚石110内的两个应力区120和130。应力区120平行于由尺寸Y限定的边缘，并且从由尺寸X限定的边缘垂直地延伸。应力图线130平行于由尺寸X限定的边缘，并且从由尺寸Y限定的边缘垂直地延伸。

因为使用了四个金刚石衬底来生长生长的金刚石110，所以形成了两个应力图线120和130。将这四个金刚石衬底以二维阵列形式(即2 x 2阵列形式)放置。将通过随后的附图提供进一步的细节。应当理解，当使用多个金刚石衬底生长大板状金刚石时，可以形成多个应力图线。这种应力区的长度和取向将仅受金刚石衬底的布置及其形状的限制。

应力区120和130是由于两个金刚石衬底连接而产生的，其中每个金刚石衬底具有不同晶体平面(例如，{100}和{110}晶体取向平面)的邻边。应力区120和130反映了金刚石晶体生长，该金刚石晶体生长会聚并导致沿相邻衬底的边界的显著应力。

生长的金刚石110的侧视图也示出了应力区120。在一个实施方案中，当在向上生长方向上沿着应力区120移动时，应力改变。例如，沿着应力区120，表面112附近的应力大于表面111附近的应力。在另一实施方案中，仍然沿着应力区120，表面111附近的应力大于表面112附近的应力。应力在靠近表面(表面111或112)处最高，该表面更靠近衬底侧，在衬底侧处衬底在生长之前彼此相邻放置。然而，最高应力将仍然足够低以能够进行生长后处理，特别是机械抛光。随着远离具有衬底的一侧并沿着应力区120的Z维度(即，向上生长方向)移动，应力逐渐减小。应力可以降低到某个数值，在此应力可以与生长的金刚石110本体的内应力相似或相同。应当理解，对于连接表面111和112且垂直于应力区的线(未示出)，也可以观察到这种类似的应力变化。

在一个实施方案中，一旦应力值降低到应力可能与生长的金刚石110主体的内应力相似或相同的点，则应力区120和生长的金刚石110主体可以包括与不使用本发明的实施方案中公开的方法生长的金刚石相同或相似的应力。在一个示例性实施方案中，在应力区120内沿着生长方向的所得晶体质量可以表现出1.5 cm^-1或甚至更好的拉曼线宽。

应该理解，应力可以沿着向上生长方向逐渐减小，使得生长的金刚石主体呈现为单个单元。因此，在一个实施方案(在此未示出)中，应力区仅可通过表面111或112中的仅一个观察到。

仍然参考图1，应力区120和130以对称形式横穿生长的金刚石110。例如，应力区120和130横穿由尺寸X和Y限定的边缘均等地划分生长的金刚石110。或者，在另一实施方案中，应力区可以不对称形式横穿生长的金刚石(未示出)。例如，应力区之一可以从位于沿边缘之一的三分之一处的点延伸。应该理解，不对称的应力区可以作为使用不对称金刚石衬底生长的金刚石的结果而获得。

应力区120和130可以通过X射线形貌成像和交叉偏振显微术观察。

在一个实施方案中，应力区120和130内的应力可以与生长的金刚石110内(即，未被应力图形线120和130覆盖的区域)的内应力值一样低。在一个替代的实施方案中，应力区120和130内的应力可以大于可能存在于生长的金刚石110本体内的内应力，但是足够低以能够进行生长后处理，特别是机械抛光处理。

图2A示出了在一个实施方案中在连接的金刚石之间的边界处的表面形貌的实例。在一个实施方案中，金刚石可以类似于图1的生长的金刚石110。生长层为约2.12 mm (即，生长的金刚石的厚度)。两个相邻金刚石衬底的下面的边界可以作为微弱的水平深线(在虚线框内)清楚地可见。在一个实施方案中，在金刚石的六个不同点，即1到6，进行拉曼线宽分析。在点1至6中，点5位于看起来粗略的断层线处。

图2B示出了在六个不同的上述点即点1到6处，生长的金刚石上的拉曼线宽分析图。使用具有0.75、0.4、0.25和0.1的数值孔径(N.A.)的聚焦透镜进行拉曼分析。应当理解，具有大N.A.的聚焦透镜能够实现激光光斑的聚焦深度和聚焦体积的增大。激光光斑的这种增大的深度聚焦和聚焦体积可以帮助确保能够正确地评估表面下生长的质量。

对于在该测试中使用的所有四个N.A.值，六个测量点的线宽保持密集分布。如该示例性实施方案所示，拉曼线宽在3.3 cm^-1到3.8 cm^-1的范围之间。这个范围表明在两个金刚石衬底之间的完美熔合，在边界处没有任何多晶生长。即使对于看起来粗略的断层线，拉曼宽度分析仍然显示单晶金刚石晶格。

图3是说明性的而非限制性的，其说明了根据本发明的一个实施方案在生长之前以阵列形式布置的多个单晶金刚石衬底。在以这种方式组装金刚石衬底300的阵列，随后其长成一个大面积单晶金刚石(例如，类似于图1的生长的金刚石110)。

如图3的实施方案中所示，金刚石衬底300的阵列包括六个金刚石衬底310A-310F。在一个实施方案中，这些金刚石衬底310A-310F也可以称为金刚石板或自形的金刚石衬底。金刚石衬底310A-310F布置成阵列形式。如图3的实施方案所示，金刚石衬底310A-310F以2x 3阵列形式布置。

应当理解，金刚石衬底的阵列可以具有以阵列形式布置的任意数量的金刚石衬底，并且不限于图3所示的仅仅六(6)个金刚石衬底。例如，另一种金刚石衬底阵列(未示出)可以包括四(4)个金刚石衬底(在数量和布置上类似于图1的生长的金刚石110)。在另一个实例中，另一种金刚石衬底阵列(未示出)可以包括十(10)个金刚石衬底。

金刚石衬底300可由其总长度(如尺寸X所示)和总宽度(如尺寸Y所示)限定。在一个示例性实施方案中，尺寸X和Y可以分别为15 mm和10 mm。在这种实施方案中，这些金刚石衬底310A-310F中的每一个可以具有大约5 mm x 5 mm的尺寸。金刚石衬底300的阵列的厚度由金刚石衬底310A-310F的厚度限定。在一个示例性实施方案中，金刚石衬底310A-310F的厚度大约为1 mm。在其它示例性实施方案中，金刚石衬底(未示出)的厚度可以是5μm、10μm或15μm。

在一个实施方案中，这些金刚石衬底310A-310F可以是已经生长的单晶金刚石。例如，在一个实施方案中，这些金刚石衬底310A-310F可以使用高压高温(HPHT)工艺生长。在另一个实施方案中，这些金刚石衬底310A-310F可以使用化学气相沉积(CVD)工艺生长。或者，这些金刚石衬底310A-310F可以从地球开采的金刚石获得。这些金刚石衬底310A-310F可以具有小缺陷或零缺陷，例如点缺陷、扩展缺陷、裂纹和/或杂质。这些金刚石衬底310A-310F中的每一个的进一步细节将作为图5的一部分提供。

图4是说明性的而非限制性的，说明了根据本发明的一个实施方案的金刚石衬底的一维阵列。在一个实施方案中，金刚石衬底的一维阵列可以类似于图3的阵列金刚石衬底300内的金刚石衬底的一维阵列。

然而，图4中的金刚石衬底与图3的金刚石衬底310A-310F相比具有不同数量的侧表面。例如，图3的金刚石衬底310A-310F具有8个侧表面，而图4的金刚石衬底仅具有6个侧表面。在一个实施方案中，仔细选择金刚石衬底的侧表面数量以获得特定形状的生长的金刚石。例如，为了获得大面积生长的金刚石，必须使用具有八个侧表面(即，类似于金刚石衬底310A-310F)并以图3中所示的方式布置的金刚石衬底。或者，对于窄而长的板状的生长的金刚石，必须使用仅具有六个侧表面并以图4中所示方式布置的金刚石衬底。

图4的实施方案示出了具有{100}的晶体平面的至少两个表面。这些表面也可以称为金刚石的主表面。在图4中，这些表面由A表示。在一个实施方案中，主表面中的一个可以面向衬底支架，而另一个主表面可以被暴露以便发生生长。

图4的实施方案还示出了具有{100}和{110}的晶体平面的相邻侧表面。如图4的实施方案所示，联接在一起的不同金刚石衬底的接触侧表面可以具有{100}的晶体取向。在图4的实施方案中，金刚石衬底的这些接触侧表面可以由C表示。在一个替代的实施方案中，这些由C表示的接触侧表面也可具有其它晶体取向(例如，{110}、{113}和{111})。

在一个示例性实施方案中，侧表面的晶体取向可以具有不大于3°的角度。在另一个示例性实施方案中，主表面的晶体取向可以具有不大于2°或1°的角度。

此外，在图4的实施方案中公开的金刚石衬底上，{110}的侧表面与具有{100}的晶体平面的侧表面相邻。在图4的实施方案中，这些非接触侧表面可由B表示。在一个替代的实施方案中，这些表示为B的非接触侧表面也可具有其它晶体取向(例如，{113}和{111})。

此外，两个主表面(表面A/顶表面)的晶体取向的偏轴角不应大于3°，侧表面的晶体取向的偏轴角不应大于5°。

还应理解，金刚石衬底的表面粗糙度(Ra)也不应大于5 nm。

图5是示例性的而非限制性的，示出了根据本发明一个实施方案的单晶金刚石衬底。单晶金刚石衬底可以类似于作为图4的一维阵列或图3的多阵列的一部分形成的金刚石衬底之一。单晶金刚石衬底可以是单晶高压高温(HPHT)衬底。单晶金刚石衬底可以是CVD生长的衬底。

单晶金刚石衬底可以在激光切割和抛光生长或开采的金刚石块之后获得。如图5所示，主表面(即，顶表面和底表面)可以具有{100}的晶体取向。如图4的实施方案中所述，主表面之一可以放置在CVD室的衬底支架上，而另一个主表面将经历生长工艺。

此外，与图3和4类似，在生长之前接触单晶金刚石衬底的接触侧表面可以具有{100}、{110}、{113}或{111}的晶体取向。在生长之前不接触的金刚石衬底的非接触侧表面可以具有{100}、{110}、{113}或{111}的晶体取向。

图6是说明性的而非限制性的，说明了根据本发明的一个实施方案沿着彼此相邻放置的两个金刚石衬底的水平面的横向生长方向。单晶金刚石衬底610和620可以与图5的单晶金刚石衬底相似。如图6所示的横向生长方向是从顶表面向上生长方向的补充。

在一个实施方案中，横向生长方向取决于侧表面的晶体取向。基于图6，具有{100}的晶体取向的侧表面的横向生长方向垂直于其侧表面。此外，具有{110}的晶体取向的侧表面的横向生长方向平行于其侧表面。此外，具有{111}或{113}的示例性晶体平面的侧表面的横向生长方向可以不同于如针对{100}或{110}的晶体取向所示的方向。

仍然参考图6，虚线示出了一段时间内生长的进程，以便会聚形成大单晶金刚石晶体金刚石。在一个实施方案中，在两个金刚石衬底之间的物理边界线(可以形成的与图1中描述的应力图线形成对比)可能不再存在。在一个实施方案中，大单晶金刚石可以类似于图1的生长的金刚石100。

在一个实施方案中，通过倾斜金刚石衬底以多个形式布置金刚石衬底，使得至少基于目视检查相邻金刚石衬底之间的间隙可忽略。此外，两个金刚石衬底之间的厚度差小于20μm。或者，两个金刚石衬底之间的厚度差可以小于15μm、10μm或5μm。

使用CVD生长技术沿所有表面(主表面和侧表面)发生外延金刚石生长。在一个实施方案中，CVD生长技术包括微波等离子体CVD (MPCVD)、等离子体增强CVD (PECVD)、热丝CVD (HFCVD)、DC电弧喷射CVD、射频CVD (RFCVD)等。

应该理解，如果外延和生长高度方面不匹配，则沿相邻金刚石衬底的边界的生长将受到高度应力。因此，当金刚石衬底在高度方面匹配并且金刚石衬底之间的间隙可忽略时，可以显著抑制沿衬底边界的非外延生长，并且因此可能显著减小应力。

图7A和7B示出了根据本发明的一个实施方案的具有{111}和{113}的晶体取向的大衬底。

图7A示出了具有{113}的晶体取向的金刚石衬底。图7B示出了具有{111}的晶体取向的金刚石衬底。图7A和7B的两个金刚石都可以从类似于图1的生长的金刚石100的大金刚石获得。如图7A和7B所示，从具有{100}主表面取向和四个侧表面{110}的10 x 10 x 5 mm³生长的金刚石中激光切割出面积大小为10 x 5.7 mm²和10 x 10.86 mm²的相当大的{111}和{113}金刚石衬底。

图8是示例性的而非限制性的，示出了根据本发明的一个实施方案的制造大板状单晶金刚石的方法的流程图。在一个实施方案中，大板状单晶金刚石可以类似于图1、2、7A或7B的金刚石。

在步骤810处，提供第一和第二中间CVD金刚石衬底。中间CVD金刚石衬底可以类似于图3、4和5中所述的金刚石衬底。这些第一和第二中间CVD金刚石衬底中的每一个包括不同晶体取向的至少两个相邻侧面。中间CVD金刚石衬底的侧表面之一具有{100}/{110}/{113}/{111}的晶体取向，而另一个侧表面具有选自{110}/{113}/{111}的不同晶体取向。在一个示例性实施方案中，侧表面之一具有{100}的晶体取向，相邻侧表面具有{110}的晶体取向。

在步骤820处，第一和第二中间CVD金刚石衬底在金刚石生长室中彼此相邻放置。在一个实施方案中，该放置可以类似于图3、4或6。应该理解，生长室可以类似于用于生长单晶CVD金刚石的生长室。

在步骤830处，使用晶体生长工艺使第一和第二中间CVD金刚石衬底连接以形成单个CVD金刚石。在一个实施方案中，连接/生长类似于图6发生。

在一个实施方案中，具有均一质量的大面积单晶金刚石是各种应用所希望的。例如：

机械应用，如在磨损性气氛中的观察窗、切割和磨损应用。

光学应用，如标准具、激光窗口、光学反射器、衍射光学元件、砧等。

电子应用，如检测器、散热器、电站的大功率开关、高频场效应晶体管和发光二极管等。

微波应用，如窗回旋管、微波部件，天线，

声学应用，如表面声波(SAW)滤波器，

美学应用，如宝石，

以及许多其它应用。

Claims (21)

1.一种生产单晶金刚石的方法，包括：

(i)在金刚石生长室中提供彼此相邻的两个或更多个单晶金刚石衬底，其中每个单晶金刚石衬底至少包括顶表面、侧表面和与所述侧表面相邻的另外的侧表面，其中代表侧表面和所述另外的侧表面的晶体取向的三个整数中仅一个不同，且其中所述单晶金刚石衬底的每一个的侧表面的晶体取向彼此相同；

(ii)以这样的方式布置单晶金刚石衬底，使得相同晶体取向的侧表面彼此接触，并且所述另外的侧表面彼此不接触但彼此直接相邻，且将有助于所述两个或更多个单晶金刚石衬底的会聚生长；和

(iii)使用金刚石生长工艺，确保单晶金刚石的金刚石生长。

2.根据权利要求1所述的方法，其中每个单晶金刚石衬底具有{100}晶体取向的顶表面并用作生长表面。

3.根据权利要求2所述的方法，其中每个单晶金刚石衬底的厚度为至少0.1 mm。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述单晶金刚石衬底之间的厚度变化小于15 μm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中每个单晶金刚石衬底具有不大于5 nm的表面粗糙度。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述金刚石生长工艺是化学气相沉积金刚石生长工艺。

7.根据权利要求1所述的方法，其中接触的侧表面具有{100}、{110}、{113}或{111}中任何一个的晶体取向。

8.根据权利要求1所述的方法，其中不接触的所述另外的侧表面具有{100}、{110}、{113}或{111}中任何一个的晶体取向。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的方法，其中晶体取向的偏轴角不大于5°。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述金刚石的横向生长熔合接触的侧表面。

11.根据权利要求10所述的方法，其中接触的侧表面的熔合产生围绕熔合界面的应力区，由此熔合界面内的应力可以与生长在单晶金刚石衬底的顶表面上的单晶金刚石内的应力一样低或者与侧表面的接触处的应力一样高。

12.根据权利要求11所述的方法，其中应力区内的应力足够低以允许单晶金刚石的任何已知的生长后处理。

13.根据权利要求2所述的方法，其中顶表面的晶体取向的偏轴角不大于3°。

14.使用权利要求1-4中任一项所定义的方法生长的单晶金刚石。

15.根据权利要求14中所定义的单晶金刚石，还包括：具有至少一个大于6毫米的边缘的表面，其中所述表面显示垂直于该大于6 mm的表面的边缘延伸的至少一个应力区。

16.根据权利要求15中所定义的单晶金刚石，还包括以侧表面形式的一个或多个另外的表面，其中所述表面处应力的测量值小于所述另外的表面上的应力的测量值。

17.根据权利要求15中所定义的单晶金刚石，其中当与单晶金刚石的其它区域相比时，应力区周围的应力较大。

18.根据权利要求16中所定义的单晶金刚石，其中所述表面和所述另外的表面具有{100}的晶体取向。

19.根据权利要求16中所定义的单晶金刚石，其中所述表面与所述另外的表面之间的距离为至少0.1 mm。

20.根据权利要求15中所定义的单晶金刚石，其中所述应力区内的应力足够低，以能够对单晶金刚石进行机械抛光。

21.根据权利要求15中所定义的单晶金刚石，其中所述应力区内的应力在使用拉曼分析测量时产生的拉曼线宽在3.3 cm^-1至3.8 cm^-1的范围内。

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