CN1608148A - 生产金钢石的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在沉积室内生产金刚石的装置，包括：用于夹持金刚石并与金刚石的邻近于其生长面的一边的侧面热接触的散热夹具；设置用来测量沿金刚石生长面的温度的非接触式温度测量装置；和用于接收来自上述非接触式温度测量装置的温度测量数据并控制生长面的温度使沿生长面的所有温度梯度小于20℃的总过程控制器。一种生产金刚石的方法，包含如下步骤：在夹具内安置金刚石使之与金刚石的邻近于其生长面的一边的侧面热接触，测量金刚石生长面的温度并得出温度测量数据；根据上述温度测量数据控制生长面的温度；和在生长面上按微波等离子化学蒸气沉积法生长单晶金刚石，其中，金刚石生长速率大于1μm/h。

Description

生产金刚石的装置和方法
技术领域
本发明涉及生产金刚石更具体地说是在沉积室内采用微波等离子化学蒸气沉积法(MPCVD)生长金刚石的装置和方法。
背景技术
长期以来，大规模生产人造金刚石一直是研究部门和工业部门的目标。金刚石除了具有宝石性质外，还是公知的最硬的材料，它具有公知的最好的热传导性，并且可以透过许多种电磁射线。因此，金刚石除了作为宝石的价值外，由于在多种工业上有广泛的用途，所以是很宝贵的。
至少在近20年来，已应用化学蒸气沉积法(CVD)少量生产金刚石。正如B.V.Spitsyn等人在“在金刚石上和其他表面上蒸气制造金刚石”一文(晶体生长杂志，vol.52，pp219～226)中报道的，其过程是在较低压力和800～1200℃温度下采用甲烷或其他简单的碳氢化合物气体与氢气的混合物在一个基板上进行金刚石的CVD(化学蒸气沉积)的过程。加入氢气是为了防止形成作为金刚石核心和长大的石墨。据报道，按这种技术的金刚石生产速率达1μm/h。
随后的工作，例如Kamo等人发表的“在微波等离子中从气相合成金刚石”(晶体生长杂志，vol，62，pp642～644)的工作，说明了可在压力为1～8Kpa、温度为800～1000℃、微波功率300～700W(频率2.45GHz)的条件下采用微波等离子化学蒸气沉积法(MPCVD)生产金刚石。在Kamo的工艺中采用了浓度为1～3％的甲烷气。据报道，采用这种MPCVD法的最大生长速率为3μm/h。
在上述的工艺中，以及在更近期报导的工艺中，生长速率都仅限于每小时n个微米。公知的高生长速度的工艺仅仅生产或者说生长出多晶形态的金刚石。企图在高于每小时1微米的生长速度下生产单晶金刚石通常得到粗大的孪生的单晶金刚石、多晶金刚石或完全没有金刚石。而且，公知的生长金刚石的过程通常要求在低于100乇的低压下进行。
发明内容
因此，本发明瞄准一种基本上克服了一个或多个由于现有技术的局限性和缺点所造成的问题的生产金刚石的装置和方法。
本发明的目的涉及一种用于在微波等离子化学蒸气沉积系统内以高的生长速率并在中等压力下生产金刚石的装置和方法。
本发明的附加的特征和优点将在随后的说明中阐述，并且部分地将从说明中明白，或者可通过本发明的实践而认识到。本发明的目的和其他优点将通过在所写的说明书和权利要求书以及附图中具体指明的结构而被认识和获得。
为了获得上述的和其他的优点，并按照本发明的作为实施的和广义上说明的优点，在沉积室内生产金刚石的装置的一个实施例包括：一个用于夹持金刚石并与金刚石的邻近于其生长面的一边的侧面热接触的散热夹具；一个设置用来测量金刚石的沿其生长面的温度的非接触式温度测量装置；和一个用于接收来自上述温度测量装置的温度测量数据并控制生长面的温度使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃的总过程控制器。
在另一个实施例中，生产金刚石用的试件夹具装置包括：一个金刚石；一个与金刚石的邻近其生长面之一边缘的侧面热接触的散热夹具，其中，金刚石可滑动地安置在该散热夹具内；一个用于接收来自散热夹具的热能的平台；和一个可沿大致垂直于生长面的轴线移动以便使金刚石在散热夹具内复位的第一致动件。
在又一个实施例中，生产金刚石用的试件夹持装置包括：一个金刚石；一个与金刚石的邻近于其生长面的一条边缘的侧面热接触的散热夹具；一个用于接收来自散热夹具的热能的热体，其中，通过该热体施加压力而将金刚石夹持在散热夹具内；和一个用于接收来自散热夹具并通过热体的热能的平台。
按照本发明的一个实施例，一种生产金刚石的方法包含如下步骤：在夹具内安置金刚石，使其与金刚石的邻近于其生长面的一条边缘的侧面热接触；测量金刚石生长面的温度，获得温度测量数据；根据该温度测量数据控制生长面的温度；和采用微波等离子化学蒸气沉积法生产单晶金刚石，其中，金刚石生长速率大于1μm/h。
按照本发明的另一个实施例，生产金刚石的方法包含如下步骤：将金刚石安置在一种夹具内；测量金刚石生长面的温度而获得温度测量数据；由总过程控制器利用上述温度测量数据控制生长面的温度，使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃；在生长面上生长金刚石；和使金刚石在夹具内复位。
按照本发明的又一个实施例，生产金刚石的方法包含如下步骤：控制金刚石生长面的温度使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃；和在气氛压力至少为130乇的具有一定生长温度的沉积室内按照微波等离子化学蒸气沉积法在生长面上生长单晶金刚石。
按照本发明的再一个实施例，生产金刚石的方法包含如下步骤：控制金刚石生长面的温度使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃；和在900～1400℃温度下按微波等离子化学蒸气沉积法在生长面上生长单晶金刚石。
要明白，无论是上面的总的说明还是下面的详细说明都是示例性的和说明性的，必须要像权利要求书那样进一步说明本发明。
附图说明
用于进一步说明本发明并并入和构成本说明书的一部分的附图说明本发明的各种实施例，并与详细说明一起用来说明本发明的原理。
图1是按照本发明的一个实施例的金刚石生产设备的简图，其中示出具有在金刚石生长过程中固定夹持金刚石的试件夹持装置的沉积装置的剖视图；
图2a是图1所示的沉积装置的透视图；
图2b是图1所示的金刚石和包套的透视图；
图3是按照本发明的另一实施的金刚石生产设备的简图，其中示出具有在金刚石生长过程中移动金刚石的试件夹具装置的沉积装置的剖视图；
图4a～4c示出按照本发明可以使用的夹具或热体的剖视图；
图5是按照本发明的又一实施例的金刚石生产设备的简图，其中示出具有在金刚石生长过程中移动金刚石的试件夹持装置的沉积装置的剖视图；
图6是可以使用图1所示的试件夹持装置的按照本发明的实施例的工艺过程600的流程图；
图7是可以使用图3所示的试件夹持装置或图5所示的试件夹持装置的按照本发明的实施例的工艺过程700的流程图。
具体实施方式
下面详细参考本发明的优选实施例，其实例示于附图中。图1是按本发明的一个实施例的金刚石生产设备100的示意简图，其中的沉积装置102以剖视图示之。金刚石生产设备100具有一个包含一个沉积装置102和反应剂和等离子控制器106的微波等离子化学蒸气沉积装置(MPCVD)104。例如，MPCVD装置可以是由Wavemat公司生产的WAVEMATMPDR 330313 EHP。这种MPCVD装置可产生频率为2.45GHz的6kw输出功率，其沉积室的容积约为5000cm3。但是，MPCVD装置的技术要求可以随依据沉积区的尺寸和/或沉积速度决定的沉积过程的规模而变化。
MPCVD装置104具有一个位于沉积装置102内的沉积室，该室至少部分地由用来封闭它的钟形罩108界定。在MPCVD作业之前，先对沉积室抽真空，例如，首先用机械型真空泵对沉积室抽真空，然后用高真空类的真空泵例如涡轮泵或低温抽气泵对沉积室内进一步抽真空。通过一组在沉积室内隔开安装的等离子电极在沉积室内产生等离子。上述的泵和等离子电极在图1中都未示出。
沉积装置102还具有一个安装在MPCVD装置的沉积室内的试件夹持装置120，该试件夹持装置120通常设置在沉积装置102的沉积室地板122的中央(见图1)。在图1中示出了试件夹持装置120的剖视图。试件夹持装置120包括建立在沉积装置102的地板上的平台124。
如图1所示，平台124用螺栓126a和126c固定在沉积室地板122上。平台124可以用钼或其他导热性良好的材料制成。另外，在金刚石生长过程中可由通过平台124内的冷却剂管128内流过的冷却剂对平台124进行冷却，所述的冷却剂可以是水、致冷剂或其他类型的具有足够传热能力来冷却平台的流体。虽然图1示出冷却剂管128以U形路线通过平台124，但是，冷却剂管128也可按螺旋形路线或其他型式路线通过平台124，以便更有效地冷却平台124。
如图1所示，在试件夹持装置120的平台上设置一个带有定位螺钉(例如螺钉131a和131c)的定位环130，定位螺钉用来上紧包围夹持金刚石136的包套134的弹性夹头132a和132b。上述包套134是一个可与金刚石136的邻近其上表面之一条边的侧面实行热接触的夹具。由于弹性夹头132a和132b由螺钉131固紧在包套134上，故包套134使金刚石136保持在固定位置上，并起到一种散热器的作用，防止沿金刚石136的生长面的边缘形成孪晶或多晶金刚石。
金刚石136包括金刚石籽晶部分138和生长出的金刚石部分140。金刚石籽晶可以是制成的金刚石或天然的金刚石。如图1所示，金刚石136的上表面或者说生长面位于沉积室地板122之上一个高度H处的具有谐振功率的等离子区141内。上述谐振功率在等离子区141内为最大的谐振功率或者是其一个方次。金刚石136上表面或者说生长面最初是金刚石籽晶部分138，然后，随着金刚石生长是长成的金刚石部分140。
如图1所示，包套134的上边缘位于刚好低于金刚石136之上表面或者说上边缘的一个距离D处，该距离D应当足够大到使金刚石136之生长表面上边缘暴露在等离子区141内。但是，距离D不可大到令阻止包套134散热的程度，否则就会沿金刚石136的生长面边缘形成孪晶的或多晶的金刚石。因此，距离D应在一个规定范围例如0～1.5mm内。如图1所示、距离D和高度H可用定位环130的定位螺钉131按下列方法实行人工调节：将金刚石136置于包套134内，再将该包套134置于弹性夹头132a和132b内，然后拧紧螺钉131。
图2是图1所示沉积装置的透视图，在图2的沉积室地板122的中央是一个带有中央凹部125的圆形平台124，如图2所示，平台124由螺栓126a～126d固定在适当位置。平台124可由钼或其他导热性良好的材料制成。带有4个螺钉131a～131d的定位环130与弹性夹头132a，132b一起置于平台124的凹部125内。在替换实施例中，用螺栓将定位环130固定在平台124上以加强平台与定位环之间的热传导。
如图2a所示，在弹性夹头132a和132b内安置带有金刚石136的矩形包套134。该包套134可以是短段的矩形管，也可以是用折叠成矩形的薄板。包套124可用钼或其他的导热性良好的材料制成。在弹性夹头132a和132b上拧紧螺钉131a～131d，这就将包套134固紧在金刚石136上，从而使包套134在金刚石136的4个侧面上起到散热器的作用。如图1所示，包套134也与平台124热接触。弹性夹头132a～132b与平台124热接触，用作从包套134传热到平台124的热体。将包套134固紧在金刚石136上提高了金刚石与包套之间的热接触质量。如图1所示，包套134也可与平台124热接触，虽然图2示出包套和金刚石都具有矩形形状，但是，包套和金刚石也可具有其他的几何形状例如椭圆形、圆形或多角形。包套或者说夹具的形状应当与金刚石的形状基本相同。
在图2a和图1所示的本发明的典型实施例中，平台124的直径约为10.1cm，包套134的宽度约为2.5cm。不管平台124和包套134的选用尺寸如何，都可调节平台124、钼制包套134和弹性夹头132的热质量以便使金刚石得到最好的散热。另外，可改变冷却剂管128的途径和范围以获取更好的冷却效果，尤其是在生产特别大的金刚石时更应这样，而且，致冷剂或其他低温流体也可用作冷却剂。
钼仅仅是制造平台124、定位环130、包套134、夹头132和其他零件的一种潜在材料。由于钼具有高的熔点(2617℃)和良好导热性，故适合于制作上述零部件。另外，还不容易在钼上形成大的石墨聚集物。其他的材料，例如熔点高于工艺过程温度且导热性良好的钼-钨合金和工程陶瓷都可用作钼的替代材料。
再参看图1，金刚石生产设备100的另一部件是非接触性测量装置例如红外高温计142，它用来在金刚石生长过程中监控金刚石籽晶138和随后生长的金刚石140的温度而不与金刚石136接触。上述红外高温计142可以是例如Mikron仪器公司(新泽西州，奥克兰)提供的MMRON M77/78两色红外高温计。红外高温计142以2mm的预定测量区聚焦在金刚石籽晶138和随后生长的金刚石140上。采用红外高温计142，可测量金刚石136生长面上的温度精确到1℃以内。
图1的金刚石生产设备100还具有一个MPCVD过程控制器144，该控制器144通常作为MPCVD装置104的一部分。正如在现有技术众所熟知的那样，MPCVD过程控制器144对许多MPCVD参数(包括但不限于用反应剂和等离子控制器106测出的过程温度、气体流量、等离子参数、和反应剂流速)实行反馈控制。MPCVD过程控制器144和总过程控制器146协同动作。总过程控制器146从MPCVD控制器144、红外高温计142、以及金刚石生产设备100的其他部分的其他检测器获取信息，并对生产过程实施执行水平的控制，例如，总过程控制器146可用冷却剂控制器148测量和控制平台内的冷却剂温度和流速。
总过程控制器146可以是普通用途的计算机一种专用于控制MPCVD过程的专用计算系统如ASIC或其他公司的计算系统。根据总过程控制器146的类型，可将MPCVD过程控制器144与总过程控制器146相组合而合并这两部件的功能。例如，总过程控制器146可以是装有国家仪器公司(得克萨斯州，奥斯汀市)的Lab VIEW编程语言和Lab VIEW程序的普通用途计算机，以致装配有一般目的的计算机便可控制、记录和报告所有的过程参数。
图1的总过程控制器146控制生长面的温度，使沿金刚石生长面的所有温度梯度都小于或等于20℃。精确控制生长面的温度和生长面的温度梯度可防止形成多晶或孪晶金刚石，这样就可长成大的单晶金刚石。控制沿金刚石136的生长面的所有温度梯度的能力取决于几个因素，包括：平台124的散热能力、金刚石的上表面在等离子区141内的位置、金刚石生长面所接触的等离子区141的均匀性、从金刚石边缘通过夹具或者说包套134向平台124传热的质量、微波功率和冷却剂流速、冷却剂温度、气流速度、反应剂流速的可控制性、以及红外高温计的检测能力。总过程控制器146根据红外高温计142的温度测量数据控制生长面的温度，使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃，其方法是调节等离子区的微波功率、冷却剂流速、冷却剂温度、气流速度和反应剂流速。
图2b是图1所示的金刚石136的透视图，示出了沿金刚石136生长面的典型部位P1、P2、P3和P4，图2b也示出金刚石136的生长面137或者说上边缘139与包套134的边缘135之间的距离D。按照沿生长面的温度差，通常在金刚石的生长面的边缘与中间部位之间有大的温度变化。例如部位P1与P2之间的温度梯度大于部位P1与P3之间的温度梯度。在另一个实例中，部位P4与P2之间的温度梯度大于部位P4与P3之间的温度梯度。因此，要控制金刚石生长面的温度使其沿生长面的所有温度梯度都小于20℃，就应当考虑测量生长面137的中央与边缘139之间的温度差。例如，总控制器146可以控制生长面的温度使部位P1与P2之间的温度梯度小于20℃。
红外高温计的光点尺寸可影响监控沿金刚石生长面的温度的能力，从而影响金刚石生长速度。例如，若金刚石的尺寸比红外高温计的光点尺寸大，那么在金刚石生长面的每条边上的温度可能在红外高温计的观察场之外。因此，生长面积大的金刚石应当采用多台红外高温计，每台高温计应聚焦在金刚石表面上不同边缘上，必要时，优选地靠近转角处。因此，应当对如图1所示的总过程控制器146编程，以综合来自各台红外高温计的叠加的观察场以产生沿金刚石表面的温度连接“图”，或插在非叠加的观察场之间以产生跨过金刚石生长面的温度解释“图”。在一个替换实施例中，生长面的单一边或转角处与中间部位之间的温度梯度可以作为穿过金刚石生长面存在的最大温度梯度的指标来监控。
除了控制温度的红外高温计以外，金刚石生产设备100还可具有其他的过程控制测量仪器。附加的一种过程控制测量仪器是在金刚石生长过程中测定金刚石类型和质量的装置。这种装置的实例有可视的、红外和喇曼分光仪，这种分光仪实质上是光学仪器，可聚焦在红外高温计的同一位置上以便在金刚石正在生长时获取有关金刚石结构与质量方面的信息。如果设置这种附加装置，可将它连接到总过程控制器146上，使得总过程控制器146也可控制上述测量仪器，并与其他状态信息一起示出分析方法的结果。上述的附加过程控制测量仪器特别用于实验调整按比例放大的生产较大金刚石的工艺过程以及致力于现有金刚石生产设备100和相应工艺过程的质量控制。
随着金刚石136生长，距离D和高度H都增加。当D增大时，包套134对金刚石136的生长面的上边缘136的散热能力减小。另外，等离子的特性例如温度和/或均一性会随着金刚石136的生长面伸入等离子区141而变化。在金刚石生产设备100中，可使生长过程周期性地暂停，以便相对于包套134向下调节金刚石136的位置以减小距离D，并且可相对于沉积室地板122向下调节金刚石136和包套134的位置以减小高度H。上述的重调位置使金刚石生长面可在等离子区141内的预定的谐振功率范围内生长金刚石，并允许红外高温计142和其他附加仪器保持聚焦在金刚石136生长面，且维持有效的热接触，以散失掉来自金刚石136生长面边缘的热量。但是，重复地停止金刚石生长过程对大量生产来说是不方便的，而且一不小心还可能将污染物引入生产过程。
图3是按照本发明的一个实施例的金刚石生产设备300的示意简图，图中示出具有可在金刚石生长过程中移动金刚石136的试件夹持装置320的沉积装置的剖视图。该金刚石生产设备300的一些零部件基本上与金刚石生产设备100的相同，因此，上面对于图1的说明将足以说明图3中标以同样标号的零部件，例如，图3的高温计142、沉积室地板122、冷却剂管128、和钟形罩108大致与图1所述的相同。
如图3所示，金刚石136安装在试件夹持装置320的包套134内的金刚石致动件360上。金刚石136可滑动地安装在可沿大致垂直于生长面的轴线移动的金刚石致动件360上的包套134内。金刚石致动件360穿过平台324伸出，并由平台324下方的金刚石控制器(图3中的冷却剂和金刚石/夹具控制器329中的一部分)控制。金刚石致动件360用于调节金刚石136的生长面与沉积室地板122之间的高度H。虽然图3示出的金刚石致动件360像一根丝杆，但是金刚石致动件还可以是任何其他几何形状的，只要能将金刚石136置于沉积室地板122上方一定高度或一个位置上即可。本专业技术人员会认识到，置于钟形罩108内的零件例如金刚石致动件360应当适应于真空下工作，以避免产生保持所需气氛方面的问题。
金刚石致动件360的驱动器是一种电动机(未示出)。但是，该驱动器可以是众多公知类型的驱动器中的任一种，具体要根据所生产的金刚石的大小、生长速率和所要求的移动精度水平来决定。例如，如果金刚石136的尺寸小，可采用压电式驱动器，若金刚石尺寸较大或者说可生长得较大，那么最好用可自动化计算机控制的驱动器。不管采用那一种具体的驱动器，总过程控制器346都控制金刚石致动件360的移动，以使金刚石136随着生长进程而自动地向下移动。
另外，穿过平台324伸出一个夹具致动件362，该致动件362由平台下方的夹具控制器来控制，该夹具控制器是图3中的冷却剂和金刚石/夹具控制器329的一部分。夹具致动件362可沿大致垂直于生长面的轴线移动，用于保持金刚石136生长表面的一边缘与夹具或者说包套134的上边缘之间的距离D。金刚石生产设备可具有一个金刚石致动件、一个夹具致动件、或这二者的组合件。
如图3所示，夹具致动件362由螺纹拧紧在平台324上，金刚石致动件360则拧紧在夹具致动件362内。采用这种结构，图3的冷却剂和金刚石/夹具控制器329中的金刚石和夹具控制器可移动金刚石136、包套134，或既移动包套134，又移动金刚石136。虽然图3所示的夹具致动件362像一个带螺纹的圆筒，其内螺纹用于与金刚石致动件360相啮合，其外螺纹用于拧入平台324内，但是，夹具致动件也可以是其他几何形状的，只要能保持金刚石136的生长面的一条边与夹具或者说包套134的顶边之间的规定的距离范围即可。本专业技术人员会认识到，置于钟形罩108内的零部件例如夹具致动件362或夹具致动件与金刚石致动件的组合件应当适应于真空下工作，以避免保持所需气氛方面的问题。
如图3所示，在平台的凹部324内安置了一个热体364，夹具或者说包套134则可滑动地置于上述热体364内，以便将热能从包套134传递给平台324。热体364的上表面可做成异形，使之可在传导来自包套134的热量的同时保热体364对等离子区341的电影响最小。图4a～4c示出的热体466a、466b和466c分别是具有不同截面形状的导形热体的实例，在替换实施例中，它们用来代替图3的热体364。上述热体可用钼来制造。凡其熔点高于过程温度且其导热性相当于钼的导热性的其他材料(例如钼-钨合金或工程陶瓷)，都可用作将热量从金刚石侧面传给平台的热体。
通过使热体364对等离子区341的电影响最小，等离子区内的金刚石生长的区域将会更均匀。另外，在金刚石生长时可用较高的压力，这将提高单晶金刚石生长速率。例如，压力从130乇提高到400乇，单晶生长速率可从50微米/小时提高到150微米/小时。采用较高压力例如400乇是可能的，因为等离子区341的均匀性、形状和/或位置都不那么容易受热体364的影响(因为热体364是异形的，可消除来自金刚石生长表面边缘的热量，并使热体364对等离子区341的电影响减至最小。另外，只需要较小的微波功率例如1～2kW来维持等离子区341。其他情况下，则必须用较低的压力和/或较高的微波功率来保持等离子区341的均匀性、形状和/或位置。
金刚石生长时，距离D和高度H都会增大。随着距离D增大，包套134对金刚石136生长表面上边缘的散热能力减小。另外，等离子区的特性例如温度也会随着金刚石生长面进入等离子区341而发生变化。在金刚石生产设备300中，当金刚石136生长达到预定厚度时，由于总过程控制器346在金刚石生长过程中通过冷却剂和金刚石/夹具控制器329应用金刚石致动件360和夹具致动件362控制距离D和高度H而使生长过程停止。这种在MPDVD过程控制器144的控制下的手动或自动的复位允许金刚石生长面在等离子区341内的预定谐振动率区内生长金刚石。而且，上述的复位允许红外高温计和任何附加的仪器保持对金刚石生长表面聚焦，并可保持有效地散失来自金刚石136生长面边缘的热量。
图5是按照本发明的一个实施例的金刚石生产设备500的示意图，图中示出了具有可在金刚石生长过程中移动金刚石136的试件夹持装置520的沉积装置540的剖视图。金刚石生产设备500的一些零部件与金刚石生产设备100和300的大致相同，因此，上面对图1和图3的说明足以说明图5中以同样标号示出的零部件，例如，图5中的高温计142，沉积室地板122、冷却剂管128和钟形罩108与图1中的基本相同。在另一个实例中，图5中的冷却剂和金刚石/夹具控制器329和金刚石致动件360与图3的基本相同。
如图5所示，金刚石136安装在金刚石致动件360上和起着夹具作用的异形热体566之内。将金刚石136直接置于异形的热体566内，可提高为金刚石136散热的热效率。但是，等离子区541更易受影响，因为整个异形热体都由金刚石夹具控制器(在图3中，它是冷却剂和金刚石/夹具控制器329的一部分)通过平台524内的夹具致动件562来移动的。因此，总过程控制器546应当计入适当控制等离子和/或生长过程的其他参数的一些因素。在一个替换实施例中，用图3所示的凸形热体364、图4b所示的斜侧面热体466b、图4c所示的斜侧面/圆筒形热体466c或其他形状的热体代替图5所示的凹形热体566。
图6示出按本发明的各种可应用图1所示试件夹持装置的金刚石生长过程600的流程图。过程从步骤S670开始，在该步骤，将一个合适的金刚石籽晶或生长过程中的金刚石置于夹具内。例如在图1的试件夹持装置120中，金刚石籽晶置于包套134内，由操作者拧紧螺钉131a～131d，其他的机构可用来使金刚石和包套保持在适当位置上，例如弹簧加载弹性夹头、液压传动器或其他机构均可用来对夹具或者说包套施加作用力。
在步骤S672，测量金刚石(金刚石籽晶或长成的金刚石)生长面的温度。例如，图1的高温计142检测生长面(生长中的金刚石140的顶表面)的温度测量值，并将此值提供给总过程控制器146。有了测量温度数据后，总过程控制器146便可确定沿金刚石136的生长面的温度梯度，或者至少可将金刚石生长面的一条边上的温度输入总过程控制器146。
正如在图6中的S674步骤中所述，总过程控制器例如图1所示的总过程控制器146可控制生长面的温度。该总过程控制器通过使跨过生长面的温度梯度保持在20℃以下来控制上述温度。控制温度时，要确定金刚石是否应在夹具中复位(如图6中步骤S675所示)，如果总过程控制器未通过控制等离子、气流和冷却剂流来控制金刚石生长面的温度使跨过生长面的所有温度梯度都低于20℃，那么生长过程就会停止，以便使金刚石在夹具内复位(如图6中步骤S678所示)，从而使金刚石更好地散热和/或使金刚石更好地置于等离子区内。如果总过程控制器可以保持沿金刚石生长面上所有温度梯度都低于20℃，那么，就会在生长面上继续生长金刚石，如图6的步骤S676所示。
如图6所示，在确定应使金刚石复位之前，测量金刚石生长面的温度、控制生长面的温度并使金刚石在生长面上生长。虽然上面作为各个步骤示出和说明了上述的测量、控制、生长和确定的内容，但是，这些步骤并非一定依序进行的，而是可彼此协同地同时进行的，例如，可以在测量金刚石生长面的温度和控制生长面的温度的同时，实施在生长面上生长金刚石的步骤。
步骤S678所进行的金刚石复位可以手动地或遥控地进行。另外，如图6中步骤S673所示，要确定金刚石是否达到预定的或者说所需的厚度。上述的确定基于通过机械的或光学的装置的真实测量结果。在另一个实例中，上述的确定依据考虑到公知的过程生长速度的进行时间的长短。如果金刚石已达到预定的厚度。那么，生长过程便告完成，如图6中步骤S680所示。如果金刚石未达到预定的厚度，那么，生长过程会再次开始，这就要继续测量金刚石生长面的温度，控制生长面的温度，并在生长面上生长金刚石，直到确定金刚石需要复位为止，如图6所示。
图7是示出按本发明的实施例可以应用图3和图5所示试件夹持装置的生长过程700的流程图。该过程700从步骤S770开始，在夹具中置入合适的金刚石籽晶，该籽晶可以是长成的金刚石、制造的金刚石、天然金刚石或它们的结合体。例如，在图3的试件夹持装置320中，通过包套134将金刚石籽晶138置于金刚石致动件360上(见图3)。在另一个试件夹持装置的实例中，金刚石籽晶138置于金刚石致动件360上的异形热体566内(见图5)。
在步骤S772，测量金刚石(金刚石籽晶或籽晶上新生长的金刚石)生长面的温度。例如，图3的高温计142测出生长面(生长中的金刚石140的顶表面)上的温度测量值，并将此值提供给总过程控制器。在另一个实例中，图5的高温计142测量生长面(金刚石籽晶的顶表面)的温度测量值，并将此值提供给总过程控制器546。总过程控制器546得到这些温度测量值便可确定沿金刚石生长面的温度梯度，或者至少将生长面的一条边上的温度输入总过程控制器。
如图7中步骤S774所示，用总过程控制器例如总控制器346或546控制生长面的温度。总过程控制器控制金刚石生长面的温度，使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃。如图7中步骤S775所示，在控制生长面的温度的同时，要确定金刚石是否需要复位。如果总过程控制器未能通过控制等离子、气体流和冷却剂流来保持金刚石生长面的温度，使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃，那么就按图7所示的从步骤S775至步骤S775和S778的“是”路线，在金刚石生长的同时使金刚石复位。金刚石复位后，其生长面边缘的散热得以改善。另外，可使生长面置于等离子区的具有保持沿生长面的所有温度梯度都低于20℃的均一性的最佳区域内。如果总过程控制器可保持沿金刚石生长面的所有温度梯度都低于20℃，那么，可按图7中从步骤S775至步骤S776的“否”路线继续在生长面上生长金刚石而不需要使金刚石复位。
在金刚石生长过程中测量金刚石生长面的温度、控制生长面的温度、使金刚石在生长面上生长和使金刚石在夹具内进行复位，直到确定金刚石已达到预定厚度为止。如图7中步骤S773所示，如果要确定金刚石是否已达到预定的或者说所需的厚度，那么，这个确定要基于机械的或光学的装置的真实测量数据，例如一种在生长过程中根据金刚石必须复位的距离记录深度或数量的跟踪程序。在另一个实例中，上述的确定依据考虑到公知的生长过程的生长速度的进行时间的长短。如果金刚石已经达到预定的厚度，那么生长过程便告完成，如图7中步骤S780所示。如果金刚石未达到预定的厚度，那么生长过程便要继续测量金刚石生长面的温度、控制生长面的温度、在生长面上生长金刚石和使金刚石在夹具内复位，直到确定金刚石需要复位为止，如图7的从步骤S773至S774的“否”路线所示。
实施程序600和700时，只要能保持“逐步生长”的条件，金刚石生长就会照例连续进行。一般而言，“逐步生长”条件涉及金刚石136生长面上的生长而使金刚石136实际上是光滑的，没有“露头”或孪晶。上述的“逐步生长”条件是可以直观地检验的。另外，可用激光扫描金刚石136的生长面，激光反射的变化将表明有“露头”或孪晶形成。上述的激光反射可编入总过程控制器的程序中，作为停止生长过程的一种条件。例如，除了确定金刚石是否达到预定厚度以外，还可确定激光反射是否被接收。
按照本发明典型实施例的方法通常设计成可按较高的[100]生长速度制成大的高质量的金刚石。生长过程的温度可根据所需的单晶金刚石的具体类型或是否使用氧气约在900～1400℃范围内选择。多晶的金刚石可以在更高温度下制成，而金刚石状的碳可在较低压力下制造。在生长过程中，使用压力约130～400乇，甲烷浓度为6～12％甲烷。若碳氢化合物的浓度高于15％可造成MPCVD室内过多的石墨沉积，反应剂混合物中加入1～5％的N2/CH4可形成更多可用的生长点，提高生长速率，促进{100}晶面的生长。从下面的实例可以更详细地了解本发明的其它方面。
                         实例1
在图1所示的上述MPCVD沉积室内进行金刚石生长过程。首先，在沉积室内安置一块市场购买的3.5×3.5×1.6mm3的高压高温(HPHT)合成的Ib型金刚石籽晶。该金刚石籽晶具有抛光的光滑表面，该表面用两酮进行过超声波清洗。其沉积面位于金刚石籽晶的{100}晶面的2°之内。
对沉积室抽真空至基本压力为10-3乇。红外高温计142以65°的入射角通过石英窗口聚焦在金刚石生长面上，其光点尺寸最小为2mm2。金刚石生长在160乇的压力下进行，其气体浓度为3％N2/CH4+12％CH4/H2。沉积过程温度为1200℃，气流速度为500sccmH2，600sccmCH4，和1.8sccmN2。允许沉积过程连续进行12h。
制成的金刚石是未抛光的、且在籽晶上生长约0.7mm的、最终为4.2×4.2×2.3mm3的方块，籽晶上的生长速率为58μm/h。生长形态表明，其<100>侧面的生长速率比<111>转角处的生长速率快。生长参数约为2.5～3.0。
长成的金刚石用下列试验方法表征：X射线衍射(XRD)、喇曼分光仪、荧光(PL)分光镜、和电子顺磁谐振(EPR)。对制得的金刚石进行X射线衍射研究证实该金刚石是单晶，在其上边缘带有小角度多晶体。MPCVD长成的金刚石和籽晶的目视/近红外透射光谱确认氮已有效地进入晶体结构。喇曼分光仪证明MPCVD长成金刚石的顶面的光学特性不同于籽晶金刚石，但有相同的内应力。
按照上述实例1的准则生产过许多MPCVD金刚石，但上述的过程温度有所改变。这些试验说明了按本发明的实施例在生长过程中生产各种类型的金刚石的过程温度范围。表1表出了上述试验的结果。
表1生长各种金刚石的过程温度
温度范围 所生长的金刚石类型
＜1000℃1000～1100℃1100～1200℃1200～1220℃1220～1400℃＞1300℃ 球状的黑色金刚石状的碳(DLC)光滑的暗褐色金刚石褐色的金刚石光滑的淡黄色生长物淡黄色尖塔状八面体的阶式流线型金刚石孪晶或多晶金刚石
                          实例2
基本上按照上述实例1的程序但添加了少量(1～3％)氧并将过程温度降低至900℃，制出厚度大于0.6mm的优质的纯CVD单晶金刚石。添加少量氧允许用较低的过程温度，去除了与氮有关的杂质并减少硅和氢的杂质含量。本过程的生长速率约为10μm/h，低于实例1的生长速率，但仍高于普通的生长过程。
采用上述方法制成的金刚石的颜色可通过退火处理加以改变。例如，可使褐色金刚石的黄色通过退火变成绿色金刚石。其他的有关按上述实例制造的金刚石的情况发表在本发明人的一篇标题为“很高生产速率的单晶金刚石的化学蒸气沉积”论文中(国家科学院文集，2002年10月1日，第99卷，第2期，PP12523～12525)，该论文的全部内容纳入本文作为参考。
采用上述方法和装置生产的金刚石是相当大的、无缺陷的而且是半透明的，可用作高能激光装置的窗口或高压装置的测砧。
由于本发明可在不违背其精神或本质特征的情况下以多种形式加以实施，所以也应当明白，上述的实施例不应受上述说明中的任何细节的限制，而应当(除非另有规定)在所附权利要求的精神和范围内从广义上加以解释，因此，所有符合权利要求范围或相当于此范围的改变或者说改型都要包括在所附权利要求的范围内。

Claims (64)

1.一种在沉积室内生产金刚石的装置，该装置包括：
一个用于夹持金刚石并与该金刚石的邻近于其生长面的一条边的侧面热接触的散热夹具；
一个用于测量金刚石的跨过其生长面的温度的非接触式温度测量装置；和
一个用于接收来自上述非接触式温度测量装置的温度测量数据并控制生长面的温度使跨过生长面的温度梯度低于20℃的总过程控制器。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述的散热夹具是一种钼制管段。
3.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述的散热夹具安置在沉积室内固定的平台内，并将热能传递给该平台。
4.根据权利要求3的装置，其特征在于，上述的散热试件夹具与一个热体相接触，该热体将热量传递给平台。
5.根据权利要求4的装置，其特征在于，通过螺钉对着上述夹具固紧上述热体而将金刚石夹持在散热夹具内。
6.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述金刚石可滑动地安置于上述散热夹具内。
7.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述金刚石可滑动地安置于上述散热夹具内，并安置在一个可沿大致垂直于生长面的轴线移动的第一致动件上。
8.根据权利要求7的装置，其特征在于，上述散热夹具置于一个可沿大致垂直于生长面的轴线移动的第二致动件上，以便使金刚石生产面的边缘与散热夹具的上边缘之间保持一定的距离。
9.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述的散热夹具置于第一致动件上，并可滑动地置于用来接纳来自金刚石的热量的热体内。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于，上述的金刚石可滑动地安置在上述散热夹具内，并置于可沿大致垂直于生长面的轴线移动的第二致动件上。
11.根据权利要求9的装置，其特征在于，上述的热体是一个安装在沉积室内的平台。
12.根据权利要求9的装置，其特征在于，上述的第一致动件可沿大致垂直于生长面的轴线移动以使金刚石生长面的一条边与散热夹具的上边缘之间保持一定的距离。
13.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述的非接触性温度测量装置是一种红外高温计。
14.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述的金刚石基本上是单晶体金刚石。
15.一种用于生产金刚石的试件夹持装置，该装置包括：
一个金刚石；
一个可与上述金刚石的邻近其生长面的一条边的侧面热接触的散热夹具，其中，上述金刚石可滑动地安置在上述散热夹具内；
一个用于接纳来自散热夹具的热能的平台；和
一个可沿大致垂直于生长面的轴线移动的用于使金刚石在散热夹具内复位的第一致动件。
16.根据权利要求15的夹持装置，其特征在于，上述的散热夹具由钼制成。
17.根据权利要求15的夹持装置，其特征在于，上述的散热夹具可与一个将热量传递给平台的热体热接触。
18.根据权利要求15的夹持装置，其特征在于，上述散热夹具安置在一个可沿大致垂直于生长面的轴线移动以便使金刚石生长面的一条边与散热夹具的上边缘之间保持一定距离的第二致动件上。
19.一种用于生产金刚石的试件夹持装置，该装置包括：
一个金刚石；
一个可与金刚石的邻近于其生长面的一条边的侧面热接触的散热夹具；
一个用于接收来自散热夹具的热能的热体，其中，上述金刚石由通过上述热体施加的压力夹持在上述散热夹具内；和
一个用于接收来自上述散热夹具并通过上述热体的热能的平台。
20.根据权利要求19的夹持装置，其特征在于，上述的压力是通过螺钉施加的。
21.根据权利要求19的夹持装置，其特征在于，上述的热体是一种弹性夹头。
22.一种用于生产金刚石的方法，包含如下步骤：
在一种夹具中安置一个金刚石，使夹具可与金刚石的邻近于其生长面的一条边的侧面热接触；
测量金刚石生长面上的温度，并发出温度测量数据；
根据上述温度测量数据控制生长面的温度；和
通过微波等离子化学蒸气沉积法在上述生长面上生长单晶金刚石，其中，金刚石的生长速率大于1μm/h。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于，沉积室内的气氛含有：氢，每单位氢1～5％的氮，和每单位氢6～12％的甲烷。
24.根据权利要求23的方法，其特征在于，上述的气氛中还含有每单位氢1～3％的氧。
25.根据权利要求24的方法，其特征在于，金刚石生长过程温度为900-1400℃。
26.根据权利要求22的方法，其特征在于，上述的气氛含有每单位氢3％的氮和每单位氢12％的甲烷。
27.根据权利要求22的方法，其特征在于，沉积室内压力为130-400乇。
28.根据权利要求22的方法，其特征在于，金刚石生长温度为1000～1400℃。
29.根据权利要求22的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在生长金刚石的步骤之后，使金刚石在夹具内复位；和
再在生长面上按照微波等离子化学蒸气沉积法生长金刚石。
30.根据权利要求22的方法，其特征在于，还包含如下步骤：在金刚石生长的同时使金刚石在夹具内复位。
31.根据权利要求22的方法，其特征在于，还包含如下步骤：确定金刚石是否应在夹具内复位。
32.根据权利要求22的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
确定金刚石是否达到预定的厚度；和
如果金刚石已达到预定厚度，则停止金刚石生长过程。
33.一种生产金刚石的方法，包含如下步骤：
将金刚石安置在一种夹具内；
测量金刚石生长面的温度，获得温度测量数据；
由总过程控制器应用上述温度测量数据控制生长面的温度，使得跨过生长面的所有温度梯度都低于20℃；
在生长面上生长金刚石；和
使金刚石在夹具内复位。
34.根据权利要求33的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
确定金刚石是否应在夹具中复位。
35.根据权利要求33的方法，基特征在于，还包含如下步骤：
确定金刚石是否达到预定的厚度；和
如果金刚石已达到预定厚度则停止金刚石的生长过程。
36.根据权利要求33的方法，其特征在于，沉积室的气氛含有氢、每单位氢1～5％的氮、和每单位氢6～12％的甲烷。
37.根据权利要求33的方法，其特征在于，上述的金刚石基本上是单晶金刚石。
38.根据权利要求33的方法，其特征在于，金刚石生长过程温度为900～1400℃。
39.根据权利要求33的方法，其特征在于，沉积室内气氛含有：每单位氢3％的氮，和每单位氢12％的甲烷。
40.根据权利要求33的方法，其特征在于，过程压力为130～400乇。
41.根据权利要求33的方法，其特征在于，生长过程温度为1000～1400℃。
42.根据权利要求33的方法，其特征在于，当金刚石在夹具中复位后，便可重复生长金刚石的步骤。
43.根据权利要求33的方法，其特征在于，在金刚石生长过程中使金刚石在夹具内复位。
44.根据权利要求33的方法，其特征在于，金刚石的生长速率大于1μm/h，上述的金刚石是单晶金刚石。
45.一种生产金刚石的方法，包含如下步骤：
控制生长面的温度使沿生长面的所有温度梯度都小于20℃；和
在气氛压力至少为130乇的沉积室内，在一种生长过程温度下，按微波等离子化学蒸气沉积法在生长面上生长单晶金刚石。
46.根据权利要求45的方法，其特征在于，沉积室气氛由含有氢、每单位氢1～5％的氮和每单位氢6～12％的甲烷。
47.根据权利要求46的方法，其特征在于，上述气氛还含有每单位氢1～3％的氧。
48.根据权利要求47的方法，其特征在于，上述的生长过程温度为900～1400℃。
49.根据权利要求46的方法，其特征在于，上述气氛含有每单位氢3％的氮和每单位氢12％的甲烷。
50.根据权利要求45的方法，其特征在于，上述的过程压力为130～400乇。
51.根据权利要求45的方法，其特征在于，上述的生长过程温度为1000～1400℃。
52.根据权利要求45的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在夹具内安置金刚石籽晶。
53.根据权利要求52的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在完成生长单晶金刚石的步骤之后在夹具内使金刚石复位；和
重复进行生长单晶金刚石的步骤。
54.根据权利要求52的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在生长单晶金刚石的同时使单晶金刚石在夹具内复位。
55.根据权利要求45的方法，其特征在于，上述单晶金刚石的生长速率为1～150μm/h。
56.一种生产金刚石的方法，包含如下步骤：
控制金刚石生长面的温度使沿生长面的所有温度梯度都低于20℃；和
在过程温度900～1400℃下按微波等离子化学蒸气沉积法在生长面上生长单晶金刚石。
57.根据权利要求56的方法，其特征在于，沉积室气氛中含有：氢、每单位氢1～5％的氮、和每单位氢6～12％的甲烷。
58.根据权利要求56的方法，其特征在于，上述气氛内还含有每单位氢1-3％的氧。
59.根据权利要求57的方法，其特征在于，上述气氛含有每单位氢3％的氮和每单位氢12％的甲烷。
60.根据权利要求56的方法，其特征在于，上述的金刚石生长气氛的压力为130～400乇。
61.根据权利要求56的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在一种夹具内安置一个金刚石籽晶。
62.根据权利要求61的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在完成生长单晶金刚石的步骤之后金刚石在夹具内复位；和
重复进行生长单晶金刚石的步骤。
63.根据权利要求61的方法，其特征在于，还包含如下步骤：
在生长单晶金刚石的同时使单晶金刚石在夹具内复位。
64.根据权利要求56的方法，其特征在于，上述单晶金刚石的生长速率为1～150μm/h。
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