JP2023086900A - 多結晶ダイヤモンド成長によって支援される、単結晶ダイヤモンドを成長させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶ダイヤモンドの寸法および品質を向上させるために多結晶ダイヤモンド成長によって支援される、単結晶ダイヤモンドを成長させる方法を提供すること。【解決手段】本方法は、ダイヤモンドシードを基板ホルダの上部表面上に熱的に接合することと、単結晶ダイヤモンドと多結晶ダイヤモンドの組み合わせのための成長表面を提供することとを含む。処理中、ダイヤモンドシードと基板ホルダとの間の所定の温度差が、プラズマプロセス条件とともに、単結晶ダイヤモンド成長速度を所定の量だけ多結晶成長速度と異ならせる。単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を成長表面上で成長させるためにプロセスガスが導入され、プラズマが形成され、単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる多結晶ダイヤモンドは、成長する単結晶ダイヤモンドの側面表面を遮蔽し、それによって、成長する単結晶ダイヤモンドにわたって成長品質を向上させる。【選択図】図１

Description

本明細書において使用される見出しは系統化目的だけのためのものであり、本願に説明される主題を限定するものとしていかようにも解釈されるべきではない。

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１９年１２月８日に出願された「Ｌａｔｅｒａｌ Ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｇｒｏｗｔｈ Ｕｓｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」と題する米国仮特許出願第６２／９４５，１８０号の非仮出願である。米国仮特許出願第６２／９４５，１８０の全内容は、参照によって本明細書に援用される。

（緒言）
合成ダイヤモンドに関する市場は、急速に成長している。これは、優れた硬度、化学安定性、低熱膨張率、高熱伝導率、広電子バンドギャップ、および広光学透過率等のダイヤモンドの多くの望ましい材料性質に少なくとも部分的に起因する。成長させられたダイヤモンド材料は、現在、多数かつ増え続けている用途において使用されており、用途は、例えば研磨剤、電子機器、光学系、実験物理学、および宝石を含む。成長させられたダイヤモンドに関する需要の増加は、高品質で大きいサイズの単結晶ダイヤモンドを効率的に生産し得る向上させられた装置および方法の必要性を促す。

本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
多結晶ダイヤモンドによって支援される、単結晶ダイヤモンドを成長させる方法であって、
ａ）組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の成長表面を提供するためにダイヤモンドシードを基板ホルダの上部表面上に熱的に接合することであって、処理中、前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間には所定の温度差が存在し、前記温度差は、前記ダイヤモンドシードの上部表面に垂直な方向における単結晶ダイヤモンド成長速度を、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における多結晶成長速度と所望の量だけ異ならせる、ことと、
ｂ）単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるためにプロセスガスを提供し、プラズマを形成することであって、前記単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる前記多結晶ダイヤモンドは、前記成長する単結晶ダイヤモンドの側方表面を前記プラズマおよび前記プロセスガスから遮蔽し、それによって、前記成長する単結晶ダイヤモンドにわたって熱均一性を向上させる、ことと
を含む方法。
（項目２）
スペーサを前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間に提供することをさらに含み、前記スペーサは、前記基板ホルダの前記上部表面に対して前記ダイヤモンドシードの高さを調節し、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における前記多結晶ダイヤモンドの前記成長速度に対して、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における前記ダイヤモンドシードの成長速度を変更する、項目１に記載の方法。
（項目３）
スペーサを前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間に提供することをさらに含み、前記スペーサは、前記ダイヤモンドシードの高さを調節し、側方方向における前記ダイヤモンドシードの成長速度に対して、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における前記ダイヤモンドシードの成長速度を変更する、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記成長の少なくとも一部の最中、前記組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の前記成長表面にわたって２５℃を上回る温度差が存在するように提供される、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記ダイヤモンドシードは、単結晶ダイヤモンドを含む、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記単結晶ダイヤモンドおよび前記多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における前記単結晶成長速度が、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における前記多結晶成長速度を上回るように実施される、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記基板ホルダは、モリブデンを含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記基板ホルダは、タングステンを含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記基板ホルダは、シリコンを含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記基板ホルダは、炭化ケイ素を含む、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記基板ホルダは、ダイヤモンドを含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記基板ホルダの前記上部表面は、前記ダイヤモンドシードを支持するための凹みを備える、項目１に記載の方法。
（項目１３）
前記基板ホルダの前記上部表面は、研磨された表面で形成される、項目１に記載の方法。
（項目１４）
前記基板ホルダの前記上部表面は、テクスチャ加工仕上で形成される、項目１に記載の方法。
（項目１５）
熱伝導材料を用いて前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けることをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１６）
成長中、前記単結晶材料内の応力を低減させるように選定される熱膨張係数を有する材料を用いて前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けることをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１７）
成長中、前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間に所望の温度差が存在するように前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けることをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１８）
成長中、前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間に所望の温度差が存在するように前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けるための接着材料を選択することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１９）
前記ダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することは、熱膨張によって引き起こされる応力を低減させる材料を用いて前記シードを前記ホルダに接合することによって実施される、項目１に記載の方法。
（項目２０）
前記ダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することは、成長中、前記ダイヤモンドシードと前記多結晶材料との間に温度差が存在するように実施される、項目１に記載の方法。
（項目２１）
単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記プロセスチャンバ内に５０トルを上回る圧力を形成することを含む、項目１に記載の方法。
（項目２２）
単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記成長表面において６００℃～１，４００℃の範囲内の温度を確立することを含む、項目１に記載の方法。
（項目２３）
単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記単結晶材料の最終厚の２０％～１５０％である前記多結晶材料の最終厚をもたらす、項目１に記載の方法。
（項目２４）
所定の成長期間後に前記ホルダを変更することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２５）
前記単結晶および多結晶材料の所望の相対成長速度を維持するために、前記成長中、プロセス条件を変更することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２６）
前記単結晶材料の所望の成長特性を維持するために、前記成長中、プロセス条件を変更することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２７）
前記成長させられた単結晶ダイヤモンドを切断することによって単結晶ダイヤモンド材料のプレートを生産することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２８）
前記成長させられた単結晶ダイヤモンドの質量は、単一プロセス工程において１グラムを上回る、項目１に記載の方法。
（項目２９）
前記成長させられた単結晶ダイヤモンドの質量は、単一プロセス工程において２グラムを上回る、項目１に記載の方法。
（項目３０）
プロセスガスを提供することは、水素、酸素、および炭素含有ガスを提供することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３１）
アルゴンを前記シードの成長表面の近位に提供することをさらに含む、項目３０に記載の方法。
（項目３２）
前記組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の前記成長表面を提供するために前記ダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することは、複数の組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の複数の成長表面を提供するために複数のダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３３）
多結晶ダイヤモンドによって支援される、単結晶ダイヤモンドを成長させる方法であって、
ａ）組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板のための成長表面を提供するためにダイヤモンドシードを基板ホルダの上部表面上に熱的に接合することであって、処理中、前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間には所定の温度差が存在し、前記温度差は、前記ダイヤモンドシードの上部表面に垂直な方向における単結晶ダイヤモンドの成長速度に対して、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に対する側方方向における単結晶ダイヤモンドの所望の相対成長速度を引き起こす、ことと、
ｂ）単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるためにプロセスガスを提供し、プラズマを形成することであって、前記単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる前記多結晶ダイヤモンドは、前記成長する単結晶ダイヤモンドの側方表面を前記プラズマおよび前記プロセスガスから遮蔽し、それによって、前記成長する単結晶ダイヤモンドにわたって熱均一性を向上させる、ことと
を含む方法。
（項目３４）
スペーサを前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間に提供することをさらに含み、前記スペーサは、前記基板ホルダの前記上部表面に対して前記ダイヤモンドシードの高さを調節し、前記相対成長速度を達成する、項目３３に記載の方法。
（項目３５）
前記所望の相対成長速度は、２分の１未満である、項目３３に記載の方法。
（項目３６）
前記所望の相対成長速度は、２分の１を上回る、項目３３に記載の方法。
（項目３７）
前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記成長の少なくとも一部の最中、前記成長表面にわたって２５℃を上回る温度差が存在するように提供される、項目３３に記載の方法。
（項目３８）
前記ダイヤモンドシードは、単結晶ダイヤモンドを含む、項目３３に記載の方法。
（項目３９）
前記基板ホルダは、モリブデンを含む、項目３３に記載の方法。
（項目４０）
前記基板ホルダは、タングステンを含む、項目３３に記載の方法。
（項目４１）
前記基板ホルダは、シリコンを含む、項目３３に記載の方法。
（項目４２）
前記基板ホルダは、炭化ケイ素を含む、項目３３に記載の方法。
（項目４３）
前記基板ホルダは、ダイヤモンドを含む、項目３３に記載の方法。
（項目４４）
前記基板ホルダの前記上部表面は、前記ダイヤモンドシードを支持するための凹みを備える、項目３３に記載の方法。
（項目４５）
前記基板ホルダの前記上部表面は、研磨された表面で形成される、項目３３に記載の方法。
（項目４６）
前記基板ホルダの前記上部表面は、テクスチャ加工仕上で形成される、項目３３に記載の方法。
（項目４７）
熱伝導材料を用いて前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けることをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目４８）
成長中、前記単結晶材料内の応力を低減させるように選定される熱膨張係数を有する材料を用いて前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けることをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目４９）
成長中、前記ダイヤモンドシードと前記多結晶材料との間に所望の温度差が存在するように前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けることをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目５０）
成長中、前記ダイヤモンドシードと前記多結晶材料との間に所望の温度差が存在するように前記ダイヤモンドシードを前記ホルダに取り付けるための接着材料を選択することをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目５１）
前記ダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することは、熱膨張に起因する応力を低減させる材料を用いて前記シードを前記ホルダに接合することによって実施される、項目３３に記載の方法。
（項目５２）
前記ダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することは、成長中、前記ダイヤモンドシードと前記多結晶材料との間に温度差が存在するように実施される、項目３３に記載の方法。
（項目５３）
単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記プロセスチャンバ内に５０トルを上回る圧力を形成することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目５４）
単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記成長表面において６００℃～１，４００℃の範囲内の温度を確立することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目５５）
単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるために前記プロセスガスを提供し、前記プラズマを形成することは、前記単結晶材料の最終厚の２０％～１５０％である前記多結晶材料の最終厚をもたらす、項目３３に記載の方法。
（項目５６）
所定の成長期間後に前記ホルダを変更することをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目５７）
前記単結晶および多結晶材料の所望の相対成長速度を維持するために、前記成長中、プロセス条件を変更することをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目５８）
前記単結晶材料の所望の成長特性を維持するために、前記成長中、プロセス条件を変更することをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目５９）
前記成長させられた単結晶ダイヤモンドを切断することによって単結晶ダイヤモンド材料のプレートを生産することをさらに含む、項目３３に記載の方法。
（項目６０）
前記成長させられた単結晶ダイヤモンドの質量は、１グラムを上回る、項目３３に記載の方法。
（項目６１）
前記成長させられた単結晶ダイヤモンドの質量は、２グラムを上回る、項目３３に記載の方法。
（項目６２）
前記プロセスガスを提供することは、水素、酸素、および炭素含有ガスを提供することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目６３）
アルゴンを提供することをさらに含む、項目６２に記載の方法。
（項目６４）
前記組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の前記成長表面を提供するために前記ダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することは、複数の組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の複数の成長表面を提供するために複数のダイヤモンドシードを前記基板ホルダの前記上部表面上に熱的に接合することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目６５）
単結晶ダイヤモンド材料であって、単一非中断工程において６ミリメートルに等しいか、または６ミリメートルを上回る寸法まで成長させられ、前記単一非中断工程は、
ａ）組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の成長表面を提供するためにダイヤモンドシードを基板ホルダの上部表面上に熱的に接合するステップであって、処理中、前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間には所定の温度差が存在し、前記温度差は、前記ダイヤモンドシードの上部表面に垂直な方向における単結晶ダイヤモンド成長速度を、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における多結晶成長速度と所望の量だけ異ならせる、ステップと、
ｂ）単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるためにプロセスガスを提供し、プラズマを形成するステップであって、前記単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる前記多結晶ダイヤモンドは、前記成長する単結晶ダイヤモンドの側方表面を前記プラズマおよび前記プロセスガスから遮蔽し、それによって、前記成長する単結晶ダイヤモンドにわたって熱均一性を向上させる、ステップと
を含むプロセスによって行われる、単結晶ダイヤモンド材料。
（項目６６）
前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直に成長させられる単結晶ダイヤモンドの成長速度に対する、前記単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる前記多結晶ダイヤモンドの成長速度の比は、２０％～１５０％の範囲内である、項目６５に記載の方法。
（項目６７）
単結晶ダイヤモンド材料であって、単一非中断工程において２グラムに等しいか、または２グラムを上回る重量まで成長させられ、前記単一非中断工程は、
ａ）組み合わせられた単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンド基板の成長表面を提供するためにダイヤモンドシードを基板ホルダの上部表面上に熱的に接合するステップであって、処理中、前記ダイヤモンドシードと前記基板ホルダとの間には所定の温度差が存在し、前記温度差は、前記ダイヤモンドシードの上部表面に垂直な方向における単結晶ダイヤモンド成長速度を、前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直な方向における多結晶成長速度と所望の量だけ異ならせる、ステップと、
ｂ）単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの両方を前記成長表面上で成長させるためにプロセスガスを提供し、プラズマを形成するステップであって、前記単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる前記多結晶ダイヤモンドは、前記成長する単結晶ダイヤモンドの側方表面を前記プラズマおよび前記プロセスガスから遮蔽し、それによって、前記成長する単結晶ダイヤモンドにわたって熱均一性を向上させる、ステップと
を含むプロセスによって行われる、単結晶ダイヤモンド材料。
（項目６８）
前記ダイヤモンドシードの前記上部表面に垂直に成長させられる単結晶ダイヤモンドの成長速度に対する、前記単結晶ダイヤモンドに隣接して成長させられる前記多結晶ダイヤモンドの成長速度の比は、２０％～１５０％の範囲内である、項目６７に記載の方法。
（図面の簡単な説明）
本教示は、好ましい例示的実施形態に従って、そのさらなる利点とともに、以下の詳細な説明においてより具体的に説明され、付随の図面と関連して検討される。当業者は、以下に説明される図面が例証目的にすぎないことを理解するであろう。図面は、必ずしも正確な縮尺どおりではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証することに重点が置かれる。図面は、本出願人の教示の範囲を限定することをいかようにも意図されていない。

図１は、公知の単結晶ダイヤモンド成長基板ホルダアセンブリを使用した一連の成長工程を図示する。

図２は、本教示の単結晶ダイヤモンド成長の装置および方法における一連の成長ステップのある実施形態に関して、基板ホルダ上で成長させられるダイヤモンドの断面を図示する。

図３は、本教示の単結晶ダイヤモンド成長の装置および方法のある実施形態において、スペーサを使用して基板ホルダ上に搭載されるシードダイヤモンドの断面を図示する。

図４は、本教示の単結晶ダイヤモンド成長の装置および方法の実施形態を使用してシード材料より大きい寸法を有する単結晶ダイヤモンド材料のプレートを生み出すために使用される成長させられたダイヤモンドの断面を図示する。

（種々の実施形態の説明）
ここで、付随の図面に示されるように、本教示が、その例示的実施形態を参照してより詳細に説明される。本教示は種々の実施形態および例とともに説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されていない。それどころか、当業者によって理解されるように、本教示は、種々の代替、修正、および均等物を包含する。本明細書の教示を入手可能な当業者は、本明細書に説明される本開示の範囲内にある追加の実装、修正、および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。

本教示の方法の個々のステップは、本教示が動作可能であり続ける限り、任意の順番で、かつ／または同時に実施されてもよいことを理解されたい。さらに、本教示の装置および方法は、本教示が動作可能であり続ける限り、説明される実施形態のうちの任意の数または全部を含むことが可能であることを理解されたい。

本教示は、単結晶ダイヤモンドの成長に関する。合成ダイヤモンド材料は、長年、種々の手段によって生産されてきた。初期の合成ダイヤモンド処理技法は、熱トーチおよび高圧高温反応器を使用した。１９８０年代初頭、研究者は、合成ダイヤモンド膜を形成するためにプラズマ化学蒸着（ＣＶＤ）技法を模索し始めた。堆積させられる膜は、典型的には、シリコン、タングステン、およびモリブデン等の基板上に堆積させられるダイヤモンド材料の薄膜または厚膜であった。プラズマＣＶＤダイヤモンド堆積の初期開発の多くは、１０～３００トルの一般圧力範囲で動作するマイクロ波ベースの反応器を使用して実施されている。より最近では、あるダイヤモンド堆積は、より低い圧力プラズマ反応器と非マイクロ波発生器とを使用して実施されている。一般に、より高品質の膜およびより高い堆積速度は、より高い圧力マイクロ波システムを使用して獲得されてきた。例えば、Ｊ．Ｅ． Ｂｕｔｌｅｒ， Ｙ．Ａ． Ｍａｎｋｅｌｅｖｉｃｈ， Ａ． Ｃｈｅｅｓｍａｎ， Ｊｉｅ Ｍａ ａｎｄ Ｍ．Ｎ．Ｒ． Ａｓｈｆｏｌｄ， “Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ： Ｒｅｃｅｎｔ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ： Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ２１ （２００９） ３６４２０１， ＩＯＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇを参照されたい。また、Ｆ． Ｓｉｌｖａ， Ｋ． Ｈａｓｓｏｕｎｉ， Ｘ． Ｂｏｎｎｉｎ ａｎｄ Ａ． Ｇｉｃｑｕｅｌ， “Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ－Ａｓｓｉｓｔｅｄ ＣＶＤ Ｒｅａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，” Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ： Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ２１ （２００９） ３６４２０２， ＩＯＰ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇを参照されたい。本明細書に引用されるＪ．Ｅ．Ｂｕｔｌｅｒ ｅｔ ａｌ．およびＦ．Ｓｉｌｖａ ｅｔ ａｌ．を含む全参考文献は、参照によって本明細書に援用される。

ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、グラフェンおよび関連材料を堆積させるためのプラズマ化学は、主に、少量の炭素含有ガス（メタンまたはアセチレン等）の添加を伴う水素化学を含む。他のガスも添加されることができる。例えば、炭素および水素を含有する他のガスが使用されることができる。加えて、窒素、酸素、アルゴン、および／またはハロゲン種等の他のガスが添加されることができる。１またはそれより多くのドーパント材料（ホウ素等）を含有するガスも、他のガスと組み合わせて添加されることができる。プラズマは、水素と炭素含有種との何分の１かを解離させる。原子状水素は、成長するダイヤモンド表面上に吸着し、ダイヤモンド結合に対して有利に働くように非ダイヤモンド炭素結合を優先的にエッチング除去するため、重要な原料である。高い堆積速度かつ高品質の膜成長のための１つの鍵は、原子状水素の高いフラックスをワークピース表面に有することであり、これは、例えば、高温フィラメントシステムとは反対に、プラズマシステムの使用に対して有利に働く。

一般に、単結晶ダイヤモンド材料は、開始基板上で成長させられ、開始基板は、それ自体が単結晶ダイヤモンドである。単結晶ダイヤモンド材料は、イリジウム等の非単結晶ダイヤモンド基板上でも成長させられる。多結晶ダイヤモンド材料の成長に関して、シリコン、モリブデン、タングステン、および多くの他の材料を含む基板の広い選択肢が存在する。

典型的には、開始基板は、成長中、６００～１，４００℃の範囲内の温度にある。高品質ダイヤモンド材料の高速度での成長を達成するために、プラズマ放電が十分な強度であることが必須であり、それによって、プラズマ放電のコア内のガスが２，０００℃を上回るまで加熱される。この高ガス温度は、原子状水素への水素ガスの高度な解離を維持するために必須であり、これは、高速度での高品質材料の成長に重要である。これらの高ガス温度を発生させる例示的作業条件は、典型的には、２０トルを上回る総ガス圧力と、５０Ｗ ｃｍ^－３を上回る密度でプラズマコアの中に送達される電力とである。好ましい高い堆積速度に関して、プラズマコアの中に送達される電力は１００Ｗ ｃｍ^－３を超え得、圧力は１００トルを超え得、これらは、２，０００℃を超え、いくつかのプロセスでは３，０００℃さえ超え得るガス温度をプラズマコア内にもたらし得る。

プラズマ放電は、いくつかの異なる方法において発生させられてもよい。従来的には、マイクロ波電源が、典型的には２．４５ＧＨまたは９１５ＭＨｚ周波数のいずれかにおいて、１ｋＷ程の低い程度から１００ｋＷを上回る程度までの電力レベルで使用されている。エネルギーが波の中を進行し、プロセスチャンバの構造が、堆積が生じる基板の近辺に放電が集中させられ、プロセスチャンバの壁から離れることを可能にし得るため、これらのマイクロ波周波数は魅力的である。具体的なマイクロ波周波数はこれらの値より高く、または低くあり得るが、これらの値は国際協定によって産業用途のために確保されており、コンポーネントが商業用市場において広く利用可能であるため、典型的にはこれらが使用される。

より最近では、電源のための他の周波数、および電力をプラズマ放電に結合するための他の技法が開発されている。一例はトロイダルプラズマ放電であり、トロイダルプラズマ放電では、４００ｋＨｚにおける無線周波数（ＲＦ）電力が、変圧器構造を通して閉ループ放電に誘導結合される。他のＲＦ周波数も、２０ｋＨｚ程度の低いものから１４ＭＨｚ超のものまでトロイダル放電を形成するために利用され得る。別の例は、ＣＶＤダイヤモンドシステム内のプラズマ源として直流（ＤＣ）放電を使用するものである。

ＣＶＤダイヤモンド堆積のための１つの有効技術は、ダイヤモンド材料の成長のためのプラットフォームを提供する開始単結晶ダイヤモンド基板である。いくつかの用途に関して、初期成長表面に垂直な方向だけでなくそれに平行な方向にも単結晶ダイヤモンド材料を成長させることが望ましい。初期成長表面に平行とは、初期成長表面に対して側方、またはその側面上を意味する。これは、初期ダイヤモンド「シード」が初期シード表面に対する垂直寸法および平行寸法の両方において拡張されることを可能にする。これが有益である用途は、例えば、電子デバイスおよびセンサのための基板を生成すること、種々の真空適用のための窓を提供すること、光学系における使用のための材料を製造すること、ラボグロウンダイヤモンド宝石を製造すること、ならびに、切断ツール等の産業用途のためのダイヤモンド材料を生成することを含む。

いくつかの用途に関して、主に初期シード表面に垂直な方向に厚い単結晶ダイヤモンド材料を成長させることが望ましい。これが有益であるいくつかの用途は、例えば、電子デバイスおよびセンサのための基板を生成すること、種々の真空適用のための窓を提供すること、光学系における使用のための材料を製造すること、ラボグロウンダイヤモンド宝石を製造すること、ならびに、切断ツール等の産業用途のためのダイヤモンド材料を生成す
ることを含む。

大きい面積の基板を成長させる公知の方法は、例えば、複数のシードをともに設置することと、成長を重複させることとを含む。これらの公知の方法は、典型的には、基板をいくつかの用途に関して望ましくないものにする視認可能な機械的欠陥をもたらす。

大きい面積の基板を成長させる公知の方法は、例えば、天然ダイヤモンドからの単一の大きなシードの切断を使用することを含む。しかしながら、これらの公知の方法は、典型的には、実施するために非常に費用がかかり、かつ時間がかかる。

化学蒸着を使用したダイヤモンド材料の側方成長を伴わない場合、化学蒸着成長させられたダイヤモンドから切断されるグラム単位の仕上げられたダイヤモンド宝石の質量は、表式Ｍ＝０．００２＊Ａ＊＊１．５（式中、Ａは平方ミリメートル単位のシードの面積である）によって決定され得るグラム単位の最大可能質量を超え得ないことが、当技術分野において公知である。例えば、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｉ． Ｃａｒｍｏｎａ， Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ Ｗｅｉｇｈｔｓ ｏｆ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｃｏｌｏｒｅｄ Ｇｅｍｓｔｏｎｅｓ， Ｇｅｍｓ ａｎｄ Ｇｅｍｏｌｏｇｙ， Ｆａｌｌ １９９８を参照されたい。本教示は、成長面に垂直な材料の成長と、成長面に平行な、またはそれに対して側方における材料の成長とを助長するダイヤモンド基板装置および成長方法に少なくとも部分的に関する。しかしながら、本教示による側方成長方法を用いると、シードの面積に対する仕上げられた宝石の質量に限界が存在しないことが決定されている。これは、初期ダイヤモンドシードのパッキングおよびコストを最適化することを可能にし、化学蒸着成長させられたダイヤモンド材料からの宝石の成長を公知の方法によって可能な成長より大きくすることを可能にする。したがって、単結晶ダイヤモンド成長のための公知の装置および方法と対照的に、本教示は、単一または複数の成長サイクルのいずれかを使用した大きな単結晶ダイヤモンド片の堆積を可能にする。

本教示の１つの特徴は、多くの成長サイクルを使用することと対照的に、単一または数回の成長サイクルのみを使用することによってダイヤモンド材料の品質が向上させられ得ることである。成長線または他の欠陥は、成長プロセスの停止および開始に起因して生じ得、または、成長中、成長プロセスパラメータを著しく修正することによって生じ得るが、本教示による低減させられた成長サイクルの数は、成長線または他の欠陥を排除するか、または大幅に低減させることができる。成長プロセスを停止および開始すること、または、圧力、電力、化学、もしくはサンプル温度等のプロセスパラメータを著しく変更することは、眼によって、または光学拡大率下で、または他の分析器具類によって視認可能であり得るそのような成長線または他の欠陥をもたらし得る。単一または数回の成長サイクルを使用することは、反応器の有用性を最大限にし、コストを最小限にし、生産コストの全体的節約も可能にする。

本教示の方法および装置の別の特徴は、プロセスパラメータおよび／またはサンプルを搭載することに関連するハードウェアを変えることによって、本教示の装置および方法が、成長するシード面に平行な（それに対して側方）方向における成長を確実に制御するために使用され得ることである。いくつかの実施形態では、初期シード面に平行な（それに対して側方における）成長は、初期シード面に垂直なミリメートル毎の成長に関して０ｍｍ～約２ｍｍ変えられる。極端な場合、これは、２．２：１の平行対垂直成長の比である。追加の最適化を用いると、装置および方法は、平行対垂直成長の比を２．５：１およびさらには３：１等のより大きい値にさらに拡げることができる。

図１は、公知の単結晶ダイヤモンド成長基板ホルダアセンブリ１０２を使用した一連の成長工程１００を図示する。例えば、米国特許第９，７３２，４４０号を参照されたい。
成長するサンプル１０４は、ホルダアセンブリ１０２内に設置される。ホルダアセンブリ１０２は、成長するサンプル１０４の初期シード面１０６に平行な成長する単結晶ダイヤモンド材料を拡大することと、初期シード面１０６に垂直な材料のサイズを増加させることとの両方を行うために使用される。サンプル１０４の外縁をプラズマ放電化学から遮蔽し、それによって、縁における望ましくない多結晶ダイヤモンド材料の成長を制限するように、ホルダアセンブリ１００は、典型的にはモリブデンまたは別の高温材料から作製される。

図１の方法の一連の成長工程１００における各順次工程では、追加の遮蔽材料がホルダアセンブリ１０２に添加され、これは、サンプル１０４の成長する形状が維持されることを可能にする。しかしながら、これは、プロセスが停められる度にサンプル１０４が除去され、随意に裁断および研磨され、ホルダアセンブリ１０２が修正されることを要求する。次いでサンプル１０４が再装填され、プロセスが再開される必要がある。この技法を使用すると、開始シード面積に対して２倍超のダイヤモンドの面積の拡大が実証された。したがって、この技法は、最大約２：１比の平行対垂直成長を提供することができる。

しかしながら、この公知のアプローチの著しい短所は、面積の拡大を発生させるために、成長ステップが、異なるサイズのホルダを使用して複数回繰り返される必要があることである。加えて、典型的には、ステップ間の材料の処理が要求され、これは、レーザ裁断等のステップおよびそれに続く１つまたはそれより多くの研磨ステップを含み得る。これらの追加のステップは、処理時間およびコストを著しく追加し、サンプル１０４を損傷させる確率を増加させる。プロセスチャンバ内のホルダを変更することに対する代替として、ユーザは、複数のチャンバを有し得、チャンバ間でサンプルを順に移動させ得、各チャンバは、特定のプロセスステップのために最適化されたホルダを有する。

本教示の別の特徴は、定期的に変更されなければならない基板ホルダを使用する要件が存在しないことである。しかしながら、基板ホルダを定期的に変更することは、依然として、公知の方法において使用されるものと同一の手法において有利に使用されることができる。特に、本教示の方法および装置のいくつかの実施形態は、ホルダを変更する必要なく、より大きい比の平行対垂直成長を提供することを理解されたい。また、本教示の方法および装置のいくつかの実施形態は、成長をさらに増加させるためにホルダを変更し、プロセスの経済性を向上させる局面を含み得ることを理解されたい。例えば、特に大きく成長させられたダイヤモンドサンプルが所望される場合、成長プロセス中に複数のホルダ変更を実施することが行われてもよい。

本教示の方法のいくつかの実施形態では、成長プロセスは、より大きい比の平行対垂直成長を達成すること以外のプロセス目標を達成するために向上させられるか、または最適化される。例えば、いくつかの方法では、個々の成長の少なくとも１つの寸法における物理的サイズの増加を向上させるか、または最適化するのではなく、それよりも、シードのパッキングを向上させること、または最大限にすることが望ましい。そのような方法では、所望の平行成長はゼロまたはほぼゼロであり得る。

本教示のいくつかの実施形態では、単結晶ダイヤモンドシードが基板ホルダに熱的に取り付けられ、基板ホルダは、平坦もしくはテクスチャ加工された表面、または、開始シードの搭載を支援する特徴を有する表面を有することができる。また、いくつかの実施形態では、単結晶ダイヤモンドシードは、高い熱伝導率の材料または低い熱伝導率の材料および／または単結晶材料の熱膨張係数と類似の熱膨張係数を伴う材料を用いて基板ホルダに熱的に取り付けられる。本教示による種々の方法は、接着材料とともに基板ホルダ材料を使用し、熱伝導率の係数をより近くなるように合わせる。

いくつかの実施形態では、処理中、ホルダは、ダイヤモンドシード未満の温度にある。ホルダは、例えばモリブデン、タングステン、シリコン、高温セラミック、および他の材料を含むいくつかの異なる材料から構築されてもよい。

ホルダは、多結晶材料が単結晶サンプルを圧倒しないが単結晶材料の成長を支援するために十分に大きいような平均成長速度において多結晶ダイヤモンド材料の成長をサポートすることが可能でなければならない。すなわち、ホルダの幾何学形状および温度とプラズマ条件とは、シードによって占有されない領域内に蓄積する多結晶材料が単結晶ダイヤモンドまで、またはそれを越えて著しく成長しないように構成される。多結晶材料および単結晶材料の両方の同時成長は、多結晶材料が、成長する単結晶ダイヤモンド材料の温度を所望の値に保つことを支援することを可能にする。加えて、システムは、単結晶サンプルの縁上での望ましくない多結晶材料の成長を有利に制限する。

本教示によるいくつかの方法では、炭素材料の非ダイヤモンド層が、単結晶成長と多結晶成長との間に形成される。そのような層は、成長サイクルの一部または全部の最中に形成されることができる。これは、応力を低減させることを支援し得、そうでなければ、応力は、多結晶材料によって、成長する単結晶材料の中に導入され得る。

図２は、本教示の単結晶ダイヤモンド成長の装置および方法における一連の成長ステップのある実施形態に関して、基板ホルダ２０２上で成長させられるダイヤモンドの断面２００を図示する。ホルダ２０２およびシード２０４の構成は、ＣＶＤ成長させられるダイヤモンドサンプル２０６、２０６’の表面積の増加をサポートする。図に示される単結晶ダイヤモンド（ＳＣＤ）サンプルは、成長のための開始シード２０４である。図２に示される厚さは、達成されている成長サイクルの一例にすぎない。図式的な断面は、正確な縮尺どおりではない。

図２から分かるように、本教示の必須部分は、サンプルホルダ２０２（本例ではモリブデンとして示される）上での多結晶ダイヤモンド材料の成長が初期シードに垂直な方向における単結晶ダイヤモンドの成長に近く、しかしそれを大幅には超えないものでなければならないことである。成長プロセスの大部分の最中、多結晶ダイヤモンド材料の総成長が単結晶成長表面上での総成長を著しく超えない限り、特定の時点では多結晶ダイヤモンド材料の成長速度は単結晶材料の成長速度より高くあり得ることを理解されたい。成長プロセスの後半部分の最中、多結晶ダイヤモンド材料は、単結晶材料を過成長させ得る。単結晶材料および多結晶材料２０８、２０８’の相対成長速度は、プラズマに暴露されるサンプルの温度、サンプルホルダの温度、およびプロセス化学のうちの少なくとも１つによって制御される。また、サンプルホルダ２０２の開始条件が、多結晶成長が開始する速度に影響を及ぼす。この開始条件は、例えば、単結晶材料の成長に「優先開始」を与えるために使用されることができる。このように、多結晶材料２０８、２０８’とＣＶＤ成長させられるダイヤモンドサンプル２０６、２０６’との成長速度が類似する場合さえ、単結晶成長は常に多結晶成長より厚く、これが望ましくあり得る。単結晶ダイヤモンド材料のより厚い開始シード２０４の使用、または、開始シードをサンプルホルダ２０２の上方にさらに上昇させるための追加の要素の使用も、単結晶成長のための「優先開始」を提供する。上昇させられるシードの実施形態は、図２に図示されない。

単結晶ＣＶＤ成長させられるダイヤモンドサンプル２０６、２０６’とモリブデンホルダ２０２、３０４との間の温度差は、単結晶材料であるシード２０４がどのようにホルダに熱的に接合されるかと、プラズマ放電化学からの単結晶サンプルシード２０４に対する電力密度入射とによって制御されることができる。一方法では、シード２０４は、ホルダ２０２の表面上に設置され、ホルダ２０２の表面は、特定の熱伝達特性を与えるようにテクスチャ加工されてもよい。ホルダ２０２のためのより微細なテクスチャ（研磨された表
面を含む）は、一般に、単結晶ダイヤモンドシード２０４とホルダ２０２との間に、より良好な熱伝達を与える。例えば、ホルダ２０２の表面は、１～１，０００マイクロインチ半径の範囲内の仕上まで機械加工されることができる。ホルダ２０２の表面は、０．２マイクロインチ半径の仕上までダイヤモンド旋削によって機械加工および／または研磨されることができる。一実施形態では、表面ホルダに対する約２～１００マイクロインチ半径の仕上が採用される。

ホルダのための粗面は、一般に、低減させられた熱伝達を与え、これは、いくつかのプロセスにおいて有利に使用されることができる。いくつかの実施形態では、ホルダ２０２の表面は、シード２０４のための凹みとともに構築され、これは、シード２０４とホルダ２０２との間の熱接触を増加させる。

いくつかの実施形態では、ホルダ２０２の表面は、シード２０４のための柱または他の上昇構造とともに構築され、これは、多結晶成長に対する単結晶成長のための「優先開始」を増加させる。ホルダの１つまたはそれより多くの表面は、テクスチャ加工、柱または他の構造、冷却チャネル、凹み等とともに構築されてもよい。

本教示の方法および装置のいくつかの実施形態は、単結晶シードサンプルをホルダに接着させることによって単結晶ダイヤモンドサンプルとホルダとの間の温度差を変える。これらの実施形態では、接着材料は、成長する材料の温度、および、成長する材料とホルダとの間の温度差に耐えることが可能でなければならない。接着材料の例は、高熱伝導率を有する金属蝋接材料と、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、他の酸化物、窒化物、金属、および炭素等の充填材を含む他の接着材料とを含む。接着材料の厚さおよびその組成物を変えることは、温度差、および熱膨張係数の差に影響を及ぼす。単結晶シードサンプルをホルダに接着させることは、プロセス工程の持続時間全体を通して一貫した熱接触を維持することを支援し、単結晶シードサンプルが移動することを防止することも支援する。

本教示の方法のいくつかの実施形態は、単結晶ダイヤモンドサンプルシードとホルダとの間に中間スペーサ要素を使用することによって単結晶ダイヤモンドサンプルシードとホルダとの間の温度差を変える。この中間スペーサ要素は、ホルダとシードとの間に追加の温度差を追加する。

図３は、本教示の単結晶ダイヤモンド成長の装置および方法のある実施形態において、スペーサ３０６を使用して基板ホルダ３０４上に搭載されるシードダイヤモンド３０２の断面３００を図示する。断面３００は、正確な縮尺どおりではなく、それよりも、本教示を例証するために提示されることを理解されたい。スペーサ３０６を使用した本装置および方法の一局面は、それが、多結晶ダイヤモンド成長を超える追加の「優先開始」を単結晶サンプルの成長に与える効果を有することである。スペーサ３０６を使用した本装置および方法の別の局面は、スペーサ３０６がサンプルとホルダとの間の温度差を増加させる効果を有することである。

スペーサ３０６の体積および厚さと、スペーサ３０６を形成する材料とは、単結晶ダイヤモンドサンプルとサンプルホルダとの間に所望の温度差を提供するように選定される。したがって、これは、単結晶サンプルが、多結晶成長を上回る追加の「優先開始」と、潜在的により高い成長速度および向上させられた成長メトリックおよび特性とを有することを意味する。

単結晶ダイヤモンド材料の高さは、一般に、成長サイクルの大部分に関して多結晶材料の高さより高いが、いくつかの成長プロセスでは、成長サイクルの後半部分の近辺で多結晶材料高さが単結晶サンプルの高さを超え得ることが可能である。成長サイクルの後半部
分において多結晶材料が単結晶材料の表面を超えて成長し得ることも可能性である。これは、単結晶材料の成長を制限するが、必ずしも材料を損傷させるわけではなく、またはその使用を妨害するわけではない。

多結晶材料は、単結晶成長とともに成長するにつれて、複数の単結晶成長間の、および複数の単結晶成長とサンプルホルダとの間の温度を一様にする傾向にある。次いで、その温度が増加するにつれて、多結晶成長速度が経時的に増加し得る。プロセス条件を経時的に変更することが、単結晶および多結晶材料の相対成長速度を最適値に維持することに役立ち得る。

本教示による単結晶ダイヤモンド成長方法の１つの特徴は、他の結晶面に対して異なる速度において特定の結晶面を単結晶サンプル上で成長させるために方法が使用され得ることと、これらの異なる速度がプロセスエンジニアによって正確かつ再現可能に制御され得ることとである。例えば、本教示の方法および装置は、上側（１００）面の側方拡大を達成するために使用されることができる。この特徴の例として、（１００）配向結晶面を有する開始シードの場合を検討する。種々のプロセスパラメータ、例えば、成長表面におけるサンプル温度、プロセスチャンバ内の圧力、プラズマ電力、サンプルホルダの寸法および構成、ならびに種々のプロセスガス流速度を慎重に選択することによって、（１００）面に対する結晶面（１１０）、（１１１）、（１１３）の成長速度が正確かつ再現可能に制御されることができる。プロセスパラメータとサンプルホルダの寸法および構成とは、材料内の応力の発達を制限するために選択されることもできる。

（１００）、（１１０）、（１１１）、および（１１３）結晶面の成長速度は、種々の反応性ガス種の温度および濃度に依存する。本教示によるいくつかの方法では、成長方略は、成長する表面にわたってラジカル種の濃度および温度を制御する。そのような方法は、側方に位置付けられる多結晶ダイヤモンド材料によって提供される遮蔽に起因して、成長するサンプルの縁上での多結晶ダイヤモンド材料の成長を伴わずに単結晶ダイヤモンド材料の高く均一な成長速度を獲得する。これらを達成するために、成長サイクル中、温度およびプロセス化学も必要に応じて変えられ得る。

本教示の方法および装置は、単結晶ダイヤモンド材料のプレートを加工するために使用されることができ、単結晶ダイヤモンド材料のプレートは、開始シード材料の対応する平行寸法を著しく上回る平行寸法を有する。そのようなプレートに関する多数の用途が存在し、それらは、宝石成長のための基板、電子機器、センサ、量子デバイス、真空システムおよび多数の他の用途のための窓、光学系、ならびに切断ツールを含む種々の産業用途を含む。

本教示の方法および装置は、開始シード材料に平行な寸法における無意味な成長を全くまたは殆ど伴わずに、単結晶材料の厚いプレートを加工するために使用されることができる。そのようなプレートに関する多数の用途が存在し、それらは、宝石成長のための基板、電子機器、センサ、量子デバイス、真空システムおよび多数の他の用途のための窓、光学系、ならびに切断ツールを含む種々の産業用途を含む。

図４は、成長させられたダイヤモンドの断面４００を図示し、成長させられたダイヤモンドは、本教示の単結晶ダイヤモンド成長の装置および方法のある実施形態を使用してシード材料より大きい寸法を有する単結晶ダイヤモンド材料のプレートを生み出すために使用される。単結晶材料の開始シード４０２は、開始表面に平行な寸法およびそれに垂直な寸法の両方を増加させるように成長させられる。本教示によるいくつかの方法では、ダイヤモンド材料は、初期成長面に平行な寸法が初期成長面に垂直な寸法の成長の１．５～３倍であるように成長する。一方法では、材料は、初期成長面に平行な寸法が、初期成長面
に垂直な寸法の成長速度の約２倍増加させられるように成長する。また、本教示によるいくつかの方法は、開始シードの寸法を上回る初期成長面に平行な寸法を有する単結晶ダイヤモンド材料のプレートを生産する。

いくつかの方法では、結果として生じる単結晶ダイヤモンド材料は、１グラムを上回る質量を有する。他の方法では、結果として生じる単結晶ダイヤモンド材料は、２グラムを上回る質量を有する。さらに他の方法では、結果として生じる単結晶ダイヤモンド材料は、５グラムを上回る質量を有する。ダイヤモンド材料の成長する表面とプラズマとの間の間隔、および複数のサンプル間の間隔以外には本教示による方法を使用した単結晶ダイヤモンド材料の成長に対する固有の上限は存在しないことが、実験的に決定されている。いくつかの方法では、基板ホルダは、成長する表面を理想的場所に保つために、成長プロセス中、後退させられる。

また、本教示によるいくつかの方法では、単一の連続成長サイクルにおいて達成され得る単結晶ダイヤモンド成長の厚さは、６ｍｍを超えることができる。他の方法では、単一の連続成長サイクルにおいて達成され得る単結晶ダイヤモンド成長の厚さは、１０ｍｍを超えることができる。さらに他の方法では、単一の連続成長サイクルにおいて達成され得る単結晶ダイヤモンド成長の厚さは、１５ｍｍを超えることができる。単一の連続成長サイクルにおいて達成され得る成長の厚さに対する具体的上限は存在しないことを理解されたい。

一実施化の特定の例として、図４に示されるように、シード４０２は、面積において約７×７ｍｍおよび０．３ｍｍの厚さの初期寸法を有し、約１６ｍｍの側方寸法を伴う４．５ｍｍの厚さまで成長させられた。プレート４０４は、特定の用途に応じて図４に図示される例より厚く、またはより薄くあり得ることを理解されたい。図４に図示される特定の例は、正確な縮尺どおりではないことを理解されたい。

プレート４０４は、成長後、成長させられた単結晶ダイヤモンドから除去される。成長後ステップのいくつかの随意の例は、レーザまたは他の好適な切断デバイスを使用してプレート４０４を１ｍｍ厚の断片等の薄い断片に切断することである。当業者は、プレート厚が１ｍｍより大きく、またはより小さくあり得ることを理解するであろう。代替として、プレート４０４の断片を切断するために、電気化学エッチングが使用されることができる。代替として、プレート４０４の断片を主成長から分離するために、埋め込まれた層によって誘発される歪みが使用されることができる。

プレート４０４は、より大きい寸法へのさらなる成長のためのシードとして使用されることができる。複数のプレートを生成するために、複数の断片が単一の成長から除去されることができる。各区分は、以前のプレートに等しいか、またはそれより小さい面積を有するプレートを形成してもよい。プレート４０４は、例えば電子機器、光学系、センサ、宝石、および切断ツール用途を含む種々の用途のために使用されることもできる。

本教示によるいくつかの方法では、シードのプロセスおよび搭載条件は、プレート４０４が、シード表面に平行な（それに対して側方における）方向における成長を殆どまたは全く伴わずに成長するように調節される。これらの方法では、依然として、断片が種々の用途のためにプレート４０４から切り取られてもよい。

単結晶ダイヤモンドは、本教示に従って、ガス注射、圧送、および圧力制御を伴う真空チャンバを含むプラズマ処理装置を利用して成長させられることができる。マイクロ波、ＤＣ、またはＲＦ発生器が、単結晶ダイヤモンド材料を成長させるためにプラズマを生み出す。典型的には、ダイヤモンドサンプルシードのためのホルダが使用される。ホルダは
、それが多結晶ダイヤモンド材料の成長をサポートし得るように構成される。いくつかの実施形態では、モリブデンホルダが使用される。ダイヤモンドシードは、その熱性質および機械的性質に基づいて選定され得る熱接着材料を用いてホルダに熱的に取り付けられてもよい。ダイヤモンドシードは、熱接着材料を使用せずにホルダの表面上に設置されてもよい。

いくつかの事例では、シード面に垂直な一方向における成長を完了し、サンプルをＣＶＤシステムから除去し、ここで、成長表面がホルダに面するようにサンプルをひっくり返し、これまでホルダに面していたシード側上で成長を再開することが望ましくあり得る。これは、シード面に平行な（それに対して側方における）最大成長を増加させずに垂直成長が増加させられることを可能にする。いくつかの事例では、成長を再開する前に、成長させられた材料を清掃またはトリミングすることが望ましくあり得る。いくつかの事例では、成長を再開する前にホルダおよびプロセスチャンバを清掃することも望ましくあり得る。

（均等物）
本出願人の教示が種々の実施形態とともに説明されているが、本出願人の教示をそのような実施形態に限定されることは意図されていない。それどころか、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、本教示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書で行われ得る種々の代替、修正、および均等物を包含する。

Claims (1)

1. 本願明細書に記載の発明。

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