[发明专利]用于制造大晶体金刚石的材料和方法

说明书

本申请要求2006年2月7日提交的美国临时申请No.60/771,140 和2006年3月20日提价的美国临时申请No.60/784,138和2006年 11月3日提交的美国临时申请No.60/864,278的权益，它们都经此 引用并入本文。

领域

本公开涉及具有大横截面积的基本单晶金刚石、用于其生长的基 本单晶基底和采用这些新型基底使其生长的方法。

背景

金刚石是指仅由碳原子(在周期表中原子序数6)构成的结晶材 料。在金刚石晶格中，一个碳原子在四面体几何中与其紧邻的元素形 成四个共价键。这种简单结构具有特别独特的物理性质。例如，金刚 石是地球上最硬的材料并具有任何已知材料的最高导热率。其也具有 任何固体的最高声速并可论证地具有任何固体材料的最宽透光带宽， 从紫外和远红外延伸到微波区域和更远。对于透明材料，金刚石具有 极大折光指数，造成大的反射系数和小的总内反射角度，这直接有助 于珠宝中所用的适当打磨金刚石的“闪亮性”。在电方面，金刚石是 绝缘体，但可以用硼掺杂以制造p型(具有空穴)半导体和用磷或其 它材料掺杂以制造潜在n型(具有电子)半导体。足够大和廉价的金 刚石可用于制造构成IC电路、太阳能电池、发光二极管和其它电子 器件的基础的p-n结器件。金刚石具有许多独特和有吸引力的性质， 只是其高成本、尺寸限制及其稀缺性阻碍其用在各种电子和相关用途 中。

直到大约50年前，地球上的所有金刚石材料都是在地幔中“天 然”形成。尽管天然形成的多数金刚石是单晶并有时发现相当大的晶 体，用于珠宝用途的重量大约10克拉的优质天然金刚石轻易就花费 250000美元或更多。在1950年代中期，General Electric Company 成功地在实验室中使用高温(1500℃或更高)和高压技术(50,000大 气压或更高)制造金刚石。这种方法通常被称作高温高压法(“HTHP 法”)。几乎所有天然形成的金刚石和通过HTHP技术生成的金刚石 都是单晶。在这种最初的成功后，已经进行持续的努力以改进该方法 和降低合成金刚石的成本。由于这些努力，用于研磨和抛光其它材料 的1克拉(0.2克重)金刚石砂粒的成本已降到在数美元的范围内。 但是，金刚石砂粒中的单晶通常相当小，远小于1毫米大小和0.1克 拉重量。在实验室中使用HTHP技术生长低成本25克拉单晶金刚石(仅 5克)的能力仍然是困难和难以捉摸的目标。因此，金刚石尚未成为 其本来适用的许多实际工程学或科学用途所选的材料。

在过去20至30年中，已经开发出不同的金刚石生长技术:化学 气相沉积(CVD)。CVD可以在相对较低的温度(1000℃或更低)和低 压(0.2大气压或更低)下进行。该技术在其涉及金刚石生长时，已 经逐步发展成使用甲烷(CH₄)和氢(H₂)之类的气体。可以通过各种 激发方法，包括微波、热丝、等离子体喷枪等产生原子氢——该方法 的关键方面。最初认为，由于CVD法在低温低压下进行，其可以比HTHP 法更方便和更便宜地提供金刚石。不幸地，美国和国外的数年政府和 私人研究尚未将用于金刚石生长的CVD技术充分发展到足以提供用于 难以捉摸的工程和科学用途的足够大和廉价的金刚石。生长金刚石的 CVD法部分受到下列因素的阻碍:1)其缓慢的金刚石结晶生长速率(根 据金刚石质量每小时数微米至每小时最多50至100微米)；2)其品 质限制(即单晶金刚石通常只能在单晶金刚石基底或非金刚石单晶基 底上生长并且基本反映该基底的品质)；和3)生成的金刚石的尺寸 通常在至少两个维度中受限于基底尺寸。目前可购得的最大单晶金刚 石基底为大约5毫米×5毫米。这些所谓的“基底金刚石”通常使用 HTHP技术生长。因此，在通过HTHP法制成的单晶金刚石基底上生长 成的CVD金刚石类似地具有大约5毫米×5毫米的尺寸限制。通常， 通过CVD法进行的单晶金刚石的侧向生长经证实有限且困难。