[发明专利]具有均匀颜色的单晶化学气相沉积合成金刚石材料

说明书

一种着色的单晶CVD合成金刚石材料，其包含：多个层；其中所述多个层包括至少两组层，所述至少两组层在它们的缺陷组成和颜色方面不同，其中所述至少两组层各自的缺陷类型、缺陷浓度和层厚度为：如果将所述着色的单晶CVD金刚石材料制造成圆形明亮式切割金刚石，该圆形明亮式切割金刚石包含台面和底尖，并且具有大于1mm的台面至底尖深度,那么至少在通过台面至底尖的方向上于标准环境观察条件下通过肉眼观察时，该圆形明亮式切割金刚石包含均匀的颜色。

发明领域

本发明的实施方案涉及具有均匀颜色的单晶化学气相沉积(CVD)合成金刚石材料以及制造所述金刚石材料的方法。特别地，本发明的某些实施方案是关于以更高的生长速率制造均匀着色的金刚石材料和/或制造新颖着色的金刚石材料。

发明背景

一系列着色的单晶CVD合成金刚石材料在本领域是已知的，包括棕色、蓝色、橙色、绿色、红色、粉色和紫色。可以通过在CVD合成过程中引入一种或多种掺杂剂来制造着色的单晶CVD合成金刚石材料。例如，可以通过如WO2003/052177中所述的氮掺杂来制造棕色的单晶CVD合成金刚石材料。可以通过如WO03/052174中所述的硼掺杂来制造蓝色的单晶CVD合成金刚石材料。

除上述之外，可以通过在合成之后对材料进行退火和/或辐照来改变单晶CVD金刚石材料的颜色。根据起始材料的确切类型以及辐照和退火处理的性质可以获得一系列的颜色。例如，如在WO2004/022821中所述，对单晶CVD金刚石材料退火能改变其颜色。如在WO2010/149779中所述，当进行辐照时无色的或接近无色的单晶CVD合成金刚石材料变成蓝色。如果进行辐照并且然后加热至大于约700℃的温度，那么可以将最初为无色或接近无色的单晶CVD合成金刚石材料转化成如WO2010/149777中所述的橙色或如WO2010/149775中所述的粉色。根据起始材料的确切类型、任何退火步骤的温度和持续时间、任何辐照步骤的能量和剂量、以及辐照和退火步骤的任何组合的数量和顺序也可以获得其它颜色。

对于许多光学应用色彩均匀性是重要并且对于珠宝应用特别重要的是在标准环境观察条件下(即不使用显微镜或光谱技术来检测颜色均匀性的变化)材料的颜色对于肉眼显得均匀。在此类应用中，掺杂剂浓度的小变化将不是视觉上可检测的并且因此将不会有损于材料的显性品质。

提供均匀颜色的一种方式是确保在CVD生长过程中自始至终以恒定水平仔细控制掺杂以防止在材料的生长方向上的颜色不均匀性。另外，确保在垂直于生长方向的方向上以恒定水平控制掺杂从而防止跨生长原态材料的横向的颜色不均匀性也是重要的。气流、基底温度和微波等离子体均匀性会影响掺杂剂摄取的速率并且需要对其仔细控制。

除上述的控制掺杂剂水平以外，WO03/052174公开了在生长期间延伸穿过单晶CVD合成金刚石材料的位错缺陷能够引起掺杂剂纳入金刚石晶格的不同速率，从而导致在所得单晶材料中掺杂剂浓度的变化。这样的变化(如果充分大的话)能导致不均匀的颜色。WO03/052174公开了通过在单晶金刚石基底上执行CVD生长能降低这样的不均匀性，所述金刚石基底在其生长表面具有极低的位错缺陷浓度并且已被仔细处理以避免引入表面和亚表面损伤。据教导，这样的低表面缺陷基底在降低位错浓度方面是有利的，其能穿入在其上生长中的单晶CVD合成金刚石材料中并且导致差异化的掺杂剂原子摄取。

鉴于上述，已知的是仔细的基底选择并且结合仔细控制且均匀的生长条件能够导致均匀掺杂达到如下程度的单晶CVD金刚石材料：在标准环境观察条件下其颜色对于肉眼显得均匀，并且对于要求高度均匀性的技术应用而言确实能将其控制在高得多的掺杂剂均匀性水平。因此，使用现有技术教导以实现均匀着色的单晶CVD合成金刚石材料在技术上是可行的。

然而，除技术可行性之外，对于要在商业上成功的合成工艺，其还必须是经济上可行的。对于要是经济上可行的单晶CVD金刚石合成工艺，其必须具有充分高的生长速率和充分高的产率。将掺杂剂纳入单晶CVD金刚石生长工艺以改变材料的颜色能影响这两个参数。