[发明专利]单晶金刚石及其生长方法

说明书

发明领域

本发明涉及单晶金刚石的生长方法。具体地讲，本发明涉及通过化学气相沉积(CVD)方法生长金刚石的方法。

背景技术

已经使用各种CVD技术来生长多晶金刚石以及单晶金刚石。虽然多晶金刚石具有与单晶金刚石类似的性质，但其并不是开发新用途的潜在材料。

例如，多晶金刚石的热导性仍无法超越天然金刚石的热导性。实际上，在多晶金刚石中，由于晶界起到声子的散射中心的作用，从而使热性质及其它性质劣化，晶界限制了金刚石独特的优异性质。大角晶界以及小角晶界的存在成为多晶金刚石应用的主要缺陷。

虽然在多种应用中明确优选使用单晶金刚石，但单晶金刚石难以生长成具有与天然金刚石一样的质地、净度、纯度和修饰度(finish)。尽管与多晶金刚石比较，单晶金刚石具有多种优异的性能，但在CVD生长的单晶金刚石中微观和宏观的石墨和非石墨内含物以及羽状纹(feathers，长线缺陷)是非常常见的。结果，CVD生长的单晶金刚石被用作宝石品质产品的潜质降低了。

通过拉曼光谱和X射线衍射(XRD)对单晶CVD生长金刚石的缺陷的详细表征揭示所述缺陷包括在不同的(otherwise)单晶金刚石中尺寸在亚微米至数微米的范围的石墨区域。

生长单晶CVD金刚石的另一个困难是生长速率。虽然通过在CVD气体中加入氮，生长速率可能为70-100微米/小时，但是缺陷普遍存在，且通常缺陷的密度随着生长速率的提高而提高。

例如，日本公开号JP07277890的Derwent摘要公开了合成金刚石的方法，所述金刚石用作半导体、电子或光学部件，或用作切割工具。具体地讲，在JP 07277890中公开的方法包括在含氮气体(其中氮与氢的比率为3至1000ppm)或含氧气体(其中氧与碳的比率为3至100％)存在下生长金刚石，以提高生长速率。

Yan等人的技术论文(PNAS,2002年10月1日,第99卷,第20期,12523-12525)公开了通过微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)制备单晶金刚石的方法，生长速率为50至150微米/小时。

所述方法涉及在150托下实施CVD工艺，并且包括向CVD气体中加入氮气，以使得氮气与甲烷的比率为1至5％N₂/CH₄。Yan等人相信按所述比率存在的氮气提高了生长速率，原因是产生了更多可用的生长点。相信这是使得生长由<111>晶面转变为<100>晶面的结果。

在CVD气体中氮含量的重要性在美国专利5,015,494(Yamazaki)中得到认同，美国专利5,015,494(Yamazaki)教导了生长金刚石的方法，所述金刚石具有针对专属应用(dedicated application)的定制性质(customizedproperties)。

Yamazaki公开通过电子回旋共振CVD形成金刚石，并公开了加入氮以“借助于外部或内部应力来阻止晶格缺陷生长”。氮以氮-化合物气体与碳-化合物气体的比率为0.1至5％的比率加入。所得的金刚石的氮浓度为0.01至1wt％。

另外，Yamazaki公开了需要向CVD气体中加入硼气体，以形成氮化硼，所形成的氮化硼沉积在基体上，以促进所形成的金刚石粘附在所述基体上。

根据Yan等人的文献和Yamazaki的文献，需要氮是因为两个目的。具体地讲，氮被用于提高CVD生长单晶金刚石的生长速率，并且阻止电子回旋共振CVD生长单晶金刚石中的晶格缺陷。

发明概述

本发明的一个目的是提供用于生长基本不含缺陷的单晶金刚石的CVD方法。

申请人已经就任选与乙硼烷一起的氮气在用于生长单晶金刚石的CVD工艺中的作用进行了大量的实验工作。所述实验工作已经发现使用Yan等人的文献和Yamazaki的文献中所建议的量的氮导致了生长的金刚石显示氮基缺陷，例如微裂痕、微内含物等。所述实验工作还已经发现在CVD气体中的仅仅非常少量的氮气(任选与乙硼烷、氧气和氦气一起)将产生可用于宝石的非常高质量的基本不含缺陷的单晶金刚石并且申请人所确定的有利的氮气与乙硼烷的量远低于Yamazaki的文献中所公开的氮与碳的比率。