[发明专利]单晶金刚石

说明书

本申请是发明名称为“单晶金刚石”，申请日为2003年9月19日， 申请号为03822264.7(PCT/IB03/04057)的中国专利申请的分案申请。

发明背景

本发明涉及单晶金刚石。

金刚石提供了一系列的独特性能，包括透光性、热传导性、刚性、 耐磨性及其电子性能。尽管金刚石的很多机械性能可以在不只一种类型 的金刚石中实现，但其它性能对所使用的金刚石的类型非常敏感。例如， 为了获得最好的电子性能，CVD单晶金刚石是重要的，通常优于多晶CVD 金刚石、HPHT金刚石和天然金刚石。

在很多金刚石应用中，可以得到的金刚石的有限的横向尺寸是一种 重大的限制。对于多晶结构适宜的应用来说，多晶CVD金刚石层状物基 本上解决了这个问题，但在很多的应用中多晶金刚石是不合适的。

尽管天然和HPHT金刚石可能不适合于某些应用，但它们被用作在 其上生长CVD金刚石的基质。虽然基质可以具有多种的晶体学取向，但 可被生产用于高品质CVD金刚石生长的最大和最适宜的基质取向通常是 (001)。在本说明书中，假设z方向是垂直于基质表面和平行于生长方 向的方向，来记载基于轴x、y、z定义平面的Miller指数{hk1}。因此， 轴x、y是在基质平面之内，并通常因对称性而是等价的，但因为生长 方向而不同于z。

大的天然单晶金刚石极为稀有和昂贵，并且因为在其制备和使用中 有关的非常高的经济风险，还没有见到适宜于CVD金刚石生长的大的天 然金刚石基质板。天然金刚石经常是有应变的和有缺陷的，在较大的基 质板中尤其如此，并且这在CVD附晶生长中会造成孪晶和其它问题，或 在合成期间造成断裂。此外，在天然金刚石基质中普遍存在的位错在CVD 层中被复制，也降低其电子性能。

HPHT合成金刚石在尺寸上也有限，通常在较大的宝石中质量较差， 以夹杂物为主要问题。从合成金刚石制造的较大的板常表现出缺角，以 至于存在与{100}不同的边缘小平面(例如{110})，或它们会包含杂物或 有应变。在合成过程中，形成了其它的小平面如{111}，它位于(001)顶 面和{110}侧面之间(见附图的图1)。最近几年中，很大的努力投向了用 于例如单色光镜之类的应用的高品质HPHT金刚石的合成，并且据报道 已取得了一些进展，但适合用作基质的HPHT板的尺寸仍然有限。

在厚层的CVD合成中，通常知道特别是{111}面会形成孪晶，在合 成过程中限制完美的单晶生长的面积，并经常导致劣化和甚至断裂，并 由于生长温度导致的热应力而进一步恶化。在{111}上的孪晶作用尤其 干扰最大板的尺寸的增加，该最大板可以由(001)主面来制造，并以{100} 侧面为边界。

当以{100}边为边界时，通常可以得到的(001)基质可高达约7mm²， 并且当以{100}和{110}边为边界时，主面宽度可高达约8.5mm。

金刚石的CVD均相外延合成包括在已有的金刚石板上外延生长 CVD，并且文献中对该方法有详细描述。这当然仍受已有的金刚石板的 可获得性的限制。为了得到更大的面积，注意力还集中到横向生长，以 增加附晶生长的板的总面积。EP0879904中描述了这种方法。

均相外延生长的一种替代方案是异相外延生长，其中利用外延方法 在非金刚石基质上面生长。然而，在所有已报道的案例中，这种方法的 产品与均相外延生长的产品明显不同，其在高度取向但没有精确取向的 区域之间有低角度的边界。这些边界严重地劣化金刚石的性能。

为扩大CVD板的面积的均相外延金刚石生长存在很多困难。

如果可以在金刚石板上实现理想的均相外延生长，那么该可以实现 的生长基本上可由附图的图1和2来图示说明。所图示的生长形态假设 不存在竞争的多晶金刚石生长。然而实际上，通常存在来自多晶生长， 即从金刚石基质板固定在其上面的表面开始的生长的竞争。这点由附图 的图3来说明。