[发明专利]用于制备单晶金刚石的高温高压（HPHT）方法

说明书

本发明涉及制备金刚石材料的方法。特别地，本发明涉及用于制备在切割用途中使用的大的单晶金刚石的HPHT方法。

在本领域中通过温度梯度HPHT方法合成金刚石是公知的，并且首次描述在US4,034,066中。

金刚石合成的常规方法可以制备高达几克拉(最大侧向尺度约8mm)的单晶金刚石。尽管在R.C.Burns等人的Diamond and Related Materials，8(1999)，1433-1437中报道了一些特别大的钻石(stone)，但因制备中的增加的复杂性而通常不可用。

使可用于成品的每种晶体的总体积分数最大化成为在金刚石合成中的重要难题。对于从合成宝石级钻石到同质外延生长用衬底的一系列产品，存在制备金刚石材料的动力，其中生长的金刚石的最终形状使得可用最少的努力将其加工达到用于目标应用中的优选晶面。此外，对于很多这些产品而言，存在如下尺寸要求：使得对于高于特定尺寸阈值的晶体，有利于实现这样的形状。

此外，在一些应用中，使成品中的金刚石材料具有均匀光学性质是重要的。已公知，金刚石的光学性质(例如光学吸收)可受其氮含量的强烈影响，而该氮含量又对生长晶体中的生长扇区(sector)敏感。例如，在{111}生长扇区中的单一替位型氮的溶解度可能是{110}生长扇区中的100倍。因此，对于一些用途包括一些机械用途，通过由一个或主要由一个生长扇区构成的材料提供改善的性能。

可通过改变生长温度在一定程度上调整HPHT合成的金刚石晶体的形态。但是，仅使用温度调整形态可制备的极度立方或八面体晶体的程度是有限的。

在通过重构法或温度梯度法生长的大的金刚石晶体中，保持籽晶处在温度梯度的较低端是重要的。因此，通常将籽晶(金刚石晶体由该籽晶生长)保持在陶瓷承载器中。承载器的存在意味着晶体通常仅可生长成全部立体角的一半。在生长后，籽晶保持暴露于生长的大晶体的籽晶面上。此外，生长中的晶体典型显示{100}、{111}和{110}面的组合，同时典型具有“立方”形状的不同变体：要么是具有平行于一个立方面的籽晶面的半立方，要么是具有沿着穿过立方面对角面的籽晶面的半立方。

对于各种用途包括机加工丙烯酸类、望远镜的反射镜、树脂模具以及最近的机加工LCD面板显示单元而言，工业金刚石市场存在着对具有1mm以上边缘长度的合成金刚石片的持续需求。此外，成形刀具用于各种用途，从切割贵金属到光学产品。在供应市场中，主要问题是可获得性的限制及品质。通常需要特定的晶向(以它们出现的顺序，{111}、{110}和{100}平面说明减少的耐磨性)，并且工具制造商可喜欢<110>胜过<100>边缘，因为它更耐磨。此外，可需要具有一个长的边缘长度的工具块，并且很多的这些产品具有大的纵横比，且从近等轴片上切割是低效的。

与制备特别是用于工具用途中的具有至少一个长尺度的高品质合成金刚石相关存在一些问题。

为了制备合适尺度的材料，通常需要长的合成周期时间，这提高了设备控制失效和生长变动的风险。此外，为了有利于生长空间，必须显著减少籽晶的数目。这种结合效应导致了相对密集的使用工业合成能力和显著降低的市场可获得性。

与生长大的金刚石相关的第二个问题是在形状、尺度改变和夹杂物的吸留方面控制晶体品质：通常钻石越大，一种或多种这些品质问题发生的可能性越大。

第三个问题是预制备或在制备所需工具前需要进行的材料移除的数量。如果可提供代表用于所需工具工件的近净形的合成状态的材料，由于可将较多的合成金刚石块转化为工具工件，加工成本将会降低。这增加了材料的利用，并且允许合成能力的提高，由于可将材料更有效地合成来满足近净形的要求，导致更高的引晶密度，缩短的循环时间，因此导致单位合成循环更大量的合适金刚石。

US4,836,881描述了合成大的单晶金刚石的方法，其中提出了现有技术中所报道的两个问题，特别是在维持优异品质的同时将过量的夹杂物形成最小化。这篇文献描述了从具有直径大于3mm的大籽晶合成金刚石。

US4,836,881的方法教导：为了制备优异品质的单晶金刚石同时避免过量的夹杂物形成，有必要在籽晶正上方提供溶解层，其在工艺的早期阶段导致刻蚀和随后从籽晶表面移除损伤。第二阶段是通过调整溶剂条段(slug)的几何形状和尺度来控制朝向表面的碳流。

WO2008/107860描述了用于制备单晶金刚石的HPHT方法，其中选择籽晶使得具有至少1.5的纵横比的生长表面。据报道制备了具有减少的金属夹杂物含量的合成单晶金刚石材料。