[发明专利]多晶合成金刚石材料

说明书

公开了制造多晶CVD合成金刚石晶片的方法。使用CVD工艺在基材上生长第一多晶CVD合成金刚石晶片至第一厚度。从多晶CVD合成金刚石晶片切割第二较小的晶片。第二较小的晶片位于载体上，并且在第二较小的晶片上生长另外的多晶CVD合成金刚石材料至第二厚度从而产生具有总厚度为第一和第二厚度之和的多晶CVD合成金刚石材料。

技术领域

本发明涉及多晶化学气相沉积(CVD)合成金刚石材料的制造和制备这样材料的方法。

背景技术

合成金刚石材料的化学气相沉积(CVD)方法是本领域公知的。与石墨相比金刚石处于亚稳的区域，在CVD条件下合成金刚石是由表面动力学而不是由体热力学驱动的。通过CVD的金刚石合成通常在过量的分子氢中使用小分数的碳(通常＜5％)进行，通常为甲烷的形式，尽管也可使用其它含碳气体。如果将分子氢加热至超过2000K的温度，存在原子氢的明显分解。存在合适的基材材料时，可沉积合成金刚石材料。

微波等离子体活化CVD金刚石合成系统通常包含与源气体的供应和与微波功率源连接的等离子体反应器容器。构造等离子体反应器容器从而形成支持微波驻波的谐振腔。将包括碳源和分子氢的源气体加料至等离子体反应器容器中并可通过微波驻波活化以形成在高场区域中的等离子体。如果在等离子体附近提供合适的基材，含有自由基的反应性碳可从等离子体扩散至基材并在其上沉积。原子氢还可从等离子体扩散至基材并从基材选择性蚀刻掉非金刚石碳使得可出现金刚石生长。

使用CVD工艺用于合成金刚石膜生长的一系列可能的等离子体反应器是本领域已知的，包括微波等离子体CVD反应器、热灯丝反应器、等离子体喷射反应器和DC阴极弧喷射反应器。这样的反应器具有各种不同设计。常见的特征包括等离子体腔；设置在等离子体腔中的基材架；形成等离子体的功率源；将工艺气体加料至等离子体腔中并将它们从其中除去的气流系统；和控制基材架上的基材温度的温度控制系统。

使用微波等离子体反应器例如在现有技术中公开的那些，能够通过化学气相沉积在合适的基材例如硅晶片或形成碳化物的耐火金属盘上生长多晶金刚石晶片。这样的多晶CVD金刚石晶片在它们的生长状态下通常是视觉上不透明的，但是可通过抛光晶片的相对面以产生用于光学应用的透明多晶金刚石窗而变得透明。

金刚石材料可用作导热组件因为它具有高热导率。例如，盘形激光器可包含热散布基材，在其上设置激光增益材料的薄盘。薄盘还常被称为主动镜，因为它充当具有激光增益的镜。热散布基材可经受冷却剂以从其提取和去除热量。输出耦合器放置成与主动镜相对以形成光学腔。例如用二极管激光器泵浦主动镜，并且通过输出耦合器发射高功率激光。已知使用多晶CVD合成金刚石晶片作为安装盘状激光器的主动镜的热散布基材。发现了金刚石材料由于它极高的热导率可用于这样的应用中。此外，金刚石材料具有非常低的热膨胀系数使得热吸收低。

多晶CVD合成金刚石样品的热性能取决于样品的物理尺寸(直径和厚度)和形成样品的金刚石材料的“品质”。例如，厚的大面积样品将倾向于具有比薄的小面积样品更好的热散布功能。此外，已知的是热导率受晶粒尺寸、杂质和/或缺陷例如在生长过程中并入金刚石材料中的非金刚石碳的影响。另外，材料品质与晶片几何形状和生长速率密切相关。例如，生长样品至提高的厚度倾向于提高杂质和/或缺陷并入多晶CVD合成金刚石晶片的速率。此外，生长样品至提高的直径倾向于提高杂质和/或缺陷并入多晶CVD合成金刚石样品，特别是样品外围的速率。另外，在提高的生长速率下生长样品倾向于提高杂质和/或缺陷并入多晶CVD合成金刚石样品的速率。

由于刚性的原因，在一些应用中期望CVD合成金刚石的硬度(stiffness)足以抵抗使用期间(例如当高功率激光束通过金刚石时)的弯曲。提高刚度的一种方式是提高厚度。然而，生长厚度大于约2mm的晶片非常困难，因为生长晶片至提高的厚度、直径和/或生长速率还可导致在合成工艺期间晶片开裂的问题。

提供较厚的金刚石晶片的一种解决方式是例如通过钎焊将两个晶片连接在一起。然而，这导致晶片之间的界面可引入均匀的低热导率的不均匀区域、光的透射可受影响的点和机械上较弱的点，因此这种解决方案是不期望的。