[发明专利]实验培育钻石的制造

权利要求书

1.一种通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制造实验室培育的钻石材料的方法，其包括：

提供腔室，

在所述腔室内提供具有凹陷槽腔的支架，

在所述槽腔内放置基底以用作籽晶，以及

通过将处理气体引入到所述腔室中并通过电产生的能量加热所述气体来在所述腔室内建立含有碳物质的等离子体，以使碳作为单晶钻石(SCD)沉积在所述基底上并以多晶钻石(PCD)形式沉积在所述基底支架上，

其特征在于

通过控制施加的能量、所述基底支架的冷却和所述处理气体的化学组成中的至少一个来设定所述基底上的所述单晶钻石和所述支架的表面上的所述多晶钻石的相对培育速率，使得在所述基底上培育的所述单晶钻石突出到所述支架中的所述凹陷槽腔之外，并且多晶钻石层在所述支架的包围表面上以这样的速率培育，即其始终位于所述支架中的所述凹陷槽腔的表面上方的至少与所述单晶钻石的表面一样高的高度处，由此所述单晶钻石的横向培育受到包围的多晶钻石层的约束，以防止所述单晶钻石的突出到所述凹陷槽腔之外的部分的横截面积增加。

2.如权利要求1所述的方法，其中，对所述单晶钻石的横向培育的所述约束导致随着与所述支架的距离的增加，所述单晶钻石的突出到所述凹陷槽腔之外的所述部分的横截面积减小。

3.如权利要求1或2的方法，其中，对所述单晶钻石的横向培育的所述约束使得所合成的单晶钻石从所述基底测量的高度为所述基底的最大宽度的40％-80％，优选60％。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述能量以即具有1mm和1m之间的波长的微波范围内的频率以电磁(EM)能的形式施加。

5.一种用于通过化学气相沉积制造实验室培育的钻石材料的PECVD设备，所述钻石材料包括单晶钻石(SCD)，所述设备包括：

a.微波发生器，其配置为以频率f产生微波；等离子体腔室，所述等离子体腔室包括基部、顶板和从所述基部延伸至所述顶板的侧壁，以限定所述基部与所述顶板之间的用于支持微波谐振模式的谐振腔；

b.微波耦合结构，用于将微波从所述微波发生器引入到所述等离子体腔室中；

c.用于将处理气体供给到所述等离子体腔室中并从其中去除废气的气流系统，所述气流系统包括用于控制所述处理气体的组成的气流控制器；

d.基底支架，其设置在所述等离子体腔室中并且包括外表面和至少一个用于支承用作籽晶的单晶钻石的基底的支承表面，支承所述籽晶的所述表面相对于所述支架的所述外表面是凹陷的；

e.用于调节所述等离子体腔室内的压强的压强控制系统；以及

f.用于调节所述基底支架的温度的冷却系统；

其特征在于，控制系统，所述控制系统用于通过控制施加的能量、所述基底支架的冷却和所述处理气体的化学组成中的至少一个来设定所述基底上的所述单晶钻石和所述支架的所述表面上的多晶钻石层的相对培育速率，使得在所述基底上培育的所述单晶钻石突出到所述支架中的凹陷槽腔之外，并且所述多晶钻石层在所述支架的包围表面上以这样的速率培育，即其始终位于所述支架中的所述凹陷槽腔的表面上方的至少与所述单晶钻石的表面一样高的高度处，由此所述单晶钻石的横向培育受到包围的多晶钻石层的约束，以防止所述单晶钻石的突出到所述凹陷槽腔之外的部分的横截面积增加。

6.如权利要求5所述的PECVD设备，其中，所述控制系统可操作地以这样的方式设定所述基底上的所述单晶钻石的相对培育速率和所述支架的表面上的所述多晶钻石层的相对培育速率，即所述单晶钻石受到包围的多晶钻石层的约束，从而使所述单晶钻石的突出超过所述支架的所述凹陷的表面的所述部分的横截面积随着与所述支架的距离的增加而减小。

7.一种PECVD合成的单晶钻石(SCD)材料，所述材料具有包括基部、基本上平行于所述基部的至少一个截头表面和至少一个高度的截头形状，所述至少一个高度是在所述基部与所述至少一个截头表面之间测量的，所述SCD材料具有以下结构特征中的至少一个、至少两个或至少三个：

a)所述截头形状的所述基部具有至少16mm²、至少25mm²或至少36mm²的表面积；

b)所述截头形状的所述基部具有至多400mm²、至多225mm²或至多144mm²的表面积；

c)所述截头形状的所述基部具有在16mm²至400mm²、25mm²至225mm²、36mm²至225mm²或36mm²至144mm²的范围内的表面积；

d)所述截头形状的至少一个截头表面具有至少1mm²、至少4mm²或至少9mm²的表面积；

e)所述截头形状的至少一个截头表面具有至多196mm²、至多64mm²或至多25mm²的表面积；

f)所述截头形状的至少一个截头表面具有在1mm²至196mm²、9mm²至196mm²或4mm²至64mm²的范围内的表面积；

g)至少一个高度为1mm或更大、2mm或更大、或3mm或更大；

h)至少一个高度为15mm或更小，或10mm或更小，或5mm或更小；

i)至少一个高度在1mm至15mm、2mm至10mm或3mm至10mm的范围内；

j)形成在所述基部的边缘与所述至少一个截头表面的边缘之间的至少一个斜面与所述基部形成锐角，对于具有3mm或更大的总高度的截头形状，所述锐角为75°或更小、70°或更小、或65°或更小；

k)形成在所述基部的边缘和所述至少一个截头表面的边缘之间的至少一个斜面与所述基部形成锐角，对于具有3mm或更大的总高度的截头形状，所述锐角为35°或更大、40°或更大、或45°或更大；

l)形成在所述基部的边缘与所述至少一个截头表面的边缘之间的至少一个斜面与所述基部形成锐角，对于具有3mm或更大的总高度的截头形状，所述锐角在35°至75°、或40°至75°、或40°至70°的范围内；

m)用于最大化利用所述截头形状的体积来从所述截头形状抛光出任何钻石切割形状的抛光效率为30％或更大、35％或更大、40％或更大、或45％或更大；

n)用于最大化利用所述截头形状的体积来从所述截头形状抛光出任何钻石切割形状的抛光效率为80％或更小、70％或更小、或60％或更小；

o)用于最大化利用所述截头形状的体积来切割圆形明亮式钻石形状的抛光效率在30％至80％、35％至80％、30％至70％、35％至70％、30％至60％、35％至60％或40％至60％的范围内；

p)所述截头形状包括基本上彼此平行且平行于所述基部的两个截头表面，所述基部是位于所述两个截头表面之间的公共基部，所述截头形状具有在所述基部与所述两个截头表面中的第一近侧截头表面之间的第一高度H1和在所述基部与所述两个截头表面中的第二远侧截头表面之间的第二高度H2，其中H1H2，并且H2与H1的高度比为至少2、至少2.5、至少3、至少3.5或至少4；

q)所述截头形状包括基本上彼此平行并且平行于所述基部的两个截头表面，所述基部是位于所述两个截头表面之间的公共基部，所述截头形状具有在所述基部与所述两个截头表面中的第一近侧截头表面之间的第一高度H1和在所述基部与所述两个截头表面中的第二远侧截头表面之间的第二高度H2，其中H1H2，并且H2与H1的高度比为至多15、至少10、至多8或至多6；

r)所述截头形状包括基本上彼此平行并且平行于所述基部的两个截头表面，所述基部是位于所述两个截头表面之间的公共基部，所述截头形状具有在所述基部与所述两个截头表面中的第一近侧截头表面之间的第一高度H1和在所述基部与所述两个截头表面中的第二远侧截头表面之间的第二高度H2，其中H1H2，并且H2与H1的高度比在2至15、2至10、或4至10的范围内；

s)所述SCD材料具有至少0.5克拉、至少0.7克拉或至少1.0克拉的重量；以及

t)从所述截头形状抛光出来的钻石满足宝石质量标准，并且可选地为无色、接近无色或微色，所述抛光的钻石具有M级或更佳的、L级或更佳的、或K级或更佳的GIA等级的颜色等级，更佳的颜色等级意味着更少带色、接近无色或无色的抛光钻石。