大单晶金刚石及其生产方法技术

一种生产大单晶金刚石的方法，包括：(i)在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面，(ii)使用金刚石生长工艺，在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。

Large single crystal diamond and its production method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】大单晶金刚石及其生产方法专利
本专利技术涉及大单晶金刚石及其生产方法。
技术介绍
众所周知，金刚石具有最高的晶体质量和极端的物理、光学和介电性能。然而，金刚石的稀缺和具有均一质量的大尺寸金刚石的有限可得性一直是其朝向作为各种应用的主流资源的潜力的障碍。金刚石生长工业已经改善了这种稀缺。目前，生长方法的两种主要形式包括高压高温(HPHT)生长方法和化学气相沉积(CVD)生长方法。尽管改善了金刚石的稀缺，但具有均一质量的大尺寸金刚石的有限可得性仍有待克服。这从目前的事实可以清楚地看出，即迄今为止的最大面积的单晶金刚石仅具有小于1厘米(cm)x1cm的面积。生长大面积CVD单晶金刚石的障碍之一是无法获得(或有限地获得)大单晶金刚石衬底。克服这种障碍的已知方法是将几个具有相似高度的可得单晶金刚石衬底组装成拼嵌形式，然后使用CVD生长方法生长。然而，这种生长方法在两个单晶金刚石衬底之间的界面处产生一个或多个缺陷，如非外延微晶、热解碳和/或小丘。这些缺陷随着金刚石的生长增加，在两个单晶金刚石衬底的界面处产生高应力单晶金刚石(或甚至更差的多晶金刚石材料)。在生长的大面积CVD单晶金刚石上的这种高应力单晶界面或多晶界面可能将这些金刚石仅限制于进行热化学抛光和完全不能进行使用机械抛光进行加工。此外，在将衬底以拼嵌形式放置之后，还难以获得具有均一的衬底性能的所需数量的单晶金刚石衬底用于生长。除非衬底具有均一质量和相似的厚度，否则将难以在衬底之间实现低应力。由于上述原因，尽管高度地寻求技术，但具有均一质量的可用于实际应用的大面积单晶金刚石尚不可得。专利技术概述根据本专利技术的一个实施方案，提供了一种生产大单晶金刚石的方法，包括：(i)在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面，(ii)使用金刚石生长工艺，在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。根据本专利技术的另一个实施方案，提供了单晶化学气相沉积(CVD)金刚石，包括：具有至少一个大于6毫米(mm)的边缘的表面，其中所述表面显示垂直于该大于6mm的表面的边缘延伸的至少一个应力区。附图简述为了更好地理解本专利技术并示出如何实现本专利技术，现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本专利技术的实施方案，其中：图1示出了根据本专利技术的一个实施方案的示例性的生长的金刚石的示例性顶视图和侧视图。图2A示出了根据本专利技术的一个实施方案的在相邻金刚石之间的边界处的示例性表面形貌实例。图2B示出了根据本专利技术的一个实施方案的在六个不同点处的示例性的生长的金刚石的示例性拉曼线宽分析图。图3示出了根据本专利技术的一个实施方案的在生长之前以阵列形式布置的示例性单晶金刚石板。图4示出了根据本专利技术的一个实施方案的以一维阵列形式的示例性金刚石衬底布置。图5示出了根据本专利技术的一个实施方案的示例性单晶金刚石衬底。图6示出了根据本专利技术的一个实施方案两个衬底沿着横截面水平面的生长方向。图7A和7B示出了根据本专利技术的一个实施方案的分别具有{111}和{113}的晶体取向的大衬底。图8示出了根据本专利技术的一个实施方案的制造大板状单晶金刚石的示例性方法的流程图。详细描述根据本专利技术的一个实施方案，提供了一种生产大单晶金刚石(也可以称为生长的金刚石(GrownDiamond))的方法，包括以下步骤：在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面；和使用金刚石生长工艺，由此在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。在一个实施方案中，这两个(2个)相邻表面可以指第一表面和另外的表面，或第二表面和另外的表面，或另外的表面和另一个另外的表面，或与另一个表面相邻的任何表面。除了上述之外，两个或更多个单晶金刚石衬底的相邻表面还可以指彼此接触的表面。当两个或更多个单晶金刚石衬底在单晶金刚石衬底的一个或多个另外的表面处连接在一起时，连接侧表面具有相同的晶体取向或具有预定范围公差的相似的晶体取向。所述另外的表面可以是侧表面。每个单晶金刚石衬底具有第一表面，该第一表面具有晶体取向，并用作生长表面。第一表面可以是顶表面。每个单晶金刚石衬底具有第二表面，其可以是底表面。每个单晶金刚石衬底具有相同的厚度或彼此具有预定范围公差的相似的厚度，并且。另外，每个单晶金刚石衬底具有预定范围的表面粗糙度。首先将单晶金刚石衬底布置在能够进行金刚石生长工艺的室中。金刚石生长工艺可以是化学气相沉积(CVD)金刚石生长工艺。单晶金刚石衬底布置成使得单晶金刚石衬底的至少一个另外的表面与至少一个其它的单晶金刚石衬底的至少一个另外的表面接触。接触的另外的表面由不接触的另外的表面界定，并且其中所述另外的表面具有彼此相同、相似或不同的晶体取向。接触的侧表面也可称为“接触”表面而不接触的侧表面也可称为“非接触”侧表面。在金刚石生长工艺期间，单晶金刚石衬底经受合适的操作条件，包括温度范围，如700℃至1200℃。单晶金刚石衬底在顶表面处经历向上生长，使得在已经连接在一起的单晶金刚石衬底(singlediamondsubstrate)的顶部上形成单个生长层。同时，单晶金刚石衬底还在侧表面处经历横向生长，使得接触侧表面熔合在一起并导致形成一个具有单个扩大的顶表面积以及均一质量的大单晶金刚石衬底。接触侧表面的熔合产生沿着接触侧表面的熔合界面的应力图。受控的金刚石生长工艺考虑了晶体生长形式，该形式有利于sp3键合的立方金刚石结构的形成且不利于缺陷(例如，非外延微晶、热解碳、小丘或任何其它多晶生长)的形成。这样，当两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻放置时，这种受控的生长在衬底的熔合界面处形成具有相对低应力的大单晶金刚石。这种相对低的应力区可以使用X射线晶体学测量和/或拉曼测量在单晶金刚石衬底的熔合界面处证实。根据本专利技术的另一个实施方案，单晶化学气相沉积(CVD)金刚石包括具有至少一个大于6毫米(mm)的边缘的表面(即，顶表面)，其中所述表面显示垂直于该大于6mm的表面的边缘延伸的至少一个应力区。应力区延伸直到所述至少一个边缘的长度除以N，其中N的值是大于1的整数。该表面处的应力的测量值小于另外的表面(即，底表面)上的应力的测量值。当与单晶CVD金刚石的其它区域相比时，应力区周围的应力较大。该表面和所述另外的表面具有{100}的晶体取向。单晶CVD金刚石具有至少0.1mm的厚度。应当理解，应力区可以使用选自以下的成像方法之一来显示：X-射线形貌成像和交叉偏振显微术。在一个实施方案中，应力区内的应力足够低，以便能够对单晶CVD金刚石进行机械抛光。当使用拉曼分析测量时，应力区内的应力产生范围在3.3cm-1至3.8cm-1之间的拉曼线宽。大面积单晶金刚石沿着熔合界面显示应力区。这种应力区是熔合单晶金刚石衬底的相邻侧表面并在其上连续生长金刚石的结果。在熔合界面内的应力可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生产大单晶金刚石的方法，包括：/n(i)在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面，/n(ii)使用金刚石生长工艺，在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生产大单晶金刚石的方法，包括：
(i)在金刚石生长室中将两个或更多个单晶金刚石衬底彼此相邻布置，其中每个单晶金刚石衬底包括至少两个具有不同晶体取向的相邻表面，
(ii)使用金刚石生长工艺，在向上生长方向以及在横向生长方向上生长单晶金刚石衬底。


2.根据权利要求1所述的方法，其中每个单晶金刚石衬底具有{100}晶体取向的第一表面并用作生长表面。


3.根据权利要求2所述的方法，其中每个单晶金刚石衬底具有第二表面，其中第一和第二表面之间的距离限定单晶金刚石的厚度为至少0.1mm。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述单晶金刚石衬底之间的厚度变化小于15μm。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中每个单晶金刚石衬底具有不大于5nm的表面粗糙度(Ra)。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述金刚石生长工艺是化学气相沉积(CVD)金刚石生长工艺。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
布置单晶金刚石衬底，使得单晶金刚石衬底的至少一个另外的表面与至少一个其它的单晶金刚石衬底的至少一个另外的表面接触。


8.根据权利要求7所述的方法，其中接触的另外的表面由不接触的另外的表面界定。


9.根据权利要求8所述的方法，其中接触的另外的表面具有{100}、{110}、{113}或{111}中任何一个的晶体取向。


10.根据权利要求8或9所述的方法，其中不接触的另外的表面具有{100}、{110}、{113}或{111}中任何一个的晶体取向。


11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中晶体取向的偏轴角不大于3°。


12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述横向生长熔合接触的另外的表面。


13.根据权利要求12所...

【专利技术属性】
技术研发人员：DS米斯拉，
申请(专利权)人：二A科技有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG