[发明专利]合成CVD金刚石

说明书

本发明涉及用于合成合成CVD金刚石材料的方法和高品质的合成CVD金刚石材料。

金刚石具有高硬度、高耐磨性、低的可压缩性和低的热膨胀系数。金刚石还可具有非常高的热导率系数并且其可以是极好的电绝缘体。这使得金刚石成为许多应用的理想材料。例如，通过利用金刚石的热传导率，金刚石可以是用于电子器件的优异散热材料。

在某些电子器件中，为了钉扎费米能级，用氮掺杂金刚石的能力是重要的。

使用高压高温（HPHT）合成技术所合成的合成金刚石材料通常含有大浓度的氮杂质，特别是单取代的氮(N_s⁰)，这使其为黄色。为了避免这种情况，必须采取特殊措施以便从合成环境中排除氮。另外，使用HPHT合成技术生产的金刚石材料在合成期间形成的具有不同结晶取向的表面（其为对应于不同生长扇区的表面）上表现出强烈差异的氮杂质吸收。因此，金刚石材料往往显示出具有不同颜色的区域，这是由于不同生长扇区中的不同氮杂质浓度造成的。另外，难以充分控制HPHT合成工艺使其足以甚至在合成金刚石材料内的单一生长扇区各处产生均匀且理想的氮浓度。此外，在HPHT合成中，典型发现来自合成工艺和所用的催化剂的杂质（实例为包含钴或镍的夹杂物），这些特征可产生使机械、光学和热学性能劣化的局部和非均匀的应变。

使用CVD方法（例如US 7,172,655所述的工艺），能够合成含有大浓度（高达约10ppm[百万分率]）的N_s⁰的合成金刚石材料，但是该金刚石通常为褐色。据认为这种褐色是由于在材料中存在N_s⁰以外的缺陷，认为这是由向CVD合成环境添加氮所引起的。

本征金刚石材料具有约5.5eV的间接带隙并且在光谱的可见光部分是透明的。引入缺陷（也称为“色心”，其具有在所述带隙内的相关能级）赋予金刚石特征颜色，该特征颜色取决于色心的类型和浓度。这种颜色可来自吸收或光致发光，或这两者的结合，但是通常吸收是主要因素。例如，众所周知的是，N_s⁰缺陷在可见光谱的蓝端引起吸收，该吸收本身引起材料具有黄色。类似地，从Walker(J.Walker,‘Optical Absorption and Luminescence in Diamond’,Rep.Prog.Phys.,42(1979),1605-1659)可知，当这种黄色材料被高能电子照射以产生空位（碳原子已被取代的晶格中的位点），并且进行退火以引起迁移和空位在氮杂质原子处的最终俘获时，形成NV心。

EP 0 671 482、US 5,672,395和US 5,451,430描述了减少使用HPHT处理的CVD金刚石中的不期望的缺陷中心的方法，并且US 7,172,655应用退火技术来减少单晶石料的褐色。最完全的褐色去除在高于约1600℃的退火温度下实现，且通常需要金刚石稳定压力。然而，此类处理是昂贵且复杂的工艺，其中石料的开裂等可能严重影响产率。此外，由于缺陷扩散，这样的退火策略不一定符合于避免氮聚集或者高性能电子器件的制造（其中控制缺陷位置可能是重要的）。因此，认为期望的是能够使用CVD方法直接合成非褐色但是维持期望的高N_s⁰浓度的金刚石材料。

存在用于金刚石沉积的CVD方法的许多变体，这些变体已被良好建立并且已广泛描述于专利和其它文献中。该方法通常涉及提供源气体，所述源气体（其在离解时形成等离子体）可提供活性气体物类例如自由基和其它活性物质。源气体的离解是由能量源引起，例如微波、RF能量、火焰、热灯丝或喷射基技术，并且产生允许沉积到基底上并且形成金刚石的活性气体物类。大多数近期技术关注于使用基于氢（H-基）的等离子体，其典型包含H₂以及典型在1-10体积%范围内的少量甲烷添加物（例如参见J.Achard等人的“High quality MPACVD diamond single crystal growth:high microwave power density regime”,J.Phys.D:Appl.Phys.,40(2007),6175-6188），和典型在0-3体积%的氧或含氧物类（例如Chia-Fu Chen和Tsao-Ming Hong,Surf.Coat.Technol.,54/55(1992),368-373）。在下文中，将氧和含氧物类统称为“含O物类”，并且由源气体中的含O源形成。