合成CVD金刚石制造技术

本发明专利技术涉及合成CVD金刚石以及用于在合成环境中在基底上合成金刚石材料的化学气相沉积(CVD)方法，所述方法包含：提供基底；提供源气体；使所述源气体离解；和允许在基底上的同质外延金刚石合成；其中所述合成环境包含原子浓度为约0.4ppm至约50ppm的氮；并且其中该源气体包含：a)氢的原子分数Hf，其为约0.40至约0.75；b)碳的原子分数Cf，其为约0.15至约0.30；c)氧的原子分数Of，其为约0.13至约0.40；其中Hf+Cf+Of＝1；其中碳的原子分数与氧的原子分数之比Cf:Of满足比率：约0.45:1＜Cf:Of＜约1.25:1；其中源气体包含以氢分子H2形式添加的氢原子，占存在的氢、氧和碳原子总数的原子分数为0.05至0.40；和其中所述原子分数Hf、Cf和Of是源气体中存在的氢原子、氧原子和碳原子的总数的分数。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是优先权日为2009年12月22日、专利技术名称为"合成CVD金刚石"的中国 专利技术专利申请201080058389. 5 (国际专利申请号PCT/EP2010/069828)的分案申请。
本专利技术涉及用于合成合成CVD金刚石材料的方法和高品质的合成CVD金刚石材 料。
技术介绍
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 s°)，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 lOppm)的Ns°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 s°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 s°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迀移和空位在氮 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°C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Ns°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H 2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CK3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0物类"，并且由 源气体中的含〇源形成。 向合成环境中有意添加氮是公知的（例如Samlenski等人，Diamond and Related Materials, 5 (1996)，947-951)，典型地是为了增加生长速率，或者以一些其它方式改善金 刚石的品质，例如减少应力和开裂（W02004/046427)。在这些工艺中，尽管向合成环境中添 加氮确实向固体中引用一些氮水平，然而这不是主要目的并且总体方法通常是为了使所合 成的金刚石材料中的氮夹杂和其它相关缺陷最少化。一种例外情形是特别为了在金刚石材 料中产生氮缺陷形式的色心（例如W02004/046427)，然而此类金刚石材料在这里所考虑的 应用中几乎没有用处，因为单取代氮以外的高缺陷浓度被纳入金刚石材料中。 W02004/063430公开了高的压力和微波功率密度（MWPD)对于具有低缺陷浓度的 合成CVD金刚石材料（即通常称为"高品质"合成CVD金刚石材料）的生长是重要的。 然而最近的技术关注于包含很少含0物类或无含0物类的H-基的等离子体，还提 及含〇物类在非金刚石碳的蚀刻中的重要性，特别是在通过CVD方法合成多晶金刚石的情 形中（例如参见 Chen 等人，Phys. Rev. B,第 62 卷（2000)，第 7581-7586 页；Yoon-Kee Kim 等人，J. Mater. Sci. :Materials in Electronics,第 6 卷（1995)，第 28-33 页），以及在合 成"高色"金刚石中，所述"高色"金刚石不含当使用H-基的等离子体时运行在类似的压力 和功率下的合成工艺中产生的杂质。关键地，在现有技术的该领域中，据认为纳入金刚石材 料中的氮是应被最少化的杂质之一，并且该方法教导与其它缺陷类型一起减少氮含量（例 如 W0 2006/127611)。 基于上述，存在对可控制缺陷含量的用于生产单晶金刚石的CVD工艺的需要以及 其合成CVD金刚石产品。还存在对高色（即高品质）合成CVD金刚石材料本身的需要。 特别地，存在对如下CVD金刚石材料的需要，该CVD金刚石材料是通过直接合成获 得、具有均匀分布的相对高的氮含量、并且不含通常与HPHT合成工艺相关的其它缺陷，例 如夹杂物。此外，需要使此类CVD金刚石材料具有不受褐色缺陷（该缺陷不含氮）支配的 颜色，而是受因存在单取代的氮而致的黄色调支配。类似地，存在对如下CVD金刚石材料的 需要：其中电子性能受单取代的氮支配、但是不会因通常由生长过程中的氮导致的其它缺 陷而劣化。
技术实现思路
本专利技术提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
合成CVD金刚石材料，该合成CVD金刚石材料包含浓度大于0.5ppm的单取代氮(Ns0)，并且在350nm至750nm的可见光范围内具有总的积分吸收，使得该吸收的至少35％归因于Ns0。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D·J·特威切恩，A·M·贝内特，R·U·A·卡恩，P·M·马蒂诺，
申请(专利权)人：六号元素有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB