提供了在部分真空中使用微波等离子化学气相沉积法（ＣＶＤ）法用含有甲烷／氢混合物并任选添加氮、氧和氙的气态混合物形成单晶金刚石生长物用的材料的方法。单晶基底可以通过改性的定向固化法使用真空诱发熔融法由至少一种下列材料开始形成：纯镍或包括钴、铁或其组合的镍合金。使用电子束蒸发设备用纯铱或铱和选自铁、钴、镍、钼、铼及其组合的组分的合金涂布单晶基底表面。将该合金涂布的单晶基底置于微波等离子ＣＶＤ反应器中并在甲烷、氢和其它任选气体的气态混合物存在下用负１００至４００伏特的偏压施以偏向增强成核处理后在其涂布表面上支持大单晶金刚石的生长。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2006年2月7日提交的美国临时申请No. 60/771,140 和2006年3月20日提价的美国临时申请No. 60/784， 138和2006年 11月3日提交的美国临时申请No. 60/864， 278的权益,它们都经此 引用并入本文。领域本公开涉及具有大横截面积的基本单晶金刚石、用于其生长的基 本单晶基底和采用这些新型基底使其生长的方法。背景金刚石是指仅由碳原子(在周期表中原子序数6)构成的结晶材 料。在金刚石晶格中， 一个碳原子在四面体几何中与其紧邻的元素形 成四个共价键。这种简单结构具有特别独特的物理性质。例如，金刚 石是地球上最硬的材料并具有任何已知材料的最高导热率。其也具有 任何固体的最高声速并可论证地具有任何固体材料的最宽透光带宽， 从紫外和远红外延伸到微波区域和更远。对于透明材料，金刚石具有极大折光指数，造成大的反射系数和小的总内反射角度，这直接有助 于珠宝中所用的适当打磨金刚石的"闪亮性，，。在电方面，金刚石是 绝缘体，但可以用硼掺杂以制造p型(具有空穴)半导体和用磷或其 它材料掺杂以制造潜在n型(具有电子)半导体。足够大和廉价的金 刚石可用于制造构成IC电路、太阳能电池、发光二极管和其它电子 器件的基础的p-n结器件。金刚石具有许多独特和有吸引力的性质， 只是其高成本、尺寸限制及其稀缺性阻碍其用在各种电子和相关用途 中。直到大约50年前，地球上的所有金刚石材料都是在地幔中"天 然"形成。尽管天然形成的多数金刚石是单晶并有时发现相当大的晶 体，用于珠宝用途的重量大约10克拉的优质天然金刚石轻易就花费 250000美元或更多。在1950年代中期，General Electric Company 成功地在实验室中使用高温(1500。C或更高)和高压技术(50, 000大气压或更高)制造金刚石。这种方法通常被称作高温高压法("HTHP 法，，)。几乎所有天然形成的金刚石和通过HTHP技术生成的金刚石 都是单晶。在这种最初的成功后，已经进行持续的努力以改进该方法 和降低合成金刚石的成本。由于这些努力，用于研磨和抛光其它材料 的1克拉(0. 2克重)金刚石砂粒的成本已降到在数美元的范围内。 但是，金刚石砂粒中的单晶通常相当小，远小于1毫米大小和0. 1克 拉重量。在实验室中使用HTHP技术生长低成本25克拉单晶金刚石(仅 5克)的能力仍然是困难和难以捉摸的目标。因此，金刚石尚未成为 其本来适用的许多实际工程学或科学用途所选的材料。在过去20至30年中，已经开发出不同的金刚石生长技术化学 气相沉积(CVD) 。 CVD可以在相对较低的温度(IOO(TC或更低)和低 压(0. 2大气压或更低)下进行。该技术在其涉及金刚石生长时，已 经逐步发展成使用曱烷(CH4)和氢(H2)之类的气体。可以通过各种 激发方法，包括微波、热丝、等离子体喷枪等产生原子氢一一该方法 的关键方面。最初认为，由于CVD法在低温低压下进行，其可以比HTHP 法更方便和更便宜地提供金刚石。不幸地，美国和国外的数年政府和 私人研究尚未将用于金刚石生长的CVD技术充分发展到足以提供用于 难以捉摸的工程和科学用途的足够大和廉价的金刚石。生长金刚石的 CVD法部分受到下列因素的阻碍1 )其緩慢的金刚石结晶生长速率(根 据金刚石质量每小时数微米至每小时最多50至100微米)；2)其品 质限制(即单晶金刚石通常只能在单晶金刚石基底或非金刚石单晶基 底上生长并且基本反映该基底的品质)；和3)生成的金刚石的尺寸 通常在至少两个维度中受限于基底尺寸。目前可购得的最大单晶金刚 石基底为大约5毫米x5毫米。这些所谓的"基底金刚石"通常使用 HTHP技术生长。因此，在通过HTHP法制成的单晶金刚石基底上生长 成的CVD金刚石类似地具有大约5毫米x 5毫米的尺寸限制。通常， 通过CVD法进行的单晶金刚石的侧向生长经证实有限且困难。美国专利6, 096， 129公开了在单晶金刚石基底上生长单晶金刚石 的技术，其中在该方法的连续重复中生成的金刚石越来越大。这部分法，可以将各个所得金刚石切割以形成新基底，其随后可用于生长略 微更大的金刚石。收取由此生长成的金刚石并用作金刚石生长的连续周期(rounds)中的模板，在每次重复下产生略微更大的金刚石。尽 管使用此技术可以制造具有更大尺寸面积的金刚石，但该方法緩慢且 低效；例如使用该技术制造高品质并具有大约5英寸直径的大面积单 晶金刚石是非常困难的，即使不是不可能的。使用CVD金刚石生长法遇到的另 一 问题是产生多晶金刚石结构的 趋势。不幸地，多晶金刚石没有与单晶金刚石相同的材料性质。多晶 金刚石在许多用途中不能像单晶金刚石那样有效地使用，并在许多用 途中，多晶金刚石基本没有用处。因此，多晶金刚石代表一种不如单 晶金刚石合意的材料。使用CVD法由非金刚石基底生长成的单晶CVD金刚石已经在技术 文献(参考文献l)中报道为通过异质外延法形成。存在与通过CVD 法进行的金刚石生长相关的实质性技术文献。参考文献(2)就是这 样的例子。公认的是，为了生长具有大横截面积的单晶金刚石，需要 大单晶基底，优选非金刚石基底。至于由金刚石基底制成的单晶金刚石，所生成的单晶金刚石的尺 寸受到非金刚石基底的尺寸的限制。在非金刚石基底上生成的最大单 晶金刚石据报道在沉积在MgO或SrTi03单晶表面上的铱单晶上生成。 这种被覆基底直径为大约2至3厘米。制造MgO和SrTi03的极大单晶 中的困难限制该方法制造更大的单晶金刚石。长期公认的是，生长大单晶金刚石的能力具有极大的技术和商业 重要性。迄今尚未满足该挑战。本文公开的各种方法致力于解决该问 题。地球上最大的单晶生长工业无疑是硅工业，据报道每年产生大约 10， 000至20, 000吨硅单晶。这些硅单晶通常具有99. 9999%的纯度或 更好，并用于制造集成电路、微处理器、DRAMs、闪存和类似物。使 用所谓的Bridgman技术(美国专利1， 793， 672 )或Czochraiski 4支术 生长单晶硅。Bridgman技术通常使用单晶硅晶种和双区炉。该炉的一 个区保持高温，另一区保持较低温度。液体硅的坩锅逐渐从炉的高温 区移向较低温区，由此促进引发固体单晶从晶种开始生长及其在熔体 中的连续生长。在Czochraiski技术中，容纳熔融硅的坩锅静止，并将硅的单晶 晶种浸到该溶液中然后上拉到较冷温度区域，并由于存在温度梯度而在固体晶种上形成单晶固体。晶种连续上拉促进硅在晶种方向中生长。这两种技术都在过去50年来经过连续发展。现在硅单晶可以从 直径小于1英寸生长至12英寸或更大。相应地，大单晶硅基底容易 到达。但是，单晶硅不太适合用作CVD金刚石生长的基底。这是由于 金刚石(0. 357纳米)与硅(0. 548纳米)之间的大的晶格常数差。 晶格常数的这种偏差造成硅与金刚石之间的晶格失配，并最终造成所 得金刚石中的晶格缺陷。使用硅生长金刚石的其它技术包括在硅与金 刚石之间生长碳化硅中间层(晶格常数0. 436纳米)(参见美国专利 5， 420， 443、 5， 479， 875和5， 562, 769 )。这些专利^>开了 SiC与金刚 石之间降低的晶格失本文档来自技高网...
【技术保护点】
生长单晶金刚石的方法，包括： 选择单晶基底，包括具有至少一个平坦表面和固定在其上的涂层的单晶平台，所述平台包括含镍和选自铁、钴及其组合的组分的镍合金，所述涂层包括含铱和选自铁、钴、镍、钼、铼及其组合的组分的铱合金； 提供包含甲烷和氢的气体混合物； 使所述甲烷在所述基底存在下离解以使单晶金刚石沉积到所述涂层上，所述金刚石晶体具有与所述基底的所述晶体结构对应的晶体结构。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：HH尼，
申请(专利权)人：目标技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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