CVD单晶金刚石材料制造技术

公开了使用化学气相沉积（CVD）制备的单晶金刚石材料，并且特别地为具有适用于光学应用例如激光器中的金刚石材料。特别地，公开了在室温下测量时具有最长内部尺寸、双折射率和吸收系数的优选特性的CVD单晶金刚石材料。还公开了金刚石材料包含于拉曼激光器中的用途以及制备该金刚石的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用化学气相沉积(CVD)制备的单晶金刚石材料，并且特别涉及具有适用于光学应用如激光中的性质的金刚石材料。
技术介绍
化学气相沉积(CVD)是用于将材料沉积到基材上的成熟技术。该技术广泛描述于专利和其它文献中。对于金刚石的沉积，CVD方法通常涉及提供一种经分解可提供碳和氢的气体混合物。该源气体混合物的分解可由能量源如微波、射频能量、火焰、热丝或基于喷射的技术引发。使反应性物质沉积到通常保持在700°C -1200°C下的合适基材上以形成金刚石。CVD金刚石内缺陷存在的最少化对于多个应用是极其重要的。在CVD金刚石中存 在不同类型的缺陷。当生长气氛中的杂质纳入金刚石晶格中时，点缺陷可出现。另一种类型的缺陷是位错。位错在晶体内形成，可能是由金刚石生长表面上坑点的形成所致，并且位错在生长期间可进一步增殖。这样的坑点还可为造成其它缺陷和杂质的夹杂的原因。这些缺陷增加的存在对于CVD金刚石材料的几个性质是不利的。所有类型的缺陷增加的存在影响某些性质，例如，减少导热性(因为散射声子)。点缺陷还影响声子吸收并且因此对光学透明性是有害的。由于它们的晶格立方对称的各向异性干扰，位错导致局部双折射并且因而对金刚石材料的光学性质也是不利的。发现同质外延CVD金刚石层中的位错倾向于在与它们的基材的界面处或接近与它们的基材的界面处形核。还发现位错通常具有接近垂直局部生长表面的线性方向，并且因此与应变相关的双折射显示特征各向异性，其对于平行于生长方向的观察方向来说明显的多。W02004/046427A1描述了通过使用可控的低水平氮经CVD方法来控制晶体缺陷的发展而制备“光学品质金刚石材料”。描述了 CVD金刚石材料中存在的氮必须足以防止或减少局部应变所致的缺陷，同时低的足以防止或减少有害的吸收和晶体品质劣化。US6096129描述了在基材表面上生长金刚石材料的方法，使得生长的金刚石材料具有比起始基材更大的面积。该参考文献描述了提供初始的单晶金刚石基底材料，在其上同质外延气相沉积单晶金刚石材料以提供所得的金刚石材料，将其切割并且抛光以提供连续的基底材料，在其上再次生长单晶材料，从而形成具有大面积的单晶金刚石材料。如US6096129的图4A-4C所最佳示例的，初始基底材料为基本上具有{100}侧表面的正方形，生长主要发生在上{001}表面，该生长由{001}表面横向以及法向发生，使得生长的表面与初始基底材料相比具有扩大的横向尺寸。从生长的金刚石材料切割的连续基底材料的横截面为正方形。将正方形的侧边相对于初始基底材料的侧边旋转45°，并且其具有〈110〉边缘。由于生长的金刚石材料中{111}面的侵入，连续的基底材料的正方形横截面面积小于初始基底材料的正方形横截面区域面积的两倍。随后使用该连续的基底材料用于进一步的生长，该进一步的生长来自〈110〉边缘。据说优选的生长速率比例a为至少3:1。生长速率比例a，是在CVD单晶金刚石材料方法中可监控的參数，并且在通过CVD合成金刚石材料的技术中是熟知的。參数a与〈001〉方向生长速率(GR) (R<cm>)和〈111〉方向生长速率(R<m>)的比值成比例，并且定义为: = 足麵> A<m>在已知的CVD方法中，已知a參数通常在1_3范围内改变，并且a值尤其取决于适当的合成条件设置，包括压力、温度和气流条件。在完成合成后通过在生长状态的金刚石材料上进行测量并且使用简单的几何关系和晶体学计算a，可计算出參数a。现有技术还已知通过测量在ー个范围的压力、温度和气体组成的组合下生长的金刚石材料-再通过事后測量可制得特定合成方法的“ a參数图”。广泛报道了对于给定系列的条件表征a參数的方法,然而，特别有用的參考文献是Silva等，Diamond & R elatedMaterials (2009), doi :10. 1016/j. diamond. 2009. 01. 038。Silva 等人描述了为了获得预定的a參数值如何选择温度、气压、功率和エ艺化学物(例如甲烷、氧、氮、氢和氩气等的量)。每个这些性质的准确值对于Silva使用的方法是特定的，但是为了获得所需的a參数，本领域技术人员使用Silva等人的教导可容易表征任何其它的方法并且对于每个上述的性质选择合适的值。如US 2005/0163169中描述的，单晶金刚石在拉曼激光器中发现了潜在的应用。这样的应用对可使用的金刚石材料提出了严格的要求。拉曼激光器依赖拉曼散射过程。当材料上入射的光子导致从其初始能量水平到激励的虚态(virtual state)的振动模式激励时,发生自发的拉曼散射。该虚态随后可回到不同于原始水平的能量水平，产生不同于入射光子的能量(和频率)的光子。对于大部分自发拉曼散射的光子，最終的能量水平比初始水平更高，散射的声子因此具有比入射声子更低的能量，这被称为斯托克斯(Stokes)散射。入射和散射光子之间的能量差异导致了声子的产生(量子化的晶格振动)。在拉曼激光器中利用散射光子来激励相同波长的进一步拉曼散射的光子激励拉曼散射(SRS)。如 Optics Express,200816(23),第 18950-18955 页和 OpticsLetters, 200934,第2811-2813页所描述的，这通过将散射的光子供回拉曼散射介质中来完成，通常通过在合适的光学共振器内保持拉曼散射介质。在自发拉曼散射中，由于第一斯托克斯光子的拉曼散射，还可观察到第二斯托克斯光子。还可重复该方法使得观察到较高级斯托克斯光子具有等于泵浦光子频率减去特征声子频率的整数的频率。在拉曼激光器中，通过简单设计光学空腔谐振器来在所需的斯托克斯波长下共振，大体上可将这些较高级斯托克斯波长设计为装置的主要发射波长。因此，拉曼激光器能够改变输入光的频率，有利地产生具有以前用常规激光技术不可获得的部分电磁光谱中的频率的输出束。单晶金刚石是在拉曼激光器内用作拉曼散射介质的有前途的材料。其具有高拉曼增益系数，在宽范围的电磁光谱中具有低吸收(在输入、中间和输出频率选择中允许通用性)，其是作为该方法的整体部分以声子形式产生的热能良好的耗散器，并且具有低热膨胀系数(使与温度相关的畸变最小化)。拉曼增益系数gK定义为权利要求1.一种CVD单晶金刚石材料，其中该金刚石材料具有以下在室温下测量时的特性 大于7mm的最长线性内部尺寸， 使用具有大于O. Olmm2横截面积的光束并且沿着大于7mm的内部路径确定的低于IX 10_5的双折射率和 在1064nm波长下确定的低于O. OlOcnT1的吸收系数。2.权利要求I的CVD单晶金刚石材料，其中该CVD单晶金刚石材料具有大于7mm的最长线性光学可出入尺寸。3.任一在前权利要求的CVD单晶金刚石材料，其中CVD单晶金刚石材料具有性质T2,并且在室温下测量的T2确定为大于4ps。4.任一在前权利要求的CVD单晶金刚石材料，其中该CVD单晶金刚石材料包含处于中性电荷状态的单一取代氮，其中CVD单晶金刚石材料内通过EPR测量的处于中性电荷状态的单一取代氮含量小于或等于5 X IO15个原子/cm3。5.任一在前权利要求的CVD单晶金刚石材料，其中该CVD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：I·弗里尔，S·L·盖根，D·J·特维切，J·M·道德森，
申请(专利权)人：六号元素有限公司，
类型：发明
国别省市：