用于制造大晶體金剛石的材料和方法

專利名稱：用于制造大晶體金剛石的材料和方法
用于制造大晶體金剛石的材料和方法
本申請要求2006年2月7日提交的美國臨時申請No. 60/771,140 和2006年3月20日提價的美國臨時申請No. 60/784， 138和2006年 11月3日提交的美國臨時申請No. 60/864， 278的權益,它們都經此 引用并入本文。
領域
本公開涉及具有大橫截面積的基本單晶金剛石、用于其生長的基 本單晶基底和采用這些新型基底使其生長的方法。
背景
金剛石是指僅由碳原子(在周期表中原子序數6)構成的結晶材 料。在金剛石晶格中， 一個碳原子在四面體幾何中與其緊鄰的元素形 成四個共價鍵。這種簡單結構具有特別獨特的物理性質。例如，金剛 石是地球上最硬的材料并具有任何已知材料的最高導熱率。其也具有 任何固體的最高聲速并可論證地具有任何固體材料的最寬透光帶寬， 從紫外和遠紅外延伸到微波區域和更遠。對于透明材料，金剛石具有
極大折光指數，造成大的反射系數和小的總內反射角度，這直接有助 于珠寶中所用的適當打磨金剛石的"閃亮性，，。在電方面，金剛石是 絕緣體，但可以用硼摻雜以制造p型(具有空穴)半導體和用磷或其 它材料摻雜以制造潛在n型(具有電子)半導體。足夠大和廉價的金 剛石可用于制造構成IC電路、太陽能電池、發光二極管和其它電子 器件的基礎的p-n結器件。金剛石具有許多獨特和有吸引力的性質， 只是其高成本、尺寸限制及其稀缺性阻礙其用在各種電子和相關用途 中。
直到大約50年前，地球上的所有金剛石材料都是在地幔中"天 然"形成。盡管天然形成的多數金剛石是單晶并有時發現相當大的晶 體，用于珠寶用途的重量大約10克拉的優質天然金剛石輕易就花費 250000美元或更多。在1950年代中期，General Electric Company 成功地在實驗室中使用高溫(1500。C或更高)和高壓技術(50, 000大
氣壓或更高)制造金剛石。這種方法通常被稱作高溫高壓法("HTHP 法，，)。幾乎所有天然形成的金剛石和通過HTHP技術生成的金剛石 都是單晶。在這種最初的成功后，已經進行持續的努力以改進該方法 和降低合成金剛石的成本。由于這些努力，用于研磨和拋光其它材料 的1克拉(0. 2克重)金剛石砂粒的成本已降到在數美元的范圍內。 但是，金剛石砂粒中的單晶通常相當小，遠小于1毫米大小和0. 1克 拉重量。在實驗室中使用HTHP技術生長低成本25克拉單晶金剛石(僅 5克)的能力仍然是困難和難以捉摸的目標。因此，金剛石尚未成為 其本來適用的許多實際工程學或科學用途所選的材料。
在過去20至30年中，已經開發出不同的金剛石生長技術化學 氣相沉積(CVD) 。 CVD可以在相對較低的溫度(IOO(TC或更低)和低 壓(0. 2大氣壓或更低)下進行。該技術在其涉及金剛石生長時，已 經逐步發展成使用曱烷(CH4)和氫(H2)之類的氣體。可以通過各種 激發方法，包括微波、熱絲、等離子體噴槍等產生原子氫一一該方法 的關鍵方面。最初認為，由于CVD法在低溫低壓下進行，其可以比HTHP 法更方便和更便宜地提供金剛石。不幸地，美國和國外的數年政府和 私人研究尚未將用于金剛石生長的CVD技術充分發展到足以提供用于 難以捉摸的工程和科學用途的足夠大和廉價的金剛石。生長金剛石的 CVD法部分受到下列因素的阻礙1 )其緩慢的金剛石結晶生長速率(根 據金剛石質量每小時數微米至每小時最多50至100微米)；2)其品 質限制(即單晶金剛石通常只能在單晶金剛石基底或非金剛石單晶基 底上生長并且基本反映該基底的品質)；和3)生成的金剛石的尺寸 通常在至少兩個維度中受限于基底尺寸。目前可購得的最大單晶金剛 石基底為大約5毫米x5毫米。這些所謂的"基底金剛石"通常使用 HTHP技術生長。因此，在通過HTHP法制成的單晶金剛石基底上生長 成的CVD金剛石類似地具有大約5毫米x 5毫米的尺寸限制。通常， 通過CVD法進行的單晶金剛石的側向生長經證實有限且困難。
美國專利6, 096， 129公開了在單晶金剛石基底上生長單晶金剛石 的技術，其中在該方法的連續重復中生成的金剛石越來越大。這部分
法，可以將各個所得金剛石切割以形成新基底，其隨后可用于生長略 微更大的金剛石。收取由此生長成的金剛石并用作金剛石生長的連續
周期(rounds)中的模板，在每次重復下產生略微更大的金剛石。盡 管使用此技術可以制造具有更大尺寸面積的金剛石，但該方法緩慢且 低效；例如使用該技術制造高品質并具有大約5英寸直徑的大面積單 晶金剛石是非常困難的，即使不是不可能的。
使用CVD金剛石生長法遇到的另 一 問題是產生多晶金剛石結構的 趨勢。不幸地，多晶金剛石沒有與單晶金剛石相同的材料性質。多晶 金剛石在許多用途中不能像單晶金剛石那樣有效地使用，并在許多用 途中，多晶金剛石基本沒有用處。因此，多晶金剛石代表一種不如單 晶金剛石合意的材料。
使用CVD法由非金剛石基底生長成的單晶CVD金剛石已經在技術 文獻(參考文獻l)中報道為通過異質外延法形成。存在與通過CVD 法進行的金剛石生長相關的實質性技術文獻。參考文獻(2)就是這 樣的例子。公認的是，為了生長具有大橫截面積的單晶金剛石，需要 大單晶基底，優選非金剛石基底。
至于由金剛石基底制成的單晶金剛石，所生成的單晶金剛石的尺 寸受到非金剛石基底的尺寸的限制。在非金剛石基底上生成的最大單 晶金剛石據報道在沉積在MgO或SrTi03單晶表面上的銥單晶上生成。 這種被覆基底直徑為大約2至3厘米。制造MgO和SrTi03的極大單晶 中的困難限制該方法制造更大的單晶金剛石。
長期公認的是，生長大單晶金剛石的能力具有極大的技術和商業 重要性。迄今尚未滿足該挑戰。本文公開的各種方法致力于解決該問 題。
地球上最大的單晶生長工業無疑是硅工業，據報道每年產生大約 10， 000至20, 000噸硅單晶。這些硅單晶通常具有99. 9999%的純度或 更好，并用于制造集成電路、微處理器、DRAMs、閃存和類似物。使 用所謂的Bridgman技術(美國專利1， 793， 672 )或Czochraiski 4支術 生長單晶硅。Bridgman技術通常使用單晶硅晶種和雙區爐。該爐的一 個區保持高溫，另一區保持較低溫度。液體硅的坩鍋逐漸從爐的高溫 區移向較低溫區，由此促進引發固體單晶從晶種開始生長及其在熔體 中的連續生長。
在Czochraiski技術中，容納熔融硅的坩鍋靜止，并將硅的單晶 晶種浸到該溶液中然后上拉到較冷溫度區域，并由于存在溫度梯度而
在固體晶種上形成單晶固體。晶種連續上拉促進硅在晶種方向中生
長。這兩種技術都在過去50年來經過連續發展。現在硅單晶可以從 直徑小于1英寸生長至12英寸或更大。相應地，大單晶硅基底容易 到達。但是，單晶硅不太適合用作CVD金剛石生長的基底。這是由于 金剛石(0. 357納米)與硅(0. 548納米)之間的大的晶格常數差。 晶格常數的這種偏差造成硅與金剛石之間的晶格失配，并最終造成所 得金剛石中的晶格缺陷。使用硅生長金剛石的其它技術包括在硅與金 剛石之間生長碳化硅中間層(晶格常數0. 436納米)(參見美國專利 5， 420， 443、 5， 479， 875和5， 562, 769 )。這些專利^>開了 SiC與金剛 石之間降低的晶格失配，但報道了如金剛石成核和難以將金剛石與基 底分離之類的其它問題，這阻礙此技術的應用。由于相當大的晶格失 配和金剛石表面與硅在高CVD溫度下反應形成碳化硅的趨勢，硅基底 幾乎沒有希望成為用于生長大單晶金剛石的基底。因此，需要生長具 有優異品質和性質的更大金剛石晶體的新方法。
用于基底的其它單晶陶瓷材料包括鈮酸鉛-鎂、鈦酸鉛、和釓鎵石 對留石。Bridgman方法(美國專利6， 899, 761 )和Czochralski #支術(美 國專利4,534,821 )都已經用于制造各種陶瓷基底。但是，作為一類 材料，用于生長金剛石的陶瓷基底由于所需的極高溫度、難以控制化 學計算量和金剛石與陶資基底之間的所得晶格失配而難以形成。美國 專利6, 3 8 3， 2 8 8公開了鈦酸鋇、氧化鋁和氧化鎂作為用于生長單晶金 剛石的基底的用途。但是，這些材料固有地難以操作并且尚未提供大 單晶金剛石。即使可以克服制造單晶陶資基底的困難，當仍然尚未確 定，基于現有技術，可以用CVD法在這類基底上生長大的優質單晶金 剛石。
已經開發單晶材料的另一領域是超耐熱合金材料領域。超耐熱合 金例如用作噴氣發動機的渦輪葉片和葉片，并常用于制造承受最高操 作溫度的發動機部件。已經在大約過去35年來開發并改進了用鎳基 超耐熱合金制成的定向固化和大單晶渦輪葉片。關于這些材料及其應 用的進一步論述，參見美國專利3, 260， 505、 3,519,063、 3， 542， 120、 3,532, 155,另外，美國專利3， 536， 121、 3， 542， 120、 3,494,709、 4, 111， 252、 4， 190， 094和4， 548， 255涉及制造大單晶鎳基超耐熱合金 的方法。典型的渦輪葉片具有大約25至50厘米長的翼面成型橫截面。
(100)晶體取向通常與葉片的長軸對齊以使耐高溫蠕變性、應力破裂
和熱疲勞最大化。超耐熱合金中的晶粒取向誤差或與理想(ioo)取向
的偏離在這些年來已經從大約+/-20度(美國專利3,494,709 ) ， +/-5至IO度(美國專利4， 548, 255 )改進到通過X-射線或y射線衍射法 測得的l度或更小(參考文獻14)。該技術的綜述可以在最近名為 High Resolution X-ray Ref ractometry and Topography的書中找到， 作者Keith Bowen和Brian Tanner， Taylor and Francis, Inc.出版 (2002)。
單晶超耐熱合金生長可以通過控制從錠塊一端到另一端的熔體冷 卻速率來實現。這通常使用水冷銅板和與超耐熱合金具有相同組成的 適當取向的固體晶種進行。該方法也使用螺旋或盤旋成型的選擇器以 使該選擇器限制多晶粒固化正面，從而只有一個晶粒可以生長出選擇 器并繼續生長至葉片的全長。由此，已經生成某些大單晶鎳基超耐熱 合金。對于針對高溫強度優化的并基于具有單晶形式的鎳的復合超耐 熱合金，下列組成是典型的Co: 4%, Cr: 7.5%, Mo, 0.5%， W: 7.5 %， Ta: 6%， Al: 5.5%， Ti: 0. 9%和Hf: 0.1%,按重量計，并在熱處 理狀態下進一步包括60至70%的Ni3Al或Ti3Al的第二相體積部分。 這種通用技術如今被發現適用于生成可用于通過CVD技術生長單晶金 剛石的大直徑單晶基底。具有超耐熱合金的復合組成的單晶是否可用 作生長金剛石的表面此時尚且未知。
最近，已經研究用于生長大單晶金剛石的具有金屬涂層的其它基 底材料。實例可見于美國專利5， 743, 957、 5， 863， 324和6， 383， 288。 在這些專利中，在鉑涂布的MgO、 Si、玻璃、CaF、氧化鋁、鈦酸鋇或 鈦酸鍶和類似物上生長金剛石。但是，鉑表面不形成良好單晶，鉑下 方的基底也不是在其上生長高品質單晶金剛石的良好單晶基底。美國 專利6, 080, 378公開了在鉑、鉑合金、銥、銥合金、鎳、鎳合金、硅 或金屬硅化物的表面或薄膜上生長金剛石的方法。這些薄膜的負載基 底是LiF、 MgO、氟化鈣、氧化鎳、藍寶石、鈦酸鍶、鈦酸鋇和類似物 的單晶。所有這些基底材料都是極高熔點的陶瓷并且由于制造單晶基 底所需的精確化學計算量而難以生長。難以制造直徑大約3至大約5 英寸的這些陶瓷的優質單晶。
美國專利5， 298, 286、 5,449,531 、 5, 487， 945和5, 849， 413描述
了在非金剛石基底如鎳、鈷、鉻、鎂、鐵及其合金上沉積單晶金剛石。 但是，沒有提供所用合金的組成及其在大單晶形式中的制備方法。這
些專利中公開的CVD法要求相當大量的碳溶解在基底中以抑制石墨生 長并促進金剛石生長。因此，在只有5毫米x5毫米面積的樣品中， 只有85%的成核金剛石晶粒在相同方向上配向。
通過HTHP和CVD法制備合成金剛石的工藝的綜述可見于下列美國 專利和7>開申請4,997,636、 5,487,945、 5,404,835、 5,387,31 0、 5,743,957、 7，060，130、 7,128,794、 20060203346和2006266279。
^慮到現有技術狀況，需要適用于生長:的優質^晶金剛石的新 基底、使用這些新基底制造優質大單晶金剛石的新型CVD法，和用在 各種用途中的新型的更大尺寸的優質單晶金剛石。本公開的各方面提 供了符合這些需要的材料和方法。
概述
本公開的一個方面涉及生長單晶金剛石的方法。該方法包括，選 擇單晶基底，其包括具有至少 一個平坦表面和固定在平臺的該平坦表
面上的涂層的單晶平臺；提供包含曱烷和氫的氣體混合物；使甲烷和 氫分子在基底存在下離解以使單晶金剛石沉積到該涂層上。單晶金剛 石的沉積可以方<更地使用下文更詳細描述的化學氣相沉積法進4于。所 沉積的金剛石晶體具有與被覆基底基本相同的晶體結構。該平臺由含 有鎳和選自鐵、鈷和這些金屬的組合的組分的鎳合金制成。該涂層由 含有銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸和這些金屬的組合的組分的銥合金 制成。該方法的實施方案能夠提供大的優質單晶合成金剛石以及多晶 金剛石。
本公開的另一些方面涉及生長合成金剛石的方法，包括上述選擇、 提供和離解步驟，其中選擇步驟包括選擇具有涂層的單晶平臺，其中 該平臺由鎳制成，且涂層由含有銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸和這些 金屬的組合的組分的銥合金制成。該方法的實施方案類似地能夠提供 大的優質單晶合成金剛石以及多晶金剛石。
本7>開的再一些方面涉及生長合成金剛石的方法，包括上述選擇、 提供和離解步驟，其中選擇步驟包括選擇具有涂層的單晶平臺，其中 該平臺由鎳合金制成，且涂層由銥制成。鎳合金含有鎳和選自鐵、鈷
和這些金屬的組合的組分。該方法的實施方案類似地能夠提供大的優 質單晶合成金剛石以及多晶金剛石。
本公開的又一些方面涉及生長合成金剛石的方法，包括上述選才奪、 提供和離解步驟，其中選擇步驟包括選擇具有涂層的單晶平臺，其中 該平臺由鎳制成，且涂層由銥制成。該方法的實施方案類似地能夠提 供大的優質單晶合成金剛石以及多晶金剛石。
本公開的另一方面是通過上述方法制成的大的優質合成金剛
石。如這些金剛石具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線 法的方法測得的(2 00)或任何其它主結晶面如(111)或(22 0)衍射峰和 小于5度的衍射峰半峰寬(fwhm)所證實，通過該方法制成的優選的 優質合成金剛石是基本單晶金剛石。在參考文獻3中，解釋了如何獲 得給定結晶面的x-射線或y射線擺動曲線。通過該方法制成的更優選 的優質單晶合成金剛石具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺 動曲線法的方法測得的(200)或任何其它主結晶面衍射峰和小于1度 的衍射峰半峰寬(fwhm)。最后，通過該方法制成的最優選的優質單 晶合成金剛石具有通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法 的方法測得的(200)或任何其它主結晶面衍射峰和小于0. 2度的衍射 峰半峰寬(兩m)。
本公開的另一些方面涉及該方法用于制備成層基底的實施方案， 可以在該成層基底上生長單晶金剛石。該方法的一個實施方案包括下 列步驟形成源自鎳合金的金屬基本單晶；將一部分該單晶轉化成具 有至少一個平坦表面的平臺；和用包括銥和選自鐵、鎳、鈷、鉬、錸 和這些金屬的組合的金屬的銥合金涂布這個平坦表面。這種方法的另 一實施方案包括下列步驟形成源自鎳的金屬基本單晶；將一部分該 單晶轉化成具有至少一個平坦表面的平臺；和用包括銥和選自鐵、鎳、 鈷、鉬、錸和這些金屬的組合的金屬的銥合金涂布這個平坦表面。這 種方法的再一實施方案包括下列步驟形成源自鎳合金的金屬基本單 晶；將一部分該單晶轉化成具有至少一個平坦表面的平臺；和用銥涂 布這個平坦表面。這種方法的又一實施方案包括下列步驟形成源自 鎳的金屬基本單晶；將一部分該單晶轉化成具有至少一個平坦表面的 平臺；和用銥涂布這個平坦表面。
適用于形成單晶基底或平臺的單晶可以通過選擇具有被結晶取向
選擇器隔開的第 一 和第二結晶室的適當結晶設備，將晶種添加到結晶 室中，引入熔融金屬，并從熔融金屬中提取熱以在第一結晶室內引發 結晶并使結晶通過所述晶體取向選擇器繼續進入第二結晶室來制備。 隨著結晶繼續進入第二結晶室，其中形成的晶體是具有縱向和橫向維 度的單晶，其中縱向維度明顯大于所述橫向維度。
本公開的另一方面涉及通過上述方法制成的新型成層基底或平
臺。可用于在DVD條件下生長金剛石的成層平臺包括用銥合金單晶涂
布的鎳合金基本單晶。合適的鎳合金包括鎳和選自鐵、鈷和這些金屬 的組合的金屬組分。合適的銥合金包括銥和選自鐵、鎳、鈷、鉬、錸 和這些金屬的組合的金屬。本公開的另一些方面包括成層平臺，其包 括用銥合金單晶涂布的鎳基本單晶。合適的銥合金包括銥和選自鐵、 鎳、鈷、鉬、錸和這些金屬的組合的金屬。本公開的再一些方面包括 成層平臺，其包括用銥單晶涂布的鎳合金基本單晶。本公開的又一些 方面包括成層平臺，其包括用銥單晶涂布的鎳基本單晶。
%至大約36 a/o %錸，而更優選合金通常含有大約0. 01 a/o %至大約 30 a/o °/。錸。優選的銥合金可以含有大約0. 01 a/o %至大約50 a/o % 該金屬組分。優選的銥或銥合金涂層是單晶或多晶材料。更優選的涂 層是單晶涂層。
本公開的另 一方面包括制備適用于生長金剛石晶體的成層基底的 方法。該成層基底可以通過選擇合適的基底或平臺并用銥或銥和選自 鐵、鎳、鈷、鉬、錸及其組合的組分的合金涂布該平臺來制備。合適 的基底通常具有至少一個平坦表面，并由包括鎳或含鎳和選自鐵、鈷 及其組合的組分的鎳合金的單晶基底制成。在涂布步驟中，可以將該 平臺加熱至大約500。C至大約1400。C的優選溫度范圍或加熱至大約 900。C至大約140(TC的更優選溫度范圍。優選涂布法進一步包括在涂 布過程中旋轉平臺。
根據本公開用作平臺的單晶基底通常具有縱向和橫向維度，并具 有在與縱向維度基本平行的方向上取向的晶體結構。晶體結構，無論 是基底還是平臺，如果在其縱向維度的5。內，就基本與其縱向維度 平行。這種單晶制品在如下所述涂布后適用于使用微波化學氣相沉積 法生長優質大單晶金剛石(大約2至大約15厘米或更大)。在采用
本公開中所述的各種涂布基底完成CVD沉積法后，可以獲得具有位于 涂層表面上的金剛石薄膜的被覆基底。鐵、鎳或鈷及其混合物的單晶 可以與0. Ola/o %至大約5.0 a/o %鉬進一步合金。它們可以通過真 空誘發的熔融制造，然后經由改性定向固化法澆鑄到通過熔模鑄造法 制成的陶瓷模具中以形成直徑2至15厘米且長10至30厘米的圓柱 形成型錠塊。陶瓷模具的底部包括螺旋型內腔以充當結晶取向選擇器 以致在鑄成的圓柱形錠塊末端表面上僅出現一個取向(100)面。例如 在錠塊底部用具有與圓柱形鑄件的平坦表面平行的(10 0)面的相同鑄 造材料接種有利于具有立方體取向的晶體生長。鑄模的冷卻速率或熱 提取速率在螺旋選擇器所在的鑄模底部比在圓柱體表面快大約5或10 倍。
下面考慮適當單晶制品及其制備方法。可以由以上述方式制成的 單晶錠塊，通過從結晶設備中取出錠塊并將其切成各自大約2至3毫 米厚和大約2至15厘米直徑的多個盤或平臺，制備成層的單晶平臺。 在研磨和拋光平端面后，例如在氫或氧氣氛中等離子處理這些盤以由 于研磨或拋光去除表面上的任何缺陷。這些盤隨后準備好用于下一加 工步驟將純銥，或與下列金屬中的至少一種合金化的銥鐵、鈷、 鎳、鉬、錸或這些金屬的組合，沉積到盤表面上。可使用的各種合金 包括在向Ir中加入0. 01 a/o %至16. 0 a/o %Mo的銥或銥-鉬合金或 向銥中加入0. 01 a/o %至大約36. 0 a/o %錸的銥-錸合金或單獨或以 任何組合附加加入O. 01 a/o %至大約50. 0 a/o °/4失、4臬或鈷的相同 銥-錸合金中包含大約0. 01a/o %至大約50 a/o %其它合金元素的合 金。這些材料可以通過例如在真空環境中使用電子束蒸發材料的"分 子束外延，，技術沉積在基底上。此后，在真空下在600至140(TC下對 Ir涂布或Ir合金涂布的基底施以熱處理以促進Ir涂層的單晶(100) 面生長。
本發明的一個實施方案涉及將成層單晶基底置于微波等離子CVD 反應器中并選擇適用于偏向增強成核(BEN)法的條件。這類條件可 以包括，例如，對于5厘米直徑成層單晶平臺在1-2千瓦，2.45Giga Hertz頻率下操作，或對于15厘米直徑成層單晶平臺，在915 Mega Hertz下最多10或20或更高千瓦的微波功率下操作。生長條件包括 在大約10至大約300托的壓力和500至130(TC的溫度下使用大約
0. 1: 100至10: 100比率的曱烷/氬氣體。其它任選氣態組分包括氮、 氧和氙。氮的優選含量通常為大約5 ppm至大約5%,而氮的更優選含 量通常為大約30 ppm至大約2。/。。氧的優選含量通常為大約0. 01%至 大約3%，而氧的更優選含量為大約0. 1至大約0. 3%。氣的優選含量 通常為大約0. 1%至大約5%,更優選為大約0. 1至大約1. 5%。
在一個實施方案中，可以以含大約20至500 ppm &氣體的大約 1-7% CH4/H2比率的氣體濃度，在500至IOO(TC的基底溫度、大約10 至大約50托的真空壓力，和相對于等離子體大約負100至大約400 伏特的基底偏壓下，進行BEN法大約IO至大約60分鐘，對于l厘米 直徑使用在大約2. 45 Giga Hertz下大約0. 15至大約0. 8千瓦微波 功率，對于5厘米直徑盤使用1-2千瓦微波功率，微波功率與樣品表 面積成比例。可以使用高微波功率和更高的基底溫度、更低的甲烷/ 氫氣體比率、提高的真空壓力和提高的氮濃度實現異質外延金剛石生 長。也可以使用氫的大約0. 1至0. 3%的氧和0. 1至1. 5%的稀有氣體 氙(Xe)氣提高金剛石在此階段的生長速率。使用具有如本公開中所 述的各種實施方案提供的(100)取向的大單晶基底實現大單晶金剛石 經由CVD法的成核和生長。 一旦通過上述方法制成新型的大優質金剛 石，這些金剛石本身可用作基底并代替上述CVD法的實施方案中的成 層基底。因此可以用成層基底或由成層基底制成的金剛石產品制造更 多類似的優質金剛石。通過在CVD生長過程中用硼和其它材料摻雜這 些新型金剛石，它們可以分別制成p型半導體和/或n型半導體。
附圖簡述


圖1是具有銥或銥合金涂層和在合金涂層上的金剛石單晶涂層的 單晶基底的截面圖。
圖1A是圖1的制品的截面視圖，其在一個實施方案中是具有銥或 銥合金涂層和在合金涂層上的金剛石單晶涂層的單晶基底。
圖2是用于生長鎳、鐵或鈷及其合金的單晶錠塊的改性定向固化
工藝模具的示意圖。
圖3是電子束蒸發裝置的示意圖。
圖4是用于生長單晶金剛石的微波等離子CVD反應器的示意圖。
描述
為了利于理解本發明的原理，現在提到本文例舉的實施方案并使 用專用說法描述它們。然而，要理解的是，不是要由此限制本發明的 范圍。在所述方法、系統或設備中的任何變動和進一步修改和本文所 述的本發明的原理的任何進一 步應用被認為如本發明所涉領域技術 人員通常想到的那樣。此外，在本公開全篇中，術語原子百分比縮寫
為a/o %。
一個方面提供了用于CVD金剛石生長的材料，包含具有至少一個 用促進CVD法中的金剛石生長的材料涂布的表面的基本單晶基底。本 公開的另 一些方法包括制造具有至少 一個被覆平坦表面的基本單晶 基底的方法和制造金剛石的方法，包括提供上述被覆單晶基底和在該 涂層表面上形成基本單晶金剛石的步驟。使用CVD法生長單晶金剛石 所用的理想基底是單晶金剛石。新生成的金剛石的尺寸相當大地受到 原始金剛石尺寸的限制。目前，可用于這種基底的最大商業金剛石可 能在兩個維度上不大于大約5毫米x5毫米。由于這種限制，使用金 剛石基底由CVD法制成的合成金剛石具有類似的尺寸限制。圖l例示 了包括適用于在C V D法中生長單晶金剛石的非金剛石基底的制品3 5 的一個實施方案，其中可以使基底足夠大以克服使用金剛石基底產生 的尺寸限制，并且可以在基本整個表面上產生單晶金剛石。參照圖1A, 其顯示了圖1的制品35的橫截面，進一步實施方案包括生長包含 純鎳、純鐵、純鈷、或包括這些材料的任何組合的合金的基本單晶基 底10的方法，隨后在基底10的至少一個表面上沉積涂層20，其中涂 層20可以包括銥或銥合金的單晶，和在涂層20表面上以單晶形式生 長合成金剛石30的方法。下面更詳細描述這些材料和方法的不同實 施方案。
形成基本單晶基底的方法
使用外延技術有效生長大約2至15厘米或更大直徑的大尺寸和 優質單晶金剛石的能力要求用于金剛石生長的基底具有與金剛石基 本相同或類似的晶體結構和晶格間距。基于由鎳、鐵、鈷或和這些材 料的任何組合的合金構成的單晶基底的各種實施方案提供了這種基 底。在一個實施方案中，使用下面詳細描述的改性定向固化法形成直 徑大約2至大約15厘米的大尺寸單晶基底。該方法的實施方案包括 下列步驟提供高純鎳、高純鈷、高純鐵或彼此以任何比例存在的這
些化合物的合金的熔體，將包含該相同材料的單晶晶種添加到具有第 一和第二結晶室、用于將熔體引入該設備的通道和位于這兩個室之間 的晶體取向選擇器的設備的第一結晶室中，將熔體引入該設備，并從 熔體中提取熱以在所述第一結晶室內引發固化或結晶。隨著在第一結 晶室的該區域中從熔體中提取熱，結晶開始并繼續進行，經過晶體取 向選擇器并進入第二結晶室。在完成后，在第二結晶室內形成縱向維 度明顯大于其橫向維度的單晶。通常，所形成的單晶與其縱向維度基 本平4于i也取向
在整個熔融和傾倒過程中，控制熔體上的溫度梯度和固體 - 液體 界面在固化過程中移過熔體的速度以提供明顯小于1度的最終單晶的
晶粒取向誤差。通過該方法形成的單晶的直徑可以為，例如，2， 5， 15， 30厘米或更大。單晶錠的重量可以為大約10千克，IOO千克或更大。 在一個實施方案中，用于生長單晶基底的材料可以是最小純度為 99. 5重量％的市售純鎳，例如鎳200,或99. 9重量％純鎳，例如鎳270, 或具有更高純度的鎳，例如純度為99. 99重量y。的鎳。在另一實施方 案中，鎳可以與銅形成合金，該鎳合金包含0. Ola/o %至大約99.99 a/o %鎳，且添加到鎳中的銅的量為大約0. 01至大約99. 99 a/o %。 鎳和銅可以以任何比例混合并在固態中保持單相。具有這種性質的合 金被稱作同晶型的。這種性質可用于促進單相單晶生長。像鎳和銅的 組合那樣，鎳、鐵和鈷的組合也是同晶型的，并可以使用它們的混合 物的任何組合物生長單晶基底。優選的單晶基底通常含有大約0.01 a/o %至大約99. 99 a/o %鎳，而更優選的單晶基底通常含有至少50 a/o °/。鎳。下列混合物是適用于制備單晶基底的金屬的優選混合物的實例。 鈷可以以大約0.01 a/o %至大約20 a/o %的范圍添加到鎳中。鈷在 與足夠的鎳或鐵混合時在室溫和升高的溫度下均產生面心立方體 (FCC)晶格結構。鎳也可以與大約0.01 a/o °/。至大約50 a/o °/。4巴、 鉑、金、銥和銠形成合金。作為二元合金，鎳與這些附加合金元素同 晶型。此外，這些元素也可用于形成三元或其它更高級的鎳合金，包 括鎳的二元合金，例如N卜Pd、 Ni-Pt、 Ni-Au、 Ni-Ir或Ni-Rh;鎳的 三元合金，例如Ni-Pd-Pt、 Ni-Au-Pd、 Ni-Au-Pt、 Ni-Ir-Au、 Ni-Ir-Pd、 Ni-Ir-Pt、 Ni-Ir-Rh、 Ni-Pd-Rh、 Ni-Pt-Rh等；鎳的四元合金，例如 Ni—Pd—Pt—Au、 Ni—Pt—Au—Rh、 Ni—Pd—Pt—Ir、 Ni—Au—Ir一Rh、
Ni-Pd-Au-Rh、 Ni-Ir-Pd-Pt等，鎳中其它元素的總合金化含量為大約 0. 01 a/o %至大約50 a/o %。
現在參看圖2,可以使用真空鑄造爐IIO熔化各種上述金屬和合 金和類似物。如純鎳IOO之類的材料的優選熔體條件包括，真空，和 比材料或材料組合的熔點高大約15(TC至大約25(TC的溫度。在加熱、 熔融和轉移步驟的過程中， 一種或多種組分和所得熔體可以容納在石 墨坩鍋中。接著，將熔體或熔融材料轉移到陶瓷模具80中，其具有 用于支承該模具的機械支承體90。模具可以由氧化鋁和/或其它高溫 難熔材料的混合物制成。在一個實施方案中，在模具和下方結晶室底 部放置水冷的銅冷卻板40。在此實施方案中，螺旋或盤旋形單晶選擇 器70位于上方結晶室81和下方結晶室82之間。為了操作結晶設備， 將適當的金屬混合物熔化以提供具有所需組成的熔融質，并將與熔融 材料具有相同材料組成并具有(100)取向的晶種50置于結晶室82中。 將熔融質轉移到模具中并在緊鄰冷卻板40的較冷的結晶室82中在晶 種50存在下開始固化。盡管優選的晶種50具有與熔融金屬相同的大 致組成，晶種組成中的一些變動是可接受的并可以提供適當的單晶基 底。晶種的這種可變程度完全在本領域技術人員的能力范圍內，他們 能夠在極小努力下決定晶種。隨著熔融材料冷卻，其呈現晶種的晶體 取向。在模具兩側保持溫度梯度以在結晶室82中提供最低溫度和在 結晶室81中提供較高溫度。最初，結晶室81內的溫度應該比構成熔 體的材料的熔點高至少大約IO(TC。隨著固化前沿移向結晶室81,其 移入并穿過結晶取向選擇器70,以便在選擇器后，在大約位置75處， 只有一個晶體生長到結晶室81中。隨著整個模具組裝件120在物理 上從爐IIO頂部下降到較冷的溫度區域中，這種單晶繼續生長到結晶 室81中。組裝件120的移動以保持模具80兩側的溫度梯度的方式進 行，其使得固化界面以大約0. 1至大約10英寸/小時，并在某些情況 下以大約0. 2至大約0. 3英寸/小時的速率移過該梯度。使用本文所 述的金屬組合，該固化法通過(100)取向中的樹枝狀生長繼續進行。 盡管不要求，但這種取向是優選的，因為具有(IOO)取向的這些材料 的晶體通常比具有其它取向的晶體形式生長得快。在如圖2中所示布 置的模具中的溫度梯度與圖2中的垂直方向和冷卻軸對齊。晶體的模 具的(IOO)方向首先與晶種對齊，移動通過模具的螺旋或盤旋晶體取
向選擇器部分，從而僅使一個晶粒繼續生長到室81中。使結晶持續
到至少一部分結晶室81被具有垂直取向的結晶材料(100)填充。使用 該技術，可以生長具有(100)取向的鎳、鈷、鐵和包括這些材料的合 金的大單晶或面上立方體型晶體以提供各種橫截面尺寸。優選晶體具 有至少大約1英寸的橫截面尺寸，更優選的晶體具有大約2英寸至大 約5英寸的橫截面尺寸，且另一些優選晶體具有最多大約12英寸至 大約20英寸或更大的橫截面尺寸。在單晶生長完成后，錠塊可以在 真空下在大約800至大約1300。C的溫度下退火幾小時以進一步提高晶 體的完整性。將晶體退火被認為減輕單晶中的任何殘留取向誤差并提 供明顯小于l度的晶體取向誤差。由此加工的優選基底通常提供其中 (200)平面的x-射線或Y射線擺動曲線的半峰寬(FWHM)小于大約5 度的基本單晶。由此加工的更優選基底通常提供其中(200)平面的x-射線或Y射線擺動曲線的半峰寬(FWHM)小于大約l度的單晶。由此 加工的再更優選的基底通常提供其中(200)平面的x-射線或Y射線擺 動曲線的半峰寬(FWHM)小于大約0. 2度的單晶。由上述各單晶基底 制成的平臺的(200)平面衍射峰的半峰寬(FWHM)與對制備該平臺用 的基底測得的相同衍射峰相當。
由此生長成的單晶桿或圓柱體可以切成具有至少一個平面且厚度 為大約1至3毫米的優選盤狀基底或平臺。由此制成的盤可以進一步 機械研磨和拋光，使用合適的清潔劑清潔并準備好使用例如如下所述 的電子束蒸發法涂施純銥或銥合金的涂層。單晶銥或銥合金涂層或取 向薄膜的(200)平面衍射峰的半峰寬(FWHM)通常與對負載該銥或銥 合金涂層或取向薄膜的基底測得的相同衍射峰相當。優選涂層是具有 小于大約5°的FWHM衍射峰的基本單晶，更優選的涂層可以具有小于 大約1°的FW麗衍射峰，最優選的涂層可以具有小于大約0. 2°的 FWHM衍射峰。本文公開的被覆基底特別可用于在如下更詳細描述的 CVD法中制備大的優質金剛石。
用具有能夠促進基本單晶金剛石生長的晶格晶體取向的涂層涂布基 本單晶基底的方法
用于形成根據上述方法制成的單晶基底的涂層的材料可以是單 一化合物或合金。在第一實施方案中，涂層是基本純凈的銥。在另一
些實施方案中，涂層包含銥合金。用于制造涂層的純銥可以為大約
99. 8至99. 99°/。純度。可用作涂層的銥合金的實例包括Ir-Fe、 Ir-Co, Ir-Ni或Ir-Re合金。銥合金可以進一步與附加元素形成合金，其中 這些第二合金元素可以以涂料合金的大約0. 01 a/o %至大約50 a/o % 的濃度存在。因為Ir-Ni、 Ir-Co和Ir-Fe的二元合金都是同晶型合 金體系，Ir可以與Ni、 Fe或Co或其混合物的任何部分一起包含在這 些合金中以提供均勻固相。二元銥合金的實例包括上述合金的組合。 銥合金的其它實例還包括三元合金，例如Ir-Co-Fe、 Ir-Co-Ni、 Ir-Ni-Fe;或四元合金，例如Ir-Co-Fe-Ni。與銥形成合金的各附加 元素的總量可以為大約0. 01 a/o %至大約50 a/o °/。。在另一實施方 案中，銥也與鉬組合，其中鉬的量為大約0. 01 a/oy。至大約20a/o%。 可用于涂布單晶基底的其它銥合金包括銥-錸合金。優選的銥-錸合金 含有大約0.01 a/o %至大約36.0 a/o °/。錸。在某些優選實施方案中， 合金中錸的量為大約25. 0至大約35. 0 a/o %。
在再一些實施方案中，含有錸的銥合金可以與附加元素，鎳、鐵 或鈷或其任何組合進一步形成合金，其中相對于銥，附加元素總量為 大約0. 01 a/o %至大約35. 0 a/o %。在銥/錸合金的一個實施方案中， 銥中錸的濃度為大約25. 0 a/o °/。至大約35. 0 a/o %，且添加到銥中 的鎳、鐵和/或鈷的總濃度為大約20.0 a/o °/。至大約35.0 a/o %。在 一個實施方案中，銥合金中錸的量為大約27. 0 a/o %至大約33. 0 a/o %，且添加到銥中的鎳和/或鈷的量為大約15. 0 a/o %至大約25. 0 a/o %。
各種涂料可以包括基本純凈的銥或如上所述的各種銥合金。銥合 金可以通過以適當比例提供的純Ir和純的第二或其它合金元素的真 空電弧熔化制造。這些涂料，無論是基本純凈的銥還是母合金，可以 隨后置于如圖3中所繪的電子束蒸發裝置130的蒸發爐中，其中出口 140連接到真空泵上，通過電子槍170產生電子180,通過石茲透鏡175 成型，并最終通過磁場彎曲以轟擊裝在坩鍋165中的涂料160。當通 過電子沖擊對涂料施加足夠能量時，涂料首先熔融，然后蒸發形成金 屬蒸氣190，將其導向包含單晶鎳或鎳基合金的旋轉基底150或上述 類型的其它合金基底。再參看圖3，提供加熱裝置155以便可以在銥 或銥合金的電子束蒸發及其沉積到基底15 0上的過程中加熱單晶基
底。基底優選保持在大約700至大約140(TC的溫度下，并在蒸發過程 中旋轉以利于在單晶基底表面上形成Ir或Ir合金的完美或接近完美 的單晶的單涂層。在一個實施方案中，基底上的涂層厚度為大約200
至大約700毫米。無論單晶基底的尺寸如何(即例如2厘米至15厘 米)，可以使用這種異質外延法生長銥或銥合金的涂層以覆蓋整個基 底表面。或者，可以通過多爐電子束蒸發法進行銥或銥合金的蒸發， 其中使用多個電子束槍。各電子束槍可用于氣化銥或銥合金或用于氣 化銥和構成合金組合物的 一種或多種單元素，其中各元素可以裝在單 獨的坩鍋或爐中。在此方法中，可以通過指向各坩鍋或爐的各電子槍 的熱輸入來獨立地控制各元素的蒸發速率。可以通過控制各元素的蒸 發速率來控制沉積在單晶基底上的材料的組成。可以使用蒸發通量監 測設備促進金屬蒸發速率的控制。
在一個實施方案中，監測設備可以提供關于單元素或材料的蒸發 速率和/或量的信息。來自這些監測設備的回饋可用于控制電子束槍 以確保獲得涂層的正確化學計算量。或者，可以在與電子束槍蒸發同 時進行的傳統熱蒸發法中使用高溫流出槽蒸發鎳、鐵、鈷或其組合， 例如可以從2個單獨坩鍋中蒸發Ir和Re。可以使用真空促進Ir、 Re、 Co、 Fe或Ni的蒸發。通常，在大約10—8至10—"乇或更深壓力下的真 空經證實是有益的。沉積到鎳或鎳合金基底上的速率通常為每秒大約 l個單層。這種蒸發技術通常被稱作"分子束外延技術"。
本公開的另一方面涉及具有包含按照與上文對銥和/或銥合金的 制備所述的相同方式制成的銠或銠合金的涂層的單晶基底。具有銠或 銠合金涂層的上述種類的單晶基底也可用在CVD法中以生長大的優質 金剛石。例如，銠可以與錸以銠中大約0. 01 a/o。/。至大約20 a/oM來 的量或優選以銠中大約5至大約10 a/o。/。錸的量形成合金。銠-錸合金 可以與大約0.01 a/o。/。至大約40 a/o。/。的單獨或組合的鐵、鎳和/或鈷 進一步形成合金。
用CVD法在基本單晶基底的被覆表面上制造至少一層金剛石
圖4顯示了具有微波發生器210的等離子CVD金剛石反應器200 的示意圖。典型的微波發生器根據基底尺寸在2. 45 GHz, 1-10KW或 915 MHz, 30至100 KW或915 MHz, 200或更高KW下運行。微波穿過
通過石英窗口 2 30的波導管220以在大約20托至大約250托的真空 壓力下產生等離子球280。真空室235充當具有幾個氣體入口的CVD 反應器，包括曱烷入口 240、氫入口 250、氧或氮入口 290和所用的 其它附加氣體的其它氣體入口 (未顯示)。使用真空泵300將該反應 器抽空，同時將各種氣體加入該室。例如根據上文提供的方法制成的 基底270位于樣品臺260頂部。可以將冷卻水加入沖羊品臺以從基底中 除熱并將基底溫度保持在所需水平。通過電勢差為大約負100至400 伏特的電路320使樣品臺電偏壓。這有助于促進金剛石晶體在上述各 種合金涂層上成核。可以通過微波發生器210的功率輸入、引入反應 器的各種氣體的流速和反應器內保持的真空壓力來控制等離子球280 的尺寸。在特定真空度下，氣體流速越高，等離子球通常越小。反應 器中微波能的作用是將分子氫氣分解成氫的原子形式。原子氫隨后可 以與曱烷反應以產生以金剛石晶格結構形式沉積在基底上的碳源。偏 壓增強成核法的使用可以促進金剛石沉積到涂層上。合適的涂層包括 銥、銠或含有至少一種這些金屬的合金的單晶。
相當典型的金剛石成核法使用大約0. 5至大約10%,更優選大約 3至大約7%的曱烷/氫氣比率；大約IO至大約60托的真空壓力；大 約700至大約1300。C的基底溫度；在樣品臺上的被覆基底和對電極或 室壁之間的大約負100至大約400伏特的偏壓；和在2.45 GHz下大 約0. 5至大約1KW的微波功率以在10毫米直徑的樣品區域上形成金 剛石。在一個變體中，該方法對50毫米直徑基底使用大約1-2kW的 微波功率。所用微波功率的量與基底表面積大致成比例。偏壓增強成 核處理時間通常為大約10至60分鐘。 一旦金剛石在被覆合金基底上 成核形成金剛石涂層，可以改變工藝參數至大約1-3%曱烷/氫比率； 在樣品臺上不施加偏壓；大約100至大約250托的真空壓力；和對于 5厘米直徑基底，在大約2. 45 Giga Hertzs下大約5Kw或更高的孩t波 和設置。"P 、 ；,。'曰、，、；< ';'、 5 ''、
金剛石外延生長的進行通常伴隨著具有相同或類似取向的金剛 石晶體的各種晶粒在基底表面上的會合，從而形成金剛石單晶粒。可 以在反應物中加入氧、氮和/或氙以提高金剛石生長速率。通常，氫 氣相對于曱烷氣體的較高濃度有利于更完美的金剛石晶體生長并抑
制石墨形成。大約10至大約500 ppm氮的添加趨向于使(100)取向晶 體的生長穩定化并提高金剛石生長速率。氣體總濃度的大約0. 1至大 約0. 3%的氧的添加也可以提高金剛石生長速率。大約0.2至大約2% 的氙氣的添加類似地可以提高金剛石生長速率。典型的(IOO)取向金 剛石生長速率可以為每小時大約5至大約IO微米或更高，這取決于 為該工藝供應的微波功率水平。金剛石單晶中在IOO微米或更高厚度 的晶格取向誤差可以為5度或更低。晶格取向誤差更優選為大約l度 或更低。晶格取向誤差最優選小于0. 2度。具有這些性質的金剛石與 在天然金剛石中發現的晶格完整性類似。通過(200)平面衍射峰的X-射線或Y -射線擺動曲線測量金剛石的這種晶格取向誤差以具有小于 5度的FW固，其中l度或更小更優選，0. 2度或更小最優選。進一步 要理解的是，如果鎳或其它合金的初始基底表面是具有(111)或(220) 取向的單晶，基底上的銥、銥合金、銠或銠合金涂層會在分子束外延 生長法后具有(lll)或(220)的類似單晶取向，并且如果使用具有如上 所述的適當B E N和生長工藝參數的合適的微波等離子化學氣相沉積 法，可以在金屬合金涂布基底上制成具有(lll)或(22)取向的單晶金 剛石。換言之，單晶基底、單晶金屬涂層和單晶金剛石之間的外延關 系可以是金剛石的(lll)平面平行于Ir合金涂層的(lll)平面并平 行于Ni合金基底的(111)平面，且金剛石的(lll)方向平行于Ir合金 涂層的(lll)方向并平行于Ni合金基底的(lll)方向，或金剛石的(100) 平面平行于Ir合金涂層的(IOO)平面并平行于Ni合金基底的(IOO)平 面，且金剛石的(IOO)方向平行于Ir合金涂層的(IOO)方向并平行于 Ni合金基底的(100)方向。
實施例1
使用改性定向固化法，用純度為99. 99 a/oy。的鎳生長直徑大約2. 0 英寸且長大約5英寸的圓柱形單晶。該方法通常使用99.99 a/o °/。純 鎳的(IOO)單晶的晶種和如圖2中所示的螺旋單晶選擇器。鎳單晶的 生長速率為每分鐘大約1毫米。在固化后，將包括所附小收縮管的單 晶錠塊的頂部切割和丟棄。將剩余錠塊在真空爐中在大約13 0 (TC下加 熱大約5小時，然后"爐冷卻"至室溫。接著，將一部分剩余錠塊切 成大約2毫米厚且直徑大約2英寸的盤。然后用600粒度碳化硅砂紙 在充分潤滑下研磨該盤，相繼用在起絨布上的3微米金剛石糊、在短
絨布上的0. 5微米金剛石糊拋光，并最后用在中絨布上的0.1微米金 剛石糊打磨成優于10納米均方根表面粗糙度的表面光潔度。在FWHM 中通過(200)平面的擺動曲線測得的(IOO)平面的單晶取向誤差在真 空中用波長0. 392納米的銥192同位素通過Y-射線測得為大約0. 1 至O. 3度。Y-射線橫截面為大約1毫米x 10毫米。將這種單晶鎳盤
基底放在分子束外延機中以通過電子束蒸發法施加涂層。基底保持在 大約1000。C,以大約IOO rpm旋轉，并用包括大約25 a/o %錸的銥 合金以每秒大約0. 5納米的凈涂布速率涂布至大約300納米厚度。銥 合金的電子束蒸發用兩個獨立的電子束槍進行。各個槍加熱單個含有 99. 95a/o。/。純度的銥或錸的水冷銅蚶鍋。蒸發開始前的真空壓力為大 約5xi(^托。在完成涂布操作后，將合金涂布的基底從該室中取出 并放入在120(TC和至少大約10_3托真空下的真空退火爐大約5小時。 隨后，將合金涂布的鎳盤放在在大約1. 4KW和大約2. 45 Giga Hz功 率下運行的微波等離子CVD反應器中。金剛石成核在大約負300伏特 的樣品臺偏壓水平下進行1小時，其中甲烷/氬氣體濃度為4%，基底 溫度為85(TC,且總真空壓力為35托。在此步驟中，保持大約50ppm 的氮氣濃度。隨后，將生長條件變成1. 5%的曱烷/氫比率，5KW的微 波功率、170托的真空壓力、0的臺偏壓；氮濃度為50 ppm;氧氣濃 度為0. 1%;基底溫度為大約115(TC。在24小時后，形成深度大約180 微米的單晶金剛石薄膜，且在FWHM中通過擺動曲線測得的(200)晶格 取向誤差被測得為大約0. 2度。此后，將曱烷/氬比率降至1. 0%;將 氧濃度降至0，并將氮氣濃度升至500 ppm。在這些條件再保持大約 24小時后，金剛石晶格取向誤差被測得為大約0. 15度。
實施例2
制備包括大約5. 0 a/o %鈷的鎳鈷合金并用于使用實施例1中所 述的改性定向固化法生長直徑2英寸且長度IO英寸的基本單晶圓柱 體。該方法包括在下方結晶室中加入單晶晶種和包含大約95. 0 a/o % 鎳和大約5.Q a/o °/。鈷的熔體組合物。在圓柱體固化并進一步加工以 提高晶體均勻性后，將一部分具有基本單晶結構的圓柱體切成盤狀片 段并將這些片段清潔和拋光。在隨后的步驟中，將盤表面用包括大約 10.0 a/o %鎳的銥合金涂布以提供最終厚度為大約500納米的涂層。 最后，使用如實施例1中所述的金剛石生長條件在銥-鎳涂層表面上
形成大的基本單晶金剛石。
實施例3
在下述變動下重復實施例1中所示的一般方法以生長大金剛石。
在此實施例中，使用改性定向選擇法生長直徑3英寸且長10英寸的 99.99 a/o %純鎳單晶桿狀圓柱體(桿)。將結晶桿切成盤形片段并 拋光。使用包含基本單晶盤的拋光鎳片段作為用于沉積銥-錸-鎳合金 的涂層的基底。在多個爐電子束蒸發法中將合金涂層施加到盤上。在 此方法中，使用三個爐，各個爐裝有一種選自銥、錸和鎳的金屬。鎳 為99.95 a/o %鎳，且其余金屬各自為至少大約99. 9 a/o %純度。控 制蒸發參數以形成包含大約50. 0 a/o %銥、30. 0 a/o %錸和20. 0 a/o °/。鎳的大約500納米厚的涂層。在蒸發過程中，保持大約10—9托或更 低的真空，且鎳基底保持在大約135(TC下，同時以大約60 rpm旋轉。 最后，使用微波增強的CVD法在銥合金涂布的基底表面上生長大的基 本單晶金剛石。這種最后步驟基本如上述實施例1中所述進行，只是 在BEN法中，真空壓力降至20托且微波功率升至大約3KW,并在高生 長率方法中，微波功率升至8KW。
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本發明設想了本領域技術人員會想到的修改。還設想，本發明中 具體體現的方法可以在不背離本發明的精神的情況下如本領域技術 人員會想到的那樣改變、復制、組合或加入其它方法中。
此外，本文所述的任何操作理論、證據或發現意在進一步增強對 本發明的理解并且不是要使本發明的范圍依賴于這類理論、證據或發 現。
盡管已經在附圖、公式和上述說明書中詳細例示和描述了本發明， 但它們被視為示例性而非限制性的，要理解的是，只顯示和描述了優 選實施方案，并希望保護落在本發明的精神內的所有變動和修改。
權利要求
1. 生長單晶金剛石的方法，包括:選擇單晶基底，包括具有至少一個平坦表面和固定在其上的涂層的單晶平臺，所述平臺包括含鎳和選自鐵、鈷及其組合的組分的鎳合金，所述涂層包括含銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸及其組合的組分的銥合金；提供包含甲烷和氫的氣體混合物；使所述甲烷在所述基底存在下離解以使單晶金剛石沉積到所述涂層上，所述金剛石晶體具有與所述基底的所述晶體結構對應的晶體結構。
2. 權利要求1的方法，其中所述提供步驟提供具有大約0. 5%至大 約10%的比率的曱烷和氬的混合物。
3. 權利要求l的方法，其中所述離解步驟包括在大約IO托至大約 300托的壓力下離解所述曱烷。
4. 權利要求3的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含氮 的氣體混合物，所述氮以足以提供大約5ppm至大約5%的氮/氫比率的 量存在。
5. 權利要求4的方法，其中所述提供步驟另外包括以所述混合物 的大約30 ppm至大約2%的量提供所述氮。
6. 權利要求5的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含氧 的氣體混合物，所述氧以所述混合物的大約0. 01%至大約3%的量存在。
7. 權利要求6的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含氙 的氣體混合物，所述氮以所述混合物的大約0. 1°/ 至大約5%的量存在。
8. 生長單晶金剛石的方法，包括選擇單晶基底，包括具有至少 一個平坦表面和固定在其上的涂層的單晶平臺，所述平臺包括鎳，所述涂層包括含銥和選自鐵、鈷、鎳、 鉬、錸及其組合的組分的銥合金； 提供包含甲烷和氫的氣體混合物；使所述甲烷在所述基底存在下離解以使單晶金剛石沉積到所述涂 層上，所述金剛石晶體具有與所述基底的所述晶體結構對應的晶體結 構。
9. 權利要求8的方法，其中所述提供步驟提供具有大約0. 5%至大 約10%的比率的曱烷和氬的混合物。
10. 權利要求9的方法，其中所述離解步驟包括在大約IO托至大 約300托的壓力下離解所述曱烷。
11. 權利要求10的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氮的氣體混合物，所述氮以足以提供大約5ppm至大約5%的氮/氫比率 的量存在。
12. 權利要求ll的方法，其中所述提供步驟另外包括以所述混合 物的大約30 ppm至大約2%的量提供所述氮。
13. 權利要求12的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氧的氣體混合物，所述氧以所述混合物的大約0. 01°/。至大約3%的量存 在。
14. 權利要求13的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氮的氣體混合物，所述氙以所述混合物的大約0. 1%至大約5%的量存 在。
15. 生長單晶金剛石的方法，包括選擇單晶基底，包括具有至少一個平坦表面和固定在其上的涂層 的單晶平臺，所述平臺包括含鎳和選自鐵、鈷及其組合的組分的鎳合 金，所述涂層包括銥；提供包含曱烷和氫的氣體混合物；使所述曱烷在所述基底存在下離解以使單晶金剛石沉積到所述涂 層上，所述金剛石晶體具有與所述基底的所述晶體結構對應的晶體結構。
16. 權利要求15的方法，其中所述提供步驟提供具有大約0. 5%至 大約10%的比率的曱烷和氫的混合物。
17. 權利要求16的方法，其中所述離解步驟包括在大約IO托至大 約300托的壓力下離解所述曱烷。
18. 權利要求17的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氮的氣體混合物，所述氮以足以提供大約5ppm至大約5%的氮/氫比率 的量存在。
19. 權利要求18的方法，其中所述提供步驟另外包括以所述混合物的大約30 ppm至大約2°/ 的量提供所述氮。
20. 權利要求19的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氧的氣體混合物，所述氧以所述混合物的大約0. 01°/。至大約3%的量存 在。
21. 權利要求20的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氙的氣體混合物，所述氙以所述混合物的大約0. 1%至大約5%的量存 在。
22. 生長單晶金剛石的方法，包括選擇單晶基底，包括具有至少一個平坦表面和固定在其上的涂層 的單晶平臺，所述平臺包括鎳，所述涂層包括銥； 提供包含曱烷和氫的氣體混合物；使所述曱烷在所述基底存在下離解以使單晶金剛石沉積到所述涂 層上，所述金剛石晶體具有與所述基底的所述晶體結構對應的晶體結 構。
23. 權利要求22的方法，其中所述提供步驟提供具有大約0. 5% 至大約10°/。的比率的曱烷和氫的混合物。
24. 權利要求23的方法，其中所述離解步驟包括在大約IO托至大 約300托的壓力下離解所述曱烷。
25. 權利要求24的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氮的氣體混合物，所述氮以足以提供大約5ppm至大約5%的氮/氫比率 的量存在。
26. 權利要求25的方法，其中所述提供步驟另外包括以所述混合 物的大約30 ppm至大約2%的量提供所述氮。
27. 權利要求26的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氧的氣體混合物，所述氧以所述混合物的大約0. 01%至大約3%的量存 在。
28. 權利要求27的方法，其中所述提供步驟包括提供進一步包含 氮的氣體混合物，所述氙以所述混合物的大約0. 1%至大約5%的量存 在。
29. 根據權利要求l、 8、 15或22的方法制成的CVD金剛石，所述 金剛石具有通過選自X-射線擺動曲線法和Y射線擺動曲線法的方法 測得的(200)衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FW麗)。
30. 根據權利要求l、 8、 15或22的方法制成的CVD金剛石，所述金剛石具有通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方 法測得的(200)衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
31. 根據權利要求l、 8、 15或22的方法制成的CVD金剛石，所 述金剛石具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方 法測得的(200)衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
32. 制備成層基底的方法，包括 形成包括鎳合金的金屬基本單晶；將一部分所述單晶轉化成具有至少一個平坦表面的平臺； 用包括銥合金的取向薄膜涂布所述至少一個表面，所述合金銥合 金含有銥和選自鐵、鎳、鈷、鉬、錸及其組合的組分。
33. 權利要求32的方法，其中所述形成步驟包括選擇包含第 一 和第二結晶室、位于所述室之間的結晶取向選擇 器、緊鄰所述第 一結晶室的冷卻區域和緊鄰所述第二結晶室的用于將 熔融材料引入所述設備的通道的設備；將晶種添加到所述第一結晶室中； 將熔融鎳合金引入所述設備，從所述熔融材料中提取熱以在所述第一結晶室內引發結晶，其中 所述單晶的結晶通過所述晶體取向選擇器繼續進入所述第二結晶室， 形成具有縱向和橫向維度的單晶，其中所述縱向維度大于所述橫向維度。
34. 權利要求33的方法，其中所述引入步驟包括引入包含鎳和選 自鈷、鐵及其組合的組分的熔融鎳合金，所述合金含有大約0. 01a/o% 至大約99. 99 a/o %鎳。
35. 權利要求33的方法，其中所述引入步驟包括引入包含鎳和選 自鈷、鐵及其組合的組分的熔融鎳合金，所述合金含有至少大約 50a/o。/。鎳。
36. 權利要求33的方法，其中所述提取包括形成具有與所述縱向 維度基本平行的取向的所述單晶。
37. 制備成層基底的方法，包括 形成含鎳的金屬基本單晶；將一部分所述單晶轉化成具有至少一個平坦表面的平臺；用包括銥合金的取向薄膜涂布所述至少一個表面，所述合金銥合 金含有銥和選自鐵、鎳、鈷、鉬、錸及其組合的組分。
38. 權利要求37的方法，其中所述形成步驟包括 選擇包含第一和第二結晶室、位于所述室之間的結晶取向選擇器、緊鄰所述第 一結晶室的冷卻區域和緊鄰所述第二結晶室的用于將 熔融材料引入所述設備的通道的設備；將晶種添加到所述第 一 結晶室中；將熔融鎳合金引入所述設備，從所述熔融材料中提取熱以在所述第一結晶室內引發結晶，其中 所述單晶的結晶通過所述晶體取向選擇器繼續進入所述第二結晶室， 形成具有縱向和橫向維度的單晶，其中所述縱向維度大于所述橫向維度。
39. 權利要求38的方法，其中所述提取包括形成具有與所述縱 向維度基本平行的取向的所述單晶。
40. 制備成層基底的方法，包括 形成包括鎳合金的金屬基本單晶；將一部分所述單晶轉化成具有至少一個平坦表面的平臺；用包括銥的取向薄膜涂布所述至少一個表面。
41. 權利要求40的方法，其中所述形成步驟包括選擇包含第 一 和第二結晶室、位于所述室之間的結晶取向選擇 器、緊鄰所述第 一結晶室的冷卻區域和緊鄰所述第二結晶室的用于將 熔融材料引入所述設備的通道的設備；將晶種添加到所述第 一 結晶室中；將熔融鎳合金引入所述設備，從所述熔融材料中提取熱以在所述第 一結晶室內引發結晶，其中 所述單晶的結晶通過所述晶體取向選擇器繼續進入所述第二結晶室， 形成具有縱向和橫向維度的單晶，其中所述縱向維度大于所述橫向維 度。
42. 權利要求40的方法，其中所述引入步驟包括引入包含鎳和選 自鈷、鐵及其組合的組分的熔融鎳合金，所述合金含有大約0. 01a/o% 至大約99. 99 a/o %1臬。
43. 權利要求41的方法，其中引入步驟包括引入包含鎳和選自鈷、 鐵及其組合的組分的熔融鎳合金，所述合金含有至少大約50a/oy。鎳。
44. 權利要求41的方法，其中所述提取包括形成具有與所述縱 向維度基本平行的取向的所述單晶。
45. 制備成層基底的方法，包括 形成含鎳的金屬基本單晶；將一部分所述單晶轉化成具有至少一個平坦表面的平臺； 用包括銥的取向薄膜涂布所述至少一個表面。
46. 權利要求45的方法，其中所述形成步驟包括選擇包含第 一 和第二結晶室、位于所述室之間的結晶取向選擇 器、緊鄰所述第 一結晶室的冷卻區域和緊鄰所述第二結晶室的用于將 熔融材料引入所述設備的通道的設備；將晶種添加到所述第 一 結晶室中； 將熔融鎳合金引入所述設備，從所述熔融材料中提取熱以在所述第一結晶室內引發結晶，其中 所述單晶的結晶通過所述晶體取向選擇器繼續進入所述第二結晶室，形成具有縱向和橫向維度的單晶，其中所述縱向維度大于所述橫向維度。
47. 權利要求46的方法，其中所述提取包括形成具有與所述縱向維度基本平行的取向的所述單晶。
48. 根據權利要求36制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(200) 衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
49. 根據權利要求36制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0) 衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
50. 根據權利要求36制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0) 衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
51. 根據權利要求36制成的成層基底，其中所述銥合金包含大 約99. 99 a/o °/。至大約0. 01 a/o %銥。
52. 根據權利要求36制成的成層基底，其中所述取向薄膜包括 銥和鉬和選自鐵、鈷、鎳、錸及其組合的組分的合金，其中所述合金 包含大約99. 99 a/o %至大約50 a/o %銥和大約0. 01 a/o %至大約 2 0. 0 a/o %鉬。
53. 根據權利要求36制成的成層基底，其中所述取向薄膜包括 銥和錸的合金，其中所述錸構成大約0.01 a/o %至大約36 a/o %。
54. 根據權利要求53制成的成層基底，其中所述銥合金包含大約 0. 01 a/o %至大約30 a/o %4來。
55. 根據權利要求51制成的成層基底，其中所述銥合金包含大約 0. 01 a/o %至大約50 a/o %所述組分。
56. 根據權利要求51、 52、 53、 54或55制成的成層基底，所述取 向薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法 測得的(200)衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
57. 根據權利要求51、 52、 53、 54或55制成的成層基底，所述 取向薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方 法測得的(200)衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
58. 4艮據權利要求51、 52、 53、 54或55制成的成層基底，所 述取向薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的 方法測得的(200)衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
59. 根據權利要求39制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(200) 衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
60. 根據權利要求39制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0) 衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FW訓)的單晶。
61. 根據權利要求39制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0) 衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
62. 根據權利要求39制成的成層基底，其中其中所述銥合金包 含大約99.99 a/o °/ 至大約50 a/o °/。銥。
63. 根據權利要求39制成的成層基底，其中所述取向薄膜包括 銥和鉬和選自鐵、鈷、鎳、錸及其組合的組分的合金，其中所述合金 包含大約99. 99 a/o %至大約50 a/o %銥和大約0. 01 a/o %至大約2 0. 0 a/o %鉬。
64. 根據權利要求39制成的成層基底，其中所述取向薄膜包括 銥和錸的合金，其中所述錸構成大約0.01 a/o %至大約36 a/o %。
65. 根據權利要求64制成的成層基底，其中所述銥合金包含大 約0. 01 a/o °/。至大約30 a/o %錸。
66. 根據權利要求62制成的成層基底，其中所述銥合金包含大 約0. 01 a/o %至大約50 a/o %所述組分。
67. 根據權利要求62、 63、 64、 65或66制成的成層基底，所述 取向薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方 法測得的(200)衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
68. 根據權利要求62、 63、 64、 65或66制成的成層基底，所述 取向薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方 法測得的(200)衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
69. 根據權利要求62、 63、 64、 65或66制成的成層基底，所述 取向薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方 法測得的(200)衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
70. 根據權利要求44制成的成層平臺，其中所述平臺包含具有 通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 00) 衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FW訓)的單晶。
71. 根據權利要求44制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(200) 衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
72. 根據權利要求44制成的成層基底，所述平臺包含具有通過選 自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0)衍射峰 和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
73. 根據權利要求40制成的成層基底，所述取向薄膜具有通過選 自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(200)衍射峰 和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
74. 根據權利要求40制成的成層基底，所述取向薄膜具有通過 選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0M汙射 峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
75. 根據權利要求40制成的成層基底，所述取向薄膜具有通過 選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0)衍射 峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
76. 根據權利要求47制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(200) 衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
77. 根據權利要求47制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0) 衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(FW服)的單晶。
78. 根據權利要求47制成的成層基底，其中所述平臺包含具有 通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0) 衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)的單晶。
79. 根據權利要求45制成的成層基底，所述取向薄膜具有通過 選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 0 0)衍射 峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
80. 根據權利要求45制成的成層基底，所述取向薄膜具有通過 選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(2 00)衍射 峰和小于l度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
81. 根據權利要求45制成的成層基底，所述取向薄膜具有通過 選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的(200)衍射 峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(FWHM)。
82. 用于CVD金剛石生長的成層基底，包含 具有至少一個平坦表面的基本單晶平臺，所述平臺含有鎳和選自鐵、鈷及其組合的組分；和含有銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸及其組合的組分的取向金屬薄 膜，所述薄膜固定在所述平坦表面上。
83. 權利要求82的成層基底，其中所述金屬薄膜是單晶。
84. 權利要求82的成層基底，其中所述金屬薄膜是多晶的。
85. 權利要求82的成層基底，進一步具有位于所述金屬薄膜上的 金剛石薄膜。
86. 用于CVD金剛石生長的成層基底，包含具有至少一個平坦表面的基本單晶平臺，所述平臺含有鎳；和 含有銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸及其組合的組分的取向金屬薄 膜，所述薄膜固定在所述平坦表面上。
87. 權利要求86的成層基底，其中所述金屬薄膜是單晶。
88. 權利要求86的成層基底，其中所述金屬薄膜是多晶的。
89. 權利要求86的成層基底，進一步具有位于所述金屬薄膜上的 金剛石薄膜。
90. 用于cvd金剛石生長的成層基底，包含 具有至少一個平坦表面的基本單晶平臺，所述平臺含有鎳；和 含有銥的取向金屬薄膜，所述薄膜固定在所述平坦表面上。
91. 權利要求90的成層基底，其中所述金屬薄膜是單晶。
92. 權利要求90的成層基底，其中所述金屬薄膜是多晶的。
93. 權利要求90的成層基底，進一步具有位于所述金屬薄膜上的 金剛石薄膜。
94. 用于cvd金剛石生長的成層基底，包含 具有至少一個平坦表面的基本單晶平臺，所述平臺含有鎳和選自鐵、鈷及其組合的組分；和含有銥的取向金屬薄膜，所述薄膜固定在所述平坦表面上。
95. 權利要求94的成層基底，其中所述金屬薄膜是單晶。
96. 權利要求90的成層基底，其中所述金屬薄膜是多晶的。
97. 權利要求94的成層基底，進一步具有位于所述金屬薄膜上的 金剛石薄膜。
98. 權利要求82、 86、 90或94的成層基底，其中所述單晶平臺 具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的 (200)衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(fw服)。
99. 權利要求82、 86、 90或94的成層基底，其中所述單晶平臺 具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的 (200)衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(fwhm)。
100. 權利要求82、 86、 90或94的成層基底，其中所述單晶平臺 具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測得的 (200)衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(fwhm)。
101. 權利要求82、 86、 90或94的成層基底，其中所述取向金屬薄膜具有通過選自x -射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測 得的(200)衍射峰和小于5度的所述衍射峰的半峰寬(fwhm)。
102. 權利要求82、 86、 90或94的成層基底，其中所述取向金屬 薄膜具有通過選自X-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測 得的(200)衍射峰和小于1度的所述衍射峰的半峰寬(fwhm)。
103. 權利要求82、 86、 90或94的成層基底，其中所述取向金屬 薄膜具有通過選自x-射線擺動曲線法和y射線擺動曲線法的方法測 得的(200)衍射峰和小于0. 2度的所述衍射峰的半峰寬(fwhm)。
104. 制備適用于生長金剛石晶體的成層基底的方法，包括 選擇具有至少 一個平坦表面的平臺，其中所述平臺由包括含鎳和選自鐵、鈷及其組合的組分的鎳合金的單晶基底制成；并用銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸及其組合的組分的合金涂布所述 平臺的所述平坦表面。
105. 權利要求104的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約50(tc至大約140(tc。
106. 權利要求104的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約90(tc至大約1400°c。
107. 權利要求104的方法，其中所述涂布步驟包括在所述涂布過 程中旋轉所述平臺。
108. 制備適用于生長金剛石晶體的成層基底的方法，包括 選擇具有至少 一個平坦表面的平臺，其中所述平臺由包括鎳的單晶 基底制成；并用銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸及其組合的組分的合金涂布所述 平臺的所述平坦表面。
109. 權利要求108的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約50(tc至大約1400°c。
110. 權利要求108的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約90(tc至大約1400°c。
111. 權利要求108的方法，其中所述涂布步驟包括在所述涂布過 程中旋轉所述平臺。
112. 制備適用于生長金剛石晶體的成層基底的方法，包括 選擇具有至少 一個平坦表面的平臺，其中所述平臺由包括含鎳和選自鐵、鈷及其組合的組分的鎳合金的單晶基底制成； 用銥涂布所述平臺的所述平坦表面。
113. 權利要求112的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加熱至大約50(TC至大約1400°C。
114. 權利要求112的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約9G(TC至大約1400°C。
115. 權利要求112的方法，其中所述涂布步驟包括在所述涂布過程中旋轉所述平臺。
116. 選擇具有至少一個平坦表面的平臺，其中所述平臺由包括鎳的單晶基底制成；用銥涂布所述平臺的所述平坦表面。
117. 權利要求116的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約50(TC至大約1400°C。
118. 權利要求116的方法，其中所述涂布步驟包括將所述平臺加 熱至大約90(TC至大約14G(TC。
119. 權利要求116的方法，其中所述涂布步驟包括在所述涂布過 程中旋轉所述平臺。
全文摘要
提供了在部分真空中使用微波等離子化學氣相沉積法(CVD)法用含有甲烷/氫混合物并任選添加氮、氧和氙的氣態混合物形成單晶金剛石生長物用的材料的方法。單晶基底可以通過改性的定向固化法使用真空誘發熔融法由至少一種下列材料開始形成純鎳或包括鈷、鐵或其組合的鎳合金。使用電子束蒸發設備用純銥或銥和選自鐵、鈷、鎳、鉬、錸及其組合的組分的合金涂布單晶基底表面。將該合金涂布的單晶基底置于微波等離子CVD反應器中并在甲烷、氫和其它任選氣體的氣態混合物存在下用負100至400伏特的偏壓施以偏向增強成核處理后在其涂布表面上支持大單晶金剛石的生長。
文檔編號C30B25/00GK101379225SQ200780004914
公開日2009年3月4日 申請日期2007年2月7日 優先權日2006年2月7日
發明者H·H·尼 申請人:目標技術有限公司