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　　申請號：201180066337

　　申請人：六號元素有限公司

　　摘要：一種制造合成CVD金剛石材料的方法，所述方法包括：設置微波等離子體反應器，所述微波等離子體反應器包括：等離子體腔；一個或多個基底，所述一個或多個基底設置在所述等離子體腔中，在使用時提供所述合成CVD金剛石材料在其上沉積的生長表面區域；微波聯接結構，所述微波聯接結構用于將微波從微波發生器進給到所述等離子體腔內；以及氣體流動系統，所述氣體流動系統用于將工藝氣體進給到所述等離子體腔內和將所述工藝氣體從所述等離子體腔中移除；將工藝氣體注入到所述等離子體腔內；通過所述微波聯接結構將微波從所述微波發生器進給到所述等離子體腔內以在所述生長表面區域上形成等離子體；以及在所述生長表面區域上生長合成CVD金剛石材料，其中，所述工藝氣體包括從硼、硅、硫、磷、鋰、和鈹中的一種或多種選取的呈氣體形式的以等于或大于0.01ppm的濃度存在的至少一種摻雜劑和/或以等于或大于0.3ppm的濃度存在的氮，其中，所述氣體流動系統包括氣體入口，所述氣體入口包括與所述生長表面區域相對設置且配置為將工藝氣體朝向所述生長表面區域注入的一個或多個氣體入口噴嘴，以及其中，所述工藝氣體以等于或大于500標準cm3/min的總氣體流速朝向所述生長表面區域注入，和/或其中所述工藝氣體以范圍為從1至100的雷諾數通過所述氣體入口噴嘴或每個氣體入口噴嘴注入到所述等離子體腔內。

　　獨立權利要求：1.一種制造合成CVD金剛石材料的方法，所述方法包括：設置微波等離子體反應器，所述微波等離子體反應器包括：等離子體腔；一個或多個基底，所述一個或多個基底設置在所述等離子體腔中，在使用時提供所述合成CVD金剛石材料在其上沉積的生長表面區域；微波聯接結構，所述微波聯接結構用于將微波從微波發生器進給到所述等離子體腔內；以及氣體流動系統，所述氣體流動系統用于將工藝氣體進給到所述等離子體腔內和將所述工藝氣體從所述等離子體腔中移除；將工藝氣體注入到所述等離子體腔內；通過所述微波聯接結構將微波從所述微波發生器進給到所述等離子體腔內以在所述生長表面區域上形成等離子體；以及在所述生長表面區域上生長合成CVD金剛石材料，其中，所述工藝氣體包括：從硼、硅、硫、磷、鋰、和鈹中的一種或多種選取的呈氣體形式的至少一種摻雜劑，所述摻雜劑或每種摻雜劑以等于或大于0.01ppm的濃度存在；和/或以等于或大于0.3ppm的濃度存在的氮，其中，所述氣體流動系統包括氣體入口，所述氣體入口包括與所述生長表面區域相對設置且配置為將工藝氣體朝向所述生長表面區域注入的一個或多個氣體入口噴嘴，以及其中，所述工藝氣體以等于或大于500標準cm3/min的總氣體流速朝向所述生長表面區域注入，和/或所述工藝氣體以范圍為從1至100的雷諾數通過所述氣體入口噴嘴或每個氣體入口噴嘴注入到所述等離子體腔內。

　　2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述至少一種摻雜劑以受控的方式注入到所述等離子體腔內或者在被注入到所述等離子體腔內
之前添加到一種或多種工藝氣體中。

　　3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一種摻雜劑包括：硼、硅、硫、磷、鋰和鈹中的一種或多種，并且其中，所述工藝
氣體包括小于0.3ppm的氮；或者濃度為等于或大于0.3ppm的氮，并且其中，所述工藝氣體包括小于0.01ppm的硼、硅、硫、磷、鋰、和
鈹。

　　4.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，所述至少一種摻雜劑以等于或大于0.05ppm、0.1ppm、0.3ppm、0.5ppm、0.7ppm、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm、500ppm、700ppm、或1000ppm的濃度提供在工藝氣體中。

　　5.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，所述工藝氣體包括等于或大于1×10-6、10×10-6、100×10-6、或1000×10-6的摻雜劑濃度/碳濃度的比率。

　　6.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，通過所述氣體入口進給的所述總氣體流速等于或大于750、1000、2000、5000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、或40000標準cm3/min。

　　7.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，通過所述氣體入口進給的所述總氣體流量對于每cm2的所述表面生長區域等于或大于3、10、20、50、100、200、500、或1000標準cm3，并且對于每cm2的所述表面生長區域等于或小于50000、20000、10000、或5000標準cm3。

　　8.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴或每個氣體入口噴嘴具有范圍為從0.1mm至5mm、0.2mm至3.0mm、2.0mm至3mm、0.2mm至2mm、0.25mm至2mm、或0.25mm至1.5mm的出口直徑。

　　9.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，在所述氣體入口與所述生長表面區域之間的最小距離Dc小于或等于6Rs、4Rs、或2Rs，其中Rs為所述生長表面區域的半徑。

　　10.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，所述工藝氣體以等于或小于100、80、50、40、或35且至少為1、5、10、15、20、或25的雷諾數通過所述氣體入口噴嘴或每個氣體入口噴嘴注入到所述等離子體腔內。

　　11.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，在所述等離子體腔內的操作壓力等于或大于：對于范圍為從2300至2600MHz的微波頻率為100、200、220、240、260、280、300、320、340、360、380、或400Torr；對于范圍為從800至1000MHz的微波頻率為120、140、160、180、200、220、240、或260Torr；或者對于范圍為從400至500MHz的微波頻率為60、70、80、100、120、140、或150Torr。

　　12.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，供給到所述等離子體腔內的功率的至少45％、50％、55％、60％、65％、或70％通過與所述氣體入口相對設置的所述等離子體腔的基部傳輸。

　　13.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，傳送到所述生長表面區域上的功率密度等于或大于0.05、0.1、0.5、1、1.5、2.0、2.5、2.75、3.0、3.2、或3.5W/mm2的所述生長表面區域。

　　14.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，所述氣體入口包括入口噴嘴陣列，所述入口噴嘴陣列包括與所述生長表面區域相對設置且配置為將工藝氣體朝向所述生長表面區域注入的多個氣體入口噴嘴。

　　15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴陣列包括等于或大于6、7、9、10、15、20、30、40、60、90、120、150、200、300、500、700、1000、1200、1500個氣體入口噴嘴。

　　16.根據權利要求14或15所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴陣列包括：等于或大于0.1個噴嘴數/cm2的氣體入口噴嘴數量密度，其中，所述氣體入口噴嘴數量密度通過將所述噴嘴投影到其法線與所述等離子體腔的中央軸線平行設置的平面上且測量在所述平面上的所述氣體入口數量密度而測得；以及等于或大于10的噴嘴面積比率，其中，所述噴嘴面積比率通過將所述噴嘴投影到其法線與所述等離子體腔的中央軸線平行設置的平面上、測量在所述平面上的所述氣體入口噴嘴面積的總面積、除以所述噴嘴的總數目以給出與每個噴嘴相關聯的面積、并且將所述與每個噴嘴相關聯的面積除以每個噴嘴的實際面積而測得。

　　17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴數量密度等于或大于0.2、0.5、1、2、5、或10個噴嘴數/cm2。

　　18.根據權利要求16或17所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴數量密度等于或小于100、50、或10個噴嘴數/cm2。

　　19.根據權利要求16至18中任一項所述的方法，其中，所述噴嘴面積比率等于或大于30、100、300、1000、或3000。

　　20.根據權利要求16至19中任一項所述的方法，其中，所述噴嘴面積比率等于或小于100000、30000、或10000。

　　21.根據權利要求16至20中任一項所述的方法，其中，所述總噴嘴面積/所述氣體入口噴嘴陣列的面積的比率等于或小于0.5、0.35、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01、或0.007。

　　22.根據權利要求16至21中任一項所述的方法，其中，在所述氣體入口噴嘴陣列中的噴嘴的總面積以mm2給定的范圍為從1至5000、5至3000、10至3000、20至2750、30至2750、或50至2700。

　　23.根據權利要求16至22中任一項所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴在其上間隔布置的所述氣體入口噴嘴陣列的總面積以mm2給定的范圍為從100至15000、200至15000、400至10000、800至10000、或1000至8000。

　　24.根據權利要求16至23中任一項所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴陣列包括六方密集堆積的氣體入口噴嘴陣列。

　　25.根據權利要求16至24中任一項所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴沿相對于所述等離子體腔的中央軸線基本平行或發散的方向
設置。

　　26.根據權利要求16至25中任一項所述的方法，其中，所述氣體入口噴嘴陣列的最大半徑Rm滿足如下標準：RmxFm大于或等于Rs，其中，Rs為所述生長表面區域的半徑，而Fm等于或大于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、或1并且等于或小于1.5、1.3、1.2、或1.1。

　　27.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，一種合成多晶CVD金剛石晶片被生長，所述合成多晶CVD金剛石晶片包括濃度在所述合成多晶CVD金剛石晶片的至少70%、80%、90%、或95%的體積上變化不超過平均濃度的50％、40％、30％、20％、10％、或5％的至少一種摻雜劑。

　　28.根據權利要求1至26中任一項所述的方法，其中，至少10、20、30、40、50、60、80或100個合成單晶CVD金剛石在單次生長運行中生長，其中，所述合成單晶CVD金剛石具有變化不超過平均厚度的20%、10%、5%、3%、2%、或1%的厚度。

　　29.根據任一前述權利要求所述的方法，其中，在所述等離子體反應器內的摻雜劑的原子分壓等于或大于：在范圍為從2300至2600MHz的微波頻率下20Pa、100Pa、200Pa、400Pa、800Pa、1200Pa或1600Pa；在范圍為從800至1000MHz的微波頻率下10Pa、50Pa、100Pa、200Pa、400Pa、600Pa、800Pa或1000Pa；在范圍為從400至500MHz的微波頻率下5Pa、25Pa、50Pa、100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、或500Pa。

　　30.一種合成多晶CVD金剛石晶片，所述晶片具有等于或大于140mm的最長尺寸，并且包括具有濃度在所述合成多晶CVD金剛石晶片的至少70%的體積上變化不超過平均濃度的50%的至少一種摻雜劑。

　　31.根據權利要求30所述的合成多晶CVD金剛石晶片，其中，所述濃度在所述合成多晶CVD金剛石晶片的至少70%、80%、90%、或95%的體積上變化不超過40%、30%、20%、10%、或5%。

　　32.根據權利要求30或31所述的合成多晶CVD金剛石晶片，其中，所述摻雜劑從氮、硼、硅、硫、磷、和鋰中的一種或多種選取。

　　33.根據權利要求30至32中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，其中，所述合成多晶CVD金剛石晶片包括濃度為至少1014cm-3、1015cm-3、1016cm-3、1017cm-3、1018cm-3、1019cm-3、1020cm-3、2×102cm-3、4×1020cm-3、6×1020cm-3、8×1020cm-3、1021cm-3、2×1021cm-3、4×1021cm-3、6×1021cm-3、8×1021cm-3、或1022cm-3的所述摻雜劑。

　　34.根據權利要求30至33中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，其中，所述合成多晶CVD金剛石晶片具有至少為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm、或2mm的厚度。

　　35.根據權利要求30至34中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，其中，所述合成多晶CVD金剛石晶片具有至少145mm或150mm的最長尺寸。

　　36.根據權利要求30至35中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，包括等于或大于2、5、10、20、50、100、500、或1000的摻雜劑比率x/y，其中，x為所述摻雜劑，而y為從由硼、氮和硅構成的組中選取的一種或多種不同的雜質。

　　37.根據權利要求30至36中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，具有等于或小于10Ω-cm、1Ω-cm、10-1Ω-cm、或10-2Ω-cm的電
阻率。

　　38.根據權利要求30至37中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，對于在所述合成多晶金剛石晶片的至少70%、80%、90%、或95%的面積上采用的至少17個測量點的至少70%、80%、90%、或95%而言，具有變化不超過平均電阻率的±30％、±20％、±10％、或±5％的電阻率。

　　39.根據權利要求30至38中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片，具有等于或小于平均厚度的30%、25%、20%、15%、10%、5%、或2%的厚度變化。

　　40.一種合成單晶CVD金剛石材料層，所述層具有大于50μm的厚度，并且包括具有濃度等于或大于2×1020cm-3的硼摻雜劑。

　　41.根據權利要求40所述的合成單晶CVD金剛石材料層，其中，所述層具有至少為0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、5mm、8mm、或10mm的厚度。

　　42.根據權利要求40或41所述的合成單晶CVD金剛石材料層，其中，所述摻雜劑濃度等于或大于4×1020cm-3、5×1020cm-3、7×1020cm-3、1×1021cm-3、或2×1021cm-3。

　　43.根據權利要求40至42中任一項所述的合成單晶CVD金剛石材料層，包括等于或大于2、5、10、20、50、100、500、或1000的摻雜劑比率x/y，其中，x為所述摻雜劑，而y為從由硼、氮和硅構成的組中選取的一種或多種不同的雜質。

　　44.根據權利要求40至43中任一項所述的合成單晶CVD金剛石材料層，其中，所述層具有等于或小于4×l0-4、1×l0-5、5×l0-5、或1×l0-6的雙折射。

　　45.根據權利要求40至44中任一項所述的合成單晶CVD金剛石材料層，所述層包括不大于105、104、或103cm-2的位錯結構濃度。

　　46.根據權利要求40至45中任一項所述的合成單晶CVD金剛石材料層，其中，所述層取向為{100}晶面。

　　47.根據權利要求40至46中任一項所述的合成單晶CVD金剛石材料層，其中，所述摻雜劑的濃度在所述合成單晶CVD金剛石材料層
的至少70%、80%、90%、或95%上變化不超過平均值的50%、40%、30%、20%、10%、或5%。

　　48.一種合成單晶金剛石，包括摻雜層和相鄰的未摻雜層，其中，所述摻雜層與所述未摻雜層之間的界面基本沒有雜質，并且其中，所述摻雜劑濃度在截過所述摻雜層與所述未摻雜層之間的界面的不超過10μm的厚度上變化至少3倍。

　　49.根據權利要求48所述的合成單晶CVD金剛石，其中，所述摻雜劑濃度變化至少10、30、100、300、1000、30000、或100000倍。

　　50.根據權利要求48或49所述的合成單晶CVD金剛石，其中，所述厚度不超過3μm、1μm、0.3μm、0.1μm、0.03μm、0.01μm、0.003μm、或0.001μm。

　　51.根據權利要求48至50中任一項所述的合成單晶CVD金剛石，其中，基本沒有雜質的界面為如下界面：其中在所述界面的延伸到所述摻雜層的厚度的20%、50%、或100%的任一側的區域中，雜質濃度不超過1014、3×1014、1015、3×1015、1016、3×1016、或1017，并且在濃度上變化不超過2、3、5、10、30、100、300、或1000倍。

　　52.通過根據權利要求1至29中任一項所述的方法制成的根據權利要求30至39中任一項所述的合成多晶CVD金剛石晶片。

　　53.通過根據權利要求1至29中任一項所述的方法制成的根據權利要求40至47中任一項所述的合成單晶CVD金剛石材料層。

　　54.通過根據權利要求1至29中任一項所述的方法制成的根據權利要求48至51中任一項所述的合成單晶CVD金剛石。