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　　申请号：201180066337

　　申请人：六号元素有限公司

　　摘要：一种制造合成CVD金刚石材料的方法，所述方法包括：设置微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：等离子体腔；一个或多个基底，所述一个或多个基底设置在所述等离子体腔中，在使用时提供所述合成CVD金刚石材料在其上沉积的生长表面区域；微波联接结构，所述微波联接结构用于将微波从微波发生器进给到所述等离子体腔内；以及气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；将工艺气体注入到所述等离子体腔内；通过所述微波联接结构将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内以在所述生长表面区域上形成等离子体；以及在所述生长表面区域上生长合成CVD金刚石材料，其中，所述工艺气体包括从硼、硅、硫、磷、锂、和铍中的一种或多种选取的呈气体形式的以等于或大于0.01ppm的浓度存在的至少一种掺杂剂和/或以等于或大于0.3ppm的浓度存在的氮，其中，所述气体流动系统包括气体入口，所述气体入口包括与所述生长表面区域相对设置且配置为将工艺气体朝向所述生长表面区域注入的一个或多个气体入口喷嘴，以及其中，所述工艺气体以等于或大于500标准cm3/min的总气体流速朝向所述生长表面区域注入，和/或其中所述工艺气体以范围为从1至100的雷诺数通过所述气体入口喷嘴或每个气体入口喷嘴注入到所述等离子体腔内。

　　独立权利要求：1.一种制造合成CVD金刚石材料的方法，所述方法包括：设置微波等离子体反应器，所述微波等离子体反应器包括：等离子体腔；一个或多个基底，所述一个或多个基底设置在所述等离子体腔中，在使用时提供所述合成CVD金刚石材料在其上沉积的生长表面区域；微波联接结构，所述微波联接结构用于将微波从微波发生器进给到所述等离子体腔内；以及气体流动系统，所述气体流动系统用于将工艺气体进给到所述等离子体腔内和将所述工艺气体从所述等离子体腔中移除；将工艺气体注入到所述等离子体腔内；通过所述微波联接结构将微波从所述微波发生器进给到所述等离子体腔内以在所述生长表面区域上形成等离子体；以及在所述生长表面区域上生长合成CVD金刚石材料，其中，所述工艺气体包括：从硼、硅、硫、磷、锂、和铍中的一种或多种选取的呈气体形式的至少一种掺杂剂，所述掺杂剂或每种掺杂剂以等于或大于0.01ppm的浓度存在；和/或以等于或大于0.3ppm的浓度存在的氮，其中，所述气体流动系统包括气体入口，所述气体入口包括与所述生长表面区域相对设置且配置为将工艺气体朝向所述生长表面区域注入的一个或多个气体入口喷嘴，以及其中，所述工艺气体以等于或大于500标准cm3/min的总气体流速朝向所述生长表面区域注入，和/或所述工艺气体以范围为从1至100的雷诺数通过所述气体入口喷嘴或每个气体入口喷嘴注入到所述等离子体腔内。

　　2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一种掺杂剂以受控的方式注入到所述等离子体腔内或者在被注入到所述等离子体腔内
之前添加到一种或多种工艺气体中。

　　3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一种掺杂剂包括：硼、硅、硫、磷、锂和铍中的一种或多种，并且其中，所述工艺
气体包括小于0.3ppm的氮；或者浓度为等于或大于0.3ppm的氮，并且其中，所述工艺气体包括小于0.01ppm的硼、硅、硫、磷、锂、和
铍。

　　4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述至少一种掺杂剂以等于或大于0.05ppm、0.1ppm、0.3ppm、0.5ppm、0.7ppm、1ppm、3ppm、5ppm、10ppm、20ppm、50ppm、100ppm、200ppm、300ppm、500ppm、700ppm、或1000ppm的浓度提供在工艺气体中。

　　5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述工艺气体包括等于或大于1×10-6、10×10-6、100×10-6、或1000×10-6的掺杂剂浓度/碳浓度的比率。

　　6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过所述气体入口进给的所述总气体流速等于或大于750、1000、2000、5000、10000、15000、20000、25000、30000、35000、或40000标准cm3/min。

　　7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，通过所述气体入口进给的所述总气体流量对于每cm2的所述表面生长区域等于或大于3、10、20、50、100、200、500、或1000标准cm3，并且对于每cm2的所述表面生长区域等于或小于50000、20000、10000、或5000标准cm3。

　　8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴或每个气体入口喷嘴具有范围为从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的出口直径。

　　9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在所述气体入口与所述生长表面区域之间的最小距离Dc小于或等于6Rs、4Rs、或2Rs，其中Rs为所述生长表面区域的半径。

　　10.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述工艺气体以等于或小于100、80、50、40、或35且至少为1、5、10、15、20、或25的雷诺数通过所述气体入口喷嘴或每个气体入口喷嘴注入到所述等离子体腔内。

　　11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在所述等离子体腔内的操作压力等于或大于：对于范围为从2300至2600MHz的微波频率为100、200、220、240、260、280、300、320、340、360、380、或400Torr；对于范围为从800至1000MHz的微波频率为120、140、160、180、200、220、240、或260Torr；或者对于范围为从400至500MHz的微波频率为60、70、80、100、120、140、或150Torr。

　　12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，供给到所述等离子体腔内的功率的至少45％、50％、55％、60％、65％、或70％通过与所述气体入口相对设置的所述等离子体腔的基部传输。

　　13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，传送到所述生长表面区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的所述生长表面区域。

　　14.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述气体入口包括入口喷嘴阵列，所述入口喷嘴阵列包括与所述生长表面区域相对设置且配置为将工艺气体朝向所述生长表面区域注入的多个气体入口喷嘴。

　　15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴阵列包括等于或大于6、7、9、10、15、20、30、40、60、90、120、150、200、300、500、700、1000、1200、1500个气体入口喷嘴。

　　16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴阵列包括：等于或大于0.1个喷嘴数/cm2的气体入口喷嘴数量密度，其中，所述气体入口喷嘴数量密度通过将所述喷嘴投影到其法线与所述等离子体腔的中央轴线平行设置的平面上且测量在所述平面上的所述气体入口数量密度而测得；以及等于或大于10的喷嘴面积比率，其中，所述喷嘴面积比率通过将所述喷嘴投影到其法线与所述等离子体腔的中央轴线平行设置的平面上、测量在所述平面上的所述气体入口喷嘴面积的总面积、除以所述喷嘴的总数目以给出与每个喷嘴相关联的面积、并且将所述与每个喷嘴相关联的面积除以每个喷嘴的实际面积而测得。

　　17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴数量密度等于或大于0.2、0.5、1、2、5、或10个喷嘴数/cm2。

　　18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴数量密度等于或小于100、50、或10个喷嘴数/cm2。

　　19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述喷嘴面积比率等于或大于30、100、300、1000、或3000。

　　20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述喷嘴面积比率等于或小于100000、30000、或10000。

　　21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其中，所述总喷嘴面积/所述气体入口喷嘴阵列的面积的比率等于或小于0.5、0.35、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01、或0.007。

　　22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其中，在所述气体入口喷嘴阵列中的喷嘴的总面积以mm2给定的范围为从1至5000、5至3000、10至3000、20至2750、30至2750、或50至2700。

　　23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴在其上间隔布置的所述气体入口喷嘴阵列的总面积以mm2给定的范围为从100至15000、200至15000、400至10000、800至10000、或1000至8000。

　　24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴阵列包括六方密集堆积的气体入口喷嘴阵列。

　　25.根据权利要求16至24中任一项所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴沿相对于所述等离子体腔的中央轴线基本平行或发散的方向
设置。

　　26.根据权利要求16至25中任一项所述的方法，其中，所述气体入口喷嘴阵列的最大半径Rm满足如下标准：RmxFm大于或等于Rs，其中，Rs为所述生长表面区域的半径，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.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，一种合成多晶CVD金刚石晶片被生长，所述合成多晶CVD金刚石晶片包括浓度在所述合成多晶CVD金刚石晶片的至少70%、80%、90%、或95%的体积上变化不超过平均浓度的50％、40％、30％、20％、10％、或5％的至少一种掺杂剂。

　　28.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其中，至少10、20、30、40、50、60、80或100个合成单晶CVD金刚石在单次生长运行中生长，其中，所述合成单晶CVD金刚石具有变化不超过平均厚度的20%、10%、5%、3%、2%、或1%的厚度。

　　29.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，在所述等离子体反应器内的掺杂剂的原子分压等于或大于：在范围为从2300至2600MHz的微波频率下20Pa、100Pa、200Pa、400Pa、800Pa、1200Pa或1600Pa；在范围为从800至1000MHz的微波频率下10Pa、50Pa、100Pa、200Pa、400Pa、600Pa、800Pa或1000Pa；在范围为从400至500MHz的微波频率下5Pa、25Pa、50Pa、100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、或500Pa。

　　30.一种合成多晶CVD金刚石晶片，所述晶片具有等于或大于140mm的最长尺寸，并且包括具有浓度在所述合成多晶CVD金刚石晶片的至少70%的体积上变化不超过平均浓度的50%的至少一种掺杂剂。

　　31.根据权利要求30所述的合成多晶CVD金刚石晶片，其中，所述浓度在所述合成多晶CVD金刚石晶片的至少70%、80%、90%、或95%的体积上变化不超过40%、30%、20%、10%、或5%。

　　32.根据权利要求30或31所述的合成多晶CVD金刚石晶片，其中，所述掺杂剂从氮、硼、硅、硫、磷、和锂中的一种或多种选取。

　　33.根据权利要求30至32中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，其中，所述合成多晶CVD金刚石晶片包括浓度为至少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的所述掺杂剂。

　　34.根据权利要求30至33中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，其中，所述合成多晶CVD金刚石晶片具有至少为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm、1.5mm、或2mm的厚度。

　　35.根据权利要求30至34中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，其中，所述合成多晶CVD金刚石晶片具有至少145mm或150mm的最长尺寸。

　　36.根据权利要求30至35中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，包括等于或大于2、5、10、20、50、100、500、或1000的掺杂剂比率x/y，其中，x为所述掺杂剂，而y为从由硼、氮和硅构成的组中选取的一种或多种不同的杂质。

　　37.根据权利要求30至36中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，具有等于或小于10Ω-cm、1Ω-cm、10-1Ω-cm、或10-2Ω-cm的电
阻率。

　　38.根据权利要求30至37中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，对于在所述合成多晶金刚石晶片的至少70%、80%、90%、或95%的面积上采用的至少17个测量点的至少70%、80%、90%、或95%而言，具有变化不超过平均电阻率的±30％、±20％、±10％、或±5％的电阻率。

　　39.根据权利要求30至38中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片，具有等于或小于平均厚度的30%、25%、20%、15%、10%、5%、或2%的厚度变化。

　　40.一种合成单晶CVD金刚石材料层，所述层具有大于50μm的厚度，并且包括具有浓度等于或大于2×1020cm-3的硼掺杂剂。

　　41.根据权利要求40所述的合成单晶CVD金刚石材料层，其中，所述层具有至少为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.根据权利要求40或41所述的合成单晶CVD金刚石材料层，其中，所述掺杂剂浓度等于或大于4×1020cm-3、5×1020cm-3、7×1020cm-3、1×1021cm-3、或2×1021cm-3。

　　43.根据权利要求40至42中任一项所述的合成单晶CVD金刚石材料层，包括等于或大于2、5、10、20、50、100、500、或1000的掺杂剂比率x/y，其中，x为所述掺杂剂，而y为从由硼、氮和硅构成的组中选取的一种或多种不同的杂质。

　　44.根据权利要求40至43中任一项所述的合成单晶CVD金刚石材料层，其中，所述层具有等于或小于4×l0-4、1×l0-5、5×l0-5、或1×l0-6的双折射。

　　45.根据权利要求40至44中任一项所述的合成单晶CVD金刚石材料层，所述层包括不大于105、104、或103cm-2的位错结构浓度。

　　46.根据权利要求40至45中任一项所述的合成单晶CVD金刚石材料层，其中，所述层取向为{100}晶面。

　　47.根据权利要求40至46中任一项所述的合成单晶CVD金刚石材料层，其中，所述掺杂剂的浓度在所述合成单晶CVD金刚石材料层
的至少70%、80%、90%、或95%上变化不超过平均值的50%、40%、30%、20%、10%、或5%。

　　48.一种合成单晶金刚石，包括掺杂层和相邻的未掺杂层，其中，所述掺杂层与所述未掺杂层之间的界面基本没有杂质，并且其中，所述掺杂剂浓度在截过所述掺杂层与所述未掺杂层之间的界面的不超过10μm的厚度上变化至少3倍。

　　49.根据权利要求48所述的合成单晶CVD金刚石，其中，所述掺杂剂浓度变化至少10、30、100、300、1000、30000、或100000倍。

　　50.根据权利要求48或49所述的合成单晶CVD金刚石，其中，所述厚度不超过3μm、1μm、0.3μm、0.1μm、0.03μm、0.01μm、0.003μm、或0.001μm。

　　51.根据权利要求48至50中任一项所述的合成单晶CVD金刚石，其中，基本没有杂质的界面为如下界面：其中在所述界面的延伸到所述掺杂层的厚度的20%、50%、或100%的任一侧的区域中，杂质浓度不超过1014、3×1014、1015、3×1015、1016、3×1016、或1017，并且在浓度上变化不超过2、3、5、10、30、100、300、或1000倍。

　　52.通过根据权利要求1至29中任一项所述的方法制成的根据权利要求30至39中任一项所述的合成多晶CVD金刚石晶片。

　　53.通过根据权利要求1至29中任一项所述的方法制成的根据权利要求40至47中任一项所述的合成单晶CVD金刚石材料层。

　　54.通过根据权利要求1至29中任一项所述的方法制成的根据权利要求48至51中任一项所述的合成单晶CVD金刚石。