[發明專利]超韌單晶摻硼金剛石

有效

• 申請號: 200980125978.8
• 申請日: 2009-05-05
• 公開（公告）號: CN102084492A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 梁琦;嚴智秀;毛和光;羅素·赫姆利
• 申請（專利權）人: 華盛頓卡耐基研究所
• 主分類號: H01L31/0312
• 分類號: H01L31/0312
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本申請要求2008年5月5日提交的美國臨時申請號60/071,524的權益，其全部內容通過參照并入本文。

政府利益聲明

本發明是在來自國家科學基金會和美國能源部的美國政府支持下進行的。美國政府對本發明具有一定的權利。

發明背景

技術領域

本發明總體涉及通過化學氣相沉積(CVD)制備的單晶金剛石。更具體地，本發明涉及高質量、超韌單晶CVD摻硼金剛石。本發明也涉及其制備方法。

背景技術

以高生長速率制備的高質量單晶CVD金剛石(SC-CVD)的制作已經引起廣泛關注(Yah等，Proc.Nat.Acad.Sci.，2002；Liang等，Phys.Lett.，2009)。可以通過優化CVD生長或者通過生長后處理制備這種金剛石材料，以顯示出許多光學性能和機械性能。具體地，通過高壓/高溫(HPHT)退火可以顯著提高SC-CVD的硬度(Yan等，Phys.Stat.Sol.，2004)。這種處理也降低測量的斷裂韌度并提供調整硬度/韌度的手段。然而金剛石是目前已知的最硬的材料，但金剛石也是脆性的，這限制了某些科學和技術應用。已經努力通過制備金剛石/金屬復合材料(Wentorf等，Science，1980)和通過生成多結構金剛石材料(Anthony等，Diam.Rel.Mater.，1997)來提高金剛石的斷裂韌度。

金剛石被認可是人類已知的最硬的材料；天然單晶金剛石的本征硬度是大約100GPa。然而，如上所述，金剛石也被認為是脆性材料。據報道，Ia型金剛石的斷裂韌度(K_IC)在7.0MPa?m^1/2和8.4MPa?m^1/2之間；對于IIa型金剛石，K_IC是4.2-5.6MPa?m^1/2(Novikov等，J.Hard?Mater.，1993；Patridge等，Materials?Science?and?Technology，1994)。

通過MPCVD(微波等離子體輔助化學氣相沉積)工藝生長單晶CVD金剛石(SC-CVD)的改進已使制作大尺寸(市售可得的HPHT合成的Ib金剛石為3ct以上)、高質量金剛石成為可能(Yan等，Physica.Status.Solidi.，2004；Yan等，Proceedings?of?the?National?Academy?of????Science，2002)。已經將包括H₂/CH₄/N₂/O₂的氣體化學用于MPCVD工藝中進行金剛石生長。通過改變生長條件(包括基底溫度、壓力、N₂和O₂流速)顯著增強了(100)生長，并且SC-CVD的顏色從深褐色變化到淺棕色、到幾乎無色、到無色。已經報道了這些晶體的超高硬度(＞150GPa)和韌度(＞30MPa?m^1/2)(Yan等，Physica.Status.Solidi.，2004)。

也已經報道了優選將硼摻入到寶石級金剛石(Burns等，J.Cryst.Growth，1990)和CVD金剛石(Miyata等，J.Mater.Res.，1993)的(111)扇面中。置換的硼可以將金剛石晶格擴大33.7％，并且其在金剛石中的溶解度可以多達0.9％(Vornov等，Neorganicheskie?Materialy，1993；Arima等，J.Crys.Growth，2007)。已經通過HPHT和CVD工藝制備了摻硼單晶金剛石；然而，還沒有報道過具有大尺寸(厚度大于2mm)的IIb型金剛石。

美國專利號5,981,057涉及一種CVD金剛石層，其包含濃度為至少0.05原子百分數的硼摻雜原子。成核面受拉伸時金剛石層的平均拉伸斷裂強度為至少600MPa，生長面受拉伸時金剛石層的平均拉伸斷裂強度為至少300MPa。兩個拉伸斷裂強度都是通過在長度11mm、寬度2mm和厚度1.4mm以下的樣品上進行三點彎曲試驗測量的。

美國專利號7,201,886涉及金剛石刀具，其包括具有至少一層單晶重摻雜金剛石的成形金剛石以產生可見光。所述摻雜劑可以是硼。

美國專利號7,160,617涉及通過CVD制備并且總硼濃度均勻的單晶摻硼金剛石層。

通過參照并入本文的Hemley等的美國專利號6,858,078，涉及制備金剛石的裝置和方法。所述公開的裝置和方法可以制備淺棕色到無色的金剛石。