TWI706061B - 大單晶鑽石及其生產方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種生產大單晶鑽石之方法，其由以下組成：(i)在鑽石生長箱中配置兩個或超過兩個彼此鄰接之單晶鑽石基板，其中各單晶鑽石基板包括至少2個具有不同結晶取向之相鄰表面，(ii)使用鑽石生長製程，使該等單晶鑽石基板沿向上生長方向以及沿側向生長方向生長。

Description

大單晶鑽石及其生產方法

本發明係關於大單晶鑽石及其生產方法。

鑽石為人所熟知的為其最高的晶體品質及極端的物理、光學及介電特性。然而，鑽石之稀缺及具有均勻品質之大尺寸鑽石之有限可用性始終阻礙其作為各種應用之主流資源之潛能。

稀缺已藉由鑽石生長工業改善。目前，生長方法之兩種主要形式包括高壓高溫(high-pressure high-temperature；HPHT)生長方法及化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)生長方法。

儘管改善鑽石之稀缺，但具有均勻品質之大尺寸鑽石之受限的可用性尚待解決。當發現直至現在最大面積單晶鑽石僅具有小於1公分(cm)×1cm之面積這一當代事實時，此尤其明顯。

使大面積CVD單晶鑽石生長之障礙中的一者為大單晶鑽石基板之非可用性(或有限可用性)。解決此障礙之已知方法為在鑲嵌構造中組裝具有相似高度之若干可用單晶鑽石基板，之後為使用CVD生長方法之生長。然而，此類生長方法在兩個單晶鑽石基板之間的界面處產生一或多個缺陷，諸如非磊晶微晶、熱解碳及/或小凸起。此等缺陷隨著鑽石生長倍增，從而在兩個單晶鑽石基板之界面處產生高度受應力單晶鑽石(或甚至更糟之多晶鑽石材 料)。生長大面積CVD單晶鑽石上之此類高度受應力單晶界面或多晶界面可將此等鑽石受限於僅熱化學拋光且完全不適用使用機械拋光處理。

此外，在將基板置放於鑲嵌構造中之後，亦難以獲得所需數目之具有均勻基板特性之單晶鑽石基板以用於生長。除非基板具有均勻品質及相似厚度，否則難以實現基板之間的低應力。

出於如上文所陳述之原因，且儘管高度探求技術，尚無法使用可用於實際應用之具有均勻品質之大面積單晶鑽石。

根據本發明之一個具體實例，提供一種生產大單晶鑽石之方法，其由以下組成：(i)在鑽石生長箱中配置兩個或超過兩個彼此鄰接之單晶鑽石基板，其中各單晶鑽石基板包括至少2個具有不同結晶取向之相鄰表面；(ii)使用鑽石生長製程，使該等單晶鑽石基板沿向上生長方向以及沿側向生長方向生長。

根據本發明之另一具體實例，提供一種單晶化學氣相沉積(CVD)鑽石，其包含：具有大於6毫米(mm)之至少一個邊緣之表面，其中該表面展現至少一個應力區，該應力區垂直於大於6mm之表面之邊緣延伸。

A:主表面

B:非接觸側表面

C:接觸側表面

X:尺寸

Y:尺寸

Z:尺寸

(100):結晶取向

(110):結晶取向

(111):結晶取向

(113):結晶取向

100/110/111/113:結晶取向

100:生長鑽石

110:生長鑽石

111:表面

112:表面

120:應力區/應力圖案線

130:應力區/應力圖案線

300:鑽石基板

610:單晶鑽石基板

620:單晶鑽石基板

810:步驟

820:步驟

830:步驟

310A:鑽石基板

310B:鑽石基板

310C:鑽石基板

310D:鑽石基板

310E:鑽石基板

310F:鑽石基板

為較佳理解本發明且展示可如何有效實施本發明，現將參考附圖僅藉助於實例描述本發明之具體實例，其中：

圖1展示根據本發明之一個具體實例之說明性生長鑽石的例示性頂視圖及側視圖。

圖2A展示根據本發明之一個具體實例，在鄰接鑽石之間的邊界處之說明性表面形態實例。

圖2B展示根據本發明之一個具體實例，在六個不同點處說明性生長鑽石之例示性拉曼線寬分析圖。

圖3展示根據本發明之一個具體實例，在生長之前配置於陣列構造中之說明性單晶鑽石板。

圖4展示根據本發明之一個具體實例，一維陣列構造中之鑽石基板之說明性配置。

圖5展示根據本發明之一個具體實例之說明性單晶鑽石基板。

圖6展示根據本發明之一個具體實例，沿著橫截面水平面之兩個基板之生長方向。

圖7A及7B展示根據本發明之一個具體實例，分別具有{111}及{113}之結晶取向之大基板。

圖8展示根據本發明之一個具體實例，生產大板單晶鑽石之說明性方法之流程圖。

根據本發明之一個具體實例，提供一種生產大單晶鑽石(亦可稱為生長鑽石)之方法，其包含以下步驟：在鑽石生長箱中配置兩個或超過兩個彼此鄰接之單晶鑽石基板，其中各單晶鑽石基板包括至少2個具有不同結晶取向之相鄰表面；及使用鑽石生長製程，使該等單晶鑽石基板沿向上生長方向以及沿側向生長方向生長。在一個具體實例中，兩個(2個)相鄰表面可指代第一表面及額外表面，或第二表面及額外表面，或額外表面及另一額外表面，或與另一表面相鄰之任何表面。除了以上之外，兩個或超過兩個單晶鑽石基板 之相鄰表面可指代彼此接觸之表面。

當兩個或超過兩個單晶鑽石基板在單晶鑽石基板之一或多個額外表面處鄰接在一起時，鄰接側表面具有相同結晶取向或具有預定範圍之公差之相似結晶取向。額外表面可為側表面。

單晶鑽石基板中之每一者具有第一表面，該第一表面具有結晶取向且充當生長表面。第一表面可為頂表面。單晶鑽石基板中之每一者具有可為底表面之第二表面。單晶鑽石基板中之每一者具有相同厚度或彼此具有預定範圍之公差之厚度相似。另外，單晶鑽石基板中之每一者具有預定範圍之表面粗糙度。

單晶鑽石基板首先安置於能夠操作鑽石生長製程之腔室中。鑽石生長製程可為化學氣相沉積(CVD)鑽石生長製程。單晶鑽石基板經配置以使得單晶鑽石基板之至少一個額外表面與至少一個其他單晶鑽石基板之至少一個額外表面接觸。處於接觸之額外表面由並未接觸之額外表面界定，且其中額外表面彼此之間具有相同、相似或不同的結晶取向。處於接觸之側表面亦可稱為「接觸」表面且並未接觸之側表面亦可稱為「非接觸」側表面。

在鑽石生長製程期間，單晶鑽石基板經受適合之操作條件，包括一定溫度範圍，諸如700℃至1200℃。單晶鑽石基板在頂部表面經歷向上生長，使得單一生長層形成於鄰接在一起之單鑽石基板之頂部上。

同時，單晶鑽石基板亦在側表面處經歷側向生長，使得接觸側表面融合在一起且產生具有單個放大頂表面面積以及均勻品質之一個大單晶鑽石基板之構造。接觸側表面之融合沿接觸側表面之融合界面產生應力圖案。

受控之鑽石生長製程考量晶體生長形成，其有利於sp3鍵結立方鑽石結構之形成且不利於缺陷(例如非磊晶微晶、熱解碳小凸起或任何其他多晶生長)形成。因此，當兩個或超過兩個單晶鑽石基板彼此鄰接置放時，此受 控生長形成在基板之融合界面處具有相對較低應力之大單晶鑽石。此類相對較低之應力區可在單晶鑽石基板之融合界面處使用X射線結晶量測及/或拉曼量測證實。

根據本發明之另一具體實例，一種單晶化學氣相沉積(CVD)鑽石，其包括具有大於6毫米(mm)之至少一個邊緣之表面(亦即頂表面)，其中該表面展現垂直於大於6mm之表面邊緣延伸之至少一個應力區。

應力區向上延伸直至至少一個邊緣之長度除以N，其中N值為大於1之整數。表面處之應力之量測值小於額外表面(亦即底表面)上之應力之量測值。當相比於單晶CVD鑽石之其他區域時，應力區周圍之應力更大。表面及額外表面具有{100}之結晶取向。單晶CVD鑽石之厚度為最少0.1mm。應瞭解，應力區可展現使用由以下組成之成像之所選擇方法中的一者：X射線表面形貌成像及交叉極化顯微鏡。在一個具體實例中，應力區內之應力足夠低以能夠實現在單晶CVD鑽石上機械拋光。當使用拉曼分析來量測時，應力區內之應力產生範圍在3.3cm^-1至3.8cm^-1之間的拉曼線寬。

大面積單晶鑽石展現沿著融合界面之應力區。此類應力區為融合單晶鑽石基板之相鄰側表面及其上方之持續鑽石生長之結果。融合界面內之應力可低至在各別相鄰基板上方生長之單晶鑽石之主體內的內應力值或高於單晶鑽石之相鄰區域內之應力值但足夠低以允許單晶鑽石之任何已知生長後處理。詳言之，該方法有利於需要機械拋光之大面積鑽石。因為應力在融合界面處較低，所以機械拋光將不會在鑽石之表面上產生新的缺陷。

本發明可進一步藉助於其他具體實例理解。

在一個具體實例中，單晶鑽石基板由頂表面、底表面及4個側表面組成。頂表面及底表面具有{100}結晶取向。4個側表面具有{100}結晶取向且4個側表面中之每一者由具有{110}結晶取向之額外側表面界定。4個側表面及 額外側表面限定單晶鑽石基板之厚度為最少0.1mm。單晶鑽石基板首先安置於化學氣相沉積(CVD)腔室中。單晶鑽石基板經配置以使得單晶鑽石基板之至少一個側表面與另一單晶鑽石基板之至少一個側表面接觸。接觸側表面具有{100}結晶取向而非接觸側表面具有{110}結晶取向。在CVD製程期間，單晶鑽石基板經受適合之生長條件。由於非接觸側表面之{110}結晶取向，當經受CVD生長製程時具有{100}結晶取向之側表面生長且彙聚為「假想」尖端(亦即類似於形成角錐形結構)。換言之，單晶鑽石基板沿平行於具有{110}結晶取向之側面之方向生長。受控之CVD生長考量晶體生長形成，其有利於sp3鍵結立方鑽石結構之形成且不利於缺陷(例如非磊晶微晶、熱解碳小凸起或任何其他多晶生長)形成。因此，當兩個或超過兩個單晶鑽石基板彼此鄰接置放時，此受控之生長形成在基板之融合界面處具有相對較低應力之大面積單晶鑽石。此類相對較低之應力區可在單晶鑽石基板之融合界面處使用X射線結晶量測及/或拉曼量測證實。

除了以彙聚至「假想」尖端之方式控制單晶鑽石基板之生長，其中兩個相鄰單晶鑽石基板融合之界面處的應力藉由選擇相同及均勻品質的基板降低。在一個具體實例中，單晶鑽石基板就其高度、結晶取向、缺陷密度、缺陷位置等而言可為均勻的。應瞭解，非均勻單晶鑽石基板可加重兩個鄰近置放之單晶鑽石基板之間的融合界面處之應力。因此，在一個具體實例中，單晶鑽石基板之選擇及生產方法可本質上幫助融合相似及均勻品質的單晶鑽石基板。此等基板應具有接觸額外表面，其呈具有相同結晶取向或最大可耐受取向偏差為3°、較佳2°且更佳1°之結晶取向的相似形式。此類結晶取向之量測可藉由勞厄方法(Lauc method)來達成。此外，單晶鑽石基板可僅具有各基板之間小於15μm、較佳10μm且更佳5pm之厚度差異。出於生長厚及大面積單晶鑽石之目的，相同及均勻品質的單晶鑽石基板之選擇亦為必要的。

圖1展示根據本發明之一個具體實例之大單晶鑽石(生長鑽石)之頂視圖及側視圖。在一個具體實例中，生長鑽石110可使用化學氣相沉積(CVD)製程生長。此類生長鑽石110亦可稱為CVD鑽石。生長鑽石110可為單晶鑽石。在一個具體實例中，生長鑽石110為IIa型單晶鑽石。

生長鑽石110由其具有尺寸之邊緣界定。在一個具體實例中，生長鑽石110之俯視圖由具有尺寸X及Y之邊緣界定。在圖1中，生長鑽石110之尺寸X為6毫米(mm)。生長鑽石110之尺寸Y為3mm。在另一具體實例中，生長鑽石之尺寸X及Y可分別超過6mm及3mm(圖中未示)。

生長鑽石110之側視圖提供額外尺寸Z。應瞭解，尺寸Z亦可稱為生長鑽石110之厚度。在圖1中，生長鑽石110之尺寸Z為1mm。在另一具體實例中，生長鑽石之尺寸Z可為超過0.1mm之任何值。

圖1之俯視圖亦展示生長鑽石110內之兩個應力區120及130。應力區120平行於由尺寸Y界定之邊緣且自由尺寸X界定之邊緣垂直延伸。應力圖案線130平行於由尺寸X界定之邊緣且自由尺寸Y界定之邊緣垂直延伸。

兩個應力圖案線120及130形成係因為四個鑽石基板用於生長生長鑽石110。此等四個鑽石基板以2維陣列構造(2×2陣列構造)置放。其他細節將經由後續圖提供。應瞭解，多個應力圖案線可在多個鑽石基板用於生長大板鑽石時形成。此類應力區之長度及取向將僅受鑽石基板之配置及其形狀限制。

應力區120及130由於鄰接兩個鑽石基板出現，其中各鑽石基板具有不同結晶平面(例如{100}及{110}結晶取向平面)之鄰近側。應力區120及130反映彙聚之鑽石晶體生長且沿著相鄰基板之邊界產生顯著應力。

生長鑽石110之側視圖亦展示應力區120。在一個具體實例中，應力隨著一者沿向上生長方向沿著應力區120移動。舉例而言，沿著應力區 120，表面112附近之應力大於表面111附近之應力。在另一具體實例中，且仍沿著應力區120，表面111附近之應力大於表面112附近之應力。應力在表面(表面111或112)附近將為最高，該表面更接近基板側，其中基板在生長之前彼此鄰接置放。然而，最高應力仍將足夠低以能夠實現生長後處理，尤其機械拋光。應力隨著一者遠離具有基板之側面且沿著應力區120沿著Z維度(亦即向上生長方向)移動逐漸降低。應力可降低至其中應力可類似於或等同於生長鑽石110之主體之內應力。應瞭解，此類應力之相似變化對於連接表面111及112且垂直於應力區(圖中未示)之線而言亦為可觀測的。

在一個具體實例中，在應力值降低至其中應力可類似於或等同於生長鑽石110之主體之內應力的點之後，應力區120及生長鑽石110之主體可包括等同或類似於在不用本發明之具體實例中所揭示之方法生長的鑽石的應力。在一個例示性具體實例中，沿著應力區120內之生長方向的所得結晶品質可展現1.5cm-1或甚至更佳之拉曼線寬。

應瞭解，應力可沿著向上生長方向逐漸降低，使得生長鑽石之主體作為單一單元出現。因此，在一個具體實例中(本文中未示)，應力區僅可經由僅表面111或112中之一者觀測。

仍參考圖1，跨越生長鑽石110之應力區120及130呈對稱形式。舉例而言，應力區120及130同等地跨越由尺寸X及Y界定之邊緣分割生長鑽石110。可替代地，應力區在另一具體實例中可跨越生長鑽石呈非對稱形式(圖中未示)。舉例而言，應力區中之一者可自沿著邊緣中之一者定位在三分之一處的點延伸。應瞭解，非對稱應力區可由於使用非對稱鑽石基板生長之鑽石獲得。

應力區120及130可經由X射線表面形貌成像及交叉極化顯微鏡。

在一個具體實例中，應力區120及130內之應力可低至生長鑽石110內(亦即，未由應力圖案線120及130覆蓋之區域)之內應力值。在一替代具體實例中，應力區120及130內之應力可超過可在生長鑽石110之主體內存在但足夠低以能夠實現生長後處理，尤其機械拋光製程之內應力。

圖2A展示在一個具體實例中鄰接鑽石之間的邊界處之表面形態之實例。在一個具體實例中，鑽石可類似於圖1之生長鑽石110。生長層為約2.12mm(亦即生長鑽石之厚度)。兩個相鄰鑽石基板之底層邊界作為暗淡水平黑線(虛線盒內)清晰可見。在一個具體實例中，針對六個不同點，亦即鑽石之1至6進行拉曼線寬分析。在點1至6中，點5位於粗略觀察之斷層線處。

圖2B展示在六個不同上述點，亦即點1至6處生長鑽石之拉曼線寬分析圖。使用數值孔徑(N.A.)為0.75、0.4、0.25及0.1之聚焦透鏡進行拉曼分析。應瞭解，具有大N.A.之聚焦透鏡能夠實現雷射光點之放大的聚焦深度及聚焦體積。雷射光點之此類放大的深度聚焦及聚焦體積可有助於確保可適當評估表面下生長之品質。

對於此測試中所採用之全部四個N.A.值，六個量測光點之線寬維持緊密擴散。如此例示性具體實例中所展示，拉曼線寬位於3.3cm^-1與3.8cm^-1之間的範圍。此類範圍表明邊界處無任何多晶生長之兩個鑽石基板之間的完美融合。甚至對於粗略觀察之斷層線，拉曼寬度分析仍展示單晶鑽石晶格。

圖3意欲為說明性及並非限制性的，說明根據本發明之一個具體實例在生長之前以陣列方式配置之多個單晶鑽石基板。鑽石基板300之陣列在其生長於一個大面積單晶鑽石(例如類似於圖1之生長鑽石110)中之前以此類方式組裝。

如圖3之具體實例中所展示，鑽石基板300之陣列包括六個鑽石基板310A-310F。在一個具體實例中，此等鑽石基板310A-310F亦可稱為鑽石板 或自形鑽石基板。鑽石基板310A-310F經配置成陣列構造。如圖3之具體實例中所展示，鑽石基板310A-310F以2×3陣列構造配置。

應瞭解，鑽石基板之陣列可具有以陣列構造佈置之任何數目之鑽石基板且其不限於僅如圖3中所示之六個(6個)鑽石基板。舉例而言，鑽石基板之另一陣列(圖中未示)可包括四個(4個)鑽石基板(在用於生長圖1之生長鑽石110之數目及配置方面相似)。在另一實例中，鑽石基板之另一陣列(圖中未示)可包括十個(10個)鑽石基板。

鑽石基板300可由其總長度(如由尺寸X所展示)及總寬度(如由尺寸Y所展示)界定。在一個例示性具體實例中，尺寸X及Y可分別為15mm及10mm。在此類具體實例中，此等鑽石基板310A-310F中之每一者可具有約5mm×5mm之尺寸。鑽石基板300之陣列厚度由鑽石基板310A-310F之厚度界定。在一個例示性具體實例中，鑽石基板310A-310F之厚度為約1mm。在其他例示性具體實例中，鑽石基板之厚度(現展示)可為5μm、10μm或15μm。

此等鑽石基板310A-310F在一個具體實例中可為可能已生長之單晶鑽石。舉例而言，此等鑽石基板310A-310F在一個具體實例中可使用高壓高溫(HPHT)製程生長。在另一具體實例中，此等鑽石基板310A-310F可使用化學氣相沉積(CVD)製程生長。可替代地，此等鑽石基板310A-310F可獲自自大地開採之鑽石。此等鑽石基板310A-310F可具有低或零缺陷，諸如點缺陷、延伸缺陷、裂痕及/或雜質。此等鑽石基板310A-310F中之每一者之其他細節將以圖5之部分的形式提供。

圖4意欲為說明性及非限制的，說明根據一個具體實例本發明之鑽石基板之一維陣列。在一個具體實例中，鑽石基板之一維陣列可類似於圖3之陣列鑽石基板300內之鑽石基板的一維陣列。

然而，相比於圖3之鑽石基板310A-310F，圖4中之鑽石基板具 有不同數目之側表面。舉例而言，圖3之鑽石基板310A-310F具有8個側表面，而圖4之鑽石基板僅具有六個側表面。在一個具體實例中，謹慎選擇鑽石基板之側表面數目以獲得特定塑形之生長鑽石。舉例而言，為獲得大面積生長鑽石，必要的為使用具有八個側表面(亦即類似於鑽石基板310A-310F)且以如圖3中所示之方式配置的鑽石基板。可替代地，對於窄長板生長鑽石而言，必要的為使用僅具有六個側表面且以如圖4中所示之方式佈置的鑽石基板。

圖4之具體實例展示具有{100}之結晶平面之至少兩個表面。此等表面亦可稱為鑽石之主表面。在圖4中，此等表面藉由A指示。在一個具體實例中，主表面中之一者可面向基板固持器且可暴露另一主表面以進行生長。

圖4之具體實例亦展示具有{100}及{110}之結晶平面之相鄰側表面。如圖4之具體實例中所展示，耦接在一起之不同鑽石基板之接觸側表面可具有{100}之結晶取向。在圖4之具體實例中，鑽石基板之此等接觸側表面可由C指示。在一替代具體實例中，由C指示之此等接觸側表面亦可具有其他結晶取向(例如{110}、{113}及{111})。

在一個例示性具體實例中，側表面之結晶取向可具有不超過3°之角度。在另一例示性具體實例中，主表面之結晶取向可具有不超過2°或1°之角度。

此外，在圖4之具體實例中所揭示之鑽石基板上，{110}之側表面鄰接於具有{100}之結晶平面之側表面。在圖4之具體實例中，此等非接觸側表面可由B指示。在一替代具體實例中，指示為B之此等非接觸側表面亦可具有其他結晶取向(例如{113}及{111})。

此外，兩個主表面(表面A/頂表面)之結晶取向之離軸角度不應超過3°且側表面之結晶取向之離軸角度不應超過5°。

亦應瞭解，鑽石基板之表面粗糙度(Ra)應不應超過5nm。

圖5意欲為說明性及非限制的，說明根據本發明之一個具體實例之單晶鑽石基板。單晶鑽石基板可類似於形成為圖4之一維陣列或圖3之多陣列之零件的鑽石基板中之一者。單晶鑽石基板可為單晶高壓高溫(HPHT)基板。單晶鑽石基板可為CVD生長基板。

單晶鑽石基板可在雷射切割且拋光一塊生長或開採鑽石之後獲得。如圖5中所展示，主表面(亦即頂表面及底表面)可具有{100}之結晶取向。如圖4之具體實例中所陳述，主表面中之一者可放置在CVD腔室之基板固持器上且另一主表面將經歷生長製程。

此外，類似於圖3及4，在生長之前觸碰單晶鑽石基板之接觸側表面可具有{100}、{110}、{113}或{111}之結晶取向。在生長之前未觸碰之鑽石基板之非接觸側表面可具有{100}、{110}、{113}或{111}之結晶取向。

圖6意欲為說明性的及非限制性的，其說明根據本發明之一個具體實例沿著彼此鄰接置放之兩個鑽石基板之水平面的側向生長方向。單晶鑽石基板610及620可類似於圖5之單晶鑽石基板。如圖6中所示之側向生長方向為自頂表面之向上生長方向以外的方向。

在一個具體實例中，側向生長方向視側表面之結晶取向而定。基於圖6，具有{100}之結晶取向之側表面的側向生長方向垂直於其側表面。此外，具有{110}之結晶取向之側表面的側向生長方向平行於其側表面。此外，具有{111}或{113}之例示性結晶平面之側表面的側向生長方向可不同於如針對{100}或{110}之結晶取向所展示的方向。

仍參考圖6，虛線展示經一段時間以便彙聚從而形成大單鑽石晶體鑽石之生長進展。在一個具體實例中，兩個鑽石基板之間的物理邊界線(與可形成之圖1中所描述之應力圖案線的對比)可不再存在。在一個具體實例中，大單晶鑽石可類似於圖1之生長鑽石100。

在一個具體實例中，藉由傾斜鑽石基板以複數形式配置鑽石基板，使得相鄰鑽石基板之間的空隙至少基於目視檢查為可忽略的。此外，兩個鑽石基板之間的厚度差異小於20pm。可替代地，兩個鑽石基板之間的厚度差異可小於15pm、10pm或5pm。

磊晶鑽石生長使用CVD生長技術沿著全表面(主表面及側表面)出現。在一個具體實例中，CVD生長技術包括微波電漿CVD(MPCVD)、電漿增強CVD(PECVD)、熱燈絲CVD(HFCVD)、DC電弧噴射CVD、射頻CVD(RFCVD)等。

應瞭解，若磊晶及生長高度存在錯配(mismatch)，則沿著相鄰鑽石基板之邊界的生長將高度受應力。因此當鑽石基板之高度匹配且鑽石基板之間的空隙為可忽略的時，非磊晶生長沿著基板邊界可受顯著抑制且因此可顯著降低應力。

圖7A及7B展示根據本發明之一個具體實例，具有{111}及{113}之結晶取向之大基板。

圖7A展示具有{113}之結晶取向的鑽石基板。圖7B展示具有{111}之結晶取向的鑽石基板。圖7A及7B之兩種鑽石均可獲自類似於圖1之生長鑽石100的大鑽石。如圖7A及7B中所展示，自具有{100}主表面取向及四個側表面{110}之10×10×5mm³生長鑽石激光切割出具有面積為10×5.7mm²及10×10.86mm²之尺寸的相當大的{111}及{113}鑽石基板。

圖8意指為說明性及非限制的，其說明根據本發明之一個具體實例生產大板單晶鑽石之方法的流程圖。在一個具體實例中，大板單晶鑽石可類似於圖1、2、7A或7B之鑽石。

在步驟810處，提供第一及第二臨時CVD鑽石基板。臨時CVD鑽石基板可類似於如圖3、4及5中所描述之鑽石基板。此等第一及第二臨時 CVD鑽石基板中之每一者包括至少兩個具有不同結晶取向之鄰近側。臨時CVD鑽石基板之側表面中之一者具有{100}/{110}/{113}/{111}之結晶取向且另一側表面不同，選自{110}/{113}/{111}。在一個例示性具體實例中，側表面中之一者具有{100}之結晶取向且相鄰側表面具有{110}之結晶取向。

在步驟820處，第一及第二臨時CVD鑽石基板在鑽石生長箱中彼此鄰接置放。在一個具體實例中，置放可類似於圖3、4或6。應瞭解，生長箱可類似於用於生長單晶CVD鑽石之生長箱。

在步驟830處，第一及第二臨時CVD鑽石基板鄰接以使用晶體生長製程形成單CVD鑽石。在一個具體實例中，鄰接/生長類似於圖6出現。

在一個具體實例中，具有均勻品質之大面積單晶鑽石對於各種應用而言為期望的。舉例而言：

‧機械應用，諸如觀察窗、切割及磨損應用中之研磨氛圍。

‧光學應用，諸如標準具、雷射窗口、光學反射器、繞射光學元件、砧等。

‧電子應用，諸如偵測器、熱散播器、發電站的大功率開關、高頻場效電晶體及發光二極體等。

‧微波應用，諸如窗口-磁旋管、微波組件、天線；

‧聲學應用，諸如表面聲波(surface acoustic wave；SAW)濾波器；

‧美學應用，諸如寶石；

‧及許多其他應用。

110:生長鑽石

111:表面

112:表面

120:應力區/應力圖案線

130:應力區/應力圖案線

X:尺寸

Y:尺寸

Z:尺寸

Claims (23)

1. 一種生產單晶鑽石之方法，其包含以下步驟：(i)在鑽石生長箱中提供兩個或超過兩個彼此鄰接之單晶鑽石基板，其中各單晶鑽石基板包括至少頂表面、側表面及另一側表面，其中該等單晶鑽石基板中之每一者之該側表面及該另一側表面之結晶取向僅相差代表結晶取向之三個整數之一整數，其中該等單晶鑽石基板中之每一者之該側表面之結晶取向彼此相同；(ii)配置該等單晶鑽石基板，使得該等相同結晶取向之側表面彼此接觸，以及該等另一側表面不彼此接觸且有助於該兩個或超過兩個單晶鑽石基板之彙聚生長；及(iii)使用鑽石生長製程，使該單晶鑽石能夠鑽石生長。
2. 如請求項1所述之方法，其中該等單晶鑽石基板中之每一者具有該頂表面，該頂表面具有{100}結晶取向且充當生長表面。
3. 如請求項2所述之方法，其中該等單晶鑽石基板中之每一者具有至少0.1mm之厚度。
4. 如請求項3所述之方法，其中該等單晶鑽石基板之間的該厚度差異小於15μm。
5. 如請求項1所述之方法，其中該等單晶鑽石基板中之每一者的表面粗糙度(Ra)不超過5nm。
6. 如請求項1所述之方法，其中該鑽石生長製程為化學氣相沉積(CVD)鑽石生長製程。
7. 如請求項1所述之方法，其中該等處於接觸之側表面具有{100}、{110}、{113}或{111}中之任一者之結晶取向。
8. 如請求項1所述之方法，其中該等未接觸之另一側表面具有 {100}、{110}、{113}或{111}中之任一者之結晶取向。
9. 如請求項7或8所述之方法，其中該等結晶取向之離軸角度不超過5°，其中該等結晶取向係關於該等處於接觸之側表面、或該等未接觸之另一側表面、或該等處於接觸之側表面及該等未接觸之另一側表面。
10. 如請求項1所述之方法，其中該鑽石之側向生長融合該等處於接觸之側表面。
11. 如請求項10所述之方法，其中該等處於接觸之側表面之融合產生圍繞融合界面之應力區，其中該融合界面內之應力可低至在該單晶鑽石基板之頂表面上方生長之單晶鑽石內的應力或高至該等側表面之接觸處之應力。
12. 如請求項11所述之方法，其中該應力區內之應力低至足以允許該單晶鑽石之任何已知的生長後處理。
13. 如請求項2所述之方法，其中該頂表面之該結晶取向之離軸角度不超過3°。
14. 如請求項1所述之方法，其中該等處於接觸之側表面及該等未接觸之另一側表面具有以下結晶取向：

    

    。
15. 如請求項1所述之方法，其中該等處於接觸之側表面具有{100}之結晶取向，及該等未接觸之另一側表面具有{110}之結晶取向。
16. 一種如請求項1所述之方法所產生之包含至少一個應力區之單晶鑽石。
17. 如請求項16所述之單晶鑽石，其包含：具有大於6毫米(mm)之至少一個邊緣之表面，其中該表面展現該至少一個應力區，該應力區垂直於大於6mm之該表面之邊緣延伸。
18. 如請求項17所述之單晶鑽石，其進一步包含呈該單晶鑽石之側表面形式之一或多個額外表面，其中該表面處之應力之量測值小於該額外表面上之應力之量測值。
19. 如請求項17所述之單晶鑽石，其中相比於該單晶鑽石之其他區域，圍繞該應力區之應力更大。
20. 如請求項18所述之單晶鑽石，其中該表面及該額外表面具有{100}之結晶取向。
21. 如請求項18所述之單晶鑽石，其中該表面與該額外表面之間的距離為至少0.1mm。
22. 如請求項17所述之單晶鑽石，其中該應力區內之應力足夠低以能夠實現在該單晶鑽石上之機械拋光。
23. 如請求項17所述之單晶鑽石，其中當使用拉曼分析(Raman analysis)來量測時，該應力區內之應力產生範圍在3.3cm^-1與3.8cm^-1之間的拉曼線寬(Raman line width)。

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