(57)【要約】ダイヤモンドのN-Vセンターを制御された方法で作製する。一つの実施形態では、CVD工程を用いて単結晶ダイヤモンドを形成し、その後N-Vセンターを除去するためにアニールする。その後単結晶ダイヤモンドの薄層を、制御された数のN-Vセンターと共に形成する。N-Vセンターは電子回路で使用するための量子ビット（Qubits）を形成する。アニーリングと共に、マスクされ、制御されたイオン注入をCVD形成ダイヤモンドに用いて、光学用途とナノ電気機械デバイス形成の両方のための構造を作製する。導波路がN-Vセンターに光学的に結合するようにして形成してもよく、さらにN-Vセンターと相互作用するために光源と光検出器に結合して形成してもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンドの層と、前記単結晶ダイヤモンドの層に形成された導波路と、前記導波路に光学的に結合した孤立N-Vセンターを含むデバイス。
【請求項２】
前記孤立N-Vセンターが前記導波路の内部にあることを特徴とする、請求項１のデバイス。
【請求項３】
前記孤立N-Vセンターが、少なくともおよそ2ミクロンで、磁気スピンを持つ他の要素から隔離されていることを特徴とする、請求項１のデバイス。
【請求項４】
前記導波路に結合した光源と光検出器をさらに含む、請求項１のデバイス。
【請求項５】
ダイヤモンド基板を形成すること、前記ダイヤモンド基板によって支持された複数の孤立N-Vセンターを有するCVDダイヤモンドの薄層を作製し、前記複数のN-Vセンターのうちの少なくともいくつかが、磁気スピンを持つ他のどの要素とも隣接しないようにすることを含む方法。
【請求項６】
前記CVDダイヤモンドの薄層が最小限の13Cで形成されることを特徴とする、請求項５の方法。
【請求項７】
複数の孤立N-Vセンターが、少なくともおよそ2ミクロンをおいて、磁気スピンを持つ他の要素から隔離されていることを特徴とする、請求項５のデバイス。
【請求項８】
最小磁気スピン要素を持つ高純度のCVDダイヤモンド層によって、複数の孤立N-Vセンターが隔離されたCVDダイヤモンドの薄層をさらに形成することを含む、請求項５のデバイス。
【請求項９】
前記複数の孤立N-Vセンターを置くこと、CVDダイヤモンドの異なる薄層に置かれた、前記複数の孤立N-Vセンターと光学的に結合した導波路を形成することをさらに含む、請求項８のデバイス。
【請求項１０】
磁気スピンを持つ最小限の要素を有するCVDダイヤモンドを形成すること、前記CVDダイヤモンドに複数の孤立N-Vセンターを選択的に形成することを含む方法。
【請求項１１】
孤立N-Vセンターが光学的に結合するように導波路を形成することをさらに含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記複数の孤立N-Vセンターを選択的に形成する前に、磁気スピンを持つ要素を除去するために前記CVDダイヤモンドが熱処理されることを特徴とする、請求項１０の方法。
【請求項１３】
制御された窒素含有量でCVDダイヤモンドの薄層を形成することによって、複数の孤立N-Vセンターが形成されることを特徴とする、請求項１０の方法。
【請求項１４】
前記複数のN-Vセンターの隔離が、形成されたCVDダイヤモンドの薄層の厚みと窒素の量に依存することを特徴とする、請求項１３の方法。
【請求項１５】
CVDダイヤモンドの層が薄い程、隔離の程度が高い傾向があることを特徴とする、請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記複数のN-Vセンターが、少なくともおよそ2ミクロンをおいて、磁気スピンを持つ他の要素から隔離されることを特徴とする、請求項１０の方法。
【請求項１７】
前記複数のN-Vセンターの密度がおよそ10ppbであることを特徴とする、請求項１０の方法。
【請求項１８】
前記複数のN-Vセンターの密度が実質的に10ppb未満であることを特徴とする、請求項１０の方法。
【請求項１９】
単結晶ダイヤモンドの層と、前記単結晶ダイヤモンドの層に形成された導波路と、前記導波路に光学的に結合した孤立N-V-センターを含むデバイス。
【請求項２０】
前記孤立N-V-センターが前記導波路の内部にあることを特徴とする、請求項１９のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
一般的なコンピューターは、デバイスの正もしくは負の状態（またはオフとオンの状態）でデータを保持するデジタル処理を行う。デジタルデバイスは、半導体デバイス、磁気デバイス、光学デバイス、圧電デバイス、もしくは他のデバイスである可能性がある。これはデジタルコンピューティングと呼ばれ、現在のコンピューター、コンピューターのための半導体デバイス、およびコンピューターソフトウェア全てにおける、経済と技術の核心である。デジタル技術を用いる行為は、全データが“2”の累乗で識別されなければならないことを必要とし、これは言い換えると、この膨大な比率で拡大するデータ操作、データ速度、データ記憶などを必要とするということである。
【０００２】
このデジタル路線は、性能の小幅な改善を得るためにでさえ、半導体チップの大きさ、速度、および複雑性において著しい増加を必要とする。半導体技術者達は、デバイスを縮小し、より多数のデバイスをより小さな間隔をあけて配置し、複雑性を増し続けることで、対応してきた。間隔の縮小化への要求によって、材料とフォトリソグラフィーの性能の限界は押し広げられてきたために、ムーアの法則（デバイスは大きさを縮小し続け、18ヶ月毎に性能が倍増すると述べている）の限界に達していると推定される。加えて、デバイス間隔を減少させることによって生じる熱量は、デバイスの性能を危険にさらしている。天気分析、高レベル暗号化、創薬、遺伝子操作、ならびに、デジタルコンピューターにおける制限のために今だ未知の多くの他の用途といった、多数の操作のために、デジタルコンピューターは急速に大きく複雑になり過ぎている。
【０００３】
量子力学的振舞い（quantum behavior）に基づく、全く新しい種類のコンピューターが提案されている。原子もしくは原子団のスピン状態は多数の方法を用いて操作することができ、さらにスピン状態は検出することができ、および／または、光源もしくは光学検出器などのエネルギー源もしくはエネルギー検出器を用いて、スピン状態を制御しながら変更することができる。個々のスピン状態を有する原子もしくは原子群は、従来のコンピューターにおけるビットに類似している。しかし、スピン状態の量子性のために、量子ビット（もしくはqubit）は、二つの状態のうちの一つだけでなく、これらの状態の重ね合わせにも存在することができる。この状態の重ね合わせによって、qubitベースのコンピューターは、従来のコンピューターが可能な速度よりもはるかに速い速度で情報を分析することができる。
【０００４】
Qubitという名前は、一つのQubitのみを用いて作られる（および用いる必要がある）デバイスについて総称的なものであり、一方他のデバイスは多くのQubitsを使用する可能性がある。提案されているデバイスは、暗号化された超高速通信のための単一Qubit光増幅器、情報記憶のための複数Qubitデバイス、および高速高密度コンピューティングのための複数Qubitデバイスを含む。原子は多数のスピン状態に同時に存在することができるので、スピン状態の相互作用により、少数の原子だけで多数の計算が可能になる。スーパーコンピューターのQubitチップ全体は、おそらく指の爪よりも小さくなるだろう。加えてQubit技術は、暗号化性能を高めながら、従来のコンピューターのための高速光バスを作る光導波路技術と組み合わせるのに有望である。
【０００５】
磁気スピン状態は、液体と固体を含む多数の物質で作られ得る。しかし量子コンピューターにとって有用であるためには、いくつかの条件が満たされなければならない。すなわち、１．スピン状態は励起可能でなければならない。２．スピン状態は検出可能でなければならない。３．スピン状態は、所望の計算が実行され、その結果が検出されるのに十分な長さの寿命を有していなければならない。４．デバイスは実用温度で作動しなければな
らない。
【０００６】
Qubitの母材として用いるために、半導体（量子ドット半導体を含む）と超伝導体を含む多数の物質が提案されてきた。今までのこれらの物質全ては、極低温度での操作という欠点、およびまたはスピン寿命が短いという欠点を持つ。ダイヤモンドのN-Vセンターはあらゆる物質の中で最も長いスピン寿命を持つだけでなく、室温でこの特性を有することが発見されている。N-Vセンターとは、ダイヤモンド中の、炭素空孔に隣接した置換位置にある窒素のことである。負の電荷を持つN-V-センター、類似しているが電荷を持たないN-V0センター、隣接した空孔を持たない炭素と置換された窒素であるNsセンターがある。N-Vセンターは通常二つの電荷状態（負に帯電したN-V-と中性N-V0）のうちの一つの状態にある。
【０００７】
ダイヤモンドのN-Vセンターは、Qubitベースのデバイスにとって望ましいいくつかの特性を持つ。N-Vセンターは低出力マイクロ波を用いると容易に励起できる。また、容易に検出される（675ナノメートル波長の放射）。こうしたダイヤモンドのN-Vセンターは、寿命が長く（60から500マイクロ秒）、室温で作動する可能性がある。また、ダイヤモンドは高い光透過性と高い光屈折率を持つため、光導波路や他の光学構造の構築が可能である。
【発明の開示】
【０００８】
ダイヤモンドのN-Vセンターを制御された方法で作製することができる。一つの実施形態では、CVD工程を用いて単結晶ダイヤモンドを形成し、その後N-Vセンターを除去するためにアニールする。その後単結晶ダイヤモンドの薄層を、制御された数のN-Vセンターと共に形成する。N-Vセンターは電子回路で使用するためのQubitsを形成する。
【０００９】
アニーリングと共に、マスクされ制御されたイオン注入を、CVD形成単結晶ダイヤモンドに用いて、光学用途とナノ電気機械デバイス形成の両方のための構造を作製する。イオン注入は、ダイヤモンド成長表面の真下の所定の深さに原子のピーク濃度を有する注入層を形成するために、ダイヤモンド成長表面の中に、かつ真下に、一つ以上の原子種を運ぶために用いられる。組成物は非酸化環境で、注入層に隣接したダイヤモンドの分離を起こすために適切な条件下で加熱される。解放構造（released structures）を要望通りに伸ばしたり曲げたりするために、さらにイオン注入が解放構造に用いられる可能性がある。導電性のダイヤモンド構造を作製するために、ホウ素ドーピングも利用される可能性がある。
【００１０】
一つの実施形態では、ナノチャネルが要求される地点でダイヤモンドにイオンを注入することで、ナノチャネルを形成する。インプラントの幅と長さを制御するためにマスクが用いられることがあり、インプラントの深さを制御するために選択された注入出力レベルが利用できる。ダイヤモンドを加熱することにより、インプラントの場所で、もしくはインプラントの付近で分離を起こす。こうした分離は、運搬流体のためのナノチャネルとして、もしくは導波路の低屈折率部分として利用され得る。
【００１１】
エタロン、光学フィルター、もしくは光偏向器を形成するために、さらなるインプラントの大きさと形状がとられる可能性がある。一つの実施形態ではおよそ500nmの円形が用いられる。マスク工程とインプラントの深さを用いることにより、ケイ素に形成され得るものなど、多くの異なる機械構造の形成に備えることができる。一つ以上のダイヤモンド層の合成ダイヤモンドのさらなる層を、インプラントに続いて成膜してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の記述では、本明細書の一部を成す添付図面を参照し、その図面においては、実施
され得る特定の実施形態が例として示される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することができるように十分詳細に記載され、さらに当然のことながら、他の実施形態が利用される可能性があり、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的、論理的、電気的変更がなされる可能性がある。従って以下の記述は、限定された意味で解釈されるものではなく、また本発明の範囲は添付の請求項によって定義される。
【００１３】
ダイヤモンドのN-Vセンターは制御された方法で作製することができる。一つの実施形態では、成長工程に含まれた窒素と共にCVD工程を用いて単結晶ダイヤモンドが形成され、その後N-Vセンターを除去するためにアニールする。その後単結晶ダイヤモンドの薄層が、制御された数のN-Vセンターと共に形成される。N-Vセンターは、電子回路で使用するためのQubitsを形成する。
【００１４】
Qubitデバイスは高度に制御された純度を持つダイヤモンドに形成される。高度に制御された数のN-Vセンターを作製することができ、N-Vセンターはお互いに離れており、また、N-V0、Ns、および13C（炭素13）などの、磁気スピンを有する他の要素から隔離されている。一つの実施形態では、集団からというよりも個々の原子から情報を得るために、単一の孤立（isolated）N-Vセンターが用いられる。さらなる実施形態では、N-Vは13Cに隣接していることが望ましい。なおもさらなる実施形態では、ダイヤモンドは高い結晶完全性を有する。これは、格子欠陥はスピンの寿命の短縮につながり、また窒素は転位などの格子欠陥で分離し、高い濃度、および付随する隣接スピン間の相互作用、および寿命の減少という影響を及ぼす傾向があるためである。。
【００１５】
一つの実施形態では、光は制御された方法でダイヤモンド母材に出入りすることができる。Qubitが発光すると、その光は球面状に放射されることになり、いずれの地点においても光の強度が非常に低く、検出が困難であると思われる。Qubitは、最小数の方向に光をトラップして導く光導波路の中に含まれる。ダイヤモンドは非常に高い屈折率を持つため（可視領域で2.4）、そのような導波路にとって理想的である。両側の空気もしくは真空と接触したダイヤモンドの薄層はそのような導波路を備える。ダイヤモンドは空気よりも著しく高い屈折率を持つため、導波路を伝播していく光線は、ダイヤモンド導波路の壁によって内部で反射され、ダイヤモンド導波路に閉じ込められる。ダイヤモンド導波路内のQubitと共に、Qubitによって放出された光のほとんどは、導波路を伝わっていき、容易に集められて検出されると思われる。プラズマ導波路もしくはスロット導波路を用いるなど、他の伝送形式も利用され得る。なおもさらなる実施形態では、Qubitから光を引くために小さな金属線が利用される。この光は、ダイヤモンドで被覆した金属線の外側を伝播してゆくことになる。
【００１６】
Qubitデバイスを構築するための一つの方法は、HPHT法によって単結晶を成長させること、全てNsである所望量の窒素原子を組み込むこと、炭素空孔を作り出すためにダイヤモンドに放射線を当てること、および炭素空孔を窒素原子に拡散させ、それによってN-Vセンターを作り出すためのアニーリングを含む。この方法では、照射によって結晶がかなり損傷してしまい、Qubit寿命が縮んでしまう可能性がある。
【００１７】
HPHTダイヤモンドにN-Vセンターを作製する別の方法は、ダイヤモンドから窒素を全て除去し、選択された地点へのイオン注入によって窒素をダイヤモンド層に入れるために、チタンゲッターもしくはアルミニウムゲッターと共にダイヤモンドを成長させることを含む。この方法は、デバイス製造に適すると思われる大きなサイズのダイヤモンドウェハの製造には好適ではないかもしれない。
【００１８】
図１は、実施形態例に従った、N-V-センター110を有するダイヤモンド結晶格子100のブロック表示である。センター110は別の電荷状態のN-Vセンターの見本でもある。上述の通
り、N-V-センター110は、炭素空孔120に隣接したダイヤモンドの置換位置における窒素115である。図１では、N-V-センター110は他のN-Vセンターから隔離されており、他のセンターと他の構造のスピンが、孤立N-V-センターを妨害しないようになっており、その結果Qubitが形成される。
【００１９】
ダイヤモンドのN-V-センター110は、Qubitベースのデバイスにとって望ましいいくつかの特性を持つ。N-V-センター110は低出力マイクロ波を用いて容易に励起できる。また、容易に検出される（675ナノメートル波長の放射）。そのようなダイヤモンドのN-V-センターは、寿命が長く（60から500マイクロ秒）、室温で作動する。また、ダイヤモンドは高い光透過性と高い光屈折率を持つため、光導波路と他の光学構造の構築が可能である。
【００２０】
N-Vセンターを作り出す一つの方法は、CVD成長ダイヤモンドの使用を含む。CVDダイヤモンドは、US Patent No. 6,582,513に見られるように高度に制御された純度を持ち、かつ制御された純度、厚み、性質の層で、大きなサイズで成長させることができる。CVDダイヤモンドは、高い窒素濃度もしくは低い窒素濃度で、13Cを含む薄層もしくは含まない薄層で成長させてもよい。N-Vセンター形成はいくつかの手段で制御され得る。
【００２１】
CVDダイヤモンドは、N-V-、N-V0、およびNsが全て安定な条件下で成長する。さらにこれらの状態の割合は、成長条件、濃度および成長後の熱処理によって変化し得る。さらに、原則的に窒素の全状態を含まない基板を成長させることが可能であり、その後所望のレベルの窒素のみを有するダイヤモンドの膜を成長させることができる。膜における窒素原子の数は、濃度と厚みに依存するため、N-V-センターは他の全センターから隔離され得る。言い換えれば、所定の容量のCVD成長ダイヤモンドに形成される既知の濃度のN-Vセンターを仮定すると、ダイヤモンド層を非常に薄くすると、ごくわずかのN-Vセンターが形成され、さらに従ってN-Vセンターがお互いに隔離されることが確実となる。
【００２２】
さらなる実施形態では、膜のCVD成長のための炭素源は、ソースガスの13Cを消耗させるか、あるいは13C量を高めるかのいずれかによって、所望量の13C炭素を有する。一つの実施形態では、約2ミクロンの距離が、N-V-と他のNセンターとの間の相互作用を無くすために望ましい。これは約10ppbと見積もられ、既に証明されている。さらに、名目純度のダイヤモンド層を成長させて、その後全てのN-VセンターをNsに変換するために高温でアニールさせてもよい。これは、NsがN-V-波長の光信号を持たないため、離散しているN-V原子（stray N-V atoms）からの外生信号をすべて除去できる。隣接した層に孤立N-Vを持つ三次元構造を得るために、高純度層と特定数のN-Vセンターを持つ層が交互に重なった多数の層を成長させることができることも、よく理解できる。各層は下記のように導波路として設計されることがあり、複数の分離された機能を持つことがある。
【００２３】
上記の実施形態の各々において、N-Vセンターは結晶の容積において無作為に配置される可能性があるが、デバイスの操作中、容易に発見でき、検出のための印をつけることができる。
【００２４】
さらなる実施形態では、天然ダイヤモンド鉱、高圧高温製造ダイヤモンド、CVD形成ダイヤモンド、もしくはその他のダイヤモンドなどの、別の種類のダイヤモンドが用いられる可能性がある。そのようなダイヤモンドは、その後N-Vセンターを破壊するためにアニールされ、その後所望の密度のN-Vセンターを作製するために注入を行い、さらに導波路を形成するために注入を行う可能性がある。
【００２５】
代わりの方法は、非常に純粋なバルク結晶を所望の同位体純度の膜と共に、もしくは膜を伴わずに利用し、熱処理を施して残りのN-Vセンターを全て壊し、その後所望の位置に単一の孤立N-Vセンターを注入する。その後、高純度ダイヤモンドのキャッピング層を層
上に成長させることがある。
【００２６】
導波路はN-Vセンターに隣接して形成され、N-Vセンターに光学的に結合される可能性がある。一つの実施形態では、縞の中のダイヤモンド内に水素が注入され、その後下にあるダイヤモンドからダイヤモンドのストリップを分離する空洞を作るために、構造に熱処理を加える。ダイヤモンドのストリップは、原則的に空気で囲まれており、ダイヤモンド構造の内外へ信号を運ぶための光導波路として用いられる。これは高度に分離された光信号を内外へもたらすので、単一のダイヤモンドチップ上の光学的な出し入れ（optical in and out）のための複数のチャネルが得られる。さらに、全て一つの光学チップ上にある増幅器、記憶装置、コンピューティングなど、複数の機能が備わる可能性がある。複数種類の量のエネルギーを注入することで、深さにおいて互いに分離された分離層を持つ複数のストリップを作成でき、三次元の光学的に隔離されたQubit構造の製造が可能となる。そのような構造は、容量の大半が利用できるので、そのようなデバイスの大きさを著しく縮小させ得る。スロット導波路も形成され得る。
【００２７】
分離されたチャネル導波路の場合においては、熱もしくは電圧循環の応用によって、所々、もしくはその長さに沿って導波路を増減させることで、導波路の特性を変更することができる、ということも注目すべきである。これは本質的に完全に一体化したデバイスである。これは光をつけたり消したりするためのスイッチとして、あるいは光を別のチャネルに移動させるためのスイッチとして用いることができる。一つの実施形態では、Qubitsと光スイッチングとMEMS技術とを、随伴する用途群を持つ同じチップ内で組み合わせる。マスクされた、または別の方法でパターン化された注入とリフトオフ技術を用いることで、シート、プレート、ワイヤー、ディスク、およびこれらの形の複合といった一連の導波路構造を構築することができ、これらは全て、光電子工学デバイスとMEMSデバイスで見られるような調節とスイッチングの可能性がある。そのような導波路の近接性と形を設計することにより、ノーマルオープン（normally open）、あるいはノーマルクローズ（normally closed）のスイッチとミキサーを構築することもできる。
【００２８】
ダイヤモンドQubitsは他の半導体と併せて形成されることもある。ダイヤモンドは、ケイ素、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、炭化ケイ素、もしくはIII-IV合金などの他の半導体に結合され得る。半導体をダイヤモンド基板上に成長させることもできる。ダイヤモンドを他の半導体に付着させることで、レーザー、検出器、関連回路などの光電子工学デバイスが直接的にダイヤモンドQBITに一体化され、従来のソース、デバイス、システムへの入出力、およびそれらからの入出力が可能になる。これは、従来のコンピューターと未来のQBITベースのコンピューターにおける、より高速な相互接続のための光バスの基盤をもたらす。実際、全く新しい類の集積Qubit-半導体デバイス（QSD）が、記載した技術と方法を組み合わせることによって可能になるだろう。
【００２９】
図２は、上記のように形成されたQubitのすぐ近くに導波路を形成するために、実施形態例に従ってマスクされたイオン注入工程をあらわすダイヤモンドの側面図の断面表示である。一つの実施形態では、Qubitは孤立Qubitで、Qubitが導波路内に置かれるように、Qubitの位置は導波路を形成するためのガイドとして用いられる。さらなる実施形態では、Qubitは既に形成された導波路内に形成される。
【００３０】
一つの実施形態では、ダイヤモンド基板210はマスク215で覆われている。マスク215は、所望のエネルギーレベルで注入されたイオン220を排除するのに十分な物質で形成される。マスクは様々な形をとる可能性があるが、そのような形の一つを図３の上面図に310で示す。この実施形態では、マスクは長く細い長方形の形であり、所望の深さにある長く薄いインプラント225をもたらす。
【００３１】
図４は、ダイヤモンド210内に空間410を形成するために、イオン注入と加熱を行った後の図２のダイヤモンド210の側面図の断面表示である。空間410は、420で示されたダイヤモンドのストリップの片側に低屈折率の領域をもたらす。ストリップ420の反対側は、原則的にダイヤモンド210の先端であり、空気にさらされる可能性があり、同様にダイヤモンドストリップ420の屈折率と比較して低い屈折率を持つ。従って、ダイヤモンドストリップ420は導波路を形成する。Qubit430はストリップ420内に形成され、さらにストリップは、Qubitにおける変化の検出と誘発の両方を行うために、Qubitに光を捕えて与えるメカニズムを備える。所望の光源440と光検出器450に光を伝導するために、ストリップ420が異なる形で形成され得ることが明らかであり、光源440と光検出器450はそれぞれ、ダイヤモンド基板の内部か、ダイヤモンド基板上か、もしくはダイヤモンド基板から離れて形成されるかのいずれかであるプロセシング回路にさらに結合される可能性がある。光源440と光検出器450は、様々な実施形態において、ダイヤモンド基板の内部にあるか、ダイヤモンド基板上にあるか、もしくはダイヤモンド基板から離れていることもある。導波路ストリップ420に光を伝導し、それから光を伝導するために、光ファイバー接続もしくは光結合器が形成される可能性がある。
【００３２】
一つの実施形態では、ダイヤモンド成長表面の真下の所定の深さに原子のピーク濃度を有する注入層を形成するために、ダイヤモンド成長表面の内部に、かつ真下に一つ以上の原子種を運ぶために、パターン化されたイオン注入を用いる。組成物は非酸化環境で、合成ダイヤモンド構造の分離を引き起こすのに適した条件下で加熱される。
【００３３】
そのような非酸化雰囲気は、通常、酸化反応が起こるために十分な濃度の酸素を含まない任意の雰囲気を含む。そのような雰囲気の例は、不活性ガス（例えばヘリウム、ネオン、アルゴンなど）および他の非酸素含有ガス（例えば水素、窒素など）を含む。そのような雰囲気を供給するために用いられる環境は、プラズマ、真空などを含む可能性がある。
【００３４】
本発明の或る実施形態では、様々な初期ステップが、イオン注入ステップの前に、もしくはイオン注入ステップと同時に行われ得る。そのようなステップの一つは基板の選択を含む。例えば単結晶CVDダイヤモンドを成長させる際には、そのような基板は単結晶ダイヤモンドとなり得る。
【００３５】
基板の選択に際して、基板の少なくとも一つの主要表面が特定され、イオン注入のために光学的に前処理される。ダイヤモンド表面の前処理は、表面の化学的性質（make-up）および／または物理的性質に作用するための、任意の適切な手段を含む可能性がある（例えば従来の研磨方法を用いた研磨などによって）。この種の前処理はイオン注入より前に完成され得る。通常、イオンは設定された距離とダイヤモンド成長表面にわたって均一な流量のやり方で注入され、注入種層の構造自身が基板の表面形状を複製するようになっている。言い換えれば、基板の注入表面上の任意の欠陥は、通常、所定のピーク原子層の形状を含む、インプラント形状に対して付随する影響を及ぼす。従ってそのような構造は、もしダイヤモンド表面が研磨される場合、実質的に研磨される可能性がある。基板の前処理はこうした欠陥を最初に除去するために重要である可能性がある。加えて或る実施形態では、例えば溶媒、もしくは他の適切な当該分野で既知の方法を用いて（プラズマエッチング、気相エッチングなどを含む）、表面はイオン注入のために完全に洗浄される。研磨損傷は望ましくないN-Vセンターを作り出す可能性がある。研磨されたダイヤモンドの表面は、そのような損傷とN-Vセンターを除去するためにさらにエッチングされ得る。
【００３６】
イオン注入は通常、高真空、高電圧、および比較的低ビーム電流の条件下で行われる。当該分野で周知のように、イオン注入は通常、原子種のイオン化の過程、実質的に化学種を電場で加速させる過程、加速されイオン化された化学種を基板へ向ける過程を含む。加速された運動速度で、化学種は通常基板の外表面を貫通し、図２の225で示した基板の区
域内で停止する。
【００３７】
この区域は基板の注入層の中にある。一つの実施形態では、化学種は基板に向かって、通常、表面に対して垂直な（normal or vertical）角度で加速される。しかしながら、化学種は様々な角度でも基板に向かって加速されることもある。所定の化学種に対して、注入の深さは通常、電場に対して調節して完成される。通常、電場の電圧を増加させると、化学種のエネルギーは増加し、最終的に化学種が基板内により深く注入される。基板は様々な結晶形のいずれかであり得ることが十分に考えられる。例えば基板は、立方体、円錐、プリズム、ピラミッド、くさび、もしくは他の形状、さらに各々の錐台を含む、任意の所定の形状である可能性がある。
【００３８】
化学種は通常、基板内の領域225などの領域に達するまで、基板の上面を貫通する。化学種のピーク濃度は、一般的に深さの範囲の限界として知られている所定の深さにある。化学種は一つの深さ（深さの範囲の限界）のみで示してあるが、当然のことながらこれは簡略化のためである。イオン注入の後、通常、化学種は深さの範囲の限界、およびその付近で、領域全体に分布される。
【００３９】
イオン注入を始める前に、注入する化学種を選択しなければならない。化学種の選択にあたっては、下記のように、化学種が基板格子にどれ程の損傷を引き起こすかという懸念だけでなく、コストと有用性などの多くの変数が考慮される。
【００４０】
イオン注入の間、（イオン化された原子の）化学種を基板の結晶格子内に向けることによって、格子の注入された部分は通常、拡張または膨張する。このような格子の過度の拡張は、一般的に注入層内のひずみ（strain）につながる。その結果、過度のひずみは注入層への損傷を引き起こす。この損傷は一般的に、注入層内の転位もしくは分解（cracking）であらわされる。これらの転位は、一般的に、良質の合成ダイヤモンドを成長させるために（例えば欠陥や転位がない、あるいはわずかの欠陥や転位しかない、CVDによるダイヤモンドの製造）、好ましくない基板の外表面を作る可能性がある。しかしながら、格子の膨張の仕方は多数の方法で制御でき、実際、そうした多数の方法に依存して行われている。
【００４１】
一つの方法は、注入に適切な化学種を選択することを含む。本発明の或る実施形態では、イオン注入の従来の技術用いて、ダイヤモンド基板内に水素イオンが注入される。水素の共有結合半径は小さいので、注入層内にはわずかの格子膨張しか起こらない。従って、注入層内にはひずみ（および損傷）がほとんど存在しない。一般的に、注入された化学種の共有結合半径が増加するほど、そのような好ましい表面（例えば欠陥や転位がほとんどない）を作る可能性は減少する。
【００４２】
通常、基板から注入層の部分を実質的に分離できるのに化学種が適しているならばいずれの化学種も、発明の工程におけるイオン注入に利用できる。そのようなものとして、化学種は基板内の適切な注入を可能にするように選択される。こうした化学種の例は、全てではないが、ほとんどの原子を含む。本発明の或る実施形態では、その上に合成ダイヤモンドを成長させるために基板も用いられる。そのようなものとして、化学種は、分離を可能にする基板内の適切な注入を可能にし、かつ、そこから良質な合成ダイヤモンドを成長させることができる好ましい成長表面を基板上に適切に形成することを可能にすることが好ましい。従って、化学種は、基板に望ましくない損傷を与えることなく、基板内に適切な注入を可能にするように選択される。小さいサイズの化学種から中程度のサイズの化学種（共有結合半径が小さいものから中程度のもの）が、一般的に好ましい。例としてはヘリウム、リチウム、ホウ素、炭素、酸素、リン、および硫黄などの原子種が含まれる。しかしながら、工程の実施形態は大きなサイズの化学種（共有結合半径が大きいもの）も含
む可能性がある。そのような実施形態では、大きなサイズの化学種の注入に際して基板格子への損傷の量を制限するために、化学種のドーズ量（dose quantity）や化学種のエネルギーレベルなど、化学種の注入に影響を与える他の変数が考慮される。
【００４３】
注入された部分への格子損傷の程度は、注入された種のドーズ量によって制限することができ、ドーズは基板内に注入される原子の面密度（原子／cm2）として定義される。例えば、化学種が高いドーズで注入される場合、化学種は通常、低いドーズで化学種が注入された場合よりも、注入の際に基板に多くの損傷を引き起こす。（イオン化された原子の）化学種は基板を通って移動するため、基板格子への損傷は、通常、基板内への種の範囲の限界（一般的に“損傷範囲の限界”と呼ばれる）付近で最大となる。
【００４４】
言い換えれば、範囲の限界での損傷の程度は、その高さでの総ドーズに依存する。しかしながら、ダイヤモンド結晶内で分離を引き起こす能力も、総ドーズに依存する。低過ぎるドーズ量では分離は起こらないが、特定の実施形態について、多過ぎる量では、過度の損傷が起こり、ダイヤモンド成長が損なわれる可能性がある。いくつかの実施形態では、ドーズ量は約1x10e14原子／cm2から約1x10e20原子／cm2の範囲に設定され、より好ましくは、約1x10e15原子／cm2から約1x10e18原子／cm2の範囲に設定される。大きなサイズの化学種を注入する際には、格子損傷を制限するために、範囲の下限でドーズ量を選択することが通常好ましい。反対に、小さいサイズから中程度のサイズの化学種を注入する際には、範囲内のいずれのドーズ量も通常適している。
【００４５】
加えて、ダイヤモンド成長表面への格子損傷の程度は、イオン注入で用いられる電場の電圧を調節することによって制御できる。電場の電圧を増加させると、種のエネルギーも同様に増加し、最終的に種が基板内へより深く注入される。言い換えると、特定の種に対して、種のピーク濃度が基板内の所定の注入の深さ（深さの範囲の限界）で注入されるように、エネルギーのレベルが選択される可能性がある。この深さは、約500オングストロームから約20,000オングストロームのあらゆる範囲に及ぶ。種の深さの範囲の限界は、種のエネルギーが減少することによって制限され得るが、エネルギーをあまりに厳密に制限するべきではない。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態では、エネルギーレベルは約10KeVから約10,000KeVの範囲に設定され、別の実施形態では、約50KeVから約500KeVの範囲で設定される。大きなサイズの化学種を注入する際には、基板の格子損傷を制限するために、この範囲の上限の化学種のエネルギーを選択することが好ましいことがある。そのようなものとして、大きなサイズの化学種はさらにダイヤモンド成長表面から注入され、それによって、ダイヤモンド成長表面からいかなる格子損傷も分離しようとする。反対に、小さいサイズから中程度のサイズの化学種を注入する際には、本方法においてはもっと自由に化学種のエネルギーを選択できる。
【００４７】
化学種のドーズ速度（dose rate）は、注入の間、基板の温度に影響を与える可能性がある。もしドーズ速度が高過ぎる場合、不都合な注入層の領域の黒鉛化が起こり得る。本発明のいくつかの実施形態では、ドーズ速度は約0.05マイクロアンペア／cm2から約100ミリアンペア／cm2の範囲で設定され、他の実施形態では、約0.1マイクロアンペア／cm2から約500マイクロアンペア／cm2の範囲で設定される。
【００４８】
一つの実施形態では、基板の異なる高さにギャップを作り出すために、加熱後に複数種類の量での注入が行われる。一つの実施例は、150、155、および160KeVのエネルギー量でH2を注入することによって、そのような三つのギャップをもたらす。これにより、電位の一致する孤立N-Vセンターを持つ、導波路などの三段階の構造を得られる。
【００４９】
本発明の記載を考えると、注入される化学種と用いられるエネルギーについての詳細を仮定すれば、当業者は化学種の深さの範囲の限界が決定されるやり方を理解できるだろう。そのような計算は一般的にTRIM（物質のイオン輸送；Transport of Ions in Matter）計算として知られている。J.P. Biersack et al., A Monte CarloComputer Program for the Transport of Energetic Ions in Amorphous Targets, Nucl. Instr. Meth., pp. 174:257 (1890) を参照のこと。これらの教示は参照により本明細書に組み込まれる。また、J. F. Ziegler et al., In the Stopping and Range of Ions in Matter, Pergamon Press, N. Y., vol. 1 (1985) の全体も参照されたい。これらの教示は参照により本明細書に組み込まれる。表１は、ダイヤモンドシード（seed）を基板として用いると仮定して、様々なエネルギーレベルの様々な化学種の深さの範囲のおよその限界を列挙する。ダイヤモンドシードがHPHT、CVD、もしくは天然ダイヤモンドかどうかに関わらず、化学種の深さの範囲の限界は通常同じままである。図示したように、水素などの化学種についてエネルギー量が増加すると、その深さの範囲の限界も増加する。化学種の原子直径が増加するにつれて、対応する深さの範囲の限界が減少することを示すために、計算は、ホウ素と炭素を含む化学種について、約200KeVのエネルギー量で実行した。さらに当然のことながら、同じ深さの範囲の限界を得るために（例えば1900オングストロームから2000オングストローム）、水素と対照的に炭素を注入種として用いる際には、エネルギー量は四倍増加しなければならないことになる。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
ダイヤモンド組成物に、非酸化雰囲気で熱処理が加えられる。そのような処理は、放射線、伝導、もしくは対流源を含む、全て一般的に当該分野で知られている任意の適切な方法で行うことができる。一般的に、熱処理の温度範囲は好ましくは約1100℃から約1800℃の範囲で設定され、より好ましくは約1100℃から約1500℃の範囲で設定される。適切な雰囲気と温度の組み合わせによって、合成ダイヤモンドと注入層部分の自然発生的な分離を起こすために理想的な環境がもたらされる。
【００５２】
図５は、実施形態例に従った、カンチレバーを形成するためのマスクされたイオン注入工程をあらわしているダイヤモンドの側面図の断面表示である。この実施形態では、第一のマスクは、概して長方形の領域を形成するために用いられ、これは最終的に、カンチレバーが自由に動けるように開放される空洞のサイズを決定する。図に示すように、長方形以外の形も用いられることがある。好ましい要素のサイズによって、注入の深さは異なる可能性があり、カンチレバーが動けるように開放された際に十分な動きが可能になるように、十分な密度のイオンがカンチレバーの下の領域全体からカンチレバーの側面にまで注入されるようになっている。従って、マスクは少なくともカンチレバーの末端と開放末端（released end）をわずかに超えるまでに及ぶ。
【００５３】
空洞の基盤を形成するためのイオン注入の後に、図６に示したように新たなマスクが用
いられる。図６は、実施形態例に従った、カンチレバーを形成するために用いられるイオン注入マスク600の上面図表示である。このマスクは、突起610でカンチレバーそのものの形を定めながら、カンチレバーの側面へ、開放末端を越えて注入を可能にする。このマスクと共に用いられる注入のエネルギーレベルは、カンチレバーの側面と開放末端に十分な密度のイオンを注入するように設計される。この注入は、ダイヤモンド基板の表面から、カンチレバーの下に定められた空洞まで、注入の深さを変えることがある。従って、非酸化環境での加熱は、図７に示したようにカンチレバーを開放する。図７は、実施形態例に従った、開放されたカンチレバービーム710の側面図の断面表示である。あるいは、開放は末端での炭素注入、ならびに熱、電気分解、もしくは酸化性酸を介した酸化によるエッチングを用いて行われることもある。
【００５４】
一つの実施形態では、カンチレバービーム710は開放されると上方に曲がる傾向がある。カンチレバービームの開放の前、あるいは後のいずれかにおいて、上の方の高さにさらなる注入をしてもよい。そのような注入をすると、深さと密度に依存して、表面を抑えつけることによってカンチレバーをまっすぐにし始め、さらに続けて注入を行うと、実質的にカンチレバービームを下方に曲げることもできる。
【００５５】
カンチレバービーム710の構造からわかるように、多くの他の三次元構造が一つ以上のマスクを用いて作られる可能性があり、所望の物質を除去するために複数の注入の深さを変更させる。そのような構造は、好ましくない残りの注入ダイヤモンド物質を除去するために、酸溶液でさらに洗浄されることもある。構造は、一般的用途を持つNEMsデバイスとMEMsデバイスを含む、多くの異なる用途で用いられる可能性がある。そのようなデバイスは、Qubitデバイスを超えた広範囲の用途を持つ、医療デバイスなどの、センサーや他の機械デバイスとして有用である可能性がある。
【００５６】
図８は、実施形態例に従った、光学構造を形成するためのマスクされたダイヤモンドの側面図の断面表示である。一つの実施形態では、マスク800は一つ以上の複数の円形開口部810の配列を含む。加熱後に所望の深さに注入を行うと、図９に示すように、円盤状の空間910の配列が形成できる。図９は図８のダイヤモンドの水平断面図である。一つの実施形態では、円盤状の空間910はポンプもしくは光偏向器としてふるまうことがある。ダイヤモンドの表面付近に形成される場合、ダイヤモンドの表面はわずかに泡立つ。これらの泡は、色の変化を含む光フリンジ効果（optical fringe effects）を引き起こす可能性がある。一つの実施形態では、円盤はおよそ直径500nmである。他の形やサイズのものも容易に形成できる。
【００５７】
一つの実施形態では、それぞれの円盤状空間の上部にダイヤモンドを完全に開放し、小さなレンズ状構造を形成するために、さらなるマスクと注入が用いられることがある。そのような構造の厚さは、注入量と相関した所望の厚みにできる。一つの実施形態では、レンズはおよそ50μmの厚みで、エタロンもしくは光学フィルターを形成する。当然のことながら、レンズを開放するために、種々の深さの注入や熱に加えて、レーザーや、レンズを開放する他の方法を利用してもよい。いくつかの実施形態では、1μm未満の厚みが利用される。厚みは、そのような構造を含む光学デバイスの操作の所望の波長に依存することもある。
【００５８】
読者が技術情報の開示の本質と主旨を迅速に確認できるように、要約を米国特許法施行規則1.72条(b)項に従って提供する。要約は、請求項の範囲もしくは意味を説明したり、あるいは制限するために用いられるのではないという理解と共に提示される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、実施形態例に従った、N-Vセンターを持つダイヤモンドのブロック表示である。
【図２】図２は、実施形態例に従った、マスクされたイオン注入工程をあらわすダイヤモンドの側面図の断面表示である。
【図３】図３は、実施形態例に従った、イオン注入のためのマスクをあらわす図２のダイヤモンドの上面図である。
【図４】図４は、実施形態例に従った、イオン注入と加熱の後の図２のダイヤモンドの側面図の断面表示である。
【図５】図５は、実施形態例に従った、カンチレバーを形成するためのマスクされたイオン注入工程をあらわすダイヤモンドの側面図の断面表示である。
【図６】図６は、実施形態例に従った、カンチレバーを形成するために用いられるイオン注入マスクの上面図である。
【図７】図７は、実施形態例に従った、開放されたカンチレバーの側面図の断面表示である。
【図８】図８は、実施形態例に従った、光学構造を形成するためのマスクされたダイヤモンドの側面図の断面表示である。
【図９】図９は、実施形態例に従って形成された光学構造をあらわす図８のダイヤモンドの上方から見た水平断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年3月10日(2008.3.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
複数の孤立N-Vセンターが、少なくともおよそ2ミクロンをおいて、磁気スピンを持つ他の要素から隔離されていることを特徴とする、請求項５の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
最小磁気スピン要素を持つ高純度のCVDダイヤモンド層によって、複数の孤立N-Vセンターが隔離されたCVDダイヤモンドの薄層をさらに形成することを含む、請求項５の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
前記複数の孤立N-Vセンターを置くこと、CVDダイヤモンドの異なる薄層に置かれた、前記複数の孤立N-Vセンターと光学的に結合した導波路を形成することをさらに含む、請求項８の方法。
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月11日(2008.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
複数の孤立N-Vセンターが、少なくともおよそ2ミクロンをおいて、磁気スピンを持つ他の要素から隔離されていることを特徴とする、請求項５の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
最小磁気スピン要素を持つ高純度のCVDダイヤモンド層によって、複数の孤立N-Vセンターが隔離されたCVDダイヤモンドの薄層をさらに形成することを含む、請求項５の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
前記複数の孤立N-Vセンターを置くこと、CVDダイヤモンドの異なる薄層に置かれた、前記複数の孤立N-Vセンターと光学的に結合した導波路を形成することをさらに含む、請求項８の方法。
【国際調査報告】
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