КОНТРОЛИРУЕМОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИЙ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СИНТЕТИЧЕСКОМ АЛМАЗНОМ МАТЕРИАЛЕ
CONTROLLED FORMATION OF DISLOCATIONS IN MONOCRYSTALLINE SYNTHETIC DIAMOND MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу производства монокристаллического алмазного материала с помощью методики химического осаждения из газовой фазы (CVD). Некоторые варианты реализации относятся к способу, который позволяет контролировать число, распределение, направление и/или тип дислокаций в пределах монокристаллического CVD алмазного материала. Некоторые варианты реализации также относятся к монокристаллическим алмазным материалам, которые могут быть изготовлены в соответствии с описанными здесь способами. Некоторые варианты реализации настоящего изобретения также относятся к использованию этих материалов в оптических, механических, люминесцентных и/или электронных устройствах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Дислокации часто оказывают весьма вредное воздействие на физические и оптоэлектронные свойства изделий из кристаллического алмаза. Например, твердость и/или износостойкость может зависеть от плотности и направления дислокаций. Кроме того, дислокации могут влиять на работу оптических или электронных устройств, основанных на применении кристаллического алмазного материала.
Алмаз известен как материал, обладающий исключительной твердостью и исключительными механическими свойствами, и это обуславливает его использование в различных приложениях (например, для механического сверления). Известно, что дислокации влияют на эти свойства и, в частности, в гомоэпитаксиальном CVD синтетическом алмазном материале дислокации обычно распространяются в направлении, приблизительно параллельном направлению роста материала. Образующаяся сетка параллельных дислокаций обычно влияет на механические свойства материала.
Параллельные дислокации значительной плотности, такие которые распространяются в направлении <001> синтетического алмазного кристалла, выращенного гомоэпитаксиально на подложке (001), приводят к значительному напряжению и поэтому к значительному двулучепреломлению в объеме синтетического алмазного материала, что, как было показано, снижает его рабочие параметры для некоторых оптических приложений, например для Рамановских лазеров (см., например, "Рамановский лазер с внутренним объемным резонатором, использующим синтетический монокристаллический алмаз", Walter Lubeigt и другие, Optics Express, Vol. 18, № 16, 2010). В этом случае было бы желательно понизить общее напряжение или, по меньшей мере, достичь лучшего распределения напряжения в объеме материала, чтобы обеспечить лучшие оптические рабочие характеристики. Большое двулучепреломление наблюдается тогда, когда видимая оптическая ось совпадает с линейным направлением для параллельных дислокаций, то есть когда она параллельна направлению роста. В оптических приложениях исходя из простых технологических соображений (например, для максимизации площади) удобно обрабатывать главные грани материала, которые перпендикулярны направлению роста. Это приводит к образованию дислокаций, которые перпендикулярны главным граням материала и параллельны видимой оси, что и приводит к большому двулучепреломлению.
Считается также, что различные типы дислокаций и различные направления дислокаций по-разному влияют на работу устройств с CVD синтетическими алмазами. Установлено, что возможность выбирать именно определенные линейные направления дислокаций, а не какие-либо другие позволяет воздействовать на оптические и/или электронные свойства устройств на основе алмаза и оптимизировать их для конкретного желаемого приложения.
В свете вышеупомянутого одна из решаемых проблем заключается в том, чтобы смягчить вредное влияние некоторых типов дислокаций и/или направлений дислокаций в монокристаллическом CVD синтетическом алмазном материале, в частности, в связи с оптическими, механическими, люминесцентными и электрическими приложениями.
Вышеупомянутая проблема была, по меньшей мере, частично решена ранее посредством разработки способов, которые уменьшают число дислокаций для минимизации их вредного влияния. Например, документы WO2004/027123 и WO2007/066215 раскрывают способы формирования CVD синтетического алмазного материала с малыми концентрациями дислокаций так, чтобы предоставить алмазный материал высокого качества, пригодный для оптических, электронных, и/или детекторных устройств. Вместе с тем формирование CVD синтетического алмазного материала с низкой плотностью дислокации может оказаться относительно затруднительным, трудоемким и дорогостоящим.
Невзирая на другие источники дислокаций два преобладающих источника дислокаций включают в себя: (i) прорастающие дислокации, проходящие от подложки до CVD слоя; и (ii) дислокации, образующиеся на границе раздела между подложкой и CVD слоем. В отношении (i), вертикальный разрез первичного CVD слоя для выявления грани (001) и выращивания вторичного слоя на этой грани приводит к дислокациям, прорастающим от первичного до вторичного слоя (при этом сохраняется вектор Бюргерса). Учитывая, что дислокации в первичном слое имеют направление <001> и представляют собой краевые или 45°-ые смешанного типа дислокации, имеется множество перестановок прорастающих дислокаций в пределах вторичного CVD слоя (см. Таблицу 1). Однако все прорастающие дислокации находятся в направлении <100> и являются или краевыми или 45°-ми смешанного типа. Соответственно, хотя данная работа демонстрирует до некоторой степени контролируемое образование дислокаций, оно ограничено и в отношении линейного направления дислокаций, и в отношении типа дислокаций. В связи с (ii), предыдущие исследования (см., например, М.P. Gaukroger и др., Алмазные и связанные с ними материалы (Diamond and Related Materials) 17 262-269 (2008)) показали, что приготовление подложки имеет значение при определении типа дислокации в CVD слоях, выращенных на стандартных подложках (001). Дислокации, распространяющиеся от поверхностных дефектов (например, от грубо отполированной подложки) обычно представляют собой 45°-ые дислокации смешанного типа - наиболее устойчивый тип дислокации при (001) росте.
Таблица 1[001] рост на (001)-ростовом вертикально срезанном первичном CVD слое, показывающий различного типа дислокации, если прорастающие дислокации вторичного слоя находятся в линейном направлении [010]
Первичный слой
Линейное направ-ление
Вектор Бюргерса
Тип дислокации
Вторичный слой
Линейное направ-ление
Тип дислокации
(001)
[001]
[101]
Смешанная 45°-ая
(100)
[010]
Смешанная 45°-ая
(001)
[001]
[011]
Смешанная 45°-ая
(100)
[010]
Краевая
(001)
[001]
[110]
Краевая
(100)
[010]
Смешанная 45°-ая
(001)
[001]
[1-10]
Краевая
(100)
[010]
Смешанная 45°-ая
В свете вышеупомянутого следует заметить, что имеется потребность найти пути для минимизации воздействия дислокации на определенные свойства, например электронные и оптические свойства, которые могут быть или не быть совместимыми с полным снижением плотности дислокации. Например, в некоторых приложениях (например, там, где требуется механическая прочность) высокая плотность дислокаций может быть фактически предпочтительной, но направление и/или тип дислокаций могут быть критическими для функциональных параметров материала. Следовательно, имеется потребность найти возможности контролирования типа и/или направления дислокаций в гомоэпитаксиально выращенном монокристаллическом CVD синтетическом алмазе.
Цель некоторых вариантов реализации настоящего изобретения заключается, по меньшей мере, в частичном решении отмеченных выше проблем.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предоставляется монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, содержащий сетку непараллельных дислокаций, причем сетка непараллельных дислокаций содержит множество дислокаций, формирующих сетку взаимно пересекающихся дислокаций, как это видно на рентгеновском топографическом изображении сечения или в условиях люминесцентной методики.
-2
8
-2
2
-2
8
-2
4
-2
7
-2
-4
-5
5
-6
-6
Для некоторых приложений предпочтительно, чтобы слой монокристаллического CVD синтетического алмаза имел толщину, равную или большую чем 1 мкм, 10 мкм, 50 мкм, 100 мкм, 500 мкм, 1 мм, 2 мм или 3 мм. Альтернативно или дополнительно, слой монокристаллического CVD синтетического алмаза может иметь плотность дислокаций в пределах от 10 см до 1×10 см, от 1×10см до 1×10 см или от 1×10 см до 1×10 см и/или значение двулучепреломления, равное или меньшее чем 5×10, 5×10, 1×10, 5×10 или 1×10. Хотя варианты реализации изобретения могут быть предоставлены посредством выращивания на ряде возможных, ориентированных не по направлению {100} монокристаллических алмазных подложках, например на ориентированных по {110}, {113} и {111} подложках, для некоторых приложений предпочтительно использование ориентированных по {110} или {113} подложек. Один или более из этих признаков предпочтительны для достижения относительно толстого и/или высококачественного слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза. Например, выращивание на ориентированной по {111} подложке с высокой концентрацией дислокаций, сформированных в слое монокристаллического CVD синтетического алмаза, может привести к низкокачественному, высоконапряженному материалу, который не может быть легко выращен до больших толщин без трещинообразования.
Предпочтительно, сетка непараллельных дислокаций простирается по значительному объему монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя, причем значительный объем составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя. Сетка непараллельных дислокаций может содержать первый набор дислокаций, распространяющихся в первом направлении через монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, и второй набор дислокаций, распространяющихся во втором направлении через монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, причем угол между первым и вторым направлениями находится в пределах от 40° до 100°, от 50° до 100° или от 60° до 90°, как это видно на рентгеновском топографическом изображении сечения или в условиях люминесцентной методики. Поскольку дислокации, как известно, не распространяются по совершенной прямой линии, направление, в котором распространяется дислокация, может быть измерено как среднее направление по значительной длине дислокации, где значительная длина составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полной длины дислокации, и/или, по меньшей мере, 50 мкм, 100 мкм, 250 мкм, 500 мкм, 1000 мкм, 1500 мкм или 2000 мкм.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации не все дислокации в материале распространяются вышеупомянутым образом. Однако в некоторых вариантах реализации, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 70%, 80% или 90% от общего количества видимых дислокаций в пределах значительного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя формируют сетку непараллельных дислокаций, как это видно на рентгеновском топографическом изображении сечения или в условиях люминесцентной методики, причем значительный объем составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя.
В некоторых вариантах реализации, например в ориентированном по {110} материале, сетка непараллельных дислокаций может быть видимой на рентгеновском топографическом изображении сечения, но не в условиях люминесцентной методики. В некоторых альтернативных вариантах реализации, например в ориентированном по {113} материале, сетка непараллельных дислокаций может быть видимой в условиях люминесцентной методики, но не на рентгеновском топографическом изображении сечения. Это так, потому что дислокации в некоторых линейных направлениях испускают синий люминесцентный свет, хотя в других линейных направлениях этого не происходит.
В дополнение к вышеупомянутому было установлено, что материал, имеющий сетку непараллельных дислокаций, как описано здесь, имеет хорошую износостойкость вместе с увеличенной твердостью (например, по меньшей мере, 100 ГПа, более предпочтительно, по меньшей мере, 120 ГПа).
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предоставляется монокристаллический CVD синтетический алмазный объект, содержащий монокристаллический алмазный слой в соответствии с любым из предшествующих пунктов формулы изобретения, причем монокристаллический алмазный слой составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного объекта. Такой объект может быть использован в оптическом, механическом, люминесцентном и/или электронном устройстве или приложении. Альтернативно, монокристаллический CVD синтетический алмазный объект может быть вырезан в конфигурации ювелирного изделия.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предоставляется способ формирования монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя, причем способ содержит:
3
2
подготовку монокристаллической алмазной подложки с гранью роста, имеющей плотность дефектов, равную или меньшую, чем 5×10 дефектов/мм, как это выявляется при вскрывающем плазменном травлении; и
выращивание слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза, как описано ранее.
Грань роста монокристаллической алмазной подложки может иметь кристаллографическую ориентацию {110} или {113}, чтобы сформировать слой монокристаллического CVD синтетического алмазного материала, имеющего ориентацию {110} или {113} по приведенным выше причинам. Скорость роста слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза может быть сделана достаточно малой, чтобы сформировать сетку непараллельных дислокаций. В связи с этим было установлено, что при малых скоростях роста на ориентированной по {110} подложке дислокации формируют сетку непараллельных дислокаций, тогда как если скорость роста увеличивается, то формируется сетка параллельных дислокаций. Для {110} ориентации, выращивая слой монокристаллического CVD синтетического алмаза на {110} грани роста, при значении отношения скорости роста по <110> к скорости роста по <001> ниже определенного предела, оказывается возможным сформировать сетку непараллельных дислокаций. Предполагается, что подобные же соображения могут относиться и к ориентации {113}, хотя начальные результаты указывают, что относительно большая скорость роста может также быть использована с ориентированной по {113} подложкой, при этом все же получая сетку непараллельных дислокаций.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации сетка непараллельных дислокаций содержит значительное число дислокаций, распространяющихся под острым углом, по меньшей мере, 20° относительно направления роста слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза, причем упомянутое значительное число составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от общего количества дислокаций, видимых на рентгеновском топографическом изображении сечения или в условиях люминесцентной методики. Более предпочтительно, дислокации распространяются под острым углом в пределах 20-60°, 20-50° или 30-50° относительно направления роста слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания настоящего изобретения и демонстрации того, как оно может быть осуществлено, варианты реализации настоящего изобретения рассматриваются ниже только посредством примера и в связи с сопровождающими чертежами.
Фиг.1 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую, как различные типы и ориентации дислокаций могут быть реализованы в CVD синтетическом алмазном материале, в частности, выделен путь, в соответствии с которым может быть достигнута сетка непараллельных дислокаций в пределах CVD синтетического алмазного материала;
Фиг.2 - этапы способа, включаемые в формирование CVD синтетического алмазного материала, имеющего сетку непараллельных дислокаций в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и возможных альтернативных путей синтеза, которые приводят к параллельной сетке дислокаций;
Фиг.3 - типы дислокаций, которые распространяются в направлении, параллельном направлению роста для (110) - роста CVD синтетического алмазного слоя;
Фиг.4 - типы дислокаций, которые распространяются под острым углом относительно направления роста для (110) - роста CVD синтетического алмазного слоя;
Фиг.5 - монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, содержащий сетку параллельных дислокаций;
Фиг.6 - монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, содержащий сетку непараллельных дислокаций;
Фиг.7 - микроснимок двулучепреломления для CVD синтетического алмазного материала из Фиг.6, который показывает сравнительно малое напряжение, учитывая большую плотность дислокаций для этого образца; и
Фиг.8 - монокристаллические CVD синтетические алмазные слои, выращенные на ориентированных по {110} и {113} подложках в рентгеновском топографическом изображении сечения и в условиях люминесцентной методики.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения авторы разработали методику для производства монокристаллического CVD синтетического алмаза с сеткой непараллельных дислокаций, в частности толстого высококачественного монокристаллического CVD синтетического материала. Это отличается от предыдущих методик производства CVD синтетического алмаза, в которых параллельная сетка дислокаций формируется в направлении роста синтетической алмазной CVD пленки. Было установлено, что сетка параллельных дислокаций является источником нескольких проблематичных эффектов. Например, сетка параллельных дислокаций значительной плотности приводит к напряжению и двулучепреломлению в объеме материала, что снижает его рабочие параметры для оптических приложений, например, для лазеров Рамановского рассеяния. Сетка параллельных дислокаций может влиять на твердость и/или износостойкость алмазного материала. Кроме того, сетка параллельных дислокаций может также влиять на флюоресценцию и электронные и оптоэлектронные свойства CVD синтетического алмаза. Например, как считают некоторые исследователи, для алмазных детекторов, определенные типы дислокаций могут действовать и как ловушка для носителей, и также понижать напряжение пробоя.
Предыдущая работа была направлена на уменьшение плотности дислокаций в объеме CVD синтетических алмазных материалов. И напротив, настоящее изобретение сфокусировано на том, чтобы предоставить непараллельную сетку дислокаций, которые распространяются в различных направлениях, формируя пересекающуюся сетку дислокаций. Наличие сетки непараллельных дислокаций может быть выгодным для некоторых типов оптических устройств, поскольку это приводит к конфигурации меньших напряжений, что уменьшает двулучепреломление в слое CVD синтетического алмаза. Наличие сетки непараллельных дислокаций может также увеличить твердость и/или износостойкость CVD синтетических алмазных материалов. Кроме того, наличие сетки непараллельных дислокаций может также улучшить электронные параметры. Например, некоторые типы дислокаций могут предпочтительно распространяться в пользу других типов дислокаций, которые действуют и как ловушка для носителей, и также понижают напряжение пробоя.
-1
Некоторые варианты реализации изобретения могут быть применены к CVD синтетическим алмазным материалам различных химических типов, включая, но без ограничения, к материалам, легированным азотом, легированным фосфором, легированным бором, и нелегированным CVD синтетическим алмазным материалам. Некоторые экспериментальные методики могут быть использованы для указания того, что алмазный материал CVD является синтетическим по природе. Примеры включают в себя (но без ограничения): наличие признаков эмиссии на длине волны 467 нм и/или 533 нм и/или 737 нм в спектре фотолюминесценции, измеренном, используя длины волн 325 нм, 458 нм или 514 нм непрерывного лазерного излучения при 77К, или признак поглощения на 3123 см в инфракрасном спектре поглощения. Публикация P.М. Martineau и др. (Gems & Gemology, 40 (1) 2 (2004)) выделяет критерии для идентификации того, действительно ли алмазный материал представляет собой CVD синтетический материал, предоставляя примеры CVD синтетических алмазных материалов, которые были выращены и/или отожжены при большом разнообразии условий.
Термин "слой" относится к любой выращиваемой области CVD синтетического алмаза и также относится к отдельному CVD синтетическому алмазному материалу, который был первоначально произведен посредством осаждения слоя на подложку и, при необходимости, подложка впоследствии удалялась. Может быть предоставлен монокристаллический CVD синтетический алмазный объект, содержащий предварительно описанный монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, причем монокристаллический алмазный слой, формирующий, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, или 90% от полного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного объекта.
Под сеткой непараллельных дислокаций подразумевается то, что наблюдается при использовании методик, которые дают возможность визуализировать дислокации на виде сечения (например, рентгеновской топографии, электронной микроскопии или люминесцентной визуализации), в пределах значительного объема CVD синтетического алмазного материала, а именно следующее: (i) дислокации двух или более линейных направлений (то есть не все, имеющие то же самое линейное направление) так, что один набор дислокаций распространяется в первом направлении через монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, и второй набор дислокаций распространяется во втором направлении через монокристаллический CVD синтетический алмазный слой; (ii) дислокации из первого и второго набора представляются скрещивающимися друг с другом; (iii) угол между первым и вторым направлениями находится в пределах от 40° до 100°, от 50° до 100° или от 60° до 90° на виде сечения. Значительный объем CVD синтетического алмазного материала предпочтительно составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полного объема CVD синтетического алмазного материала. В пределах значительного объема предпочтительно, по меньшей мере, 30%, более предпочтительно, по меньшей мере, 50%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 70% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 90% дислокаций в слое CVD синтетического алмаза распространяются таким образом, как описано выше.
Может оказаться полезным характеризовать непараллельные дислокации сравнением их линейных направлений с направлением роста CVD синтетического алмаза, которое может быть установлено исследованием ориентации некоторых точечных дефектов в пределах кристаллографической решетки. Например, такие дефекты, как комплексы азот-вакансия (NV) и азот-вакансия-водород (NVH) выстраиваются вдоль направлений <111>, давая 8 возможных конфигураций (+ve линейные направления), и относительные распределения этих конфигураций могут демонстрировать предпочтительную ориентацию относительно направления роста. Измерения электронного парамагнитного резонанса с варьируемой угловой ориентацией магнитного поля использовались для исследования ориентации этих дефектов. Например, авторы наблюдали, что при росте на поверхности (110) оба эти дефекта выстраиваются по большей части (равной или более чем 50%, 60%, 80%, 95% или даже 99%) вдоль двух <111> ориентаций вне плоскости относительно (110) поверхности роста. Эта предпочтительная ориентация дефектов не наблюдается для тех же самых дефектов (например, NV) в образцах, выращенных по существу на ориентированных по {100} подложках. Если симметрия соотношения между направлениями <111>, на которых эти дефекты находятся, и главными плоскостями роста для CVD алмаза, включая плоскости {100}, {110} и {111}, является уникальной, то определение параметров распределения совокупности дефектов может быть использовано для уникального определения направления роста и, в частности, имел ли место рост на плоскости {110}, и точную плоскость {110} роста в материале. Непараллельные дислокации могут распространяться под острым углом в пределах 20-60°, или предпочтительно 20-50°, или более предпочтительно 30-50° относительно направления роста (направление роста, по существу перпендикулярное главной грани {110} CVD роста, которая обычно, но не всегда, параллельна подложке), значительный объем, составляющий 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% полного объема CVD синтетического алмазного материала.
Уже существуют способы производства CVD алмаза, которые используют две или более различных отдельных областей роста, задаваемых как области, имеющие параллельные дислокации, которые распространяются в определенном линейном направлении, и дислокации в одной области видимо распространяются в направлении, отличном от направления распространения дислокаций в другой области. Поэтому можно было предложить, что дислокации в пределах одной области не параллельны дислокациям в пределах другой области. Пример двух различных областей - это случай, когда вторичный CVD синтетический алмазный слой выращивается на CVD синтетической алмазной подложке, и начальное направление роста подложки и направление роста вторичного слоя различаются (см., например, M.P. Gaukroger и другие, Diam. Relat. Mater. 17, 262 (2008)). В этом случае подложка и вторичный слой представляют собой две различные области. Другой пример различных областей соответствует выращиванию CVD синтетического алмаза на неориентированных подложках, когда отдельные дислокации по существу и резко изменяют свое линейное направление, пересекая различные псевдосектора роста, и дислокации в пределах одного псевдосектора соответствуют дислокациям в одной области, и дислокации в другом псевдосекторе соответствуют дислокациям в другой области. Эффект различающихся линейных направлений дислокаций в различных областях материала контрастирует с объектами настоящего изобретения, которые относятся к предоставлению дислокаций, которые не параллельны друг другу в пределах одной и той же области материала, то есть дислокаций, которые пересекаются, формируя непараллельную сетку, а не дислокаций в различных областях CVD синтетического алмазного материала, которые не пересекаются и фактически формируют две отдельные параллельные сетки в различных областях материала.
Рентгеновские топограммы, записываемые с использованием камеры Лэнга, приспособленной к источнику рентгеновского излучения, могут быть использованы для идентификации дислокаций в алмазе. Топограммы сечений, записанные с использованием Брэгговского отражения кристаллографической плоскостью {533}, позволяют произвести выборки таким образом, что плоскость, сканируемая рентгеновским лучом, находится в пределах двух градусов относительно {001} плоскости. Топограммы сечений, записанные с использованием Брэгговского отражения {008}, позволяют произвести выборки {110} плоскости. Топография рентгеновских сечений и проекций активно применялась к алмазу автором Lang, и другими (см., например, I. Kiflawi et al Phil. Mag., 33 (4) (1976) 697 и A.R. Lang, J. E. Field. Ed., "The Properties of Diamond", Academic Press, London (1979) pp. 425-469). И секционные, и проекционные рентгеновские топографические изображения могут быть использованы для измерения линейных направлений дислокаций и большей части объема, который дислокации занимают. Углы между самими дислокациями и между направлением роста и линейными направлениями дислокации могут быть установлены отображением двух или более секционных топограмм, например, но не исключительно, отображая плоскости {100} и {110}. Большая часть объема может быть установлена или посредством проекционной топограммы, или посредством двух или более секционных топограмм.
2
2
8
-2
Контраст, который наблюдается в рентгеновской топограмме, обусловлен деформацией, привнесенной в кристаллическую решетку дислокацией или связкой дислокаций. Предпочтительно, сканированием площади между 10 нм и 1 мм монокристаллического CVD синтетического алмазного объекта, содержащего непараллельные дислокации, оказывается возможным установить, что он обладает плотностью связок дислокаций/дислокации в пределах от 10 до 1×10 см. В пределах рентгеновской топограммы не возможно отличить дислокацию от связки дислокаций, но сильный контраст в изображении обычно означает последний случай. Поэтому термины "дислокации" и "связки дислокаций" часто используются взаимозаменяемо. Проекционные топограммы, записываемые перемещением образца через рентгеновский пучок, могут быть проанализированы, чтобы предоставить информацию относительно числа дислокаций по всему образцу (см., например, M. P. Gaukroger et al, Diamond and Related Materials 17 262-269 (2008)).
В дополнение к концентрации дислокации, линейное направление и/или вектор Бюргерса (то есть тип дислокации) также может играть важную роль. Следует отметить, что это указание типа дислокации относится к углу вектора Бюргерса относительно линейного направления дислокации. В краевых дислокациях вектор Бюргерса и линия дислокации находятся под прямым углом друг к другу (то есть 90°). В винтовых дислокациях они параллельны (то есть 0°). В смешанных дислокациях вектор Бюргерса ориентирован под острым углом между этими экстремальными значениями. Тип дислокации устанавливается посредством анализа рентгеновских топограмм, записанных для множества различных отражений (см., например, M. P. Gaukroger et al, Diamond and Related Materials 17 262-269 (2008)). Этот тип анализа применим при описании отдельных дислокаций, но в случае где могут быть связки дислокаций, анализ может быть усложнен потому, что связка может содержать более одного типа дислокаций. В этом случае связка дислокаций другого типа, без единственного преобладающего типа, не характеризуется как конкретный тип дислокации и не принимается во внимание при анализе.
Различные типы дислокаций обладают различными степенями атомной реконструкции и поэтому в большей или меньшей степени привносят свободные связи, что может давать вклад или повлиять на оптоэлектронные свойства. Например, наличие/отсутствие синей дислокационной фотолюминесценции в CVD синтетическом алмазном материале, вероятно, будет определяться и линейным направлением дислокации, и ее вектором Бюргерса, то есть некоторые типы дислокаций демонстрируют люминесценцию, а некоторые - нет. Это дополнительно подчеркивает интерес изобретателей к возможности выбора и контролирования типа дислокации в CVD синтетическом алмазном материале.
Следует понимать, что каждая дислокация не имеет тенденцию распространяться вдоль совершенной прямой линии, а скорее отклоняется от нее из-за ступенек, сформированных во время выращивания CVD синтетического алмазного слоя, приводящего к формированию террас и ступеней роста. Эффект ступенек на дислокациях в CVD синтетическом алмазе описан Martineau et al. in Phys. Status Solidi C6, № 8, 1953-1957 (2009). Соответственно, следует понимать, что направление, в котором распространяется дислокация, рассматривается здесь как среднее направление по значительной длине дислокации, где значительная длина составляет предпочтительно, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полной длины дислокации и/или равной или более чем 50 мкм, 100 мкм, 250 мкм, 500 мкм, 1000 мкм, 1500 мкм или 2000 мкм по длине.
Монокристаллический CVD синтетический алмазный слой (например, ориентированный по (110)) может содержать значительное число непараллельных дислокаций, ориентированных в пределах 20°, 10° или 5° относительно линейного направления <100>, и упомянутое значительное число составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полного видимого числа дислокаций, например, в топограммах сечения или проекции. При необходимости, меньше чем 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% или 10% дислокаций в пределах значительного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя оказываются ориентированными в пределах 20°, 10° или 5° относительно линейного направления <110>, и упомянутое значительное число составляет, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от полного видимого числа дислокаций, например, в топограммах сечения или проекции. Дислокации <100> могут быть или смешанными 45°-ми, или краевого типа. В соответствии с некоторыми конфигурациями, по меньшей мере, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% от общего числа характеризуемых дислокаций в ориентированном по (110) слое представляют собой 45°-ые дислокации смешанного типа и/или дислокации краевого типа. В соответствии с некоторыми конфигурациями меньше чем 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% или 5% характеризуемых дислокаций в пределах значительного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя представляют собой <110> 60°-ые дислокации смешанного типа. Кроме того, в соответствии с некоторыми конфигурациями меньше чем 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10% или 5% характеризуемых дислокаций в пределах значительного объема монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя могут быть <110> винтового или <110> краевого типа.
Важно отметить, что вышеупомянутые проценты типов дислокаций относительны для общего числа дислокаций, которые характеризуются как имеющие конкретный тип при данном способе анализа. Например, как ранее указано, связка дислокаций, которая содержит множество различных типов дислокаций, без единственного преобладающего типа, не будет характеризуемой с использованием топографического способа анализа и, таким образом, будет отвергнута как нехарактеризуемая. Это должно быть ясно специалисту в данной области техники и рассматривается более подробно ниже.
Вектор Бюргерса дислокации может быть классифицирован посредством сбора данных от множества различных проекций рентгеновских топограмм. Для получения проекционной топограммы требуется перемещать образец через рентгеновский пучок для экспонирования его полного объема и требуется перемещать пленку, соответственно, для поддержания ее положения относительно образца. Рентгеновские проекционные топограммы, использующие различные Брэгговские отражения, используются для классификации вектора Бюргерса, связанного с признаком дислокации в рентгеновской топограмме. Этот способ подытожен в работе M. P. Gaukroger et al. in Diamond and Related Materials 18 (2008) 262-269. В алмазе предполагается вектор Бюргерса <110>. Обычно контраст связанного с дислокацией признака зависит от угла между его вектором Бюргерса и атомными слоями, ответственными за эту дифракцию. Для хорошего приближения связанный с дислокацией признак невидим в данной рентгеновской топограмме, если его вектор Бюргерса лежит параллельно дифракционной плоскости, имеет сильный контраст, если его вектор Бюргерса лежит перпендикулярно дифракционной плоскости или имеет промежуточный контраст, если его вектор Бюргерса находится под промежуточным углом между 0° и 90° относительно дифракционной плоскости, причем контраст сильнее тогда, когда вектор Бюргерса ближе к 90°, и слабее, когда вектор Бюргерса ближе к 0°. Это означает, что различные типы дислокаций, имеющие различные направления вектора Бюргерса, будут иметь различные контрасты в конкретном топографическом изображении. Кроме того, единственный признак дислокации, имеющий конкретное направление вектора Бюргерса, покажет различный контраст в различных топографических изображениях, взятых в различных направлениях относительно его вектора Бюргерса.
Этим способом оказывается возможным установить вектор Бюргерса данного связанного с дислокацией признака и, таким образом, характеризовать его тип. Признак дислокации, который содержит множество дислокаций, имеющих различные векторы Бюргерса, без преобладающего направления, будет иметь тенденцию иметь промежуточный контраст в различных топографических изображениях, взятых в различных направлениях, и не будет характеризуемым.
На практике, другие факторы должны быть приняты во внимание. Отражения должны также быть выбраны так, чтобы достичь подходящей перспективы для ясной визуализации дислокаций и для точного установления их положения среди различающихся топограммам. Хотя отражение {111} представляет собой хорошее отражение для обычного роста на подложках (100), оно может быть неоптимальным отражением в других случаях. Для данной работы было установлено, что проблематично использовать отражения {111} для достижения подходящей перспективы, такой, чтобы отдельные связанные с дислокацией признаки были точно разрешаемы. Поэтому было выбрано отражение {220}, поскольку оно дает приблизительно "плоский" вид образца (приблизительно 14° вне оси) и это облегчает распознавание той же самой дислокации в различных видах. Если используются четыре проекционные топограммы, использующие отражения {220}, задавая направление роста как [110], четыре топограммы записываются, используя отражения от (202), (022), (02-2) и (20-2) плоскостей. Если вектор Бюргерса лежит в одной из дифракционных плоскостей {220}, то можно ожидать, что дислокации будут иметь сильный контраст в одной топограмме, средний контраст в смежных топограммах и будут невидимыми в четвертой. Если связанный с дислокацией признак является чисто краевым или чисто винтовым, то ожидается средний контраст во всех четырех топограммах. Тогда требуется получить топограмму, используя отражение в (110) плоскости роста, чтобы различать признаки среди двух топограмм. Используя этот способ, можно классифицировать дислокации различных типов. Для связки дислокаций, содержащей различные типы дислокаций, связка может давать промежуточный контраст во всех топографических изображениях и может оказаться неклассифицируемой. Такой признак дислокаций исключается из анализа. Для случая связки дислокаций преимущественно одного типа связка будет иметь различный контраст в различных топограммах в соответствии с преобладающим типом дислокаций в пределах связки и будет классифицируемой. Такой признак дислокаций учитывается как единственная дислокация в целях числового анализа. Для установления наличия или отсутствия связанного с дислокацией признака в нескольких рентгеновских топограммах следует точно согласовать связанный с дислокацией контраст в различных изображениях. Это может быть выполнено вручную, визуальным осмотром или может быть автоматизировано, используя подходящий компьютерный алгоритм.
Варианты реализации изобретения основаны на понимании настоящими изобретателями того, что имеются два механизма, посредством которых могут зарождаться дислокации в CVD синтетическом алмазе: (i) прорастающие дислокации от первичного слоя (подложки) к вторичному CVD синтетическому алмазному слою; и (ii) дислокации, зарождающиеся на границе раздела между поверхностью подложки и CVD синтетическим алмазным слоем или вследствие поверхностных дефектов или вследствие других причин (например, вследствие рассогласования параметров кристаллической решетки). К некоторым вариантами реализации настоящего изобретения привело осознание того, что выращивание на поверхностях (110) приводит к значительно большему количеству сценариев для образования дислокаций и в соответствии с пунктом (i), и в соответствии с пунктом (ii).
В отношении пункта (i), некоторые варианты реализации изобретения основаны на анализе, выполненном изобретателями при исследовании роста на поверхностях (110), посредством вертикального разреза первичного (001) CVD слоя для формирования (110) грани роста и выращивания на этой грани. Авторы распознали, что имеются геометрические соображения, которые могут привести к одному типу дислокаций в первичном (001)-выращенном слое, проходящие насквозь и преобразуемые во второй тип дислокаций во вторичном (110)-выращенном слое, посредством изменения линейного направления, но поддерживая вектор Бюргерса, как показано в Таблице 2. Из этой таблицы можно видеть, что оказывается возможным создать вторичный CVD слой, который содержит только определенные типы дислокаций и/или линейные направления. Например, оказывается возможным создать CVD слой, который содержит 60°-ые, смешанные <110> дислокации, если первичный (001)-выращенный слой содержит 45°-ые смешанные дислокации. И наоборот, возможно создать вторичный (110)-выращенный слой, который содержит 45°-ые, смешанные <100> дислокации, если первичный (001)-выращенный слой содержит краевые дислокации. При этом было продемонстрировано, что оказывается возможным контролируемым образом создавать определенные линейные направления и типы дислокаций во вторичном CVD слое, которые определяются типом дислокаций в первичном слое. Эта возможность вводить при росте некоторые определенные типы/линейные направления прорастающих дислокаций, а не другие, дает возможность разделения и изучения различных типов дислокаций (краевых, винтовых или смешанных). Это дает существенно большие возможности в смысле контролируемого образования дислокаций, чем стандартное выращивание на подложках (001).
Таблица 2(110) рост на (001)-выращенном вертикально срезанном первичном CVD слое, показывающий различные типы прорастающих дислокаций, если дислокации находятся в линейном направлении [110] и [010] соответственно
Первичный слой
Линейное направление
Вектор Бюргерса
Тип
Вторичный слой
Линейное направление
Тип
(001)
[001]
[101]
Смешанная 45°-ая
(110)
[110]
Смешанная 60°-ая
(001)
[001]
[011]
Смешанная 45°-ая
(110)
[110]
Смешанная 60°-ая
(001)
[001]
[110]
Краевая
(110)
[110]
Винтовая
(001)
[001]
[110]
Краевая
(110)
[110]
Краевая
(001)
[001]
[101]
Смешанная 45°-ая
(110)
[010]
Краевая
(001)
[001]
[011]
Смешанная 45°-ая
(110)
[010]
Смешанная 45°-ая
(001)
[001]
[110]
Краевая
(110)
[010]
Смешанная 45°-ая
(001)
[1-10]
Краевая
(110)
[010]
Смешанная 45°-ая
Обращаясь к упомянутому выше пункту (ii), авторы настоящего изобретения заметили, что выращивание на поверхности (110) дает даже больше возможностей для контролируемого образования дислокации для тех дислокаций, которые формируются на границе раздела CVD/подложка. Авторы настоящего изобретения заметили, что, когда используется хорошая чистовая обработка подложки (110) для (110) роста, при некоторых условиях роста, которые обсуждаются ниже, может быть создана сетка непараллельных дислокаций с направлением <100>, некоторые из которых зарождаются на границе раздела между подложкой (110) и вторичным слоем. Однако если используется плохая чистовая обработка подложки, независимо от условий роста, наблюдается сетка параллельных дислокаций с направлением <110>. Плохая чистовая обработка подложки приводит к мелкомасштабным трещинам на поверхности подложки, которые действуют как источники дислокаций, и авторы заметили, что эти дислокации, зарождающиеся в поверхностных дефектах, имеют определенный тип, которые растут в конфигурации, параллельной направлению <110>.
Поэтому важно тщательно обработать поверхность подложки, чтобы избежать зарождения этих параллельных дислокаций.
3
2
3
2
Некоторые способы формирования монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя содержат: предоставление монокристаллической алмазной подложки с гранью (110) роста, имеющей плотность дефектов, равную или меньшую чем 5×10 дефектов/мм, как выявлено аналитическим плазменным травлением; и выращивание слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза на грани (110) роста при отношении скорости роста по <110> к скорости роста по <001> ниже предела, посредством чего формируется сетка непараллельных дислокаций в слое монокристаллического CVD синтетического алмаза. Грань (110) роста может быть сформирована из монокристаллического CVD синтетического алмаза, монокристаллического природного алмаза, или монокристаллического HPHT (высокое давление, высокая температура) синтетического алмаза. Например, монокристаллическая CVD синтетическая алмазная пластина, монокристаллический природный алмаз или монокристаллическая HPHT синтетическая алмазная пластина могут быть обработаны, чтобы сформировать грань (110) роста, имеющую плотность дефектов, равную или меньшую чем 5×10 дефектов/мм, как выявлено аналитическим плазменным травлением. Обработка может, например, включать в себя разрезание и полировку и/или плазменное травление.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации может быть использован многоступенчатый процесс роста. Например, некоторые способы содержат:
3
2
предоставление монокристаллической алмазной подложки, содержащей поверхность (001) роста, имеющую плотность дефектов, равную или меньшую, чем 5×10 дефектов/мм как выявляется аналитическим плазменным травлением;
выращивание первого слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза на поверхности (001) роста;
вертикальное разрезание первого слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза, чтобы сформировать грань (110) роста;
3
2
обработку грани (110) роста так, чтобы она имела плотность дефектов меньше, чем 5×10 дефектов/мм, как выявляется аналитическим плазменным травлением; и
выращивание второго слоя монокристаллического CVD синтетического алмаза на грани (110) роста при отношении скорости роста по <110> к скорости роста по <001> ниже предела, посредством чего формируется сетка непараллельных дислокаций во втором слое монокристаллического CVD синтетического алмаза.
На Фиг.1 показана блок-схема последовательности операций, демонстрирующая то, как различные типы и ориентации дислокаций могут быть реализованы в CVD синтетическом алмазном материале, в частности выделен путь, посредством которого может быть достигнута сетка непараллельных дислокаций в пределах CVD синтетического алмазного материала. На Фиг.1 первичный слой относится к монокристаллическому CVD синтетическому алмазному слою (001), выращенному на монокристаллической алмазной подложке (001). Первичный слой затем разрезается вертикально вдоль диагонали, чтобы сформировать монокристаллическую алмазную подложку (110), на которой выращивается вторичный слой (110) монокристаллического CVD синтетического алмаза.
Следует отметить, что, когда речь идет о монокристаллической алмазной подложке (001), подразумевается подложка, ориентированная так, чтобы иметь кристаллографическую плоскость (001) в качестве поверхности роста. Однако поверхность роста может не быть идеально выровнена с ориентированной плоскостью (001). Вследствие ограничений на обработку, фактическая ориентация поверхности роста может отличаться от этой идеальной ориентации до 5° и в некоторых случаях до 10°, хотя это менее желательно, поскольку это негативно влияет на воспроизводимость. Подобные комментарии также применимы к монокристаллической алмазной подложке (110).
На Фиг.1 подчеркнуто, что типы дислокаций, обнаруживаемые в первичном слое, зависят от качества поверхности (001) роста подложки, на которой выращивается первичный слой. Если поверхность (001) роста подложки имеет плохую чистоту обработки поверхности, смешанные 45°-ые дислокации формируются в <001> направлении (то есть параллельно сетке смешанных 45°-ых дислокаций, ориентированных вертикально в направлении роста). Если поверхность (001) роста подложки имеет хорошую чистоту обработки поверхности, краевые дислокации являются преобладающим типом, формируемым в <001> направлении (то есть параллельная сетка, ориентированная вертикально в направлении роста).
На Фиг.1 также показано, что тип и ориентация дислокаций, обнаруживаемых во вторичном слое, могут зависеть от: (i) типа дислокаций в первичном слое, (ii) чистовой обработки поверхности подложки (110), произведенной из первичного слоя, и (iii) скорости роста, используемой для вторичного слоя.
Если изначально для роста первичного слоя предоставляется плохая чистовая обработка поверхности роста подложки, приводя к параллельной сетке <100> смешанных 45°-ых дислокаций, и затем первичный слой разрезается вертикально вдоль диагонали, чтобы сформировать (110) монокристаллическую алмазную подложку, на которой выращивается вторичный слой, то формируется параллельная сетка ориентированных по <110> дислокаций смешанного 60°-го типа. Это представляет собой нежелательный вариант.
И напротив, если изначально предоставляется хорошая чистовая обработка поверхности роста подложки для выращивания первичного слоя, приводя к параллельной сетке <100> краевых дислокаций, и затем первичный слой разрезается вертикально вдоль диагонали, чтобы сформировать (110) монокристаллическую алмазную подложку, на которой выращивается вторичный слой, то, как авторы настоящего изобретения установили, имеется множество возможностей, как показано на Фиг.1. Если монокристаллическая алмазная подложка (110) (на который выращивается вторичный слой) имеет плохую чистоту обработки поверхности подложки, то поверхностные дефекты снова приведут к образованию дислокаций смешанного 60°-ого типа, ориентированных параллельно <110>. Если монокристаллическая алмазная подложка (110) хорошо подготовлена, неожиданно возникают две возможности, которые зависят от скорости роста вторичного слоя. Если для вторичного слоя используется относительно высокое отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001>, формируется параллельная сетка ориентированных по <110> дислокаций винтового и/или краевого типа. Альтернативно, если для вторичного слоя используется относительно низкое отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001>, формируется непараллельная сетка ориентированных по <100> дислокаций смешанного 45°-го и/или краевого типа.
Может оказаться важным избежать поверхностных дефектов на подложках (110), поскольку они приводят к зарождению новых дислокаций во вторичном слое, которые принимают конфигурацию с низкой энергией ядра дислокаций, то есть <110> смешанные 60°-ые (аналогичные <100> смешанным 45°-ым дислокациям, формируемым при росте на плохо приготовленных стандартных подложках (001)). Предотвращение зарождения по <110> смешанных 60°-ых дислокаций во вторичном слое определяет выращивание на хорошо приготовленных подложках (110), например, посредством полировки со скашиванием и с использованием предварительного травления до выращивания, которое исключает образование макроскопических ямок.
Даже когда подложка (110) для вторичного слоя приготовлена в совершенстве и имеются только незначительные поверхностные дефекты, все же имеются некоторые не прорастающие дислокации, которые зарождаются на границе раздела между подложкой (110) и вторичным CVD синтетическим алмазным слоем. Не ограничиваясь рамками теории и исключая вышеупомянутые механизмы зарождения дислокаций, можно предположить, что эти дислокации могут быть обусловлены рассогласованием параметров кристаллической решетки между первичным и вторичным слоями. Наблюдалось, даже при том что эти дислокации возникают на границе раздела подобным же образом, что и те, которые являются результатом плохой подготовки подложки, что эти дислокации принимают конфигурацию непараллельной сетки ориентированных по <100>, смешанных 45°-ых или краевых дислокаций в отличие от тех, которые являются результатом плохой подготовки подложки. Соответственно, эти дислокации не требуется удалять, чтобы достичь вариантов реализации настоящего изобретения.
В свете вышеупомянутого, очевидно, что для достижения непараллельной сетки дислокаций в монокристаллическом CVD синтетическом алмазе в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения требуется: (i) тщательная подготовка исходной подложки (001) до выращивания первичного алмазного слоя (001); (ii) тщательная подготовка подложки (110), формируемой из первичного слоя; и (iii) тщательного контроля скорости роста вторичного алмазного слоя (110).
Не ограничиваясь рамками теории, предварительно описанные результаты могут быть обоснованы следующим образом.
CVD монокристаллический алмазный рост обычно определяется кинетическими, а не термодинамическими процессами. Однако баланс между кинетическим и термодинамически управляемым процессом может быть изменен с помощью изменения параметров роста. Например, выращивая при низком отношении скорости роста по <110> к скорости роста по <001>, рост, более вероятно, будет определяться термодинамическими, а не кинетическими факторами и наоборот - для высокого отношения скорости роста по <110> к скорости роста по <001>.
Относительно вышеупомянутого, авторы настоящего изобретения установили, что "низкое" отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001> может быть ниже 1,0, и "высокое" отношение может быть больше чем 1,0. Отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001> может контролироваться так, чтобы быть равным или меньшим чем 1,0, 0,8, 0,6, 0,4, или 0,2. Однако специалисты в данной области техники увидят, что различные условия, например различная температура поверхности роста алмаза, будут влиять на особенности кинетики/термодинамики, и могут по существу изменить это определение "низкого" и "высокого". Отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001> сильно зависит от скорости роста по <110>.
Модификация отношения скорости роста <110>:<001> рассмотренным образом известна для специалистов в данной области техники. Ранее изданные исследования рассматривают модификацию параметров роста, например легирование азотом, легирование бором, и температуры подложки и их относительное влияние на скорость роста в различных кристаллографических направлениях. Такие отношения скорости роста обычно характеризуются в выражениях α, β и γ параметров. Однако для целей настоящего изобретения это оказывается слишком сложным и в данном случае используется просто отношение скорости роста <110>:<100>.
Выращивание вторичного слоя (110) синтетического CVD алмаза при достаточно малом отношении <110>:<100> скорости роста позволяет дислокациям принимать конфигурацию, которая минимизирует их полную энергию на единицу длины. То есть дислокации прорастают при меньшей энергии ядра на единицу длины (термодинамически более выгодной). Можно ожидать, что <110> смешанные 60°-ые дислокации будут обладать наименьшей энергией на единицу длины. Поэтому при малом отношении скорости роста <110>:<100> эти <110> смешанные 60°-ые дислокации будут все еще прорастать, если имеется возможность создать их, или прорастанием <100> смешанных 45°-ых дислокаций от первичного слоя к вторичному слою, или плохим приготовлением поверхности подложки (110), производимой из первичного слоя. Следовательно, желательно удалить все источники <110> смешанных 60°-ых дислокаций. Как уже упомянуто, это делается обеими корректными подготовками подложки, на которой выращивается первичный слой, чтобы минимизировать <100> смешанные 45°-ые дислокации в первичном слое, и также хорошим приготовлением поверхности подложки (110), производимой из первичного слоя.
В отсутствие создаваемых <110> смешанных 60°-ых дислокаций прорастает непараллельная сетка ориентированных по <100> краевых и смешанных 45°-ых дислокаций. Ориентированные по <100> краевые и смешанные 45°-ые дислокации распространяются под острым углом приблизительно 45° от направления роста и приводят к непараллельной сетке дислокаций. Это было достигнуто с помощью комбинации корректной обработки первичной и вторичной подложки и параметров роста вторичного слоя.
При больших отношениях скорости роста <110>:<100> кинетика процесса роста преобладает над термодинамикой. Когда процессы роста в большей степени определяются кинетикой, а не термодинамикой, дислокации просто возвращаются к конфигурации наиболее короткой длины, что означает, что они следуют за направлением роста, то есть за направлением <110>, в этом случае для вторичного слоя. Поэтому при больших скоростях роста, предпочтительно будут прорастать дислокации с большей энергией ядра дислокации. Они включают в себя <110> винтовые и <110> краевые дислокации, как показано на Фиг.1.
Ниже в данной спецификации приводится больше деталей относительно того, как подготовить поверхности роста и как управлять скоростями роста, чтобы достичь целей настоящего изобретения. Следует отметить, что конкретное отношение скорости роста, необходимое для достижения непараллельной сетки дислокаций, зависит от химических условий выращивания, используемых в CVD процессе, и несколько изменяется в соответствии с конкретными используемыми химическими условиями выращивания. Однако следует понимать, что специалист в данной области техники может оптимизировать отношения скорости роста, выполняя ряд пробных циклов при различных отношениях скорости роста для конкретной организации процесса, чтобы найти отношение скорости роста, которое близко, но не превышает термодинамический предел, при котором дислокации переключаются от более термодинамически устойчивой <100> ориентации к кинетически обусловленной <110> ориентации на вторичной стадии роста, основанной на подложке (110), которая содержит ориентированные по <100> дислокации краевого типа. Специалисты в данной области техники знают о факторах, которые изменяют отношения скорости роста. Они включают в себя, например, температуру роста алмаза, долю углерода в газовой фазе и присутствие некоторых примесей, например азота и бора.
На Фиг.2 показаны этапы способа, включаемые в формирование CVD синтетического алмазного материала, имеющего сетку непараллельных дислокаций в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и возможные альтернативные пути синтеза, которые приводят к параллельной сетке дислокаций. Изначально предоставляется (001) монокристаллическая алмазная подложка 2. Она может быть сформирована из природного, HPHT или CVD синтетического алмазного материала. Хотя каждый из этих различных типов алмазного материала имеет свои собственные отличительные признаки и, таким образом, распознаются как различающиеся, главная особенность для этой подложки заключается в том, что поверхность роста тщательно приготавливается, настолько, чтобы иметь хорошую чистоту обработки поверхности.
3
2
Под хорошей чистотой обработки поверхности подразумевается поверхность, имеющая плотность дефектов, равную или меньшую чем 5×10 дефектов/мм, как выявляется аналитическим плазменным травлением. Плотность дефектов наиболее легко классифицируется оптической оценкой после использования плазменного или химического травления, оптимизированного для выявления дефектов (называемого плазмохимическим аналитическим травлением), используя, например, краткое плазменное травление описанного ниже типа.
Два типа дефектов могут быть выявлены:
2
2
2
6
2
1) Присущие материалу подложки данного качества. В выбранном природном алмазе плотность этих дефектов может быть столь же низкой, как 50/мм, с более типичными значениями, составляющими 10/мм, хотя в других это может быть 10/мм или больше.
2
2
4
2
2) Те, которые образованы в результате полировки, включая в себя дислокационные структуры и микротрещины, формирующие технологические следы вдоль линий полировки. Их плотность может значительно варьироваться по образцу, с типичными значениями в пределах приблизительно от 10/мм и более чем до 10/мм в плохо полируемых областях или образцах.
3
2
2
2
Предпочтительная низкая плотность дефектов такова, что плотность поверхностных признаков травления, относящихся к дефектам, составляет менее 5×10/мм и более предпочтительно менее 10/мм. Следует отметить, что простая полировка поверхности для получения малой поверхностной шероховатости не обязательно удовлетворяет этим критериям, поскольку аналитическое плазменное травление обнаруживает дефекты на поверхности и непосредственно под поверхностью. Кроме того, аналитическое плазменное травление может выявить внутренние дефекты, например дислокации, в дополнение к поверхностным дефектам, например микротрещинам и особенностям поверхности, которые могут быть удалены простой полировкой.
Q
Q
Q
Уровень дефектов на поверхности подложки, и ниже ее, на которой происходит рост CVD, может, таким образом, быть минимизирован тщательным выбором и тщательным приготовлением подложки. Под "приготовлением" в данном случае понимается любая обработка, применяемая к материалу, полученному из шахты (в случае природного алмаза) или из синтеза (в случае синтетического материала), поскольку каждая стадия может влиять на плотность дефектов в пределах материала в плоскости, которая в конечном счете формирует поверхность подложки, когда приготовление ее в качестве подложки завершено. Конкретные этапы обработки могут включать в себя обычные алмазные обработки, например механическая распиловка, шлифование и полировка (в этом применении специально оптимизированные для низких уровней дефектов), и менее обычные методики, например лазерная обработка, реактивное ионное травление, ионно-лучевое фрезерование или ионная имплантация и методика обратной фотолитографии, химическая/механическая полировка, и жидкая химическая обработка и плазменные методики обработки. Кроме того, измеренный игольчатым профилометром поверхностный R, предпочтительно измеренный более чем на 0,08 мм по длине, должен быть минимизирован, причем типичные значения до какого-либо плазменного травления должны быть не больше чем несколько нанометров, то есть меньше чем 10 нанометров. Величина R представляет собой среднеквадратичное отклонение поверхностного профиля от плоскости (для Гауссова распределения поверхностных высот, R=1,25Ra. Для определений, см. например, "Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials", IM Hutchings, (1992), Publ. Edward Arnold, ISBN 0-340-56184).
Один из конкретных способов минимизации поверхностного повреждения подложки заключается во включении in situ плазменного травления на поверхности, на которой должен произойти гомоэпитаксиальный рост алмаза. В принципе, это травление не обязательно должно быть ни in situ, ни непосредственно до процесса роста, но наибольшее преимущество достигается, если оно осуществляется in situ, поскольку при этом удается избежать какого-либо риска дополнительного физического повреждения или химического загрязнения. Травление in situ является также обычно самым удобным, когда процесс выращивания основан на применении плазмы. Плазменное травление может использовать подобные условия для осаждения или в процессе выращивания алмаза, но при отсутствии какого-либо содержащего углерод исходного газа, и обычно при несколько более низкой температуре, чтобы иметь лучший контроль скорости травления. Например, оно может состоять из одного или более из следующего:
2
2
(i) Кислородное травление, использующее главным образом водород и при необходимости малое количество Ar и необходимое малое количество О. Типичные условия кислородного травления - давление 50-450×10 Па, и травящий газ, имеющий содержание кислорода 1-4 процента, содержание аргона от 0 до 30 процентов и баланс водорода, причем все проценты являются объемными, с температурой подложки 600-1100°C (более типично 800°C) и с типичной продолжительностью 3-60 минут.
(ii) Водородное травление, которое подобно (i), но при отсутствии кислорода.
(iii) Могут быть использованы альтернативные способы травления, не исключительно основанные на аргоне, водороде и кислороде, например, те, которые используют галогены, другие инертные газы или азот.
Обычно травление состоит из кислородного травления с последующим водородным травлением и затем следует перемещение непосредственно в синтез введением газа-источника углерода. Время/температура травления выбираются так, чтобы дать возможность удалить остающееся поверхностное повреждение от обработки и удалить какие-либо поверхностные загрязнители, но без формирования слишком шероховатой поверхности и без избыточного травления вдоль протяженных дефектов, например дислокаций, которые пересекают поверхность и, таким образом, провоцируют глубокие ямки. Поскольку травление агрессивно, то это особенно важно для данной стадии, поскольку конструкция камеры и выбор материалов для ее компонентов таковы, что материал не переносится плазмой из камеры в газовую фазу или к поверхности подложки. Водородное травление после кислородного травления, является менее специфичным для дефектов кристалла, скругляя угловатость, вызванную кислородным травлением, которое агрессивно воздействует на такие дефекты, и обеспечивая более гладкую, лучшую поверхность для последующего роста.
Подготовив соответствующим образом поверхность роста для (001) монокристаллической алмазной подложки 2, как показано на Фиг.2, Этап A включает в себя CVD рост первичного слоя ориентированного по (001) монокристаллического CVD синтетического алмазного материала 4 на подложке 2. Этот слой будет содержать ориентированные по <100> дислокации краевого типа, как ранее рассмотрено в связи с Фиг.1.
На Этапе B первичный слой ориентированного по (001) монокристаллического CVD синтетического алмазного материала 4 вертикально разрезается вдоль диагонали (обозначено пунктирными линиями на Фиг.2) для получения (110) монокристаллической алмазной пластины 6, как показано на Этапе C. Это может быть достигнуто с использованием лазера. Ориентированная по (110) монокристаллическая алмазная пластина 6 затем может быть использована как подложка, на которой выращивается вторичный слой монокристаллического CVD синтетического алмазного материала 8. Впоследствии вторичный слой монокристаллического CVD синтетического алмазного материала может быть выращен на поверхности роста подложки (110).
3
2
2
2
Поверхность роста (110) подложки 6 должна быть обработана подобным образом, как описано относительно подложки (001), чтобы получить хорошую чистоту обработки поверхности. Под хорошей чистотой обработки поверхности снова подразумевается поверхность, имеющая плотность дефектов, равную или меньшую, чем 5×10 дефектов/мм, и более предпочтительно ниже 10/мм, как выявляется аналитическим плазменным травлением. Однако избыточное травление подложки приведет к ямкам, сформированным на поверхности подложки. Типично эти ямки состоят из (001) и (111) кристаллографических плоскостей, и если они будут иметь глубину больше чем 5 мкм, то они приведут к зарождению новых дислокаций в (110) слое, который примет конфигурацию с низкой энергией (то есть <110> смешанные 60°-ые). Это также проявится в ямках на окончательной поверхности роста. Условия, в соответствии с которыми случается избыточное травление, сильно варьируются в соответствии с геометрией реактора, но оно произойдет, если травление осуществляется с чрезмерной продолжительностью (несколько часов) или при избыточных мощностях и/или температурах.
Различные возможности для типов дислокации и ориентаций показаны на Этапах D, E и F на Фиг.2. В соответствии с Этапом D, если исходная (001) алмазная подложка не была хорошо приготовлена, приводя к <100> смешанным 45°-ым дислокациям в первичном слое, то параллельная сетка ориентированных по <110> смешанных 60°-ых дислокаций 10 формируется во вторичном слое. Также в соответствии с Этапом D, если (110) алмазная подложка не была хорошо приготовлена, то параллельная сетка ориентированных по <110> смешанных 60°-ых дислокаций 10 может зарождаться во вторичном слое. В соответствии с Этапом E, если исходная (001) алмазная подложка была хорошо приготовлена, приводя к <100> краевым дислокациям в первичном слое, но используется большое отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001> для формирования вторичного слоя 8, то параллельная сетка ориентированных по <110> винтовых и краевых дислокаций 12 формируется во вторичном слое. И напротив, в соответствии с Этапом F, если исходная (001) алмазная подложка была хорошо приготовлена, приводя к <100> краевым дислокациям в первичном слое, и используется относительно малое отношение скорости роста по <110> к скорости роста по <001> для формирования вторичного слоя 8, то непараллельная сетка ориентированных по <100> смешанных 45°-ых и краевых дислокаций 14 формируется во вторичном слое.
Выращивание на (110) поверхности, как рассмотрено здесь, предоставляет большее разнообразие типов дислокаций во вторичном слое, чем выращивание на (001) поверхностях. Возможные ориентации и типы дислокаций во вторичном (110) слое просуммированы ниже.
Линейное направление Тип дислокации (предполагающий вектор Бюргерса <110>)
[100] Краевая
[100] Смешанная 45°-ая
[110] Смешанная 60°-ая (наиболее благоприятная в смысле энергии ядра)
[110] Краевая
[110] Смешанная 45°-ая
[110] Винтовая (наименее благоприятная в смысле энергии ядра)
Эти различные типы и ориентации дислокаций во вторичном слое также показаны на Фиг.3 и 4. На Фиг.3 показаны типы дислокации, которые могут распространяться в направлении, параллельном направлению роста в (110) CVD синтетическом алмазном слое. Направление роста соответствует направлению <110>, которое является вертикальным направлением на чертежах. Дислокации распространяются от краевых или 45°-ых смешанных дислокаций в первичном CVD слое (нижний слой на каждом из чертежей). На Фиг.4 показаны типы дислокаций, которые распространяются под острым углом относительно направления роста в (110) CVD синтетическом алмазном слое. Дислокации распространяются в направлении <100> под углом приблизительно 45° к вертикальному направлению роста. И опять, дислокации распространяются от краевых, или 45°-ых смешанных дислокаций в первичном CVD слое. При этом на Фиг.3 показаны дислокации, которые формируются в соответствии с Этапами D и E, как ранее описано относительно Фиг.2, тогда как на Фиг.4 показаны дислокации, которые формируются в соответствии с Этапом F, как ранее описано относительно Фиг.2.
Энергетически наиболее благоприятные дислокации (наименьшая энергия ядра) во вторичном слое - это <110> смешанные 60°-ые дислокации. Ориентированные по <110> смешанные 60°-ые дислокации во вторичном слое являются результатом <100> смешанных 45°-ых дислокаций в первичном слое или плохим приготовлением поверхности (110) подложек, сформированных из первичного слоя. В целом смешанные типы дислокаций обычно имеют более низкую энергию, чем краевые или винтовые дислокации. Ориентированные по <100> смешанные 45°-ые дислокации в первичном слое следуют из выращивания на плохо приготовленных подложках. Выращивание первичного слоя на хорошо приготовленной поверхности (001) подложки с хорошей чистовой обработкой приведет к очень немногим <100> смешанным 45°-ым дислокациям в первичном слое и поэтому будет способствовать минимизации числа <110> смешанных 60°-ых дислокаций во вторичном слое. Дислокации также создаются на границе раздела между вторичным слоем и подложкой (110), произведенной из первичного слоя. Если приготовление поверхности подложки (110) хорошее, то дислокации, которые создаются на границе раздела, будут только дислокациями <100> краевого или смешанного 45°-ого типа. Если приготовление поверхности подложки (110) плохое, то <110> смешанные 60°-ые дислокации будут создаваться дополнительно. Минимизация числа <110> смешанных 60°-ых дислокаций во вторичном слое, созданных на границе раздела, может поэтому быть достигнута посредством обработки подложки (110) до более высокого стандарта. Если оба из этих этапов выполняются для устранения <110> смешанных 60°-ых дислокаций, <110> или <100> краевые <100> смешанные 45°-ые, или <110> винтовые дислокации будут прорастать и выбираться с помощью регулировки параметров процесса роста.
В свете вышеупомянутого очевидно, что варианты реализации настоящего изобретения позволяют: (i) контролировать для первичного слоя удаление <100> смешанных 45°-ых дислокаций так, чтобы удалить <110> смешанные 60°-ые дислокации во вторичном слое; и (ii) контролировать приготовление поверхности подложки (110), произведенной из первичного слоя, чтобы избежать образования <110> смешанных 60°-ых дислокаций на границе раздела между подложкой и вторичным слоем. Скорость роста может тогда контролироваться во вторичном слое так, что образующийся монокристаллический CVD синтетический алмазный материал имеет сетку непараллельных дислокаций, содержащую <100> смешанные 45°-ые и/или <100> краевые дислокации.
-2
8
-2
-2
8
-2
В дополнение к контролированию ориентации и типа дислокаций, которые могут быть предоставлены в монокристаллическом CVD синтетическом алмазном материале, посредством использования обработок поверхности подложки и контролирования параметров CVD роста, также оказывается возможным контролировать плотность дислокаций, сформированных в материале. Обычно более низкая концентрация дефектов на поверхности роста подложки приводит к низкой плотности дефектов в CVD синтетическом алмазном материале, выращенном на подложке. Кроме того, тщательный контроль CVD химических и технологических параметров, например давления, температуры подложки, расхода реагентов, и плазменной температуры может уменьшить плотность дефектов роста в CVD синтетическом алмазном материале. Например, первичный слой (001) монокристаллического CVD синтетического алмаза может содержать плотность дислокаций в пределах от 10 см до 1×10 см. Кроме того, вторичный слой (110) монокристаллического CVD синтетического алмаза может содержать плотность дислокаций в пределах от 10 см до 1×10 см.
Варианты реализации настоящего изобретения также предоставляют возможность отделения и исследования отдельных типов дислокаций (например, <110> 60°-ых смешанных дислокаций или <100> 45°-ых смешанных дислокаций), оценки их фундаментальных свойств и изучения того, какие типы дислокаций причиняют больший или меньший вред в смысле рабочих параметров устройств. При этом варианты реализации настоящего изобретения открывают возможность предоставления монокристаллических CVD синтетических алмазных продуктов, в которых концентрация, распределение, ориентация, и тип дислокаций выбираются и контролируются, чтобы минимизировать их воздействие на свойства материала или даже улучшить свойства материала. Эти свойства материала включают в себя оптическое двулучепреломление, электронные свойства (электрический пробой и μ), люминесцентные свойства и механические свойства (изнашивание и твердость).
-2
8
-2
2
-2
8
-2
4
-2
7
-2
-4
-5
-5
-6
-6
Варианты реализации настоящего изобретения могут предоставить монокристаллический CVD синтетический алмазный продукт, содержащий значительный объем, имеющий плотность дислокаций в пределах от 10 см до 1×10 см, от 1×10 см до 1×10 см или от 1×10 см до 1×10 см. Альтернативно или дополнительно монокристаллический CVD синтетический алмазный продукт может иметь двулучепреломление, равное или меньшее чем 5×10, 5×10, 1×10, 5×10 или 1×10. Материал может также иметь единственный замещающий атомный азот с концентрацией в пределах от 0,001 до 20 ppm (ч./млн), предпочтительно от 0,01 до 0,2 ppm.
Хотя предыдущее рассмотрение в значительной степени относилось к ориентированному по {110} росту, авторы настоящего изобретения также установили, что подобные же комментарии применимы в отношении наличия к CVD росту на ориентированных по {113} подложках. Фактически, начальные результаты указывают, что может быть некоторое предпочтение для осуществления изобретения на ориентированных по {113} подложках, поскольку скорости роста могут быть повышены при сохранении непараллельной ориентации дислокаций. Было установлено, что может быть изготовлен толстый, высококачественный монокристаллический CVD синтетический алмазный материал, содержащий сетку непараллельных дислокаций, имеющий кристаллографическую ориентацию {113}. Одно значительное различие между ориентацией {110} и ориентацией {113} заключается в том, что для некоторых {110} вариантов реализации сетка непараллельных дислокаций является видимой в рентгеновском топографическом изображении сечения, но не в условиях люминесцентной методики, тогда как для некоторых {113} вариантов реализации сетка непараллельных дислокаций видима в условиях люминесцентной методики, но не в рентгеновском топографическом изображении сечения. Это так потому, что дислокации в некоторых линейных направлениях испускают синий люминесцентный свет, хотя в других линейных направлениях этого не происходит. Для {113} вариантов реализации кристаллографическое линейное направление дислокаций в непараллельной сетке дислокаций таково, что они испускают синий люминесцентный свет, тогда как для {110} вариантов реализации кристаллографическое линейное направление дислокаций в непараллельной сетке дислокации таково, что они не испускают синий люминесцентный свет.
Некоторые примеры монокристаллических CVD синтетических алмазных слоев, сформированных в соответствии с рассмотренными здесь способами, показаны на Фиг.5-8 и рассматриваются ниже.
ПРИМЕР 1
Была выбрана 1b UPHT алмазная пластина синтетического типа с парой приблизительно параллельных главных граней в пределах приблизительно 5° (001) ориентации. Пластина была изготовлена в виде квадратной подложки, подходящей для гомоэпитаксиального синтеза монокристаллического CVD синтетического алмазного материала посредством процесса, включающего в себя следующие этапы:
i) лазерное разрезание подложки для производства пластины со всеми гранями <100>;
ii) шлифовка и полировка главной поверхности, на которой происходит рост, причем шлифуемая и полируемая часть имеет размеры приблизительно 6,0 мм×6,0 мм и 400 мкм толщиной, со всеми гранями {100}.
3
-2
2
-2
Уровень дефектов на поверхности подложки или ниже был минимизирован тщательным приготовлением подложки, как раскрыто в Патентах EP 1292726 и EP 1290251. Возможно выявить уровни дефектов, вводимые этой обработкой при использовании аналитического плазменного травления. Обычно оказывается возможным произвести подложки, в которых плотность дефектов, измеримая после аналитического травления, зависит прежде всего от качества материала и составляет менее 5×10 мм и обычно менее 10 мм. Поверхностная шероховатость на данном этапе была меньше, чем 10 нм по измеренной площади, по меньшей мере, 50×50 мкм. Подложка была установлена на несущую подложку. Подложка и ее несущая были затем введены в CVD реакторную камеру и начинались травление и цикл роста, подавая газы в камеру следующим образом:
2
2
Сначала in situ выполнялись плазменное кислородное травление, используя 16/20/600 sccm (стандартный кубический сантиметр в секунду) О/Ar/H при давлении 230 Торр, частоте микроволнового излучения 2,45 ГГц и температуре подложки 780°C с последующим водородным травлением, и кислород удалялся из газового потока на данной стадии. Затем, первая стадия процесса роста начата добавлением метана в 22 sccm. Азот добавлялся для достижения уровня 800 ppb (фунтов на баррель) в газовой фазе. Водород также присутствовал в технологическом газе. Температура подложки на данной стадии составляла 827°C. За последующие 24 часа содержание метана было увеличено до 32 sccm. Эти условия роста были выбраны, чтобы задать значение α параметра в пределах 2,0±0,2 на основании предыдущих тестовых циклов и были подтверждены ретроспективно кристаллографическим анализом. По завершении периода роста, подложка была удалена из реактора и синтетический алмазный CVD слой удален от подложки лазерной распиловкой и методиками механической полировки.
Исследование выращенной CVD синтетической алмазной пластины показало, что она свободна от двойников и трещин на (001) грани и ограничена <110> сторонами, и размеры постсинтеза двойной свободной вершины (001) грани были увеличены до 8,7 мм × 8,7 мм.
Этот блок был затем последовательно обработан, используя те же самые методики, описанные ранее (разрезание, шлифовка, полировка и травление) для получения 1b HPHT пластины для производства пластины с главной гранью (110) и хорошо приготовленной поверхностью с размерами 3,8×3,2 мм и толщиной 200 мкм. Затем после установки было осуществлено выращивание с использованием идентичных условий, описанных выше, за исключением того, что в течение стадии синтеза, температура подложки была 800°C, и азот не был введен как газ-допант. Таким образом, был произведен CVD образец с главной гранью (110) и CVD блок имел типичные измерения 5,0×4,1 мм и толщиной 1,6 мм.
Для изучения структуры дислокаций для этого примера была записана рентгеновская секционная топограмма с использованием Брэгговского отражения {533} (соответствующая сечению (100)). Рентгеновская топограмма показана на Фиг.5. На Фиг.5 показан монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, выращенный на вертикально разрезанной (110) CVD синтетической подложке в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, содержащий сетку параллельных дислокаций. В этом сечении дислокации формируют параллельную конфигурацию, которая следует за направлением роста, то есть [110] направлением. Такая конфигурация может соответствовать Этапу D или Этапу E, как показано на Фиг.2.
Для образца, показанного на Фиг.5, отношение скорости роста <110>:<001> составляло 1,1 и поэтому попадает в "большие" пределы, когда рост с большей вероятностью определяется кинетическими, а не термодинамическими факторами. Это ясно из изображения того, что дислокации в Примере 1 формируют параллельную сетку. Можно видеть, что 85% дислокаций, отображенных в рентгеновской топограмме, находятся между 0° и 2° относительно <110> направления роста.
ПРИМЕР 2
Подложка (110) была произведена идентичным описанному в Примере 1 образом. Условия роста для второй стадии роста были идентичны таковым для Примера 1, за исключением того, что температура подложки была уменьшена на 70 градусов, приблизительно до 730°C. Так был произведен CVD образец с размерами 5,7×3,5 мм и толщиной 1,4 мм. По-видимому, незначительное изменение температуры подложки уменьшило отношение скорости роста <110>:<001> от большого до малого значения (приблизительно 0,4).
Для изучения структуры дислокаций для этого примера была записана секционная рентгеновская топограмма с использованием Брэгговского отражения {533} (соответствующая сечению (100)). Рентгеновская топограмма показана на Фиг.6. На Фиг.6 показан монокристаллический CVD синтетический алмазный слой, выращенный на вертикально разрезанной (110) CVD синтетической подложке в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, содержащий сетку непараллельных дислокаций. Легко можно видеть, что дислокации формируют непараллельную сетку и распространяются в направлении, близком к направлению [100]. Такая конфигурация может соответствовать Этапу F, как показано на Фиг.2.
Для образца, показанного на Фиг.6, отношение скорости роста <110>:<001> составляло 0,4 и поэтому попадает в "малые" пределы, когда рост с большей вероятностью определяется термодинамическими, а не кинетическими факторами. Из Фиг.6 можно видеть, что дислокации в Примере 2 содержат непараллельную сетку. Дислокации формируют сетку взаимно пересекающихся дислокаций по всему объему монокристаллического CVD синтетического алмазного слоя. Дислокации распространяются в двух направлениях с углом между первым и вторым направлением, находящимся между 66° и 72°. 95% имеющихся дислокаций в пределах всего объема образца ориентированы между 9° и 12° относительно линейного направления <100>. Кроме того, 95% имеющихся дислокаций во всем объеме образца находятся в пределах от 33° до 36° относительно <110> направления роста. Анализ двенадцати NV центров показал, что они были все пророщены с предпочтительной ориентацией в <111> направлении вне плоскости относительно (110) поверхности роста.
На Фиг.7 показана микрофотография двулучепреломления для CVD синтетического алмазного материала на Фиг.6, которая показывает сравнительно малое напряжение, учитывая существенную плотность дислокаций для этого образца.
Начальные данные также указывают, что CVD синтетический алмазный материал, показанный на Фиг.6 и 7, имеет увеличенную твердость материала. В более ранней обзорной статье Balmer et al. (J. Phys.: Condensed Matter 21 (2009) 364221) уже раскрыто то, что инструменты, сделанные с использованием (110) ориентацией, характеризуются меньшими изнашиванием и имеют более высокое сопротивление растрескиванию, чем сделанные с (001) плоскостью. Начальные данные для обсуждаемого здесь нового материала указывают, что новый материал обладает преимуществами (110) алмаза в смысле износостойкости в соединении с увеличенной твердостью (например, по меньшей мере, 100 ГПа, более предпочтительно, по меньшей мере, 120 ГПа).
ПРИМЕР 3
Синтетического типа, 1b HPHT алмаз был вырезан, чтобы сформировать пластину с парой приблизительно параллельных главных граней в пределах приблизительно 5° относительно (113) ориентации. Главная поверхность, на которой должен произойти рост, была дополнительно обработана шлифовкой и полировкой.
Подложка была установлена на несущую подложку. Подложка и ее несущая были затем введены в CVD реакторную камеру. Циклы травления и роста были выполнены, как описано в Примере 1, за исключением того, что температура подложки была понижена на 70 градусов, приблизительно до 730°C, как описано в Примере 2.
Образованный монокристаллический CVD синтетический алмазный материал, как было установлено, содержал сетку непараллельных дислокаций, видимых в условиях люминесцентной методики (испуская синий люминесцентный свет, характерный для дислокаций определенного кристаллографического линейного направления), но не в рентгеновском топографическом изображении сечения.
На Фиг.8 показаны монокристаллические CVD синтетические алмазные слои, выращенные на ориентированных по {110} и {113} подложках (как описано в Примерах 2 и 3), в рентгеновском топографическом изображении сечения (вершина) и в условиях люминесцентной методики (основание). Как можно видеть на чертеже, для {110} примера сетка непараллельных дислокаций видима в рентгеновском топографическом изображение сечения, но не в люминесцентном изображении, тогда как для {113} примера сетка непараллельных дислокаций видима в люминесцентном изображении, но не в рентгеновском топографическом изображение сечения.
Хотя это изобретение было показано и описано в связи с предпочтительными вариантами реализации, специалистам в данной области техники будет ясно, что могут быть выполнены различные изменения по форме и в деталях, не отступая от объема притязаний изобретения, как это определено в соответствии с приложенной формулой изобретения.