具有均勻顏色的單晶化學(xué)氣相沉積合成金剛石材料的制作方法
【專利說明】具有均勻顏色的單晶化學(xué)氣相沉積合成金剛石材料 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施方案涉及具有均勻顏色的單晶化學(xué)氣相沉積（CVD)合成金剛石材 料以及制造所述金剛石材料的方法。特別地，本發(fā)明的某些實(shí)施方案是關(guān)于以更高的生長(zhǎng) 速率制造均勻著色的金剛石材料和/或制造新穎著色的金剛石材料。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 一系列著色的單晶CVD合成金剛石材料在本領(lǐng)域是已知的，包括棕色、藍(lán)色、橙 色、綠色、紅色、粉色和紫色。可以通過在CVD合成過程中引入一種或多種摻雜劑來制造著 色的單晶CVD合成金剛石材料。例如，可以通過如W02003/052177中所述的氮摻雜來制造 棕色的單晶CVD合成金剛石材料?？梢酝ㄟ^如W003/052174中所述的硼摻雜來制造藍(lán)色的 單晶CVD合成金剛石材料。
[0004] 除上述之外，可以通過在合成之后對(duì)材料進(jìn)行退火和/或輻照來改變單晶CVD金 剛石材料的顏色。根據(jù)起始材料的確切類型以及輻照和退火處理的性質(zhì)可以獲得一系列的 顏色。例如，如在W02004/022821中所述，對(duì)單晶CVD金剛石材料退火能改變其顏色。如在 W02010/149779中所述，當(dāng)進(jìn)行輻照時(shí)無(wú)色的或接近無(wú)色的單晶CVD合成金剛石材料變成 藍(lán)色。如果進(jìn)行輻照并且然后加熱至大于約700°C的溫度，那么可以將最初為無(wú)色或接近無(wú) 色的單晶CVD合成金剛石材料轉(zhuǎn)化成如W02010/149777中所述的橙色或如W02010/149775 中所述的粉色。根據(jù)起始材料的確切類型、任何退火步驟的溫度和持續(xù)時(shí)間、任何輻照步驟 的能量和劑量、以及輻照和退火步驟的任何組合的數(shù)量和順序也可以獲得其它顏色。
[0005] 對(duì)于許多光學(xué)應(yīng)用色彩均勻性是重要并且對(duì)于珠寶應(yīng)用特別重要的是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán) 境觀察條件下（即不使用顯微鏡或光譜技術(shù)來檢測(cè)顏色均勻性的變化）材料的顏色對(duì)于肉 眼顯得均勻。在此類應(yīng)用中，摻雜劑濃度的小變化將不是視覺上可檢測(cè)的并且因此將不會(huì) 有損于材料的顯性品質(zhì)。
[0006] 提供均勻顏色的一種方式是確保在CVD生長(zhǎng)過程中自始至終以恒定水平仔細(xì)控 制摻雜以防止在材料的生長(zhǎng)方向上的顏色不均勻性。另外，確保在垂直于生長(zhǎng)方向的方向 上以恒定水平控制摻雜從而防止跨生長(zhǎng)原態(tài)材料的橫向的顏色不均勻性也是重要的。氣 流、基底溫度和微波等離子體均勻性會(huì)影響摻雜劑攝取的速率并且需要對(duì)其仔細(xì)控制。
[0007] 除上述的控制摻雜劑水平以外，W003/052174公開了在生長(zhǎng)期間延伸穿過單晶 CVD合成金剛石材料的位錯(cuò)缺陷能夠引起摻雜劑納入金剛石晶格的不同速率，從而導(dǎo)致在 所得單晶材料中摻雜劑濃度的變化。這樣的變化（如果充分大的話）能導(dǎo)致不均勻的顏色。 W003/052174公開了通過在單晶金剛石基底上執(zhí)行CVD生長(zhǎng)能降低這樣的不均勻性，所述 金剛石基底在其生長(zhǎng)表面具有極低的位錯(cuò)缺陷濃度并且已被仔細(xì)處理以避免引入表面和 亞表面損傷。據(jù)教導(dǎo)，這樣的低表面缺陷基底在降低位錯(cuò)濃度方面是有利的，其能穿入在其 上生長(zhǎng)中的單晶CVD合成金剛石材料中并且導(dǎo)致差異化的摻雜劑原子攝取。
[0008] 鑒于上述，已知的是仔細(xì)的基底選擇并且結(jié)合仔細(xì)控制且均勻的生長(zhǎng)條件能夠?qū)?致均勻摻雜達(dá)到如下程度的單晶CVD金剛石材料：在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境觀察條件下其顏色對(duì)于肉眼 顯得均勻，并且對(duì)于要求高度均勻性的技術(shù)應(yīng)用而言確實(shí)能將其控制在高得多的摻雜劑均 勻性水平。因此，使用現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)均勻著色的單晶CVD合成金剛石材料在技術(shù)上 是可行的。
[0009] 然而，除技術(shù)可行性之外，對(duì)于要在商業(yè)上成功的合成工藝，其還必須是經(jīng)濟(jì)上可 行的。對(duì)于要是經(jīng)濟(jì)上可行的單晶CVD金剛石合成工藝，其必須具有充分高的生長(zhǎng)速率和 充分高的產(chǎn)率。將摻雜劑納入單晶CVD金剛石生長(zhǎng)工藝以改變材料的顏色能影響這兩個(gè)參 數(shù)。
[0010] 例如，已知的是將一定水平的氣態(tài)氮納入單晶CVD金剛石生長(zhǎng)工藝能夠增加金剛 石材料的生長(zhǎng)速率，這在商業(yè)上是有利的。然而，生長(zhǎng)工藝中的顯著水平的氮往往導(dǎo)致顏色 為棕色的單晶CVD金剛石產(chǎn)品，其對(duì)于珠寶應(yīng)用不是那樣合意。此外，將高水平的氣態(tài)氮納 入生長(zhǎng)工藝能夠?qū)е略谏L(zhǎng)期間單晶CVD金剛石材料的晶體形態(tài)的改變并且能導(dǎo)致開裂 從而降低產(chǎn)率。當(dāng)生長(zhǎng)單晶CVD合成金剛石材料的厚層時(shí)（例如大于2_厚）這可以是特 別的問題。
[0011] 還已知的是雖然將氣態(tài)硼納入單晶CVD金剛石生長(zhǎng)工藝能產(chǎn)生藍(lán)色著色的材料， 但是單晶CVD金剛石的硼摻雜至少與氮輔助的生長(zhǎng)工藝相比顯著地降低材料的生長(zhǎng)速率， 從而增加生產(chǎn)成本并減少商業(yè)可行性。
[0012] 除上述之外，雖然已知可根據(jù)起始材料的確切類型并且通過施加各種輻照和/或 退火方案（recipe)實(shí)現(xiàn)一系列的不同著色的單晶CVD合成金剛石材料，但是迄今并沒有實(shí) 現(xiàn)所有的顏色并且已實(shí)現(xiàn)的某些顏色對(duì)于珠寶應(yīng)用中的美學(xué)外觀不是最佳的。例如，通過 特定的生長(zhǎng)和生長(zhǎng)后輻照和退火方案實(shí)現(xiàn)的某些顏色太深（dark)。在某些情形中，難以使 用生長(zhǎng)和生長(zhǎng)后處理方案的組合來獲得恰當(dāng)?shù)娜毕荼嚷室詫?shí)現(xiàn)特別期望的淡彩色。
[0013] 本發(fā)明某些實(shí)施方案的目標(biāo)是解決上述問題中的一個(gè)或多個(gè)。
[0014] 發(fā)明概述
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種著色的單晶CVD合成金剛石材料，其包含：
[0016] 多個(gè)層；
[0017] 其中所述多個(gè)層包括至少兩組層，所述至少兩組層在它們的缺陷組成和顏色方面 不同，
[0018] 其中所述至少兩組層各自的缺陷類型、缺陷濃度和層厚度為：如果將所述著色的 單晶CVD金剛石材料制造成圓形明亮式切割金剛石，該圓形明亮式切割金剛石包含臺(tái)面和 底尖，并且具有大于1mm的臺(tái)面至底尖深度，那么至少在通過臺(tái)面至底尖的方向上于標(biāo)準(zhǔn) 環(huán)境觀察條件下通過肉眼觀察時(shí)，該圓形明亮式切割金剛石包含均勻的顏色。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了制造上文所定義的著色的單晶CVD合成金剛石材 料的方法，該方法包括：
[0020] 在單晶CVD合成金剛石生長(zhǎng)過程中改變至少一種摻雜劑氣體濃度以形成包含多 個(gè)層的著色的單晶CVD合成金剛石材料，所述多個(gè)層在它們的缺陷組成和顏色方面不同，
[0021] 其中控制摻雜劑氣體濃度以及摻雜劑氣體濃度變化的時(shí)間周期，使得如果著色的 單晶CVD金剛石材料被制造成圓形明亮式切割金剛石，該圓形明亮式切割金剛石包含臺(tái)面 和底尖并且具有大于1mm的臺(tái)面至底尖深度，那么至少在通過臺(tái)面至底尖的方向上于標(biāo)準(zhǔn) 環(huán)境觀察條件下通過肉眼觀察時(shí)，該圓形明亮式切割金剛石包含均勻的顏色。
[0022] 摻雜劑氣體濃度的變化可以是周期性的，使得每組層具有一致的厚度和/或缺陷 濃度。作為替代，對(duì)于每組層，可以改變層厚度和摻雜劑/缺陷濃度。
[0023] 關(guān)于上述，應(yīng)該注意的是材料層具有不同顏色的要求（例如當(dāng)在光學(xué)顯微鏡下觀 察時(shí)）并不要求不同的層具有不同的色度（hue)。例如，根據(jù)本發(fā)明的材料可以包含淡藍(lán)色 材料的層和深藍(lán)色材料的層。
[0024] 還應(yīng)該注意的是在某些上下文中術(shù)語(yǔ)底尖（culet)被一些人理解為表示在寶石 底部的平面。在本發(fā)明的上下文中將理解的是術(shù)語(yǔ)底尖可以意指在寶石底部的平面或者寶 石的低點(diǎn)。即，上述定義不限于在寶石底部的平面的規(guī)定。
[0025] 還應(yīng)該注意的是不需要將本發(fā)明的視覺上均勻著色的單晶CVD合成金剛石材料 切割成為圓形明亮式切割金剛石以便符合上述的定義。更確切地，參考圓形明亮式切割以 定義單晶CVD合成金剛石材料的顏色均勻性。因此，未切割的單晶CVD合成金剛石材料或 切割成另一種形狀的單晶CVD合成金剛石材料仍可以滿足上述的定義，如果將該材料切割 (或再切割）成圓形明亮式切割金剛石時(shí)，該圓形明亮式切割金剛石包含臺(tái)面和底尖并且 具有大于1_的臺(tái)面至底尖深度，那么至少在通過臺(tái)面至底尖的方向上在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境觀察條 件下通過肉眼觀察時(shí)，該圓形明亮式切割金剛石包含均勻的顏色。在這方面，還可以注意雖 然圓形明亮式切割的刻面數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)的，但是實(shí)際的比例一冠部高度和冠部角度、底部深度 和底部角度以及臺(tái)面尺寸一不是普遍一致的而且存在各種細(xì)微變化。基準(zhǔn)圓形明亮式切割 包括美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（AmericanStandard)、實(shí)用完美切割（PracticalFineCut)、斯堪的納維亞 標(biāo)準(zhǔn)（ScandinavianStandard)、Eulitz明亮式、理想明亮式、Parker明亮式和認(rèn)證珠寶評(píng) 估師（AGA)標(biāo)準(zhǔn)。可以使用這些標(biāo)準(zhǔn)圓形明亮式切割中的任何一個(gè)或多個(gè)來測(cè)試本發(fā)明。
[0026] 最后，還應(yīng)該注意的是，通過肉眼所觀察到的顏色均勻性的定義應(yīng)該是依據(jù)在分 辨率和顏色分辨兩方面具有臨床正常視力（即沒有色盲的標(biāo)準(zhǔn)20/20視力）的人類受試者 來解釋。此外，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境觀察條件應(yīng)被理