專利名稱：金剛石醫(yī)療器械的制作方法
金剛石醫(yī)療器械本申請是申請日為2006年1月11日、名稱為“金剛石醫(yī)療器械”的第 200680007879. 6號發(fā)明專利申請的分案申請。相關申請本申請要求2005年1月11日提交的標題為“金剛石醫(yī)療器械(Diamond Medical Devices)，，，序列號60/643，390的美國臨時申請的權利，該臨時申請全部內容在此通過引 用并入本說明書中。本申請還要求2005年7月11日提交的標題為“金剛石內形成的結構 (Structures Formed in Diamond) ”，序列號11/178，623的美國專利申請的優(yōu)先權，該專利 申請全部內容在此通過引用并入本說明書中。本申請還要求2005年2月11日提交的標題 為“金剛石結構分離(Diamond Structure S印aration) ”，序列號11/056，338的美國專利 申請的優(yōu)先權，該專利申請全部內容在此通過引用并入本說明書中。
背景技術：
金剛石表現(xiàn)出與活組織良好的生物相容性。目前，用于臨床應用中，金剛石并未顯示出致癌性或毒性；并且在大體積形式下它顯示出生物惰性?？梢砸远喾N方式來人工合成 金剛石。但是，它是一種難以加工的材料，并且需要新的技術來形成用于處理生物材料的結 構?，F(xiàn)代半導體一般基于硅，利用摻雜各種元素來改變它們的電氣性能。例如，由于在 只有四價電子的硅內沒有第五價電子，所以在硅內摻雜磷產(chǎn)生了過剩電子使其成為η型半 導體材料。類似地，由于只有三價電子的硼比硅少一個電子，所以在硅內摻雜硼會產(chǎn)生具有 過剩的“空穴”或者缺少電子的P型硅。當η型硅和ρ型硅互相接觸時，電流從一個方向上比從另一方向上更容易穿過結 流動。可以組合η型和ρ型材料的更復雜的結構來形成各種類型的晶體管、集成電路和其 他類似的器件。但是，所使用的半導體材料的固有性能限制了某些半導體器件的性能。例如，處理 器的速度由組成該處理器集成電路的晶體管和其他器件所消耗的功率值所限制，如果運轉 得太快，那么該處理器集成電路會完全熔化。由于隨著更多的消耗一定量的功率的晶體管 被封裝到更小的面積內，在確定面積內消耗的熱量增加，因此尺寸的減小也受到了限制。由 于單個晶體管或二極管的物理尺寸一般是非常小的，即使諸如高頻、高功率應用中使用的 二極管之類的簡單器件亦受到功率限制的困擾。能夠提供更大消耗功率和更高半導體器件密度的半導體器件是提供更高性能、更 小的電子器件所希望的。

發(fā)明內容
在用CVD形成的單晶體金剛石中，使用掩膜和受控的離子注入以及退火或刻蝕來 制造用于光學應用、納米機電器件制造和醫(yī)療器械制造的結構。使用離子注入將一種或多 種原子種類輸入至金剛石內生長表面下方，以在金剛石生長表面下方預定深度處形成具有原子峰濃度的注入層。在適宜的條件下將合成物在非氧化性環(huán)境中加熱，以使得緊接注入層的金剛石分離。也可以在釋放結構中使用進一步的離子注入以使它們根據(jù)需要矯直或彎 曲。也可以通過摻硼來制造導電的金剛石結構。在一個實施方案中，通過在金剛石內注入離子到需要納米級通道的位置形成納米 級通道?？梢允褂醚谀砜刂圃撟⑷氲膶挾群烷L度，可以使用選定的注入功率級來控制注 入的深度。加熱金剛石使得在注入處或在該注入處附近產(chǎn)生分離。該分離可以用作用于輸 送流體的納米級通道，或者用作波導的低折射率部分。當用加熱來產(chǎn)生分離時，可以確定其他注入的尺寸和形狀，以形成校準器、濾光器 或光偏轉器。在一個實施方案中使用大約500nm的環(huán)形。使用一系列掩膜和注入深度可以 提供許多不同的機械結構的形成，諸如那些可以在硅內形成的結構。由一層或多層金剛石 層構成的其他人造金剛石層可以沿著注入物生長。在又一實施方案中，由除金剛石之外的材料形成的器件，例如基于硅或鍺的器件 被涂覆有CVD金剛石，從而提供防氧化的高生物相容的器件。


圖1是根據(jù)示例性實施方案的具有Nv中心的金剛石的框圖表示。圖2是示出了根據(jù)示例性實施方案的掩膜的離子注入工藝的金剛石的側視截面 示意圖。圖3是圖2中的金剛石的俯視圖，示出了根據(jù)示例性實施方案的用于離子注入的掩膜。圖4是根據(jù)示例性實施方案的圖2中的金剛石在離子注入和加熱之后的側視截面 示意圖。圖5是金剛石的側視截面示意圖，示出了根據(jù)示例性實施方案的用于形成懸臂梁 的掩膜的離子注入工藝。圖6是根據(jù)示例性實施方案用于形成懸臂梁的離子注入掩膜的俯視圖。圖7是根據(jù)示例性實施方案的釋放的懸臂梁的側視截面示意圖。圖8是根據(jù)示例性實施方案的用于形成光學結構的掩膜的金剛石的側視截面示 意圖。圖9是圖8中的金剛石的俯視截面示意圖，示出了根據(jù)示例性實施方案形成的光 學結構。圖10是根據(jù)示例性實施方案的藥物泵的俯視圖。圖11是根據(jù)示例性實施方案的多極的毛細管系統(tǒng)的側視截面圖。圖12是根據(jù)示例性實施方案涂覆CVD金剛石的光學器件的方框截面視圖。圖13是根據(jù)示例性實施方案的多孔CVD金剛石薄膜的俯視圖。圖14是涂覆CVD金剛石的結構的框圖示意圖。圖15顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的具有氫離子注入層的摻硼的金剛 石桿晶。圖16顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的具有長成的摻硼的金剛石的摻硼 的金剛石籽晶。
圖17顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的具有在氫注入能級分離的長成的 金剛石的摻硼的金剛石籽晶。圖18顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的由帶有長成的摻硼的金剛石籽晶 形成的肖特基二極管。圖19顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的用于形成摻硼的金剛石半導體的 方法。圖20顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的具有第一和第二摻硼的金剛石半 導體區(qū)域的集成電路。圖21顯示了與本發(fā)明的示例性實施方案一致的利用摻硼的金剛石半導體的電子 器件。
具體實施例方式在以下的描述中將參照組成本說明書一部分的附圖，并且在其中通過圖示可以實 施的具體實施方案來示出。這些實施方案被足夠詳細地說明，以使得本領域普通技術人員 能夠實施本發(fā)明；并且應該了解的是，可以應用其他技術方案，以及不脫離本發(fā)明范圍的情 況下進行結構上、邏輯上和電路上的變化。因此，以下的描述并不具有限制的意義，本發(fā)明 的范圍由權利要求書限定。本申請的第一部分描述了在單晶體金剛石中以受控的方式制造Nv中心的技能。 描述了各種能夠在單晶體金剛石中制造結構的離子注入工藝。如在醫(yī)療器械部分所描述 的，于是可以使用這些工藝來在其他環(huán)境下制造結構。進一步描述了有關單晶體金剛石摻 雜來獲得各種半導體和導電性能，這可以與在金剛石內構造的納米和微機械器件一起使用。金剛石內的N-V中心可以以受控的方式制造。在一個實施方案中，利用生長過程 中包括氮的CVD工藝來形成單晶體金剛石，然后退火去除N-V中心。然后由受控數(shù)量的N-V 中心形成單晶體金剛石的薄層。該N-V中心形成用于電路中的量子位。量子位器件在具有高受控純度的金剛石內形成。可以制造高受控數(shù)量的N-V中 心，N-V彼此隔離并且與具有磁自旋的其他元素，諸如N-V0、Ns和13C(碳13)相隔離。在一 個實施方案中，利用單個隔離的N-V中心從單個原子獲得信息而不是從原子團獲得信息。 在另一實施方案中，使得N-V中心鄰近13C可能是合乎需要的。在又一實施方案中，由于缺 陷會導致更短的自旋壽命，并且氮在諸如位錯的缺陷處易于離析，其中該位錯對更高的濃 縮效果和在鄰近自旋之間伴隨的相互作用以及壽命的降低產(chǎn)生影響，所以金剛石具有很高 的晶體完美性。在一個實施方案中，光能夠以受控的方式進入和離開該金剛石宿主材料。當量子 位發(fā)射光時，將在球形表面上發(fā)射該光，并且在任意點的光強非常小且難以檢測。量子位被 包含在光學波導內，該光學波導將光陷在并引導在最小數(shù)量的方向上。由于金剛石具有非 常高的折射率(可見光范圍內為2. 4)，它用于該種波導是理想的。與空氣或真空接觸的金 剛石薄層在兩側上提供了該種波導。金剛石具有比空氣明顯更高的折射率，使得沿著波導 傳播的光束被金剛石波導的壁在內部反射并且被金剛石波導限制。利用量子位放在金剛石 波導內，量子位所發(fā)射的大部分光將沿該波導傳送并且易于被收集和檢測。也可以使用其他傳送形式，例如利用等離子波導或開槽波導。在又一實施方案中，使用細金屬絲來從量子 位引出光。該光在金剛石包覆層內金屬絲的外側上傳播。一種用于構造量子位器件的方法包括使用HPHT方法生長單晶，加入預定量的、 均將為Ns的氮原子，照射金剛石以產(chǎn)生碳空位并且退火以將碳空位擴散進氮原子中從而 生成N-V中心。這種方法可以導致引起較大程度的晶體損傷的輻射，從而降低量子位壽命。另一種在HPHT金剛石內制造N-V中心的方法包括用鈦或鋁的吸氣劑從金剛石中 去除所有的氮來生長金剛石，以及隨后通過定點的離子注入將氮注入金剛石中。這種方法 也許不大適于生產(chǎn)適用于器件制造的大體積的金剛石晶片。 圖1是根據(jù)示例性實施方案具有N_V_中心110的金剛石晶格100的框圖表示。中 心110也代表具有不同電荷狀態(tài)的N-V中心。如上所述，該N-V—中心110是金剛石內占位 中的氮115，該占位鄰近碳空位120。在圖1中，該N-V—中心110與其他N-V中心隔離，以 使得其他中心和其他結構的自旋不影響該隔離的N-V—中心，從而形成量子位。金剛石內的N-V—中心110具有使其符合基于量子位的器件的若干特性。它能夠使 用低功率的微波來抽吸。它也能容易地被檢測(以675納米波長發(fā)射)。金剛石內的該種 N-V—中心具有長壽命(60到500微秒)和室溫操作。金剛石也具有高的光學透明度和高的 光學折射率，能夠構造光學波導和其他光學結構。一種制造N-V中心的方法包括使用CVD長成的金剛石。CVD金剛石可以生長出較 大的尺寸，具有如(參見美國專利第6，582，513號)中所見的高受控純度并具有受控純度、 厚度和性能的層。可以以高或低的氮濃度、具有13C或沒有13C的層來生長CVD金剛石?？?以通過幾種方式來控制N-V中心的形成。CVD金剛石在N_V_、N-V0和Ns都穩(wěn)定的條件下生長。此外，這些狀態(tài)的比例可以 根據(jù)生長條件、濃度和生長之后的熱處理變化。而且，也能夠在基本上沒有氮的所有狀態(tài)下 生長襯底，并且然后生長只有預期氮水平的金剛石薄膜。由于薄膜中氮原子的數(shù)量是濃度 和厚度的函數(shù)，所以N-V—中心可以與其他所有的中心隔離。換句話說，如果在給定體積的 CVD長成的金剛石內形成已知數(shù)量的N-V中心的濃度，并且使金剛石薄膜非常薄，那么能確 保形成非常少的N-V中心，并且從而互相隔離。在另一實施方案中，通過提取在氣源中的13C或者通過增加13C能級，用于薄膜 的CVD生長的碳源具有預定能級的13C。在一個實施方案中，需要大約2微米的間隙保證 N-V_中心和其它N中心之間不交互作用。這估計約有l(wèi)Oppb，這已經(jīng)得到了證明。此外，可 以生成唯一標稱純度的金剛石層，然后高溫退火以將所有的N-V中心轉化成Ns。由于Ns在 N-V—波長不具有光信號，這從散雜的N-V原子中去除了任意的無關信號。應該理解的是，可 以培養(yǎng)許多層，這些層在高純度的和特定數(shù)量的N-V中心之間交替，以獲得具有在相鄰層 中隔離的N-V的三維結構。每一層可以設計成如下所述的波導，并且具有多重的和分開的 功能。在每一個上述實施方案中，N-V中心可以被任意地放置在晶體的體積內，但是在器 件的運行期間，可以為檢測而容易地被發(fā)現(xiàn)和標記。在另一實施方案中，可以使用不同類型的金剛石，諸如天然、礦采金剛石，高溫、高 壓制造的金剛石、CVD形成的金剛石或其他金剛石。然后可以將這些金剛石退火以破壞N-V 中心，隨后通過注入來生成預定密度的N-V中心，然后再次注入以形成波導。
替代的方法使用了有或沒有預定同位素純度薄膜的非常純的大塊晶體，用熱處理以破壞所有殘余的N-V中心，然后在預定的位置注入單個隔離的N-V中心。然后再在層上 生長高純度金剛石的保護層。波導可以靠近N-V中心形成并且與其光學連接。在一個實施方案中，以帶方式向 金剛石內注入氫，隨后通過對該結構進行熱處理以產(chǎn)生空腔，該空腔將金剛石帶與底層的 金剛石分離。該金剛石帶基本上被空氣環(huán)繞，并且用作將信號引入和引出金剛石結構的光 學波導。它提供了高度隔離的光學信號的輸入和輸出，并且能夠在單個金剛石芯片上進行 多通道的輸入和輸出。此外，可以在一個光學芯片上提供多種功能，諸如放大器、存儲和計 算。多種能量的注入可以形成多個帶，同時形成深度上彼此分離的層，從而產(chǎn)生三維的、光 學隔離的量子位結構。由于可以利用大部分的體積，這些結構可以明顯的減小這些器件的 尺寸。也可以形成開槽波導。應該注意的是，在分離通道的波導的情況下，通過施用熱和電壓循環(huán)使得波導在 光點處或沿著其長度上升和降低，可以改變波導的特性。這在本質上是一個完全寄生的器 件(attached device) 0這可以用作打開或關閉光的開關或者可以用作將光移動到另一通 道的開關。在一個實施方案中，量子位、光開關和MEMS技術及其附帶應用被結合進同一芯 片中。使用掩膜或者其他構圖的(patterned)注入以及剝離技術使得能夠構造一系列的波 導結構，例如片狀、板狀、線狀、碟狀和所有能夠像在光電子和MEMS器件中調制和轉換的這 些形狀中的多種形狀。通過這些波導的接近度(proximity)和形狀的設計，能夠構造常開 或者常關的開關或者混合器。也可以與其他半導體一起形成金剛石量子位。金剛石可以結合到其他半導體上， 例如硅、砷化鎵、氮化鎵、碳化硅或III-IV合金。半導體可以生長到金剛石襯底上。金剛石 到其他半導體的連接將使得諸如激光器、檢測器和相應的電路能夠直接與金剛石QBIT集 成，以提供到達和來自常規(guī)來源、器件和系統(tǒng)的輸入和輸出。這將提供用于常規(guī)計算機和未 來基于QBIT的計算機內的更高速度互聯(lián)的光學總線的基礎。實際上通過組合所述的技術 和方法，一整套新的集成量子位-半導體器件(QSD)將是可能的。圖2是金剛石的側視截面示意圖，示出了根據(jù)示例性實施方案的為了形成接近于 如上所述形成的量子位的波導的掩膜的離子注入工藝。在一個實施方案中，該量子位是隔 離的量子位，并且該量子位的位置用作形成波導的導向裝置，由此使得量子定位在波導內。 在另一實施方案中，在早已形成的波導內形成該量子位。在一個實施方案中，金剛石襯底210覆蓋有一層掩膜215。該掩膜215由能夠足 夠篩分出以預定能級注入的離子220的材料制成。該掩膜可以采取許多不同的形狀，在俯 視圖3中的310處示出了該形狀中的一種。在此實施方案中，該掩膜是長的、細的矩形的形狀，在預定深度處形成長細的注入物225。圖4是在離子注入并加熱以在金剛石210內形成空隙410之后的圖2中的金剛石210的側視截面示意圖?？障?10提供了在用420示出的金剛石帶的一側的低折射率區(qū)域。 在該金剛石帶420的另一側實際上是金剛石210的頂部，該側可以暴露于空氣中，與金剛石 帶420的折射率相比也具有低的折射率。因此，金剛石帶420形成波導。量子位430在金 剛石帶420內形成，并且該帶提供了一種機構來捕獲光并將光提供到量子位，以檢測和引 起量子位的變化。很明顯，金剛石帶420可以以不同的形狀形成，以將光傳導到預定的光源440和光檢測器450，該光檢測器各自可以進一步連接到處理電路，該處理電路可以在金剛 石襯底上、金剛石內或者金剛石外形成。在不同的實施方案中，光源440和光檢測器450也 可以在金剛石襯底內、襯底上或者在金剛石襯底之外?？梢孕纬晒饫w連接或者光耦合器來 將光導入波導帶420或者導出波導帶420。在一個實施方案中，使用構圖的離子注入來將一種或多種原子種類輸入金剛石生 長表面下方，以形成在金剛石生長表面下方一定深度處的具有峰濃度的注入層。在適宜的 條件下將該合成物在非氧化性環(huán)境中加熱，以使得人造金剛石結構分離。該種非氧化性氣氛通常包括任意所含氧的濃度不足以有氧化反應的氣氛。該種氣 氛的實例包括 惰性的(例如氦、氖、氬等)和其他不含氧的氣體(例如氫、氮等)。用于提供 這些氣氛的環(huán)境通常包括等離子體、真空等等。在本發(fā)明的某些實施方案中，在離子注入階段之前或者在離子注入階段同時，可 以執(zhí)行多種初始步驟。一個這樣的步驟包括選擇襯底。例如，當生長單晶CVD金剛石時，該 襯底可以是單晶金剛石。一旦選擇了襯底，可以確定并且可選地預加工襯底的至少一個主要表面來用于離 子注入。金剛石表面的預加工可以包括任意適宜的用于影響表面的化學和/或物理構成的 方法，例如通過使用常規(guī)的拋光方法來拋光。此種預加工可以在離子注入之前完成。一般 地，離子以固定的距離和穿過金剛石生長表面均勻的通量的方式注入，以使得注入物質層 的構形將會自身復制襯底的表面輪廓。而在襯底的注入表面上的任意缺陷一般將對注入物 的輪廓具有相應的影響，包括對預定的峰原子層的構形的影響。因而，如果金剛石被拋光， 這些結構實際上可以被基本上拋光。襯底的預加工對于初步去除這些缺陷可能是重要的。 此外，在某些實施方案中，為了離子注入將表面徹底地清洗，例如使用溶劑或者本領域已知 的其它方法，這些方法包括等離子刻蝕、氣相刻蝕等等。拋光損傷可能會產(chǎn)生不期望的N-V 中心。可以進一步刻蝕拋光的金剛石的表面，以去除這些損傷和N-V中心。通常在高真空、高電壓和相對低的射束流的條件下進行離子注入。如本領域中已 知的，離子注入通常包括離子化原子種類的過程，隨后將這些物質在電場內加速，并且將加 速的、離子化的物質射向襯底。隨著運動速度的加速，該物質通常穿透襯底的外表面并且在 襯底內如圖2中225處所示出的區(qū)域中停下來。該區(qū)域在襯底的注入層內。在一個實施方案中，該物質通常以法線方向或垂直于 表面的角度朝向襯底加速。但是，該物質同樣也可以以各種角度朝向襯底加速。對于給定 的物質，通常通過調整電場實現(xiàn)注入的深度。一般地，當增加電場的電壓時，該物質的能量 將被增加，這會最終導致該物質進入襯底的更深的注入?？梢酝耆A期的是，襯底可以是各 種晶體形狀中的任意一種。例如，襯底可以是任意預定幾何形狀中的一種，這些幾何形狀包 括立方體、圓錐體、棱柱、角錐、楔形體或其它幾何形狀，以及各種截錐體。物質通常穿透襯底的上表面一直到達某一區(qū)域，諸如襯底內的區(qū)域225。物質的峰 值濃度在通常被稱之為范圍深度末端(end of rangedepth)的某一深度處。雖然只在一個 深度(范圍深度末端)處示出了物質，應該理解這么作是為了簡單起見。在離子注入之后， 物質通常完全分布在緊靠范圍末端處的區(qū)域或者分布在范圍末端的區(qū)域內。在離子注入開始之前，必須選擇所要注入的物質。在選擇物質時需要考慮許多可 變因素，例如成本和有效利用率，以及如下所述的物質對襯底晶格可預料到的損傷程度。
在離子注入期間，通過將物質(離子化的原子)射入襯底的晶格，晶格的注入部分 通常膨脹或擴張。晶格這樣的過度擴張通常會引起注入層內的應變。結果，過度的應變會 對注入層造成損傷。此損傷通常以在注入層內的位錯和開裂為代表。這些位錯通常會產(chǎn)生 一個對生長優(yōu)質人造金剛石(例如通過CVD生長具有沒有缺陷或位錯的金剛石，或者具有 微不足道數(shù)量的缺陷或位錯的金剛石)不利的外襯底表面。但是，可以用許多方法控制晶 格擴張的方式，或者實際上可以依靠多種方法來控制。一種方法包括選擇適宜的用于注入的物質。在本發(fā)明的某些實施方案中，使用常 規(guī)的離子注入技術向金剛石襯底內注入氫離子。由于氫的共價半徑小，在注入層內只產(chǎn)生 少量的晶格擴張。因此，注入層內只有很小的應變(和損傷)。通常，隨著所注入 的物質的 共價半徑增大，能夠產(chǎn)生良好表面(例如具有有限的缺陷或位錯的表面)的可能性降低。通常，只要物質適于此后使得注入層部分能夠與襯底分離，在本發(fā)明的工藝中可 以使用任意物質用于離子注入。因此，如此選擇物質從而使其能夠適合于注入到襯底內。這 些物質的離子包括，即使不是所有的話，那么也是大部分的原子元素。在本發(fā)明的某些實施 方案中，襯底也用于在其上生長人造金剛石。因此，物質優(yōu)選地能夠適合于注入到襯底內以 便能夠分離，并且能夠在襯底上適宜地形成良好的生長表面，在該表面上能夠生長優(yōu)質的 人造金剛石。因此，選擇物質使得能夠適合于注入到襯底內而不會不期望地損傷襯底。小 尺寸的到中等尺寸的物質(具有小到中等尺寸的共價半徑)通常是優(yōu)選的。實例包括諸如 氦、鋰、硼、碳、氧、磷和硫的原子種類。但是，該工藝的實施方案也可包括大尺寸的物質(具 有大尺寸的共價半徑)。在這些實施方案中，考慮了影響物質注入的其他參數(shù)，例如物質劑 量和物質能級，以便限制大尺寸的物質注入對襯底晶格的損傷程度。注入部分的晶格損傷程度可以通過所注入的物質的劑量來限制，該劑量被定義為 注入到襯底內的原子的表面密度(原子/cm2)。例如，如果物質使用高劑量注入，那么物質 通常將對襯底造成比使用低劑量注入更大的損傷。當物質(離子化的原子)穿過襯底行進 時，靠近物質范圍末端(通常稱之為“范圍損傷末端”)進入襯底對襯底晶格造成的損傷是 最大的。其次，范圍末端處的損傷程度是該水平的總劑量的函數(shù)。然而，能夠使得在金剛石 晶體內分離的能力也是總劑量的函數(shù)。對于特定的實施方案，劑量水平過低將沒有分離，然 而劑量水平過高將會造成過度的損傷和低品級的金剛石生長。在某些實施方案中，劑量設 定在從大約IxlO14原子/cm2到大約IxIOki原子/cm2的范圍內，或者更優(yōu)選地，設定在從大 約IxlO15原子/cm2到大約IxlO18原子/cm2的范圍內。當注入大尺寸的物質時，為了限制晶 格損傷，通常優(yōu)選地是選擇范圍的較低端上的劑量。相反地，當注入小尺寸的到中等尺寸的 物質時，在范圍內的任意劑量通常都是適宜的。此外，可以通過改變用于離子注入的電場的電壓來控制金剛石生長表面的晶格損 傷程度。當增加電場的電壓時，物質的能量也增加，最終會導致物質更深地注入到襯底中。 其次，對于特定的物質可以選擇能級，從而能夠在襯底內某一注入深度(范圍深度末端)附 近注入峰濃度的物質。這一深度可以是自500埃到20，000埃范圍內的任意數(shù)值。雖然通 過降低物質的能量可以限制物質的范圍深度末端，但最好不要過度地限制該能量。在本發(fā)明的某些實施方案中，能級被設定在從大約IOKeV到大約10，OOOKeV的范 圍內，而在另一實施方案中，能級被設定在從大約50KeV到大約500KeV的范圍內。當注入大尺寸的物質時，為了限制襯底的晶格損傷，可以期望選擇該范圍的較高端上的物質能級。 這樣，從距金剛石生長表面更遠處向其注入大尺寸的物質，從而試圖避免金剛石生長表面 的任意晶格損傷。相反地，當注入小尺寸的到中等尺寸的物質時，該方法提供了在選擇物質 能量上的更多的自由。在注入過程中，物質劑量率會影響襯底的溫度。如果劑量率過高，會產(chǎn)生注入層區(qū) 域的有害的石墨化。在本發(fā)明的一些實施方案中，該劑量率被設定在從大約0. 05微安培/ cm2到大約100毫安培/cm2的范圍內，在其他實施方案中，該劑量率被設定在從大約0. 1微 安培/cm2到大約500微安培/cm2的范圍內。在一個實施方案中，在多個能級注入，然后進行加熱以產(chǎn)生襯底的不同能級的間 隙。通過在150、155和160KeV的能級注入H2,—個實例提供了三種這樣的間隙。這能夠提 供具有潛在的相應的隔離的N-V中心的三級結構，例如波導?？紤]本說明書，本領域普通技術人員可以理解，如果給出有關物質注入和 所使用的能量的特定值，那么可以確定物質的范圍深度末端。該計算通常被稱之為 TRIM (Transport of Ions in Matter)計算。參見 Nucl. Instr. Meth.第 174-257 頁(1980) 干 Ι 登白勺 J· P· Biersack 等人白勺"A Monte Carlo Computer Program for the Transport ofEnergetic Ions in Amorphous Targets”，該文的教導通過引用并入本文中。一般也可 以參見 J. F. Ziegler 等人的“In the Stopping andRange of Ions in Matter，，，Pergamon Press, N. Y.，第1卷(1985)，該文的教導通過引用并入本文中。表1列出了給定用作襯底 的金剛石晶種，不同能級的各種物質的近似的范圍深度末端。不管金剛石晶種是否是HPHT、 CVD或者天然金剛石，物質的范圍深度末端通常保持相同。如所示出的，隨著諸如氫的物質 的能級提高，其范圍深度末端也提高。對于包括硼和碳的物質在大約200KeV的能級進行計 算，以證明隨著物質的原子半徑增大，相應的范圍深度末端降低。此外，應該注意的是，與氫 相反，當使用碳作為注入物質時，為了獲得類似的范圍深度末端(例如，從1900埃到2000 埃)，能級將必須增加四倍。表 1作為注入的原子和注入能量函數(shù)的注入深度注入能量 在非氧化性氣氛下為金剛石合成物提供熱處理。這些處理可以通過任意適宜的方 法提供，包括輻射、傳導或者對流源的所有本領域公知方式。通常，熱處理的溫度范圍優(yōu)選 設定在從大約1100°C到大約1800°C的范圍，更優(yōu)選地設定在大約1100°C到大約1500°C的 范圍。適當?shù)臍夥蘸蜏囟人降慕M合提供了使人造金剛石和注入層部分自然分離的理想環(huán)^Ml ο圖5是金剛石的側視截面示意圖，示出了根據(jù)示例性實施方案的用于形成懸臂梁 的掩膜離子注入工藝。在此實施方案中，使用第一掩膜形成將最后限定空腔的尺寸的總體 矩形的區(qū)域，在該空腔內懸臂梁將被釋放以自由運動。同樣可以理解的，可以使用除矩形之 外的其他形狀。根據(jù)所需要的元件的尺寸，注入深度可以變化，以使得足夠密度的離子被注 入到懸臂梁下方整個區(qū)域以及注入到懸臂梁的側面，以允許一旦懸臂梁被釋放運動后能夠 充分地運動。因此，掩膜至少稍延伸出懸臂梁的邊緣和釋放端。
在注入離子來形成空腔的底面之后，如圖6所示使用新的掩膜，該圖6是根據(jù)示例 性實施方案的用于形成懸臂梁的離子注入掩膜600的俯視示意圖。在用突出部610限定懸 臂梁自身形狀的同時，此掩膜允許到達懸臂梁的側面和越過懸臂梁的釋放端的注入。和此 掩膜一起使用的注入能級被設計為將足夠密度的離子注入到懸臂梁的側面和釋放端。該注 入可以改變從金剛石襯底表面到懸臂梁下方限定的空腔的注入深度。因此，如圖7所示，在 非氧化性環(huán)境下加熱釋放了懸臂梁，其中圖7是根據(jù)示例性實施方案的釋放的懸臂梁710 的側視截面示意圖。替代地，可以使用在邊緣的碳注入和氧化熱刻蝕、電解和氧化酸蝕來進 行釋放。在一個實施方案中，當被釋放時懸臂梁710趨向于向上彎曲。在釋放懸臂梁之前 或者之后可提供在較高能級的其他注入。這些注入，根據(jù)深度和密度，將開始通過壓縮表面 來矯直懸臂梁；并且如果繼續(xù)注入，可以實際上使得懸臂梁向下彎曲。如從懸臂梁710的形成可以看到的，通過使用一層或多層掩膜，以及改變多種注 入的深度來去除預定的材料，可以制造許多其他三維結構?？梢赃M一步在酸溶液中清洗這 些結構，以去除不需要的殘余注入金剛石材料。這些結構可以用于許多不同的應用，包括具 有普通應用的NEM和MEM器件。這些器件可以用作傳感器和其他除量子位器件外的具有多 種應用的機械器件，例如醫(yī)療器械。圖8是根據(jù)示例性實施方案的用于形成光學結構的掩膜的金剛石的側視截面示 意圖。在一個實施方案中，掩膜800包括一個或多個圓形開口陣列810。如圖9所示，對在 預定深度得到的注入進行加熱，形成一系列碟狀的空隙910，其中圖9是圖8中的金剛石的 俯視截面視圖。在一個實施方案中，碟狀的空隙910可以用作泵或者光偏轉器。當靠近金 剛石表面成形時，金剛石的表面會輕微起泡。這些泡會導致光學邊緣效應，包括顏色改變。 在一個實施方案中，該碟的直徑大約是500nm。可以容易地形成其他形狀和尺寸。在一個實施方案中，可以使用更多的掩膜和注入來完全地釋放各個碟狀空隙上方 的金剛石，以生成小透鏡狀結構。這些結構可以具有與注入能級相聯(lián)系的預期厚度。在一 個實施方案中，透鏡是大約50um厚，形成校準器或濾光器。應該注意的是，除了變化深度注 入和加熱來釋放透鏡之外，還可以使用激光和其他釋放透鏡的方法。在某些實施方案中，采 用小于Ium的厚度。該厚度也可以是包括該種結構的光學器件的所需的操作波長的函數(shù)。醫(yī)療應用金剛石表現(xiàn)出與活組織良好的生物相容性。目前，用于臨床應用中，金剛石并未顯 示出致癌性或毒性；并且在大體積形式下它顯示出生物惰性。因此，它是能夠結合到醫(yī)療器 械、整形用具、儀器、工具、傳感器和其它用于包括人類的活組織內的結構上的非常理想的 材料。這些醫(yī)療結構可以使用上文確定的工藝用CVD金剛石直接制成，或者由目前使用的材料制成，然后涂覆CVD金剛石來提供增強的生物相容性。該涂層可以通過用納米晶體金剛石來涂覆預期的表面，或者涂覆整個表面以及在這些表面上生長CVD金剛石薄層來被涂 上。這些金剛石層可以通過包括需要的摻雜物來制成導電的，或者依需要制成不導電的。在一個實施方案中，50nm的CVD金剛石涂層足以提供所需的性能。這些性能包括 生物相容性，以及抑制它們所涂覆的結構氧化的能力。在一種方法中，使用納米晶體金剛 石為所需要的結構種晶種。納米晶體金剛石是可以買到的，并且可以懸浮在乙醇中以應用 到結構中。該結構可以被浸泡在乙醇中，然后使乙醇蒸發(fā)，在結構上留下預定量的金剛石 晶種。也可以使用用于金剛石晶種的粘性載體，例如光刻膠，該粘性載體然后可以被蒸發(fā)。 CVD金剛石層可以由該晶種形成，例如以多種加工溫度從晶種生長，根據(jù)結構的熱預算或者 它們的耐熱性，該加工溫度例如是在500至1000°C的范圍內，或者是大約200°C。在晶種上 生長CVD金剛石，利用該生長的CVD金剛石能足以覆蓋結構的所需部分?？梢赃M行多次這 樣的涂覆來覆蓋整個結構。某些應用包括外科解剖刀和鉆頭。CVD金剛石涂層提供了增強的耐用性。對于鉆 頭，例如牙齒、神經(jīng)或矯形型的鉆頭，CVD金剛石結構或涂層可以提供增強的耐用性，并且此 外能夠實現(xiàn)期望的鋒利度而不增加鉆頭的磨蝕。較鈍的鉆頭可以具有提供增強的鉆速控制 的預期性能。在其它應用中，矯形器可以具有改良的性能。構成人造膝蓋、髖部、肩部和肘關節(jié) 的球窩式或封閉式結構可以選擇性地用CVD金剛石涂覆，或者在某些實施方案中完全用 CVD金剛石制造。其他器件，例如脊椎盤替換物、螺釘、板材、節(jié)點等等可以用金剛石制成，或 者用CVD金剛石涂覆。對于用CVD金剛石制造或覆蓋的器件的心血管方面的應用包括導管系統(tǒng)，諸如用 于清理動脈的轉子葉片、支架和加熱閥等均由于相應的減少了磨損率而可以具有增長的壽 命。納米醫(yī)療應用包括使用CVD金剛石來包住器件，該器件用于輸送蛋白質、重組蛋 白質和/或逆轉錄酶病毒、內病毒(endovirus)以及質粒的技術。上述掩膜的注入工藝可以用于制造許多不同的醫(yī)療相關的器械。利用上述注入技 術，可以制造藥物輸送器械，該藥物輸送器械可以植入活的生物體中。在圖10中在1000處 的簡化框圖示出了該器械的一個實例。包含藥物的儲存器1010由金剛石、硅或其它使用與 相應材料相適應的方法來制造的襯底材料制成。當由硅制成時，可以使用許多基本的光刻 技術來形成該結構?？梢允褂脿奚鼘觼硇纬蓛Υ嫫?010以及連接到泵1020的第一管或導 管1015，該泵1020是小的泡狀的結構并且具有使其容積根據(jù)預期的驅動來控制的能力。泵 1020還連接到輸出管或導管1025，以噴射流體。泵1020可以通過施加電壓或者通過使用壓電材料來機械地驅動，以使得泡可受 控地壓縮和變形。這形成了納米射流開關或泵。如上所述然后可以用CVD金剛石來涂覆硅 器械1000。可以使用CVD金剛石的兩種應用，對于第二種應用，將該器械翻轉來涂覆該器械 的底面。當器械1000由諸如CVD金剛石之類的金剛石制成時，可以使用不同形式的離子注 入和退火來形成結構。較小的結構，諸如管1015和1025，可以通過氫離子注入和退火來形 成。在其它實施方案中，較大的結構，例如儲存器1010和泵結構1020，如果需要可以通過諸如具有多能級的碳之類的大離子種類的注入來形成。這樣的注入可能在金剛石內形成石 墨，該石墨可以通過利用氧化作用和利用腐蝕石墨層的硫硝酸來刻蝕掉。可以通過管1015 和1025引入酸。在一個實施方案中，管1015和1025被成形為單條連續(xù)的管，提供了用于 隨后刻蝕儲存器1010的通道。這一形成較大開口的工藝節(jié)約了氫注入和退火工藝的熱預
弁。 在另一實施方案中，可以使用不同能級的掩膜的碳離子注入來制造從儲存器1010 到器械1000的表面的通孔。這提供了更容易刻蝕的通孔，也提供了用于更快地向器械裝載 所需的藥物的通孔。也可以設置電路來向泵1020的表面提供受控的電壓或適宜的壓力，以 對泵提供驅動。在又一實施方案中，可以制造附加的泵或者泡1030，以使得在儲存器和出口 管之間具有兩個泵。當以適當?shù)捻樞虿僮鲿r，它們確保了流體在需要的方向上被泵送。雖 然器械1000的形狀被顯示為矩形的，然而實際形狀可以根據(jù)需要變化，用于與臨床應用相 適應。也可以改變管子和儲存器的尺寸來獲得所需的工作參數(shù)。在一個實施方案中，使用上述技術可以在金剛石的多個能級中形成毛細管和其他 流體結構。單晶體金剛石、單晶體上的納米晶體和單晶體金剛石上方的多晶體可以用于這 些結構。在一個實施方案中，利用能級間相互連接可以形成諸如圖11中所示的器械1100。 在低電壓下使用第一掩膜注入來形成第一級毛細管1110。使用更高的能量的掩膜注入在器 械1100內的較低的能級形成第二級毛細管1120。通過使用一次或多次相同或不同物質的 注入在兩毛細管1110和1120之間形成相互連接或通孔1130?？梢允褂迷诓煌芗壍亩啻巫⑷雭硇纬赏住Ｊ褂猛嘶饋泶蜷_毛細管，并且退火 也可以用于打開通孔。如果通孔使用碳離子注入來形成，則可以使用如上所述的刻蝕來打 開通孔。如果需要可以穿過開口的毛細管來設置刻蝕劑。也可以使用在毛細管端點之間施 用的利用水和電流的電解來去除石墨材料。在各實施方案中可以在多個能級中和多個能級之間形成多個毛細管和通孔，以形 成復雜的流體結構。上述的泡可以集成到毛細管中并且用作在交錯的毛細管或通道之間的 開關或泵?？梢栽黾觾Υ嫫骱推渌璧慕Y構，包括隔膜、懸臂梁，并且也可以形成支撐在 兩端的梁以提供多種不同的功能。由于該器械由金剛石制成，或者可以由金剛石涂覆，它們 在臨床應用中具有高生物相容性。毛細管可以制成各種尺寸，例如從5到IOnm寬到毫米范圍的寬度。它們也可以被 成形為根據(jù)需要的長度。通過對用來形成該寬度和長度的注入進行掩膜來控制這兩方面的 尺寸。在一個實施方案中，毛細管1110被制造為其一部分被摻雜以使其導電。該摻雜可 以在形成金剛石器械1100的過程中提供，以使得毛細管1110的上部導電，而該管的其他部 分具有未摻雜的CVD金剛石的絕緣性能?？梢允褂秒娒}沖來關閉或打開毛細管，從而用作 開關。在另一實施方案中，可以在毛細管的導電部分的任一端設置電極，以測量毛細管內的 流體的導電性。在又一實施方案中，如在圖12中的框圖所示，光學傳感器和發(fā)射器可以嵌入在金 剛石內，或者用CVD金剛石涂覆。硅襯底1205具有光學發(fā)射器1210，該光學發(fā)射器1210通 過波導1230連接到光學檢測器1220。CVD金剛石涂層1235用于密封該硅結構。該金剛石 覆蓋層1235用于保護硅結構并且防止它們氧化。因此，它們可以用于植入生物中并且是生物相容的。在一個實施方案中，導電輸入路徑1240從光學檢測器1210穿過金剛石層延伸， 諸如通過摻雜硅和金剛石層來形成在金剛石層內的接觸。在1245處形成導電輸出路徑，并 且該路徑從光學檢測器1220延伸到金剛石涂層1235的外側。在某些實施方案中，該輸入 和輸出可以用作神經(jīng)導體(neural conductor) 0在其他實施方案中，如下文所述的關于摻 硼金剛石半導體，可以構造硅和金剛石的多種結合。各種由硅或砷化鎵制成的其他的光學 和電學檢測器也可以用CVD金剛石包裹或者選擇性地涂覆。在某些實施方案中，金剛石導 電部分可以從金剛石的一端延伸到另一端，從而提供基于金剛石的神經(jīng)導體。如圖13所示，在另一實施方案中，可以使用預定厚度的金剛石片1300來制造多孔 膜?？梢灾圃霫Onm到微米尺寸或更大的孔隙1310，諸如一系列孔隙來制造具有所需過濾性 能的膜。該孔隙可以通過如上所述的掩膜離子注入以及退火或刻蝕來制造。由于金剛石是 高生物相容的，能夠進行許多臨床應用。根據(jù)應用和表面區(qū)域，在某些實施方案中該膜的厚 度可以明顯變化。除這些特定的限制之外，可以變化孔隙的 尺寸和布置。圖14是結構1410的示意圖，諸如如上所述的一種結構，包括選擇性地用CVD金剛 石1420涂覆的假體器械、可植入醫(yī)療器械、工具等。由于許多這樣的結構是公知的，該附圖 是框圖形式。雖然整個結構1410被示作被涂覆，但是只有一部分需要用CVD金剛石涂覆。 根據(jù)應用，CVD金剛石1420可以是單晶體、納米晶體或多晶體。單晶體CVD金剛石的摻硼和電路制造一個示例性實施方案提供了摻硼的第一和第二人造金剛石區(qū)域。第二人造金剛石 區(qū)域比第一人造金剛石區(qū)域摻有更多的硼，并且與第一人造金剛石區(qū)域物理接觸。在另一 示例性實施方案中，該第一和第二人造金剛石區(qū)域形成金剛石半導體，例如肖特基二極管。圖15-18示出了單晶體人造金剛石肖特基二極管的制造方法，該肖特基二極管是 諸如能夠使用本發(fā)明的制造的金剛石半導體器件的一種實例。圖15示出了硼重摻雜的金 剛石籽晶，相對于碳的四價電子其中硼只有三價電子，使得該金剛石成為強P型半導體材 料。包含硼的金剛石內的晶格點內缺少電子，留下了能夠接受電子的“空穴”，該“空穴”實 際上是移動的正電荷。帶負電的硼原子固定在金剛石的晶格內，這意味著硼原子不能移動 但是幫助提供了在導電過程中用作電子受主的空穴。雖然其他實例使用擴散或者離子注入來將硼注入金剛石中，而不管該金剛石是人 造的或天然存在的；但是在某些實例中，硼隨著通過化學氣相沉積形成金剛石而生長進金 剛石中，或者通過其他工藝加入。金剛石含有硼，該硼至少穿過延伸半微米至幾微米的晶種 金剛石101的上部區(qū)域摻雜，以使得上層具有相對均勻的硼原子分布，其中該硼原子分布 為預期的密度。將晶種101拋光以形成平的上表面，使用諸如激光或切割工具來修剪晶種的邊 緣，以及對該邊緣進行清理、刻蝕和拋光。如圖15中在102處示出的，然后將氫原子注入到 需要的深度。在不同的實例中，氫原子在不同的條件下被注入，但是在一個實例中氫原子以 相對于金剛石表面10度的角度和以大約每平方厘米一微安培的劑量率注入。電子被以大 約200KeV的能量注入，一直到大約十的十七次方的原子每平方厘米的總劑量被注入到金 剛石101中。改變氫注入的參數(shù)將改變所得到的氫注入層的深度和密度。氫注入層被顯示 為圖15中打點的層102。一旦完成將氫注入到摻硼的金剛石晶種中，例如通過化學氣相沉積等離子反應器，在晶種上生長更多的金剛石。對于在其他實例中的金剛石形成可以使用的各種技術，包括微波等離子反應器、DC等離子反應器、RF等離子反應器、熱絲反應器和其他這樣的技 術。可以通過多種方法和設備來制造人造金剛石，例如在標題為“System and Methodfor Producing Synthetic Diamond”的美國專利6，582，513中所描述的，該專利的全部內容通 過引用并入本文中。在一個實例中生長的金剛石是單晶體人造金剛石，其使用諸如甲烷或其他氣體的 氣流來為等離子反應器提供前體材料(precursormaterial)，以產(chǎn)生沉積形成金剛石的等 離子體。在某些實例或某些金剛石層中的氣體包括多種雜質，例如硼摻雜物、或者碳的各 種同位素等雜質。例如，具有比碳-12的平均純度更高的純度以及相應的比碳-13同位素 濃度降低的金剛石被稱之為同位素強化，并且尤其是在熱傳導性方面的強化。這使得它們 更適用于諸如半導體器件的制造，能夠實現(xiàn)比其他方式所能獲得的更高的功率和更高的密 度。具有碳-12的金剛石CVD前體氣體的同位素強化能夠產(chǎn)生具有明顯小于標準的1. 1% 碳-13濃度的金剛石，同時產(chǎn)生最高達3300W/mK的熱傳導率。生產(chǎn)具有高熱傳導率的人造 金剛石的方法的其他實例包括在低氮的環(huán)境下生長金剛石，在富氫的環(huán)境下生長人造金 剛石以及使用硼摻雜物來引起熱傳導率的增加。在某些實施方案中，由于在金剛石晶體結構內放入了摻雜物，具有硼或其他注入 的摻雜物的金剛石區(qū)域會具有比未摻雜的金剛石稍大或稍小的晶格結構。在某些實施方案 中，通過注入選定用于產(chǎn)生所需晶格結構的離子，可以控制在具有不同摻雜物濃度的金剛 石之間、或者在摻雜的和未摻雜的金剛石之間的晶格失配。例如，輕摻硼的金剛石區(qū)域相對 于主要由碳-12制成的未摻雜的金剛石將具有稍膨脹的晶格結構。將碳-13加入摻硼的 金剛石中收縮了晶格結構，并且這也用于某些實施方案中來消除在金剛石層之間的晶格失 配，或者來控制在金剛石層之間的晶格失配或應變。在更詳細的實施方案中，在包括大約99%碳-12和1 %碳-13的金剛石結構中，在 接觸第二更重摻硼的區(qū)域生長第一輕摻硼的區(qū)域。將更多的碳-13增加到第二更重摻硼的 區(qū)域中能夠使更重摻硼的區(qū)域和更輕摻硼的金剛石區(qū)域的晶格結構彼此匹配，減少或消除 了金剛石層的邊界處的晶格應變。圖16示出了圖15中的晶種金剛石，該晶種金剛石具有氫注入層201，并具有另一 生長在用氫注入的表面上的摻硼的人造金剛石層202。在某些實例中，在注入氫之前或者在 第二人造金剛石區(qū)域202生長之前的某一時間，晶種201被拋光變平；并且在第二人造金剛 石區(qū)域生長之前或者之后，晶種201被諸如通過激光刻蝕而修剪成所需的尺寸和形狀。上 層生長到所需的厚度，例如在一個實例中是100微米，并且然后被拋光和切割來形成圖16 中示出的金剛石組件。圖16中的組件然后被加熱到足以使得第一金剛石區(qū)域101在氫注入能級分離，產(chǎn) 生與長成的人造金剛石區(qū)域202分開的一部分晶種金剛石區(qū)域101。由于利用更輕摻硼的 部分303而除去更重摻硼的金剛石部分302，該操作產(chǎn)生了比原始晶種金剛石101稍小的 晶種金剛石301。圖17中302和303所得到的結構形成了肖特基二極管的半導體部分，當 與諸如硅的其他半導體材料比較時，該半導體部分由于金剛石的特性能夠以特別高的電壓 和功率級工作。在其它實例中，生長區(qū)域將比晶種區(qū)域更重摻雜硼，金剛石區(qū)域的厚度將不 同，并且將進行其他結構和設計上的變化。
圖18示出了由圖17中的302和303形成的金剛石組件，該金剛石組件被頂離401 處金剛石晶種區(qū)域，具有在402和403處連接的電導線?；诮饘俚墓瘮?shù)或費米函數(shù)以及 所需的肖特基二極管的性能，選擇金屬附屬件，并且一般將是包含諸如鋁、鉬、金、鈦或鎳的 金屬或金屬合金。這形成了完全的肖特基二極管，該二極管在其調整某些信號、或者在某些 情況下只在一個方向上讓電流通過的能力類似于其它類型的二極管。參見圖18中的肖特 基二極管，末端403被稱為陽極，末端402被稱為陰極。當陽極所處的電位高于陰極所處的 電位某一電壓電平時，電流將流過二極管，但是當陽極處于比陰極更低的電位或者電壓時， 電流不能流過二極管。這一性能使得二極管廣泛用于各種電子應用中，包括檢測、濾波和整 形電子信號。肖特基二極管的整流部分實際上是金屬-金剛石半導體的接觸，而不是像大多數(shù) 其他諸如p-n型 的半導體二極管那樣的半導體材料之間的接觸。肖特基二極管的工作原 理是公知的但是相對復雜，對于許多應用與常規(guī)二極管相比具有許多顯著優(yōu)點。肖特基二 極管兩端的正向電壓降典型地明顯小于一般P-n結半導體二極管兩端的正向電壓降，肖 特基二極管兩端的電壓降的標準值是.2伏特，而硅p-n結二極管兩端的電壓降的標準值 是.6-. 7伏特。肖特基二極管兩端的電容容量也明顯較低，并且在形成肖特基二極管的勢 壘區(qū)域的金屬接口處的載流子復合明顯地快于P-n半導體結中的載流子復合，大約10皮秒 左右。這使得肖特基二極管特別適用于諸如高頻檢測、混頻和其它類似應用。肖特基二極 管相對于半導體P-n結二極管的低噪音的特征進一步使得它們適合用于低能級檢測應用， 例如雷達或其他無線電檢測。圖19是制造諸如圖18中的摻硼的金剛石半導體器件的方法流程圖。在501處， 產(chǎn)生了摻硼的晶種金剛石。這可以通過將離子注入到天然或人造金剛石中、通過在富硼的 環(huán)境中生長人造金剛石、或者通過其他適宜的方法來實現(xiàn)。通過高壓高溫(HPHT)方法、通 過化學氣相沉積、或者通過其他適宜的方法可以制造長成的金剛石。在502處摻硼的晶種 金剛石表面被拋光，以制備所需晶體取向的平面金剛石晶體表面。例如，可以在100平面內 拋光金剛石，朝向110平面傾斜兩度，以產(chǎn)生輕微偏離金剛石的100表面的拋光表面。在不 同的實例中，可以切割晶種的邊緣以及對各個其他面進行拋光或加工成形，以及使用酸洗、 水沖和溶劑干燥來清理表面。然后，選擇注入角度、能級和劑量，并且在503處進行氫離子注入。如圖15所示出 和描繪的，注入?yún)?shù)被配置為在晶種金剛石內選定深度注入選定密度的氫原子。在注入氫 原子之后，注入的晶種金剛石用作生長另外的金剛石的晶種，例如通過化學氣相沉積。如圖 16所描繪的，在某些實例中，長成的金剛石包括比晶種金剛石更高或更低的硼濃度。金剛石 一直生長到獲得所需的厚度，例如500微米的厚度，或者10到15，000微米范圍內的厚度?！┩瓿缮L過程，從生長器械上去除金剛石組件，并且在505處使用激光切割 器修剪邊緣。在其他實例中，邊緣可以使用其他方法修剪，并且可以被拋光或打磨。因此， 晶種的邊緣也可以被修剪到所需尺寸，例如恢復到在晶種金剛石區(qū)域上方生長之前的原始 晶種尺寸。在非氧化性環(huán)境中，例如在氫或惰性氣體中，將所得到的金剛石組件加熱到使得 金剛石組件的晶種金剛石區(qū)域在氫注入?yún)^(qū)域分離的高溫。在一個實例中，該分離在大約 1200攝氏度出現(xiàn)，而在其他實例中在1100到2400攝氏度的范圍內出現(xiàn)。如圖17所示，一旦晶種和長成的金剛石-晶種金剛石組件分離，則留下長成的金剛石-晶種金剛石組件，而 在氫注入層上方的晶種金剛石部分連接到長成的金剛石。在某些實例中，該分離在高溫下 自發(fā)的產(chǎn)生，但是在其他實例中通過向氫注入層施加壓力來產(chǎn)生。產(chǎn)物是摻硼的半導體器件，其能夠在507處被進一步修剪和拋光，并且在509處可 以連接到引線并被封裝以用作半導體器件。如圖20所示，與本發(fā)明的各種實施方案一致的其他半導體器件的實施方案包括 制造集成電路。 該圖在601處示出了通常的金剛石半導體襯底，該金剛石半導體襯底至少 具有摻硼的區(qū)域或部分602。第二區(qū)域603被生長、注入或以其它方式與金剛石區(qū)域602接 觸形成，但是具有不同的硼的摻雜密度。這形成了肖特基二極管的半導體部分，但是可以使 用類似的方法來形成晶體管和各種其他部件。使用具有適當?shù)墓瘮?shù)的金屬線將元件602 和603連接到電路上，而在其它實例中，使用多晶硅或其它導體或半導體元件將元件602和 603連接到集成電路的其它部分。圖21圖示了與本發(fā)明的某些示例性實施方案相一致的、可以構造的電子器件的 實例。雷達裝置701使用肖特基二極管用于低能級、高頻的無線電檢測，并且在諸如多普勒 雷達的其它示例性應用中用于混頻。電子器件得益于使用摻硼的金剛石半導體能夠增強的 性能，例如相對于諸如硅的傳統(tǒng)半導體的改進的功率處理、更高的密度和更好的性能。摻硼的金剛石不同于硅基半導體的地方還在于它是基本透明的，具有淺藍色的色 澤。這使得摻硼的金剛石除了適用于諸如傳統(tǒng)的LED或激光二極管之外，尤其適宜用在諸 如在結構上光從除了半導體結的外表面之外的地方發(fā)射的藍色LED或激光半導體器件中。 由于摻硼的金剛石一定程度上導電，它也可以用于需要導電的各種應用中，例如在電極中、 在其狀態(tài)和其它特征可以被電子監(jiān)視的導電的切割工具中，在導電的加熱槽或散熱器中以 及在能夠被加熱或者可以通過電流來改變折射率的光學窗口中。肖特基勢壘結還用于除肖特基二極管之外的多種應用中，包括用于雙極結晶體 管，在該雙極結晶體管中肖特基結位于晶體管的基極和集電極之間。這防止了晶體管飽和 過深而引起晶體管開關時間過快。金屬半導體場效應晶體管(MESFET)也使用反向偏置的 肖特基勢壘來提供在晶體管內的耗盡區(qū)，并且類似于JFET工作。此外在其它包括高電子遷 移率晶體管(HEMT)器件中，在異質結器件中使用肖特基勢壘來提供晶體管內的非常高的 導電性?？梢灶A料，本說明書所描述的器件將不僅應用于肖特基二極管和相關的器件中， 而且應用于其他半導體、集成電路和電子器件中。雖然本說明書描述和圖示了具體的實施 方案，但本領域普通技術人員應該理解的是，適用于實現(xiàn)相同目的的各種配置可以替代所 示出的具體實施方案。本申請的意圖在于覆蓋本發(fā)明的任意改型和變體。這意味著本發(fā)明 僅僅通過權利要求和其等同物的所有范圍來限制。所提供的摘要符合37 C. F. R. § 1. 72 (b)，以使得讀者能夠快速地確定該技術公開 文本的類型和要點。摘要提交的條件是它不會用于解釋或限制權利要求的范圍或含義。
權利要求
一種方法，包括用納米晶體金剛石涂覆器械；在涂覆有納米晶體金剛石的醫(yī)療器械上生長化學氣相沉積金剛石；以及將摻雜物包括在生長的化學氣相沉積金剛石中。
2.權利要求1所述的方法，其中所述化學氣相沉積金剛石是單晶金剛石。
3.權利要求1所述的方法，還包括將所述器械浸泡在含有乙醇的納米晶體金剛石中以 用納米晶體金剛石涂覆所述器械。
4.權利要求1所述的方法，其中所述納米晶體金剛石通過粘性載體粘附到所述器械上。
5.權利要求4所述的方法，其中所述粘性載體包括光刻膠。
6.權利要求1所述的方法，其中所述器械包括醫(yī)療器械。
7.權利要求1所述的方法，其中所述器械包括外科解剖刀。
8.權利要求1所述的方法，其中所述器械包括導管。
9.權利要求1所述的方法，其中所述器械包括可植入的藥物輸送器械。
全文摘要
在用CVD形成的單晶體金剛石中，使用掩膜的和受控的離子注入以及退火或刻蝕來制造用于光學應用、納米機電器件制造和醫(yī)療器械制造的結構。使用離子注入將一種或多種原子種類輸入至金剛石內生長表面下方，以在金剛石生長表面下方預定深度處形成具有原子峰濃度的注入層。在適宜的條件下將合成物在非氧化性環(huán)境中加熱，以使得緊接注入層的金剛石分離。也可以在釋放結構中使用進一步的離子注入以使其根據(jù)需要被矯直或彎曲。也可以通過摻硼來制造導電的金剛石結構。
文檔編號C30B25/02GK101838844SQ20101015301
公開日2010年9月22日 申請日期2006年1月11日 優(yōu)先權日2005年1月11日
發(fā)明者A·E·諾韋克, A·R·吉尼斯, B·里納雷斯, J·M·亞伯拉罕, M·默里, P·J·多林, R·C·里納雷斯, W·W·德羅米肖瑟 申請人:阿波羅鉆石公司