在金刚石中形成的结构的制作方法

专利名称：：在金刚石中形成的结构的制作方法在金刚石中形成的结构
背景技术：
通用计算机提供数字化处理，其中数据以设备的正状态或负状态(或者关和开状态)被保持。数字设备可以是半导体的、磁的、光的、压电的或其他的设备。该数字化处理被称作数字计算，它是现在所有计算机、计算机用半导体设备和计算机软件的经济和技术核心。数字化技术的应用需要所有的数据表示为"2"的幂的形式，这反过来又需要数据的控制、速度、存储等等都按照这个巨大速度进行扩充。对于甚至是很有限的性能改进，这个数字化途径也需要显著地增加半导体芯片的尺寸、速度和复杂度，以与该改进相适应。半导体工程师对此做出的应对是使装置体积更小，在更小的空间内有更多的装置，并且不断增加其复杂度。对更小空间的需求已经逼近材料和光刻能力的极限，并且据估计我们已经接近了摩尔定律(所述定律提出设备的体积将不断地变小并且每18个月容量翻番)的极限；另外，减小设备的空间所产生的热量会损害设备的性能。对于大数量的处理来说，数字计算机快速地变得太大并且太复杂，所述大数量的处理例如天气分析、高级加密、药物发现、基因操作和由于数字计算机的限制而尚未发现的许多其他应用。现已提出了一种基于量子特征的全新型计算机。可以使用许多方法操纵一个原子或一组原子的自旋状态并且可以使用如光源或光检测器等的能量源或检测器检测和/或可控制地改变所述自旋状态。具有不连续自旋状态的一个原子或多个原子类似于传统计算机中的位(bit)。然而，由于自旋状态的量子性质，一量子位(qubit)不仅可以两个状态中的其中一个存在，而且可以这些状态的重叠存在。正是这种多个状态的重叠使基于量子位的计算机能够以比传统计算机可能达到的速度快得多的速度分析信息。量子位这一名称是非常通用的，因为可以制成仅使用(并且仅需要使用)一量子位的装置而其他的装置可以使用多个量子位。已提出的装置包括用于加密的和极高速信息的单量子位光放大器、用于信息存储的多量子位装置和用于高速和高密度计算的多量子位装置。因为原子可同时以多个自旋状态存在，所以自旋状态的相互作用使得仅用少量的原子就可以完成大量的计算。一台超级计算机的完全量子位芯片可能会比一个指甲盖还小。另外，量子位技术有望结合光波导技术为传统计算机构建高速光总线，同时增加加密能力。磁自旋状态可以在包括液体和固体在内的大量材料中产生。然而，为了用于量子计算机必须满足几个条件；1.所述自旋状态必须可以被激发；2.所述自旋状态必须可以被检测；3.所述自旋状态必须具有足够长的生命期以使得能够进行预期的运算和检测结果；4.所述装置必须能够在可实践的温度下操作。已提出大量的材料用作量子位基质，其中包括半导体(包括量子点半导体)和超导体。迄今为止所有这些材料都具有必须在低温下操作和或自旋生命期短的缺点。已经发现金刚石中的N-V中心不仅在所有材料中具有最长的自旋生命期，而且它还在室温下具有这个特征。N-V中心是位于金刚石中的一个取代位点的氮，所述取代位点与一个碳空位毗邻。有一个具有负电荷的N-V—中心，一个类似的但无电荷的N-V°中心和一个Ns中心，所述Ns中心是取代了碳的无毗邻空位的氮。通常N-V中心为两个电荷状态(负电荷的N-V—和中性N-V°)中的其中一个。金刚石的N-V中心具有多种性质使其成为基于量子位的设备所需要的。使用低功率的微波可以容易地把它抽吸。它也易于被检测(在675纳米波长下发射)。金刚石的这类N-V中心可以具有长的生命期(60至500微秒)并且可以在室温下操作。金刚石也具有高的透光度和高的光折射率，使得能够构建光波导和其他光学结构。
发明内容金刚石的N-V中心可以受控的方式产生。在一个实施方案中，使用一种CVD方法形成一个单晶金刚石，接着进行退火以除去N-V中心。然后形成一个具有受控数量的N-V中心的单晶金刚石的薄层。所述N-V中心形成可被应用于电子电路中的量子位。掩膜式的受控离子植入与退火一起被应用于CVD形成的单晶金刚石中以产生用于光学领域和纳米级机电装置形成的结构。应用离子植入把一种或多种原子输送到金刚石生长表面之中和之下以形成一个植入层，所述植入层在金刚石生长表面以下的一个预定的深度处具有原子的高峰浓度。在合适的条件下，在非氧化环境中加热所述组合物以使贴近植入层的金刚石分离。在释放的结构中可以进一步使用离子植入以使之按照预期变直或弯曲。也可以利用硼掺杂以产生有传导性的金刚石结构。在一个实施方案中，在金刚石中需要产生纳米通道的点处通过植入离子形成一个纳米通道。可以利用掩膜控制所述植入的宽度和长度，并且可以利用选择的植入功率水平控制植入的深度。加热所述金刚石使在所述植入处或者所述植入附近发生分离。这种分离可以被用来作为一个输送流体的纳米通道，或者作为一个波导的低折射率部分。可以进一步地设定植入的大小和形状以形成一个校准器、滤光器或光偏转器。在一个实施方案中使用的是一个大约500nm的环形。使用一系列连续的掩膜和植入深度可以形成许多不同的机械结构，如那些可以在硅中形成的结构。植入之后，可以使具有一个或多个金刚石层的合成金刚石生长出其它层。图1是根据一个例证实施方案的具有N-V中心的金刚石的框图表图2是一个金刚石的侧视截面图表示，用于说明根据一个例证实施方案的掩膜式离子植入过程。图3是图2金刚石的俯视图，用于说明根据一个例证实施方案的用于离子植入的掩膜。图4是图2的金刚石经过根据一个例证实施方案的离子植入和加热后的侧视截面图表示。图5是一个金刚石的侧视截面图表示，用于说明根据一个例证实施方案的用于形成一个悬臂的掩膜式离子植入过程。图6是一个离子植入掩膜的俯视图，该掩模被用来根据一个例证实施方案形成悬臂。图7是根据一个例证实施方案的一个释放的悬臂的側视截面图表示。图8是一个掩膜的金刚石的侧视截面图表示，所述掩膜的金刚石用来根据一个例证实施方案形成光学结构。图9是图8金刚石的俯视截面图，用于说明根据一个例证实施方案形成的光学结构。具体实施方式在接下来的说明中，将参考作为本说明书的一部分的附图，附图中通过示例说明的方式显示了可实施的具体实施方案。对这些实施方且应理解的是，在不偏离本发明范围的情况下，可以使用其他的实施方案并且可以做出结构学上的、逻辑学上的和电学上的变化。因此，接下来的说明不是为了限制，并且本发明的范围在附加的权利要求中限定。可以受控的方式产生金刚石的N-V中心。在一个实施方案中，使用一种生长过程中包括有氮的CVD方法形成一个单晶金刚石，然后进行退火除去N-V中心。接着，形成一个具有受控数量的N-V中心的单晶金刚石的薄层。所述N-V中心形成可在电子电路中使用的量子位。在具有高度受控的纯度的金刚石中形成量子位装置。可以产生高度受控数量的N-V中心，所述N-V中心彼此独立并且独立于其他具有磁自旋的元素，例如N-V0、Ns和13C(碳13)。在一个实施方案中，单个的、独立的N-V中心被用来从个体的原子而不是从原子簇中获得信息。在进一步的实施方案中，可能需要N-V与13C毗邻。在更进一步的实施方案中，所述金刚石具有高度的晶体完整性，因为不完整会导致自旋生命期的缩短，并且在不完整处例如位错处容易发生氮的分离，导致更高的浓度和随后的毗邻自旋之间的相互作用以及生命期减短的结果。在一个实施方案中，光可以一种受控的方式进入和离开所述金刚石基质材料。当一个量子位发光的时候，光是从一个球面上发出的并且在任一点的光强度都很低，不容易被检测到。所述量子位包含在一个光波导中，所述光波导限制并指引光有最少数量的方向。金刚石对于这种波导是理想的，因为它具有很高的折射率(在可见光范围内为2.4)。两面均与空气或真空接触的金刚石的薄层提供了这样一种波导。金刚石具有比空气高得多的折射率，以至于沿所述波导传输的光束被所述金刚石波导壁内部地反射并被限制在所述金刚石波导内。当量子位位于金刚石波导中的时候，所述量子位发出的大部分光将沿所述波导进行传输并且容易被聚集和检测。也可应用其他形式的传输，例如通过等离子体波导(plasmawaveguide)或缝波导(slotwaveguide)。在更进一步的实施方案中，应用小的金属线从量子位中牵引光。所述光在金刚石包层的金属线外传播。构建量子位装置的一种方法包括通过HPHT方法使单晶生长，掺入所需量的氮原子(都是Ns),照射金刚石以产生碳空位以及进行退火使所述碳空位弥散到氮原子，从而形成N-V中心。这种方法可能会产生导致晶体显著水平的损伤的辐射，所述损伤可缩短量子位的生命期。在HPHT金刚石中产生N-V中心的另一种方法包括用钛除气剂或铝除气剂进行所述金刚石的生长以除去金刚石中所有的氮，并且随后通过向选定的点进行离子植入而把氮注入到所述金刚石。这种方法可能不太适合于制造适用于设备生产的大尺寸的金刚石薄片。图1是根据一个例证实施方案的具有N-V—中心110的金刚石晶格IOO的框图表示。中心IIO也代表具有不同电荷状态的N-V中心。如上文描述的，一个N-V—中心110是位于金刚石中的一个置换位点的氮115，所述位点与一个碳空位120毗邻。在图1中，所述N-V冲心110独立于其他N-V中心，从而其他自旋中心和其他结构不会千扰所述独立的N-V中心，由此形成一个量子位。金刚石的N-V—中心110具有多种属性，使之成为基于量子位的装置所需要的。使用低功率的微波可以很容易地把它抽吸。它也易于被检测(675纳米波长下发射)。金刚石的这种N-V—中心具有长的生命期(60至500微秒)并且可以在室温下进行操作。金刚石也具有高的透光度和高的光折射率，使得能够构建光波导和其他光学结构。产生N-V中心的一种方法包括使用CVD生长的金刚石。CVD金刚石可以较大的尺寸长成，并具有高度受控的纯度，如见(美国专利No.6,582,513)，和具有受控纯度、厚度和性质的层。CVD金刚石可以高氮浓度或低氮浓度长成，薄层含有或不含有13C。可以通过多种方式控制N-V中心的形成。CVD金刚石在N-V、N-V。和Ns都稳定的条件下生长。此外，这些状态的比值可以通过生长条件、浓度和生长后的热处理而改变。而且，可以先生长出一种基本不含所有状态的氮的底物，然后再生长出一个仅包含所需水平的氮的金刚石膜。因为膜中的氮原子的数量是浓度和厚度的函数，所以可以使N-r中心独立于所有其他中心。换句话说，如果给定体积的CVD生长金刚石中将形成的N-V中心的浓度是已知的，使金刚石层很薄可以确保只有很少的N-V中心形成，并且因此而彼此独立。在进一步的实施方案中，通过减少源气体中的13C或浓缩13C的水平，使用于所述膜的CVD生长的碳源具有所需水平的13C。在一个实施方案中，为了使N-r和其他N中心之间无相互作用，需要大约2微米的间隔。这是在已经被证实的约10ppb下估计的。另外，也可生长出只有标定纯度的金刚石层，并且接着在高温下退火以把所有的N-V中心转换成Ns。这可以去除所有来自于杂散的N-V原子的无关信号，因为Ns在N-r波长处没有光信号。也需要明白的是，可使长成的许多层交替地具有高纯度和特定数量的N-V中心，以获得在相邻层中具有独立的N-V的三维结构。每层都可以^^没计为一个波导，如下所述，并且具有多种并且分离的功能。在上述每个实施方案中，N-V中心可随机地散布在所述晶体的空间之中，但是对于在所述装置的操作过程中的检测，可以很容易发现和标记所述N-V中心。在进一步的实施方案中，可以使用不同类型的金刚石，例如天然的矿物金刚石、高压高温制造的金刚石、CVD形成的金刚石等等。这种金刚石可以接着被退火以破坏N-V中心，之后进行植入以产生所需密度的N-V中心，并且再进行植入以形成波导。一种替代方法是利用非常纯的大晶体(bulkcrystal)，所述大晶体具有或不具有所需同位素纯度的膜，进行热处理以破坏所有残留N-V中心，之后在需要的位置植入单个的、独立的N-V中心。然后，可以在所述层上生长出一个高纯度金刚石的覆盖层。波导可以在贴近N-V中心处形成并且与所述中心光耦连。在一个实施方案中，氢以条带的形式被植入所述金刚石中，之后对该结构进行热处理以产生空穴，所述空穴把金刚石带与下层的金刚石分开。所述金刚石带基本被空气包围，并被用作光波导，以把信号传入金刚石结构并从其中传出。它提供了高度独立的光信号的传入和传出，并且使得在单个的金刚石芯片上形成多通道用于光的传入和传出。此外，还可在一个光芯片上提供多种功能，例如放大、存储和计算。植入多重能量可以提供多重带，所述多重带在深度方向上各层彼此之间相分离，使得产生三维的光学上独立的量子位结构。这些结构可以显著地缩小这种装置的尺寸，因为大部分的体积都可被利用。也可形成缝波导。也应该注意到在分离的通道波导的情况下，所述波导的性质可以被改变，所述改变是通过施加热或电压循环引起所述波导在点或沿其长度升高或降低而实现。这实质上是一个完全的附加装置。这可以被应用于作为光的关闭或开启的开关，或者作为把光转移到另一通道的开关。在一个实施方案中，量子位、光开关和MEMS技术被融合到同一个芯片中，所述芯片具有芯片的附加应用模块。使用掩膜式或图案式植入(patternedimplantation)和剥离(lift-off)技术可以构建多种波导结构，例如片、板、线、盘和这些形状的多重体，所有这些形状都具有在光电装置和MEMS装置中实现调节和转换功能的可能性。也可通过设计这种波导的毗邻度和形状来构建标准开启或标准关闭的开关和组合。金刚石量子位也可与其他半导体相结合形成。金刚石可以联结到其他半导体上，例如硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅或III-IV合金。所述半导体也可以在金刚石基质上生长。金刚石和其他半导体的联结使得诸如激光、检测器和联合电路等的光电装置能够与金刚石QBIT直接结合以提供去往和来自常规源、装置和系统的输入和输出。这将为光总线提供基础，所述光总线用于常规计算机和未来基于QBIT的计算机的更高速连接。事实上，通过融合所论述的技术和方法能够发展出一整个的量子位-半导体设备(QSD)的全新家族。图2是一个金刚石的侧视截面图表示，用于说明根据一个例证实施方案的掩膜式离子植入过程，以形成一个与如上形成的量子位接近的波导。在一个实施方案中，所述量子位是一个孤立的量子位，并且所述量子位所在的位置被用来作为形成所述波导的引导物，从而所述量子位位于所述波导之中。在进一步的实施方案中，所述量子位在已经形成的波导中形成。在一个实施方案中，金刚石基质210被掩膜215覆盖。构成所述掩膜215的材料足够阻挡住所需能量水平的植入离子220。掩膜可以采用许多不同的形状，但在俯视3中显示了这样的一种形状310。在这个实施方案中，掩膜的形状是一个细长的长方形，使得在所需的深度处形成一个细长的植入225。图4是图2的金刚石210在经过离子植入和加热以在金刚石210内形成一个开放空间410之后的侧视截面图表示。开放的空间410在一条标识为420的金刚石带的一侧提供了一个低折射率区域。金刚石带420的另一侧基本上是金刚石210的顶部，这一侧可以暴露于空气，并且也具有一个相对于金刚石带420的折射率而言的低折射率。因此，金刚石带420形成一个波导。在带420中形成一个量子位430，并且所述带提供一个机械结构，该结构能够捕获所述量子位的光也能够提供去往所述量子位的光，以检测和反映出所述量子位的变化。明显地，带420可以不同的形状形成，以把光传导至需要的光源440和光检测器450上，光源440和光检测器450都可以进一步连接到处理电路上，所述处理电路在所述金刚石基质之内、之上或之外形成。光源440和光检测器450也可在各种实施方案中位于金刚石基质之内、之上或之外。可形成光纤连接或者光耦合器以将光传导到波导带420和从波导带420传导光。在一个实施方案中，应用图案式离子植入以将一种或多种原子输送到金刚石生长表面之中和之下从而形成一个植入层，所述植入层在金刚石生长面之下的一个预定深度处具有一个原子浓度峰值。在合适的条件下，在非氧化环境中加热所述组合物以引起合成金刚石结构的分离。这种非氧化的气氛通常包括其含氧浓度不足以发生氧化反应的任何气氛。这类气氛的实例包括惰性气体(如氦、氖、氩等)和其他含非氧的气体(如氢、氮等)。用来提供这种气氛的环境可以包括等离子、真空等等。在本发明的某些实施方案中，可以在所述离子植入阶段之前或同时进行多种初始步骤。一种此类步骤包括选择一种基质。当使例如单晶CVD金刚石生长的时候，这种基质可以是单晶金刚石。在选择基质时，可以为离子植入鉴别出基质的至少一个主要表面，并且任选地对其进行处理。金刚石表面的处理可以包括用于影响所述表面化学和/或物理组成的任何合适的方法，例如使用常规的抛光方法进行抛光。这样的处理可以在离子植入之前完成。通常，离子的植入是以一种方式穿过所述金刚石生长表面在一个设定的距离处均勻地流过而实现，从而植入物质层的构型本身将复制所述基质的表面轮廓。反过来，所述基质的被植入的表面上的任何缺陷典型地都将会对植入轮廓具有相应影响，包括对预定的峰值原子层的构型的影响。因此，如果所述金刚石的表面被抛光，那么实际上这些表面也基本是抛光的。基质的处理对这些缺陷的初始去除是重要的。另外，在某些实施方案中，为进行离子植入而对表面进行彻底清理，例如使用溶剂或者本领域已知的其他合适的方法，包括等离子蚀刻、气相蚀刻等等。抛光损伤可能会产生不想要的N-V中心。可以对经过抛光的金刚石的表面进行进一步蚀刻以除去这种损伤和N-V中心。离子植入通常是在高真空度、高电压和较低的电子束电流的条件下进行。如本领域已知的，离子植入通常包括使一种原子离子化的过程，接着在电场中加速各种物质，并且使加速的离子化的物质指向基质。利用各物质的运动速率被加速，它们通常穿过基质的外表面进入并驻留在所述基质中如图2中的225所示的区域。所述区域位于基质的植入层之中。在一个实施方案中，加速的物质朝向基质的角度通常是表面的法线方向或者是与表面垂直。然而，所述物质也可以一个较宽的角度范围被加速射向基质。对于给定的物质，通常通过调整电场实现植入深度。典型地，当提高电场的电压时，物质的能量会增加，这最终导致所述物质在基质中更深的植入。已充分考虑到，基质可以是各种结晶形状中的任何一种。例如，基质可以是任何预设的几何形状，包括立方体、锥体、菱形、角锥、楔形或其它几何形状，也可以是它们的平截头体。所述物质通常穿透基质的上表面直至到达基质中的一个区域，例如区域225。所述物质的峰浓度位于一个特定的深度，所述深度通常被称为是射程深度的端点。虽然所述物质仅显示在一个深度处(射程深度的端点)，但是应当理解这样作仅出于简化。在离子植入之后，所述物质通常分布于位于射程深度端点及其附近的整个区域。在离子植入开始之前，必须选择进行植入的物质。在选择一种物质的时候需要考虑许多变量，例如花费和能否获得，也要考虑该物质预期会对基质晶格产生多大的损害，如下文所述。在离子植入过程中，由于(离子化原子的)各物质打入所述基质的晶格中，晶格的被植入的部分通常发生膨胀或扩张。晶格按照这种方式的过度膨胀通常会在植入层中产生张力。因此，过度的张力可以造成植入层受损。这种损伤通常表现为所述植入层内的位错或断裂。这些位错通常可以产生不利于高品质合成金刚石生长的外基质面(例如，通过CVD产生没有缺陷或位错、或者没有明显的缺陷或位错的金刚石)。然而，晶格膨胀的方式可以通过许多方式控制，并且实际上也是依赖于这些方式。一种方式包括为植入选择一种合适的物质。在本发明的某些实施方案中，使用常规的离子植入技术把氢离子植入到一个金刚石基质中。由于氢的共价半径小，所以在植入层内仅出现少量的晶格膨胀现象。因此，在所述植入层中仅有极小的张力(和极少的损伤)。通常，随着植入物质的共价半径增加，生成这样一个有利的表面(如具有有限的缺陷或位错)的可能性变低。通常，任何物质均可用于本发明方法的离子植入，只要该物质适合于随后使植入层部分与基质分离。如此，选择物质以允许在基质中进行适合的植入。这些物质的实例包括大部分的但并非全部的原子元素(atomicelement)。在本发明的某些实施方案中，也应用基质以在其上生长一个合成的金刚石。如此，所述物质优选使得能够在所述基质中进行合适的植入以实现分离，并且使得能够在所述基质上适当地形成良好的生长表面，从所述表面上可以生长出高品质的合成金刚石。因此，选择物质以使得能够在基质中进行合适的植入而不对所述基质带来不想要的损伤。通常优选小尺寸至中等尺寸的物质(具有小尺寸至中等尺寸的共价半径)。实例包括诸如氦、锂、硼、碳、氧、磷和硫等的原子物质。然而，本方法的一些实施方案也可包括大尺寸的物质(具有大尺寸的共价半径)。在这些实施方案中，为了限制大尺寸物质的植入对基质晶格造成的损伤数量，也可考虑影响所述物质植入的其他参数，例如物质的剂量数量和物质的能级。可以通过植入物质的剂量数量来限制被植入部分的晶格损伤程入基质中的原子的面密度(原子/cm2)。例如，和使用低剂量进行物质的植入相比，如果使用高剂量进行所述物质的植入，通常在植入时会对基质造成更大的损伤。由于(离子化原子的)物质遍及整个基质移动，所以基质晶格的损伤通常在物质进入基质的射程端点附近最大化(通常称作"射程端点损伤")。反过来，射程端点的损伤程度又是那一水平下的总剂量的函数。然而，在金刚石晶体中引起分离的能力也是所述总剂量的函数。剂量水平太低，将不发生分离，而对于某个特定的实施方案过高的剂量水平，又会有过度的损伤和较差的金刚石生长。在某些实施方案中，设定的剂量数量在约lxl0e"原子/cm2到约lxl0e"原子/cm2的范围内，并且甚至更优选地，设定在约lxl0e"原子/cm2到约lxl0e"原子/cm2范围内。当植入大尺寸的物质的时候，为了限制晶格损伤，通常优选地，选择该范围的较低端的剂量。相反，当植入小尺寸到中等尺寸的物质的时候，该范围内的所有剂量通常都是适合的。另外，也可以通过改变离子植入中使用的电场的电压，来控制对金刚石生长表面的晶格损伤程度。当电场的电压升高的时候，物质的能量也升高，最终导致所述物质植入到基质中更深。反过来，也可为一种特定的物质选择能量水平，以在大约是基质的特定植入深度处植入一个峰值的物质浓度(射程深度的端点)。所述深度可以从约500埃到约20，000埃的任何位置变动。尽管可以通过降低物质的能量对所述物质的射程深度的端点进行限制，但是不应太严格地限制所述能量。在本发明的某些实施方案中，能量水平设定为在约10KeV到约10,OOOKeV的范围内，在另一个实施方案中，设定为在约50KeV到约500KeV的范围内。当植入大尺寸的物质的时候，为了限制基质的晶格损伤，可能需要选择该物质的能量在这个范围的较高端。如此，大尺寸的物质被植入到距离金刚石生长面更远的位置，从而可以把任何的晶格损伤与所述金刚石生长面分离开来。相反地，当植入小到中等尺寸的物质的时候，本方法在选择物质能量时更为自由。物质的剂量率(doserate)可以影响植入过程中基质的温度。如果所述剂量率太高，则在植入层的区域可能发生不想要的石墨化。在本发明的某些实施方案中，所述剂量率设定为在约0.05微安/cm2到约100微安/cm2范围内，在其他实施方案中，设定为在约0.1微安/cm2到约500微安/cn^范围内。在一个实施方案中，在多重水平下进行植入之后进行加热以在基质的不同水平处产生空隙。一个实例是通过在150、155和160KeV的能量水平下植入H2产生三个这种空隙。这可以提供三水平的结构(如波导)，所述结构具有潜在的相应的孤立N-V中心。根据本发明的说明，在给出有关植入物质和所使用能量的细节的情况下，本领域技术人员将领悟确定物质的射程深度的端点的方法。这种计算通常被称作TRIM(TransportofIonsinMatter)计算。参见J.P.Biersacketal.，爿Ca/7oCoiz/7i/fe/"7Vo^ra迈/"orf力e7!ra/75770i^o/"^"/7ergef/c/afls//7J迈c/7力ow517i3rgefs，Nucl.Instr.Meth.，pp.174:257(1980)，其中教导的内容通过引用的方式纳入本说明书中。更一般地也可参见J.F.Ziegleretal.，T/z^e67o/7/7//^a/7dja/geo尸/0/7S//船"er，PergamonPress,N.Y.，vol.1(1985)，其中教导的内容通过引用的方式纳入本说明书中。表1列出了在金刚石晶种作为基质的情况下，各种物质在各种能量水平下的近似的射程深度端点。不管所述金刚石晶种是HPHT、CVD还是天然金刚石，物质的射程深度端点通常保持不变。如所示，对于诸如氢等的物质当能量水平增加的时候，它的射程深度端点也增加。对于包括硼和碳在内的物质在约200keV的能量水平下进行计算，证明随着物质的原子直径的增加，相应的射程深度端点减小。另外应该注意到，为了达到类似的射程深度端点(如1900埃到2000埃)，使用碳作为植入物质的时候，能量水平相比于氢将需要扩增4倍。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>在非氧化的气氛中对所述金刚石组合物进行热处理。可以通过任何合适的方法进行热处理，包括辐射、传导或对流源，所有这些方法都是本领域普遍已知的。通常，加热处理的温度范围优选设定在约1100""C到约1800-C的范围内，更优选地，约1100。C到约1500°C。合适的气氛与温度水平的结合可以提供一个理想的环境，以引起合成金刚石和植入层部分的自发分离。图5是一个金刚石的侧视截面图表示，用于说明根据一个例证实施方案的用于形成一个悬臂的掩膜式离子植入过程。在这个实施方案中，用一个第一掩膜形成一个大体为矩形的区域，该区域将最终限定一个孔穴的大小，所述空穴中悬臂将会被释放而自由运动。如可以看到的，也可使用不同于矩形的形状。根据所需元件的尺寸，植入深度可发生变化，从而在悬臂之下的整个区域中和到悬臂的面植入足够密度的离子，以使得一旦所述悬臂被释放而运动时有足够的运动。因此，所述掩膜至少稍微地延伸过所述悬臂的边缘和释放端。在进行离子植入形成所述空穴的基础之后，使用一个新的掩膜，如图6所示，图6是根据一个例证实施方案的用来形成一个悬臂的离子植入掩膜600的俯视图。这个掩膜使得植入达到悬臂的面并且通过所述悬臂的释放端，而通过突出部分610限定悬臂本身的形状。使用这个掩膜时所采用的植入的能量水平，设计成能够把足够密度的离子植入到所述悬臂的面和释放端。这个植入可以是不同深度的植入，所述深度是从金刚石基质表面到悬臂下限定的空穴。因此，在非氧化环境中加热释放悬臂如图7所示，图7是根据一个例证实施方案的释放的悬臂束710的侧视截面图表示。或者，也可在边缘进行碳植入并且通过加热、电解或氧化酸来氧化以进行刻蚀，从而进行释放。在一个实施方案中，在释放的时候，悬臂束710容易往上弯曲。可以在悬臂束释放之前或者之后进行更高水平的进一步的植入。根据深度和密度，这种植入将会通过压缩表面而使所述悬臂开始变直，并且如果继续进行，则实际上可导致所述悬臂束向下弯曲。如可在形成悬臂束710中看到的，通过使用一个或多个掩膜和不同深度的多重植入以除去需要去除的物质，可以制造许多其他的三维结构。这些结构也可以在酸溶液中进一步清洗，以去除植入到金刚石材料中的不需要的残留物。所述结构可用于许多不同的应用，包括具有普遍应用领域的NEM和MEM装置。这些装置可作为传感器和其他机械装置，所述其他机械装置具有广泛的不止限于量子位装置的多种应用，例如医疗器械。图8是一个掩膜的金刚石的側视截面图表示，所述掩膜的金刚石用来根据一个例证的实施方案形成光学结构。在一个实施方案中，掩膜800包含具有一个或多个多重圆形开口810的阵列。在需要的深度进行植入之后经过加热形成一个圆盘样空隙910的阵列，如图9所示，图9是图8金刚石的俯视截面图。在一个实施方案中，圆盘样空隙910可作为一个泵(pump)或光偏转器。当在金刚石的表面附近形成的时候，所述金刚石的面轻微地起泡。这些泡可产生光散射效应(opticalfringeeffect),包括色彩的改变。在一个实施方案中，圆盘的直径约500nm。可容易地形成其他形状和大小。在一个实施方案中，可以使用其他掩膜和进一步的植入以完全地释放每个圆盘样空隙之上的金刚石，从而制造小的类似于透镜的结构。这样的结构可以具有依赖于植入水平的需要的厚度。在一个实施方案中，透镜约50um厚，形成一个校准器或滤光器。应该注意到，除了使用不同深度的植入和加热以释放透镜之外，也可利用激光和用于释放透镜的其他方法。在某些实施方案中，使用小于l認的厚度。所述厚度也可以是包括有这样结构的光学设备的所需操作波长的函数。依照37C.F.R.§1.72(b)的要求提供说明书摘要，以使读者可以迅速领会本技术公开内容的实质和要点。提交摘要的同时，应理解它并非用来解释或限制权利要求的范围和意义。权利要求1.一种装置，所述装置包括一个单晶金刚石层；一个在所述单晶金刚石层中形成的波导；和一个与所述波导光耦连的独立的N-V中心。2.根据权利要求l的装置，其中所述独立的N-V中心在所述波导内部。3.根据权利要求l的装置，其中所述独立的N-V中心与具有磁自旋的其他元素分离开至少大约2微米。4.根据权利要求l的装置，进一步包括耦接到所述波导的一个光源和一个光检测器。5.—种方法，所述方法包括形成一个金刚石基质；在所述金刚石基质上制造一个CVD金刚石的薄层，所述薄层具有独立的N-V中心，从而至少一部分N-V中心不与具有磁自旋的其他元素邻近。6.根据权利要求5的方法，其中形成的所述CVD金刚石的薄层具有最少量的13C。7.根据权利要求5的装置，其中所述独立的N-V中心与具有磁自旋的其他元素分离开至少大约2微米。8.根据权利要求5的装置，还包括形成CVD金刚石的进一步的薄层，所述薄层具有被高纯度的CVD金刚石层分离开的独立N-V中心，所述高纯度的CVD金刚石层具有最少量的磁自旋元素。9.根据权利要求8的装置，进一步包括确定所述独立的N-V中心的位置；和形成与不同CVD金刚石薄层中已定位的独立的N-V中心光耦接的波导。10.—种方法，所述方法包括形成一种具有最少量磁自旋元素的CVD金刚石；和在所述CVD金刚石中选择性地形成独立的N-V中心。11.根据权利要求10的方法，进一步包括形成一个波导，从而一个独立的N-V中心光耦接到所述波导。12.根据权利要求10的方法，其中在选择性地形成独立的N-V中心之前，对所述CVD金刚石进行热处理以除去具有磁自旋的元素。13.根据权利要求10的方法，其中所述独立的N-V中心是通过形成一个具有受控的氮含量的CVD金刚石薄层而形成的。14.根据权利要求13的方法，其中所述N-V中心的独立性是形成的CVD金刚石薄层的厚度和氮的量的函数。15.根据权利要求14的方法，其中一个更薄的CVD金刚石薄层可能具有高度的独立性。16.根据权利要求10的方法，其中所述N-V中心与具有磁自旋的其他元素分离开至少大约2微米。17.根据权利要求10的方法，其中所述N-V中心的密度是大约10ppb。18.根据权利要求10的方法，所述N-V中心的密度显著低于10ppb。19.一种装置，所述装置包括一个单晶金刚石层；一个在所述单晶金刚石层中形成的波导；和一个与所述波导光耦接的独立的N-V—中心。20.根据权利要求19的装置，其中所述独立的N-V—中心在所述波导内部。全文摘要以一种受控的方式形成金刚石的N-V中心。在一个实施方案中，使用一种CVD方法形成一个单晶金刚石，然后进行退火除去N-V中心。然后形成一个具有受控数量的N-V中心的单晶金刚石薄层。所述N-V中心形成应用于电子电路中的量子位。掩膜式的和受控离子植入与退火一起被应用于CVD形成的金刚石中以形成一些结构，所述结构被应用于光学领域中和纳米机电装置的形成中。形成的波导可以光耦接到所述N-V中心并且进一步耦接到光源和光探测器上以与所述N-V中心相互作用。文档编号H01L21/203GK101223630SQ200680025412公开日2008年7月16日申请日期2006年7月11日优先权日2005年7月11日发明者A·詹尼斯,B·里纳雷斯,P·J·多林,R·C·里纳雷斯,W·德罗米肖瑟申请人:阿波罗钻石公司