本发明涉及使用化学气相沉积(cvd)技术制造光学品质合成聚晶金刚石材料。特别地，本发明涉及制造聚晶cvd金刚石晶片，其具有低本体吸收系数，并且其还具有低微特征密度。
背景技术：
用于合成金刚石材料的化学气相沉积(cvd)法现在在现有技术中是公知的。涉及化学气相沉积金刚石材料的可用的背景信息可以在journalofphysics的特刊：condensedmatter,第21卷,第36期(2009)中找到，该特刊专注于金刚石相关技术。例如，r.sbalmer等人的综述文章提供了cvd金刚石材料、技术和应用的全面概述(参见“chemicalvapourdepositionsyntheticdiamond:materials,technologyandapplications”j.phys.:condensedmatter,第21卷,第36期(2009)364221)。
金刚石材料可用作光学元件，因为其具有从紫外到红外的广谱光学透明度。金刚石材料具有超出其它可能的窗口材料的额外优点，因为其在机械上是牢固的，在化学上是惰性的，并且是生物相容的。例如，金刚石材料的惰性使其成为用于反应性化学环境的优异选择，在所述化学环境中其它光学窗口材料将不适合。此外，金刚石材料具有非常高的导热性和低热膨胀系数。因此，金刚石材料可用作高能束应用中的光学元件，在该应用中该元件往往被加热。金刚石材料将会快速传导热以冷却发生加热的区域，以防止特定位置处的热积聚，例如当高能束穿过该材料时。在加热该材料的程度上，金刚石材料的低热膨胀系数确保了该元件不会过度变形——该变形可能在使用中引发光学和/或机械问题。
制造聚晶cvd金刚石光学元件的一个难题是在cvd生长过程中，如下文所讨论的那样，缺陷和/或杂质如氮、硅和非金刚石碳混入该金刚石材料中。
大气氮通常作为杂质存在于源工艺气体中，并还可能作为残余杂质存在于cvd反应器部件中，例如由于不完美的真空密封和/或残余缺陷和/或吸附到cvd反应器内表面上的杂质(其可能在使用过程中解吸)。此外，在合成金刚石生长过程中常常有意将氮气引入cvd合成气氛以提高生长速率。但是，向合成金刚石材料中混入氮可不利地影响该材料的光学和热性能特性。因此，可以在cvd合成气氛中提供足够的氮以影响诸如生长织构(texture)的因素同时限制混入正在生长的固体cvd金刚石材料中的氮的量之间取得平衡。设备和工艺条件可能影响cvd合成气氛中的氮混入正在生长的固体cvd金刚石材料的速率。
硅缺陷和/或杂质可能来自于cvd反应器中的硅基元件。例如，石英窗或钟罩通常用于将微波耦合到等离子体室内和/或将等离子体和工艺气体约束在衬底生长表面附近以实现cvd金刚石生长。此类含硅石英元件在使用中暴露于来自等离子体的极端温度，这可导致来自这些组分的硅被混入该合成金刚石材料中。设备和工艺条件可能影响硅混入正在生长的固体cvd金刚石材料中的速率。硼也是反应器和衬底材料中常见的杂质，其可能影响金刚石织构、生长速率和材料品质。
在cvd金刚石生长过程中，非金刚石碳(例如sp2杂化石墨碳)不可避免地沉积在该衬底的生长表面上。原子氢对cvd金刚石生长过程是至关重要的，因为其从衬底上选择性蚀刻掉非金刚石碳，使得金刚石生长占主导地位。但是，这种选择性腐蚀过程通常不能除去所有沉积的非金刚石碳，此类材料因此变成混入cvd金刚石材料中形成缺陷。设备和工艺条件可以影响非金刚石碳混入正在生长的固体cvd金刚石材料的速率。
有鉴于此，显然必须仔细地选择和控制设备配置和工艺条件以确保cvd生长过程中混入该合成金刚石材料的缺陷和/或杂质的水平对高性能光学部件而言极小。
除了控制绝对杂质水平之外，还重要的是确保控制杂质吸收的均匀性以获得具有一致的性能特性的产品。就跨生长表面的杂质吸收速率的空间变化和生长作业中杂质吸收速率的时间变化而言，均匀性是一个问题。例如，在生长表面上物理和/或化学工艺参数的不均匀分布可导致跨合成聚晶金刚石晶片和贯通晶片厚度的杂质吸收速率方面的空间变化。此外，当合成聚晶金刚石晶片生长时，晶粒尺寸提高，合成聚晶金刚石晶片中晶粒之间的边界尺寸也提高。当合成聚晶金刚石晶片生长得更厚时晶粒和晶粒边界的尺寸提高导致在增大的晶粒边界中缺陷和/或杂质吸收的速率提高，这可导致提高的缺陷浓度和/或贯通合成聚晶金刚石晶片厚度的缺陷和/或杂质。
除了上述问题之外，在合成聚晶金刚石晶片上生长速率的变化可导致杂质吸收的变化。例如，当生长速率提高时，在非金刚石碳被包封在合成聚晶金刚石晶片中之前可用于从生长表面上蚀刻非金刚石碳的时间降低。此外，生长速率的变化也导致厚度的变化，这可导致cvd生长过程完成后在冷却时合成聚晶金刚石晶片的应变和开裂。生长速率的变化可能由跨生长表面的等离子体的不均匀性和在其上生长合成聚晶金刚石晶片的衬底的温度的不均匀性引起。
尽管存在上述问题，迄今为止已经能够制造直径高达100毫米和厚度1毫米的高光学品质聚晶金刚石晶片。但是，制造具有高光学品质的更大和/或更厚的聚晶金刚石晶片更为困难。虽然已经能够制造更大和/或更厚的聚晶金刚石晶片，但这些通常在吸收系数、散射、透射波前等方面具有较低的光学品质。此类晶片不能满足特定商业应用的需要，其需要相对厚和有时相对大直径的极高光学品质的合成聚晶金刚石窗。例如，某些极高功率的激光束应用需要>60毫米直径、>1.2毫米厚的通光孔径、光学等级的聚晶金刚石激光窗，其能够处理所涉及的极端功率密度。具有相关光学特性的聚晶金刚石激光窗可以以较小的尺寸和厚度获得。但是这些尺寸和厚度对特定应用而言不够高。还需要此类聚晶金刚石窗用作抗辐射窗。
elementsix先前已经提交了多项专利申请，其涉及微波等离子体活化cvd反应器硬件和用于以相对大的面积和相对高的生长速率获得单晶和聚晶cvd金刚石材料的高质量、厚cvd金刚石生长的cvd金刚石合成方法。这些专利申请包括了描述微波等离子体室的结构与几何形状的某些方面(例如wo2012/084661，其描述了使用紧凑型tm011共振模式等离子体室配置，和wo2012/084657，其描述了提供由等离子体室侧壁突出的等离子体稳定环)、微波功率耦合配置的某些方面(例如wo2012/084658，其描述了向多个微波等离子体反应器提供微波功率的微波功率输送系统，和wo2012/084659，其描述了一种微波耦合配置，其包含环形电介质窗、同轴波导和包含多个以环形配置布置的孔以便将微波耦合至等离子体室的波导板)、衬底制备、几何形状和微波等离子体室中的温度控制配置的某些方面(例如wo2012/084655，其描述了如何制备、定位和控制微波等离子体反应器中的衬底参数以实现期望的电场和温度曲线)和微波等离子体室中的气体流动配置和气体流动参数的某些方面(例如wo2012/084661，其描述了具有多喷嘴气体入口阵列的微波等离子体反应器，所述多喷嘴气体入口阵列具有期望的几何构造以便在大面积上实现均匀的金刚石生长，和wo2012/084656，其描述了使用高气体流速和注入具有期望的雷诺数的工艺气体以便在大面积上实现合成金刚石材料的均匀掺杂)的专利申请。
前述cvd反应器技术能够在大的生长面积上生成均匀的等离子体，并可以在大的生长面积上以高微波功率密度、高压力和高气体流速跨整个生长衬底提供精确和均匀的温度管理。采用这种微波等离子体反应器技术，可以在合适的衬底如硅、碳化硅或硅烧结金刚石晶片或碳化物成型耐火金属盘上通过化学气相沉积来生长聚晶金刚石晶片。此类聚晶cvd金刚石晶片在其原生形式通常是不透明的，但是可以通过抛光晶片表面以减少光学散射以使其透明，并制造用于光学应用的透明聚晶金刚石窗。
elementsix还描述了使用前述微波等离子体反应器技术以制造厚的(例如至少1.3毫米)、大面积(例如至少70毫米直径)的合成聚晶金刚石窗，其在基本全部(例如至少70％)的窗面积上具有极高的光学品质。例如，wo2013/087702和wo2013/087797描述了此类工艺和产品。
在将聚晶cvd金刚石晶片生长至大厚度时发现的一个问题在于，虽然有可能控制生长过程以获得低吸收系数材料，但当其生长至超过800微米的厚度，特别是1毫米或更大的厚度时，在该材料中形成呈现深色的微小裂纹形式的多个微特征，这在厚度较低的材料中并不存在。跨聚晶cvd金刚石晶片，此类微特征的尺寸和分布不等。通常，它们的尺寸为0.002mm2至0.1mm2，并可以使用光学显微镜或简单的目视检查检测为黑色特征。当聚晶cvd金刚石材料生长至超过1毫米的厚度时，可能形成数百或甚至数千此类深色微特征。图1是包含多个微特征的厚聚晶cvd金刚石晶片的生长面的示意性平面图。应当注意，这些微特征仅在生长0.8至1毫米后才在该聚晶cvd金刚石晶片的生长表面处开始出现。
此类微特征对新的高功率激光器窗是一个问题，特别是对于极高束应用如极端紫外线光刻(euvl)泵浦系统。该微特征可引起超出固有(intrinsic)吸收和金刚石材料中点缺陷(如氮)造成的吸收的额外吸收。该微特征还可以引起超出聚晶cvd金刚石因其晶粒结构而造成的其固有散射的额外的光学散射。此外，已经发现，当微特征破坏聚晶cvd金刚石晶片的外表面时，这可在研磨和抛光晶片以制造适用于光学窗的表面光洁度(surfacefinish)时导致难以进行表面加工。例如，该晶片可能在微特征位置处优先被加工，导致在表面形成点蚀坑和表面光洁度的平整度与粗糙度降低。这种点蚀还可在向该金刚石窗施加光学涂层，如抗反射涂层时导致问题。此外，这种点蚀与表面和近表面微特征可在向光学元件施加表面图案，如衍射光栅、波带片或抗反射蛾眼型表面光洁度时导致问题，如wo2014135544和wo2014135547中所述。
有鉴于此，本发明的实施方案的目的是解决这一问题并提供厚的聚晶cvd金刚石晶片，其具有低本体吸收系数和低微特征密度。
技术实现要素：
根据本发明的第一方面，提供了一种聚晶化学气相沉积(cvd)金刚石晶片，包括：
直径≥40mm；
厚度≥1.0mm；
在10.6μm处吸收系数≤0.1cm-1；和
符合以下规范的微特征密度：
在0至20毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的中心区域中，存在不超过100个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不超过50个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，不超过25个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征，以及
在20至40毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的外部区域中，存在不超过200个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不超过150个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，不超过100个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征。
本发明的实施方案由此提供了聚晶cvd金刚石晶片，其结合了相对大的直径和厚度以及低本体吸收系数和低微特征密度。已经发现，高功率应用可容忍的微特征的数量取决于微特征的尺寸和位置。较小的微特征与较大的微特征相比问题较小。此外，聚晶cvd金刚石晶片的周边区域中的微特征比位于晶片中心区域的微特征的问题要小。
附图概述
为了更好地理解本发明和显示本发明如何实现效果，将仅参照附图通过实施例来描述本发明的实施方案，其中：
图1是包含多个微特征的厚(>1毫米)聚晶cvd金刚石晶片的生长表面的示意性平面图。
具体实施方式
在wo2012/084661、wo2012/084657、wo2012/084658、wo2012/084659、wo2012/084655、wo2012/084661和wo2012/084656中提供了合适的微波等离子体反应器技术的细节。此外，wo2013/087702和wo2013/087797描述了对这种微波等离子体反应器技术的改进及其在制造厚的、大面积的聚晶cvd金刚石晶片中的用途。
在wo2013/087702和wo2013/087797中均提及了黑斑形式的微特征。表明了聚晶cvd金刚石晶片优选具有不大于1mm-2、0.5mm-2或0.1mm-2的平均黑斑密度和/或使得在任意3mm2区域内存在不超过4、3、2或1个黑斑的黑斑分布。但是，已经发现难以提供结合了相对大的直径和厚度以及低本体吸收系数和低微特征密度的聚晶cvd金刚石晶片。因此，在wo2013/087702和wo2013/087797之后的研究工作集中于改变聚晶cvd金刚石生长条件以制造具有低本体吸收系数和低微特征密度的厚的聚晶cvd金刚石晶片。此外，对微特征的尺寸和位置如何影响功能性能的更多了解已经导致产品规范从聚晶cvd金刚石晶片的基础微特征密度和分布标准改变为发明概述部分所示的规范，其考虑了在聚晶cvd金刚石晶片上的微特征的尺寸和位置。
已经发现，通常将氮添加到cvd生长室可以有助于减少厚的聚晶cvd金刚石材料中微特征的密度。但是，氮本身显著导致该聚晶cvd金刚石材料的光学吸收。因此，已经发现，必须在添加足够的氮以降低微特征密度且同时不添加过多的氮以致于过度提高光学吸收之间取得平衡。也就是说，对合成厚的光学等级聚晶cvd金刚石材料，可以确定气相氮浓度窗口，这在厚的聚晶cvd金刚石产品材料中来自氮的吸收和来自微特征的吸收之间取得最佳折衷。该氮窗口已经发现为每十亿份400至550份(ppb)、更优选425至460ppb的cvd合成气氛中的氮，如由光学发射光谱(oes)测量结果计算和/或基于输入气流计算的那样。
在合成过程中平衡气相中的甲烷和氮浓度也是重要的。使用相对低的甲烷浓度，否则添加到合成过程中的氮将导致更高的生长速率、更低品质的聚晶cvd金刚石产品晶片。例如，在主要生长阶段过程中，可以控制cvd合成气氛以具有0.8至1.5％的甲烷浓度。一种选择是在金刚石生长的成核阶段过程中采用较高的甲烷浓度，随后降低主要生长阶段的甲烷浓度。这确保了良好的成核，同时也确保了在主要生长阶段过程中甲烷浓度不会太高。甲烷浓度在主要生长阶段过程中可以以逐步或连续的方式进一步降低以便在聚晶cvd金刚石材料生长得更厚的同时保持其品质。
作为在成核过程中加入较高浓度的甲烷并随后在主要cvd金刚石生长阶段过程中减少甲烷的补充或替代，还已经发现有利的是在成核过程中添加更高浓度的氮并随后在主要金刚石生长阶段过程中降低氮浓度。例如，在金刚石成核过程中在cvd合成气氛中可以提供2至8ppm的氮，随后在主要金刚石生长阶段中氮水平降低至400至550ppb的水平。
作为在金刚石成核阶段过程中使用更高氮和/或甲烷浓度并随后在主要金刚石生长阶段过程中降低该浓度的替代或补充，有利的是提供以下的一种或多种：
阶梯式或连续地降低衬底温度(通过对该衬底调节温度控制系统)；
阶梯式或连续地降低对生长室的微波功率输入(通过调节微波功率源)；和
阶梯式或连续地提高生长室中的压力(通过调整气流)。
再一次，在生长作业过程中调节这些参数有助于在聚晶cvd金刚石材料生长得更厚时保持其品质。本说明书中稍后所描述的实施例采用了在聚晶cvd金刚石晶片生长过程中逐步降低衬底温度、逐步降低功率和逐步提高压力的组合。
除了成核化学之外，成核温度是已经发现影响厚的聚晶cvd金刚石晶片中微特征形成的另一因素。这是令人惊讶的，并且多少有些反直觉，因为微特征仅倾向于在聚晶cvd金刚石生长800μm至1mm后形成。在这种情况下，人们不会预期这种现象对金刚石生长开始时在成核阶段过程中的条件特别敏感。但是，本发明人已经发现，随后在生长作业进程中微特征形成受生长进程开始时成核过程中的条件的影响，并且有利的是在升高至完全生长条件之前在较低的温度下引发成核。例如，功率和压力初始可以升高至低于主要生长条件的中间阶段，引入甲烷以引发成核，随后可以进一步提高功率和压力至完全生长条件。例如，可以在550℃至650℃的衬底温度下添加甲烷，可以在800℃至840℃的中心衬底温度下发生成核，随后升温至875℃至920℃的起始生长温度。可以使用在2.2微米下操作并假定发射率为0.9的经校准的光学高温测量技术来测量衬底温度。就添加甲烷、成核和主要生长阶段发生时的确切温度而言可能存在变化。重要特征在于在明显低于厚的聚晶cvd金刚石晶片的主要金刚石生长温度的温度下添加甲烷并发生成核。
此外，在生长过程中，该聚晶cvd金刚石晶片的边缘温度低于中心温度，温度差在60℃以内。如wo2013/087702和wo2013/087797中所述在该衬底下方使用气隙和可调节的气流，并提供设置在衬底周围的金属温度调节环，由此来控制温度。与生长过程中的绝对起始温度相比，如前所述的衬底温度的阶梯式降低相对小。例如，该衬底温度在聚晶cvd金刚石生长过程中可以以三个20℃的步骤降低。
在聚晶cvd金刚石生长过程中采用高功率、压力和气体流速。例如，总气体流量可以为2800标准立方厘米/分钟(sccm)至3700sccm。这可以包括2500至3500sccm的氢流速、25至50sccm的甲烷流速、任选20至50sccm的氩、以及添加至400至550ppb的浓度的氮。微波功率可以为25至28kw，压力可以为180至220torr。再次，与绝对起始值相比，生长过程中这些参数的阶梯式变化相对小。例如，压力在生长过程中可以升高5至10torr，而功率在生长过程中可以降低1至2kw，以便在聚晶cvd金刚石材料生长达到和超过1毫米厚度时保持其品质。
选择上述合成参数以控制聚晶cvd金刚石材料的生长织构，同时保持用于光学应用的固有材料品质。重要的是要理解，如下文讨论的那样，聚晶cvd金刚石生长早期阶段中的材料织构对聚晶cvd金刚石生长后期阶段中的材料品质有着显著的影响。
在名义上透明的聚晶cvd金刚石生长至更大厚度(通常>1毫米厚)时，缺陷吸收和晶间竞争的现象及其所得应力开始影响该材料的美学外观和潜在的光学性能。对此的主要贡献是在后继生长中形成微特征。对本说明书而言，微特征是使用本说明书中下文所述的微特征密度测量方法检测和计数的暗斑。在关于微特征究竟是什么的物理解释方面，一个定义是微特征是微裂纹的集群。微裂纹可以引起反射，导致高角度散射，并且在它们含有非金刚石碳时提高光学吸收。也就是说，微特征可以由连续的金刚石结构中的微观裂纹的离散网络构成，其内部面装饰有非金刚石碳。这些特征在用于如本文中文献所述成像和分析它们的条件下似乎是不透明的。
还不知道微特征是否随着材料生长而发生，或它们是否是由于从生长条件至大气温度与压力的冷却过程的结果，但是它们存在于所有足够厚度的名义上透明的cvd金刚石膜中，已知的是对给定的材料类型，微特征的数量密度和尺寸分布随着材料厚度和生长速率而提高。随着提高的生长速率和厚度，微特征的数量和微特征尺寸的分布提高，最终达到这样的程度：对于快速生长，厚的cvd金刚石(例如>3.0毫米厚)，微观裂纹的离散的簇聚集成视觉上连续的微观裂纹网络。在历史上，对给定的金刚石膜厚度，通过减缓生长速率，降低晶间竞争的活跃性(aggressiveness)来延迟此类特征的发生。
cvd金刚石膜成核并开始早期生长，每平方毫米存在数千个晶粒，但是晶粒与其相邻晶粒之间不同的相对横向和垂直生长速率导致局部粒料对空间的竞争和金刚石膜的晶体特性的演变，最终朝向单一的、主要的晶体织构。特定生长方向的消失和生长较慢的相邻晶粒的过度生长对生长中的膜而言是应力释放的主要来源，但是在随后的生长中，随着生长方向的分布变窄，应力释放机制渐渐不可用。单一主导织构和该织构由成核处的近随机分布演变为纯织构时的速率取决于不同结晶方向的相对生长速率，由用于生长的合成参数决定，即[n]/[c]/衬底温度/功率密度/室压力。
但是，已经观察到，当生长中的顶面的整体织构倾向于100％<110>取向(垂直于衬底表面)时，分离的、大的微特征的第二分布开始出现。这种类型的特征缺乏美观，在抛光过程中比常见的较小的微特征更易于开裂和破碎，并会导致降低的光学性能。该<110>生长织构倾向于在生长较缓慢的晶片中更快占据主要地位，这可以被假定为具有更高的光学品质。
在金刚石生长足够慢以保持光学吸收和在较厚材料(～1.5毫米厚)中引发足够少的较小微特征的两种情况之间存在参数窗口，但是所得织构演变速率是有限的，使得具有<110>生长方向的晶粒的比例不能达到引发分离的、大的微特征的形成所需的水平。在该参数窗口任一侧上的金刚石生长将导致材料不适用于苛刻的光学应用，如极端紫外线光刻法(euvl)。也就是说，使用经过优化以获得具有低光学吸收和低浓度的小的微特征的聚晶cvd金刚石材料的生长工艺在生长至高厚度时导致形成大的微特征。相反，使用经优化以获得在生长至高厚度时具有低浓度的大的微特征的聚晶cvd金刚石材料的生长工艺获得了具有更高的光学吸收和更高浓度的小的微特征的材料。重要的是要注意到，存在两种不同类型的微特征(小的和大的)，其以不同方式受生长条件改变的影响。本文中所述的生长参数代表了参数空间中获得具有低光学吸收、低浓度的小的微特征和低浓度的大的微特征的聚晶cvd金刚石材料的窗口。
采用前述方法，可能制造包括以下的聚晶cvd金刚石晶片：
直径≥40mm、≥50mm、≥60mm、≥70mm、≥80mm、≥90mm或≥100mm(任选小于150mm、130mm或110mm)；
厚度≥1.0mm、≥1.1mm、≥1.2mm、≥1.3mm、≥1.4mm或≥1.5mm(任选小于2mm)；
在10.6μm处的吸收系数≤0.1cm-1，更优选≤0.09cm-1、≤0.08cm-1、≤0.07cm-1或≤0.06cm-1(任选不小于0.03cm-1)；和
符合以下规范的微特征密度：
在0至20毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的中心区域中，存在不超过100个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不超过50个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，不超过25个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征，以及
在20至40毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的外部区域中，存在不超过200个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不超过150个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，不超过100个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征。
优选地，该聚晶cvd金刚石晶片满足如下对微特征密度的更严格的标准：
在0至20毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的中心区域中，存在不超过50个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不超过10个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，不超过5个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征，以及
在20至40毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的外部区域中，存在不超过100个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不超过20个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，不超过10个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征。
虽然有利的是在聚晶cvd金刚石晶片上的任何位置处具有零个任意尺寸的微特征，许多晶片仍将具有少量微特征，但是完全在可容许的规范内。例如，可以如下限定微特征密度的下限：
在0至20毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的中心区域中，存在不小于5个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不小于1个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，0个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征，以及
在20至40毫米半径的聚晶cvd金刚石晶片的外部区域中，存在不小于10个尺寸为0.002至0.008mm2的微特征，不小于2个尺寸为0.008至0.018mm2的微特征，0个尺寸为0.018至0.05mm2的微特征，和0个尺寸为0.05至0.1mm2的微特征。
当然，在0至40毫米半径区域内的任何地方也应当存在零个大于0.1mm2的微特征。在40毫米半径区域之外，可以容忍更多微特征，因为在使用中仅有晶片的中心区域设置在光路中。
该聚晶cvd金刚石晶片还可以具有以下特性的一种或多种：
至少1900wm-1k-1、优选至少2000wm-1k-1(任选不超过2200wm-1k-1)的导热率；
在聚晶cvd金刚石晶片的生长面处于张力状态的情况下至少400mpa(任选不超过1000mpa)的断裂强度，在聚晶cvd金刚石晶片的成核面处于张力状态的情况下至少800mpa(任选不超过1400mpa)的断裂强度；和
在前表面和后表面抛光至小于15nm的均方根粗糙度的情况下，对1毫米至1.5毫米的样品厚度，在10.6μm处在前半球中的总积分散射不超过1％、0.5％或0.1％。
该聚晶cvd金刚石晶片还可以具有通过epr测得的500至600ppb的氮浓度(ns0)。
除了如本文中所述的聚晶cvd金刚石厚晶片的改进的光学性能之外，微特征的减少还允许更容易地将这种晶片表面处理至高平坦度和低粗糙度，而不具有在加工期间导致在晶片中形成大点蚀坑的微特征。例如，聚晶cvd金刚石晶片可以加工至具有不大于40nm、20nm或10nm的表面粗糙度，而不具有在加工表面中形成大的点蚀坑的微特征。此外，可以在聚晶cvd金刚石晶片的表面中或表面上容易地形成抗反射或衍射结构。
测量技术
吸收系数
激光量热法是测量低损耗材料和光学元件的吸收率的精选方法。这种测量方法的细节可以在testmethodforabsorptanceofopticallasercomponentsiso/fdis11551,internationalorganisationforstandardisation,geneva(1995)和g.turri等人,opticalabsorption,depolarization,andscatterofepitaxialsingle-crystalchemical-vapor-depositeddiamondat1.064μm,opticalengineering46(6),064002(2007)中找到。激光量热法涉及测量暴露于已知功率一段固定时间的试样的时间依赖性的温度升高和下降。由试样的温度响应的分析，可以确定吸收率a，其中a定义为被试样吸收的入射激光功率的分数。当吸收系数α与样品厚度d的乘积远小于一时，α≈a/d。这种近似对光学品质聚晶金刚石是合理的。此外，光学品质聚晶金刚石通常用于以10.6μm运行的co2激光光学器件。使用10.6μm的co2激光线进行激光量热法测量因此特别适于本发明。如下制备用于量热法的试样。首先，将晶片的生长面和成核面研磨并抛光至均匀的所需厚度。从成核面抛光掉最少20μm以除去在合成的成核阶段过程中可混入的任何污染。接着，从抛光的晶片上激光切削一系列量热法试样。这些试样在两侧上进一步抛光至<15nm的rms粗糙度。
抗张强度
可以使用不同的技术进行材料的强度测试，这些技术均有其优点与缺点。这些是本领域技术人员公知的。一种强度测试方法是所谓的三点弯曲试验。在philosophicalmagazine第83卷,第36期,4059-4070(2003),strengthoffree-standingchemicallyvapour-depositeddiamondmeasuredbyarangeoftechnologies,a.r.davies,j.e.field,c.s.j.pickles中详细描述了将这项技术应用于聚晶金刚石试样。如下制备原生的cvd晶片用于三点弯曲测试。首先，将晶片的生长面研磨和抛光至均匀的所需厚度。接着，从抛光晶片上激光切削一系列40个横向尺寸为18mm×2mm的矩形强度试样。跨整个晶片提取这些试样以提供均匀的试样。在其中成核面处于张紧状态的前20个样品上和在其中生长面处于张紧状态的第二20个样品上进行三点弯曲测试。通过计算各样品组的算术平均值来确定成核面和生长面的平均强度。
微特征密度
已经设计了用于分析加工过的聚晶cvd金刚石晶片的特定区域内的微特征密度和尺寸分布的部分自动化方法。准备和图像捕获过程中的清洁度至关重要，因为污染、灰尘和纤维会使测量结果偏斜。
样品准备：
·该聚晶金刚石晶片必须在两个面上均进行平整和抛光。如果在测量中包括由研磨阶段残留的任何表面织构，该程序将给出微特征密度的不准确的表示。
·在抛光后，应彻底清洁该晶片，使得表面没有颗粒、残留的胶水或其它污染物。
图像捕获：
·将清洁、无灰的晶片居中放置在高分辨率成像系统(在理想情况下，每英寸≥4800×4800个像素，或每毫米189×189个像素)的干净平台上，具有明场、透射模式照明。
·在预览并将图像裁剪至所需区域后，采用下列参数捕获图像：
8位灰度(256色)
高分辨率(每英寸4800×4800个像素)
传输模式
捕获的图像保存为.giff文件
图像分析
·将全分辨率8位.giff文件上载到图像分析软件套件(例如imagej)中。
·根据捕获图像时使用的程序，应用图像缩放(像素/英寸或像素/毫米)。
·可以裁剪原始图像以分离该晶片的特定区域。如果需要的话，这些可以进行单独分析。
·对各个裁剪的图像，应用灰度阈值处理(thresholding)以便从透明背景中隔离微特征(较暗的、不透明的区域)。
·将各阈值像素或其簇(微特征)作为“颗粒”来处理，并根据像素数计算颗粒的数量以及它们的面积。
·各裁剪图像的输出数据包含颗粒列表，各自具有其相关的面积测量值(mm2)
统计分析：
·对各裁剪图像，将颗粒面积列表复制到数据处理软件包(如msexcel电子表格模板)中。
·根据数据铺展或任何预先确定的规范，将实测的颗粒面积的整个列表编译成具有适当间隔的柱的直方图。
导热率
使用已经证明的导热率与ftir吸收光谱的chx分量之间的关系，在厚的金刚石晶片中测量导热率。这种关系描述在twitchen等人的“thermalconductivitymeasurementsoncvddiamond”,diamondandrelatedmaterials,10(2001)731-735中。金刚石窗的ir光谱的2760cm-1至3030cm-1区域中的chx分量的积分面积，一旦用线性基线校正，就已显示与金刚石的导热率定量相关。
光学散射
使用能够收集相对于入射光束在≥2.5°的角度处的前向散射光的所谓coblentz球来测量向前方向上的总积分散射。该技术描述在j.c.stover,opticalscattering:measurementandanalysis,spiepressmonograph(1995)中。10.6μm的co2激光线用于这些测量。如下制备用于散射测量的测试试样。首先，将晶片的生长面和成核面研磨和抛光至均匀的所需厚度。从成核面抛光掉最少20μm以除去可能在合成的成核阶段过程中混入的任何污染。接着，从抛光的晶片上激光切削一系列量热法试样。这些试样在两侧上进一步抛光至<15nm的rms粗糙度。
实施例
这里给出的实施例用于生长至≥1.5mm的厚度的100mm直径晶片。该实施例的目标是低微特征密度，特别是在厚的产品中，同时保持10.6μm下的低吸收系数。下面详述的工艺经过优化以便由原生晶片获得60-85mm直径、1.3mm厚的光学等级窗的高产量。应当注意的是，原生的晶片的厚度必须显著高于产品的所需厚度，因为在研磨和抛光过程中会除去材料以得到极端光学应用所需平整度和粗糙度标准的。
合成条件如下：
在建立生长条件之后，对衬底温度、功率和压力采用阶梯式合成曲线以管理生长速率，控制均匀性，并在晶片生长至高厚度时保持材料品质。在生长过程中，衬底温度以三个20℃的步骤降低60℃；功率以三个0.5kw的步骤降低1.5kw；压力以3个2torr的步骤提高6torr。在1至2小时的时间间隔内缓慢地进行各阶梯式变化。
产品的材料性质如下：
微特征密度
处理晶片以获得～1400μm厚的抛光板。在从表面除去所有可能的灰尘之前，对板进行酸洗。扫描该板并根据本说明书中先前概述的程序分析图像。结果如下表所示：
虽然已经参考实施例具体例示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。