具有均匀颜色的单晶化学气相沉积合成金刚石材料的制作方法
【专利说明】具有均匀颜色的单晶化学气相沉积合成金刚石材料 发明领域
[0001] 本发明的实施方案涉及具有均匀颜色的单晶化学气相沉积（CVD)合成金刚石材 料以及制造所述金刚石材料的方法。特别地，本发明的某些实施方案是关于以更高的生长 速率制造均匀着色的金刚石材料和/或制造新颖着色的金刚石材料。
[0002] 发明背景
[0003] 一系列着色的单晶CVD合成金刚石材料在本领域是已知的，包括棕色、蓝色、橙 色、绿色、红色、粉色和紫色。可以通过在CVD合成过程中引入一种或多种掺杂剂来制造着 色的单晶CVD合成金刚石材料。例如，可以通过如W02003/052177中所述的氮掺杂来制造 棕色的单晶CVD合成金刚石材料。可以通过如W003/052174中所述的硼掺杂来制造蓝色的 单晶CVD合成金刚石材料。
[0004] 除上述之外，可以通过在合成之后对材料进行退火和/或辐照来改变单晶CVD金 刚石材料的颜色。根据起始材料的确切类型以及辐照和退火处理的性质可以获得一系列的 颜色。例如，如在W02004/022821中所述，对单晶CVD金刚石材料退火能改变其颜色。如在 W02010/149779中所述，当进行辐照时无色的或接近无色的单晶CVD合成金刚石材料变成 蓝色。如果进行辐照并且然后加热至大于约700°C的温度，那么可以将最初为无色或接近无 色的单晶CVD合成金刚石材料转化成如W02010/149777中所述的橙色或如W02010/149775 中所述的粉色。根据起始材料的确切类型、任何退火步骤的温度和持续时间、任何辐照步骤 的能量和剂量、以及辐照和退火步骤的任何组合的数量和顺序也可以获得其它颜色。
[0005] 对于许多光学应用色彩均匀性是重要并且对于珠宝应用特别重要的是在标准环 境观察条件下（即不使用显微镜或光谱技术来检测颜色均匀性的变化）材料的颜色对于肉 眼显得均匀。在此类应用中，掺杂剂浓度的小变化将不是视觉上可检测的并且因此将不会 有损于材料的显性品质。
[0006] 提供均匀颜色的一种方式是确保在CVD生长过程中自始至终以恒定水平仔细控 制掺杂以防止在材料的生长方向上的颜色不均匀性。另外，确保在垂直于生长方向的方向 上以恒定水平控制掺杂从而防止跨生长原态材料的横向的颜色不均匀性也是重要的。气 流、基底温度和微波等离子体均匀性会影响掺杂剂摄取的速率并且需要对其仔细控制。
[0007] 除上述的控制掺杂剂水平以外，W003/052174公开了在生长期间延伸穿过单晶 CVD合成金刚石材料的位错缺陷能够引起掺杂剂纳入金刚石晶格的不同速率，从而导致在 所得单晶材料中掺杂剂浓度的变化。这样的变化（如果充分大的话）能导致不均匀的颜色。 W003/052174公开了通过在单晶金刚石基底上执行CVD生长能降低这样的不均匀性，所述 金刚石基底在其生长表面具有极低的位错缺陷浓度并且已被仔细处理以避免引入表面和 亚表面损伤。据教导，这样的低表面缺陷基底在降低位错浓度方面是有利的，其能穿入在其 上生长中的单晶CVD合成金刚石材料中并且导致差异化的掺杂剂原子摄取。
[0008] 鉴于上述，已知的是仔细的基底选择并且结合仔细控制且均匀的生长条件能够导 致均匀掺杂达到如下程度的单晶CVD金刚石材料：在标准环境观察条件下其颜色对于肉眼 显得均匀，并且对于要求高度均匀性的技术应用而言确实能将其控制在高得多的掺杂剂均 匀性水平。因此，使用现有技术教导以实现均匀着色的单晶CVD合成金刚石材料在技术上 是可行的。
[0009] 然而，除技术可行性之外，对于要在商业上成功的合成工艺，其还必须是经济上可 行的。对于要是经济上可行的单晶CVD金刚石合成工艺，其必须具有充分高的生长速率和 充分高的产率。将掺杂剂纳入单晶CVD金刚石生长工艺以改变材料的颜色能影响这两个参 数。
[0010] 例如，已知的是将一定水平的气态氮纳入单晶CVD金刚石生长工艺能够增加金刚 石材料的生长速率，这在商业上是有利的。然而，生长工艺中的显著水平的氮往往导致颜色 为棕色的单晶CVD金刚石产品，其对于珠宝应用不是那样合意。此外，将高水平的气态氮纳 入生长工艺能够导致在生长期间单晶CVD金刚石材料的晶体形态的改变并且能导致开裂 从而降低产率。当生长单晶CVD合成金刚石材料的厚层时（例如大于2_厚）这可以是特 别的问题。
[0011] 还已知的是虽然将气态硼纳入单晶CVD金刚石生长工艺能产生蓝色着色的材料， 但是单晶CVD金刚石的硼掺杂至少与氮辅助的生长工艺相比显著地降低材料的生长速率， 从而增加生产成本并减少商业可行性。
[0012] 除上述之外，虽然已知可根据起始材料的确切类型并且通过施加各种辐照和/或 退火方案（recipe)实现一系列的不同着色的单晶CVD合成金刚石材料，但是迄今并没有实 现所有的颜色并且已实现的某些颜色对于珠宝应用中的美学外观不是最佳的。例如，通过 特定的生长和生长后辐照和退火方案实现的某些颜色太深（dark)。在某些情形中，难以使 用生长和生长后处理方案的组合来获得恰当的缺陷比率以实现特别期望的淡彩色。
[0013] 本发明某些实施方案的目标是解决上述问题中的一个或多个。
[0014] 发明概述
[0015] 根据本发明的第一方面，提供了一种着色的单晶CVD合成金刚石材料，其包含：
[0016] 多个层；
[0017] 其中所述多个层包括至少两组层，所述至少两组层在它们的缺陷组成和颜色方面 不同，
[0018] 其中所述至少两组层各自的缺陷类型、缺陷浓度和层厚度为：如果将所述着色的 单晶CVD金刚石材料制造成圆形明亮式切割金刚石，该圆形明亮式切割金刚石包含台面和 底尖，并且具有大于1mm的台面至底尖深度，那么至少在通过台面至底尖的方向上于标准 环境观察条件下通过肉眼观察时，该圆形明亮式切割金刚石包含均匀的颜色。
[0019] 根据本发明的第二方面，提供了制造上文所定义的着色的单晶CVD合成金刚石材 料的方法，该方法包括：
[0020] 在单晶CVD合成金刚石生长过程中改变至少一种掺杂剂气体浓度以形成包含多 个层的着色的单晶CVD合成金刚石材料，所述多个层在它们的缺陷组成和颜色方面不同，
[0021] 其中控制掺杂剂气体浓度以及掺杂剂气体浓度变化的时间周期，使得如果着色的 单晶CVD金刚石材料被制造成圆形明亮式切割金刚石，该圆形明亮式切割金刚石包含台面 和底尖并且具有大于1mm的台面至底尖深度，那么至少在通过台面至底尖的方向上于标准 环境观察条件下通过肉眼观察时，该圆形明亮式切割金刚石包含均匀的颜色。
[0022] 掺杂剂气体浓度的变化可以是周期性的，使得每组层具有一致的厚度和/或缺陷 浓度。作为替代，对于每组层，可以改变层厚度和掺杂剂/缺陷浓度。
[0023] 关于上述，应该注意的是材料层具有不同颜色的要求（例如当在光学显微镜下观 察时）并不要求不同的层具有不同的色度（hue)。例如，根据本发明的材料可以包含淡蓝色 材料的层和深蓝色材料的层。
[0024] 还应该注意的是在某些上下文中术语底尖（culet)被一些人理解为表示在宝石 底部的平面。在本发明的上下文中将理解的是术语底尖可以意指在宝石底部的平面或者宝 石的低点。即，上述定义不限于在宝石底部的平面的规定。
[0025] 还应该注意的是不需要将本发明的视觉上均匀着色的单晶CVD合成金刚石材料 切割成为圆形明亮式切割金刚石以便符合上述的定义。更确切地，参考圆形明亮式切割以 定义单晶CVD合成金刚石材料的颜色均匀性。因此，未切割的单晶CVD合成金刚石材料或 切割成另一种形状的单晶CVD合成金刚石材料仍可以满足上述的定义，如果将该材料切割 (或再切割）成圆形明亮式切割金刚石时，该圆形明亮式切割金刚石包含台面和底尖并且 具有大于1_的台面至底尖深度，那么至少在通过台面至底尖的方向上在标准环境观察条 件下通过肉眼观察时，该圆形明亮式切割金刚石包含均匀的颜色。在这方面，还可以注意虽 然圆形明亮式切割的刻面数是标准的，但是实际的比例一冠部高度和冠部角度、底部深度 和底部角度以及台面尺寸一不是普遍一致的而且存在各种细微变化。基准圆形明亮式切割 包括美国标准（AmericanStandard)、实用完美切割（PracticalFineCut)、斯堪的纳维亚 标准（ScandinavianStandard)、Eulitz明亮式、理想明亮式、Parker明亮式和认证珠宝评 估师（AGA)标准。可以使用这些标准圆形明亮式切割中的任何一个或多个来测试本发明。
[0026] 最后，还应该注意的是，通过肉眼所观察到的颜色均匀性的定义应该是依据在分 辨率和颜色分辨两方面具有临床正常视力（即没有色盲的标准20/20视力）的人类受试者 来解释。此外，标准环境观察条件应被理