在单晶金刚石基质中包括多个CVD生长的小晶粒金刚石的金刚石材料

摘要

本技术涉及使用化学气相沉积技术生成的金刚石材料和结构(即，合成金刚石的生成)。化学气相沉积的金刚石包括多相材料，所述多相材料包括(a)单晶基质相和(b)多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒中的每一个在晶体学上不同于单晶基质相。

说明书

1.对相关申请的交叉引用

本申请要求对2018年5月8日提交的题为“Diamond Materials ComprisingMultiple CVD Grown,Small Grain Diamonds,in a Single Crystal Diamond Matrix”的美国临时专利申请号62/668,410的优先权和权益，上述美国临时专利申请的全部内容通过引用整体地并入本文中。

2.技术领域

该技术一般地涉及金刚石材料，并且特别涉及针对特定应用的金刚石材料的制成以及定制材料属性的方法。更具体而言，该技术涉及使用化学气相沉积技术在衬底上生长多相金刚石材料和合成金刚石材料两者来制成金刚石材料。可以控制该技术的生长方法，以便根据期望的材料属性来定制所得金刚石材料。例如，可以利用该技术的方法来生成具有包覆岛的所得金刚石材料，所述包覆岛位于所得金刚石结构内的期望位置处。

3.背景技术

金刚石的材料属性对于许多商业和工业应用都是有利的。除了是最硬的已知材料外，它还具有优异的导热属性、化学惰性、高耐磨性和光学透明性。

在过去的几十年中，形成合成金刚石的工作已经取得了进展。特别地，化学气相沉积已被研究并用于开发单晶金刚石。工作主要集中在生长速率、减少杂质和颜色特性上。上述工作的主要目标之一就是生成单晶或一致相的金刚石材料。

4.发明内容

一般地，本技术涉及人造金刚石材料。在实施例中，本技术的金刚石材料包括合成单晶金刚石(SCD或SC)，其用作多重小晶粒(MSG)金刚石的基质。本技术的金刚石材料通过化学气相沉积(CVD)在诸如单晶金刚石衬底的衬底上生长。

多重小晶粒(MSG)金刚石是具有不同于单晶金刚石衬底和/或单晶基质材料的晶体学取向的多个金刚石晶粒或金刚石晶粒的集合。由于CVD生长的(例如，合成的)单晶金刚石基质的晶体学取向不同于MSG金刚石，因此所得材料是多相的，其中第一相是单晶的，并且第二相包括MSG金刚石。

在生长SCD的情况下，该过程从单晶籽晶金刚石开始，单晶籽晶金刚石的面向等离子体的表面具有也受类型和大小限制的有限数量的缺陷。随着CVD过程的进展，SC在籽晶金刚石上生长。新生成的合成SC层与籽晶金刚石层相同。

在生长多重小晶粒金刚石的情况下，该过程从单晶籽晶金刚石开始，在单晶籽晶金刚石的面向等离子体的表面上具有缺陷。在一些情况下，诸如层错的缺陷特意(有意)地以受控的方式形成，以促进多重小晶粒金刚石的生长。可以通过操纵CVD过程参数(诸如减少N2、减少蚀刻剂、提升表面温度或减小生长表面与等离子体中心之间的距离)来形成缺陷。通过操纵CVD过程参数，可以控制多重小晶粒金刚石的密度和大小。在一些情况下，可以借助于在单晶籽晶金刚石上应用的掩模来在期望位置处生成诸如层错的缺陷。

在一些情况下，缺陷表现为已经从SCD最佳条件轻微偏离为MSG金刚石条件的生长过程的人工制品。随着CVD过程的进展，在缺陷附近发展出具有高浓度堆垛层错和位错的层。随着CVD过程的进一步进展，晶界开始形成，并且在晶界上方形成雏晶(微晶)。这些雏晶的进一步生长形成所述多重小晶粒金刚石层。

以下描述在SCD内CVD生长的单晶金刚石和多重小晶粒金刚石两种类型的结构。第一种是“层状结构”，包括从单晶金刚石衬底生长的MSG金刚石层。MSG金刚石层面向CVD等离子体。第二种是“包覆结构”，其中MSG金刚石区域被单晶金刚石包围。也就是说，单晶金刚石部分地(至少两个表面，例如，径向地)或完全(至少三个表面，例如，在MSG金刚石上/上方包括封盖区域)包覆MSG金刚石区域。

这两种结构均由籽晶金刚石生长而成。籽晶金刚石是SCD。不存在外部粘合剂或粘合材料。

在实施例中，所得金刚石材料包含少于20、50、100、200、400、700、1000PPM的金属元素。

一般地，本技术涉及人造金刚石材料。在一个方面中，所述技术涉及金刚石材料(例如，合成金刚石材料)。该金刚石材料包括单晶金刚石衬底(例如，该衬底可以是天然的或人造的)，该单晶金刚石衬底包括至少一个特意生成的缺陷，该缺陷至少部分地位于该单晶衬底的外表面上。所述至少一个特意生成的缺陷由与单晶金刚石衬底具有不同晶格取向的表面限定。金刚石材料还包括与所述至少一个特意生成的缺陷相切的CVD生长的金刚石部分，并且CVD生长的金刚石部分包括第一相和第二相，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成。在某些实施例中，CVD生长的金刚石层包括/具有可位于(即，沉积在)衬底中的所述至少一个特意生成的缺陷与CVD生长的金刚石部分之间的高层错密度(即，通过CVD生长的金刚石材料可被表征为包括大量的层错，例如，在表面积内至少约10

所述技术的一个方面涉及金刚石材料。所述金刚石材料包括单晶金刚石衬底、包括多个层错的CVD生长的金刚石层；以及与CVD生长的金刚石层接触的CVD生长的金刚石部分；所述CVD生长的金刚石部分包括第一相和第二相，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成。

所述技术的另一方面涉及金刚石材料，其包括单晶金刚石部分；以及多相材料。所述多相材料包括第一相，所述第一相包括多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒中的每一个在晶体学上与所述单晶金刚石部分不同；以及形成用于第一相的基质的第二相。所述第二相由CVD生长的单晶金刚石组成，其中一个或多个多相材料区域至少部分地被CVD生长的单晶金刚石包覆。

所述技术的一个方面涉及定制金刚石材料结构的方法。所述方法包括：将单晶金刚石衬底定位于CVD反应器中；将CVD反应器条件设置为第一设置，以促进以下两者中的一个的生长：(i)单晶金刚石材料或(ii)包括第一相和第二相的多相材料，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与所述单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成；并且在所述第一设置下的CVD生长之后，将CVD反应器条件更改为不同于第一设置的第二设置，以促进以下两者中的另一个的生长：(i)单晶金刚石材料或(ii)包括第一相和第二相的多相材料，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与所述单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成。

所述技术的一个方面涉及CVD制造金刚石结构的方法。所述方法包括：将单晶金刚石衬底定位于CVD反应器中；以及在衬底上沉积CVD金刚石材料，所述CVD金刚石材料包括多个部分，所述多个部分由(i)与衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石，(ii)包括第一相和第二相的多相材料，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成，或(iii)以多个层错为特征的金刚石层组成；其中所得(最终)金刚石结构包括由(i)(即，与衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石)组成的至少一部分和由(ii)(即，包括第一相和第二相的多相材料，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成)组成的至少一部分。

所述技术的以上方面可用于许多不同的设备。例如，金刚石结构或所得金刚石材料可用于生成诸如旋转磨损工具的金刚石工具，或用作诸如取芯(岩心)钻头嵌件、铣削嵌件或车床嵌件的切割嵌件(刀片)。在一些实施例中，金刚石结构或所得金刚石材料可用于水射流孔中。特别地，金刚石材料可以被使用，并且在一些实例中，可以被定制，以沿着水射流孔的内孔表面提供期望的材料属性。在一些实施例中，金刚石结构或所得金刚石材料可被用于拉丝(拔丝)模具中。特别地，所述模具具有入口区、出口区以及位于入口区和出口区之间的线材通过段。这些位置(即入口区、出口区和线材通过段)中的一个或多个可由所得金刚石材料制成，并且所得金刚石材料可被定制，以在这些位置中的一个或多个中提供期望的(材料)属性。

在另一方面，所述技术涉及金刚石材料。根据该方面的金刚石材料包括单晶金刚石衬底，其具有以多个缺陷为特征的条件性外表面，其中所述多个缺陷中的每个缺陷由与单晶金刚石衬底具有不同晶格取向的表面限定；以及在所述单晶金刚石衬底的条件性外表面上沉积的CVD生长的金刚石部分；CVD金刚石部分包括第一相和第二相，所述第一相包括与单晶金刚石衬底不同的多个金刚石晶粒，所述第二相形成用于所述第一相的基质并且由与单晶金刚石衬底具有相同晶格取向的单晶金刚石组成。

在一个方面，所述技术涉及制造金刚石材料的方法。所述方法包括：将单晶金刚石衬底定位于CVD反应器中；调节单晶金刚石衬底以(使得)在外部生长表面上包括一个或多个缺陷，其中所述一个或多个缺陷中的每一个由与单晶金刚石衬底具有不同晶格取向的表面限定；在第一组条件下操作CVD反应器，其中所述第一组条件促进多相材料的生长，以在所述一个或多个缺陷的位置处导致(引起)包括多相材料的一个或多个岛的成核，所述多相材料包括第一相和第二相，所述第一相包括多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒中的每一个在晶体学上与单晶金刚石衬底不同，所述第二相形成用于所述第一相的基质，所述第二相由CVD生长的单晶金刚石组成；在第二组条件下操作CVD反应器，其中所述第二组条件促进CVD单晶材料的生长而优先于(超过)多相材料的生长；以及在第三组条件下操作CVD反应器，其中所述第三组条件仅促进CVD单晶材料的生长，以在所述一个或多个岛上形成封盖区域。

在另一方面，所述技术涉及制造金刚石材料的方法。根据该方面，所述方法包括：将单晶金刚石衬底定位于CVD反应器中；在第一组条件下操作CVD反应器，其中所述第一组条件促进多相材料的生长，以在单晶金刚石衬底的生长表面上的期望位置处导致包括多相材料的一个或多个岛的成核，所述多相材料包括第一相和第二相，所述第一相包括多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒中的每一个在晶体学上与单晶金刚石衬底不同，所述第二相形成用于所述第一相的基质，所述第二相由CVD生长的单晶金刚石组成；在第二组条件下操作CVD反应器，其中所述第二组条件促进CVD单晶材料的生长而优先于多相材料的生长；以及在第三组条件下操作CVD反应器，其中所述第三组条件仅促进CVD单晶材料的生长，以在所述一个或多个岛上形成封盖区域。

所述技术的一个方面涉及制造金刚石材料的方法。所述方法包括：将单晶金刚石衬底定位于CVD反应器中；在第一组条件下操作CVD反应器，其中所述第一组条件促进多相材料的生长，以在单晶金刚石衬底的生长表面上的期望位置处导致包括多相材料的一个或多个岛的成核，所述多相材料包括第一相和第二相，所述第一相包括多个金刚石晶粒，所述多个金刚石晶粒中的每一个在晶体学上与单晶金刚石衬底不同，所述第二相形成用于所述第一相的基质，所述第二相由CVD生长的单晶金刚石组成；在第二组条件下操作CVD反应器，其中所述第二组条件促进CVD单晶材料的生长而优先于多相材料的生长；以及在第三组条件下操作CVD反应器，其中所述第三组条件仅促进CVD单晶材料的生长，以相对于单晶金刚石衬底的生长表面在径向方向上由(利用)CVD单晶金刚石包围所述一个或多个岛。

所述技术的以上方面提供了许多优点。例如，本技术的优点是能够生成新的金刚石结构。例如，能够在单晶金刚石材料内生成多重小晶粒材料的包覆岛或囊穴。定制金刚石材料和结构的能力允许可定制(自定义)的组件/工具/设备。另外，可以控制和/或改善组件的磨损。例如，通过在金刚石结构内包括多相岛或区域(即，单晶金刚石基质内的小晶粒金刚石)，可以降低磨损，因为多相区域将在特定奇异晶体学取向上更容易发生的磨损中断。所述技术的附加特征和优点将在本文中进行阐述，并且对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

5.附图说明

结合附图从以下描述中可以更全面地理解该技术。附图不一定按比例绘制。

图1A是根据本技术的实施例的人造金刚石材料的示意性截面图。

图1B是根据本技术的另一实施例的人造金刚石材料的示意性截面图。

图2是具有在截面侧视图(左侧)和其对应的透视图(右侧)二者中示出的层状结构的人造金刚石材料的生长周期的实施例的示意性图示。所述生长周期包括四个步骤：(A)提供单晶衬底；(B)在衬底中特意生成至少一个缺陷；(C)在缺陷位置处生长层错单晶金刚石(FSCD)层并过渡到多重小晶粒金刚石(MSG)生长；以及(D)加速MSG生长。

图3是根据本技术的实施例的金刚石材料的示意性截面顶视图图示。所述金刚石材料包括单晶金刚石基质以及在大小和取向两者上均不一致的多个小晶粒的包覆岛。岛中的每一个被由层错单晶金刚石组成的边界(晶界)部分包围。这些岛被包覆在基质材料内。

图4是具有在截面侧视图(左侧)和其对应的透视图(右侧)二者中示出的包覆结构的人造金刚石材料的生长周期的实施例的示意性图示。所述生长周期包括五个步骤：(A)提供单晶衬底；(B)在衬底中特意生成至少一个缺陷；(C)在缺陷位置处生长层错单晶金刚石(FSCD)层并过渡到多重小晶粒金刚石(MSG)生长；(D)加速单晶生长，以径向围绕MSG生长生成单晶基质材料；以及(E)利用单晶材料完全包覆(即，在顶部生长/覆盖)FSCD层和MSG部分。

图5是人造金刚石材料的生长周期的替换实施例的示意性图示。除了不是生成包覆结构、而是生成部分包覆结构之外，图5所示的生长周期类似于图4的生长周期。也就是说，缺少了骤(E)，取而代之的是被层错材料包围的多晶材料的进一步生长，所述层错材料被单晶材料径向包覆。

图6是提供了四种类型的多重小晶粒类型的示意性图示的图表。图6图示了每种类型的顶视图和截面图，并且还提供了尺寸上的比较信息。

图7A是由层错单晶金刚石材料层限界并包覆在单晶材料中的岛型多重小晶粒金刚石材料的截面图示。请注意，岛内存在单晶材料，其包围多个小晶粒的囊穴；还存在包覆整个岛的单晶金刚石材料(在层错单晶金刚石材料的边界之外)。

图7B是部分地由层错单晶金刚石材料限界并部分地包覆在单晶材料中的岛型多重小晶粒金刚石材料的截面图示。图7B中的岛被部分地包覆，因为没有封盖单晶区域(即，没有覆盖岛或位于岛的顶部的单晶材料)。

图7C是图7B所示的部分包覆的多重小晶粒金刚石材料的顶视图图示。

图8是在截面中截取的多个小晶粒的岛的SEM图像。在图像的顶部标记了岛生长的尖端(前沿)或开始。

图9A是图8所示岛生长的尖端的SEM图像的放大视图。

图9B是图9A所示岛生长的尖端的SEM图像的进一步放大视图。在图8、9A和9B中的每一个中，原始晶粒已被蚀刻掉，留下晶粒痕迹和包围它的层错单晶壳体。

图10是包覆在生长单晶金刚石材料中的平面型多重小晶粒金刚石结构的示意性图示。图10提供了顶部截面视图(顶部，左侧图像)和侧面截面视图(底部，左侧图像)两者。另外，图10提供了顶部截面视图的细节A和侧面截面视图的细节B中的结构的展开视图。

图11是在顶部截面视图(顶部图像)和侧面截面视图(底部图像)两者中包覆在人造单晶金刚石材料中的散射式分布的多个小晶粒的示意性图示。所述多个小晶粒散射式分布在整个CVD金刚石材料中。在图10中，多个小晶粒沿着线性路径生长，以生成平面型。

图12A是以透视图示出的金刚石工具的实施例的示意性图示。图12B是图12A所示金刚石工具的截面图。

图12C是金刚石工具的另一实施例的截面图示。

图12D是金刚石工具的另一实施例的截面图示。

图13是传统拉丝工具的图示。

图14是形成为包括多重小晶粒区域和合成单晶金刚石材料区域的拉丝工具的实施例的图示。

图15A、图15B、图15C、图15D和图15E中的每一个图示出用于水切割工具的入口段的代表性实施例。

图16A是示出根据本技术的实施例(实施例A)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

图16B是示出根据本技术的实施例(实施例B)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

图16C是示出根据本技术的实施例(实施例C)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

图16D是示出根据本技术的实施例(实施例D)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

图16E是示出根据本技术的实施例(实施例E)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

图16F是示出根据本技术的实施例(实施例F)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

图16G是示出根据本技术的实施例(实施例G)的衬底的外表面经过调节后的合成金刚石生长的侧面截面的显微照片。

6.具体实施方式

现在将描述某些示例性实施例，以提供对本文中公开的设备和方法的结构、功能、制造和使用的原理的总体理解。附图中图示出了这些实施例中的一个或多个示例。本领域技术人员将理解，本文中具体描述并在附图中图示出的设备和方法是非限制性示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求限定。关于一个示例性实施例例示或描述的特征可以与其他实施例的特征相结合。这样的修改和变化应当被包括在本技术的范围内。

本技术涉及人造金刚石材料和所得金刚石结构。特别地，本技术的金刚石材料包括由CVD生长的SC金刚石材料(其形成用于第二相金刚石材料的基质)组成的第一相。第二相包括与第一相不同的多个金刚石晶粒。多重小晶粒(MSG)金刚石材料包括第一基质相和第二相两者。也就是说，MSG金刚石是在单晶金刚石基质内包括多个金刚石晶粒的CVD生长的多相材料。

可以相对于时域来表征合成MSG金刚石的CVD生长过程。MSG金刚石的生长速率高于SCD的生长速率。进一步地，随着MSG金刚石生长的进展，其生长速率加速至整个表面均覆盖有MSGD的程度，并且从那时起，生长速率便与MSG金刚石的生长速率相匹配，并且受到MSG金刚石生长过程条件的控制。

在生长表面上初始形成多晶成核中心后，存在两种可能的可用竞争机制：

1.促进MSG生长的生长条件

2.降低MSG生长的蚀刻条件

例如，在900℃至1400℃的温度范围内，单原子氧对MSG的蚀刻速率显著较高。

使用这两种竞争机制可以获得对SCD与MSG之间比率的控制。此外，通过促进MSG的蚀刻来控制MSG在单晶中的包覆。

这些区域的总高度可以通过诸如氮浓度、蚀刻剂流量(例如，氧蚀刻剂流量)、压力、暴露于等离子体热(参见定义)和生长室中的局部温度的各种参数来控制。在该过程结束时，该区域的厚度通常会更均匀。

然而，即使区域高度更加均匀，也可能包含多个MSG金刚石区域/面积，其中这些MSG金刚石区域/面积的属性(诸如断裂韧性和硬度)可能会局部变化。也就是说，一个区域内的不同局部面积可能具有不同的属性。

生长过程的这种动态性质使得能够生产出许多混合式金刚石结构，其包括MSG金刚石区域、层错单晶金刚石层和单晶材料。在一些情况下，不同的子结构被连接起来并包括较大的结构。

层错单晶金刚石相

一些实施例包括层错单晶金刚石层。参考图1A，与MSG金刚石区域115相邻并且更靠近SC 105的层被称为层错单晶金刚石(FSCD)层110。FSCD层的特征在于高密度的堆垛层错、位错和晶界。FSCD层是包括高层错或高堆垛层错密度的CVD生长的金刚石层。FSCD层的厚度可以小于1、5、10、20、50、100、200、500、750、1000微米。FSCD层的面积可以小于SC–MSG金刚石表面接触面积的1％、2％、5％、10％、25％、50％、75％、100％。FSCD层的厚度可以从小于最大厚度的1％、2％、5％、10％、25％、50％、75％到100％不等。

FSCD 110与MSG金刚石区域115之间的边界由晶粒的大小限定。MSG金刚石区域115通常包括大于30、50、75、100、200、300微米的晶粒。并且在一些实施例中，诸如图1B所示的实施例，MSG金刚石区域116可以包括朝向顶部边界(即，与FSCD层110接触的边界的相反侧)的从小到大的粒度(晶粒尺寸)梯度。

FSCD的属性不同于SC和/或MSG金刚石区域的属性(例如，多相：SC/FSCD/MSG，图1A中的115和图1B中的116)。例如，FSCD的断裂韧性、硬度和耐磨性可以高于单晶的断裂韧性、硬度和耐磨性。类似地，诸如光散射、光偏振的其他属性高于SCD的这些属性。

进一步地，在包覆MSG金刚石区域(E-MSGD)的SC的情况下，存在与MSG金刚石区域相邻的FSCD层。也就是说，FSCD层包围MSG金刚石区域，并且组合结构被包覆在SC内。在这种结构中，FSCD层的特性(例如，厚度、组分和断裂韧性)可以随其位置而变化。例如，MSG金刚石底部的FSCD可以不同于MSG金刚石侧面和/或上部的FSCD。底部是最接近SC籽晶金刚石的琢面(小平面)，而上部是朝向等离子体区域的金刚石生长的后相。

层状结构生长过程

层状结构的生长周期可以参考图2示意性地描述如下：

A.从单晶籽晶金刚石(例如，105)开始。

B.在金刚石的顶表面上生成或形成缺陷。该表面面向等离子体。请注意，不同类型、形状和/或大小的缺陷将发展成不同类型的MSG金刚石。

C.MSGD区域的生长开始于所述缺陷处，并且径向地、在侧向平面中以及向上扩展。MSG金刚石区域(例如，115)的生长总是在FSCD(例如，110)之后。FSCD的厚度可以经由等离子体和腔室参数来控制。

D.由于MSG金刚石区域的生长速率通常比SC的生长速率更快，所以它可以在SC的整个顶表面上扩展。

通过控制SC上或之内的MSG金刚石和/或FSCD的模式、位置、大小和取向，可以定制层状SC&E–MSGD或SC&FSCD&E–MSGD结构，以应对(解决)各种应用规范。

包覆结构

图3图示了包覆结构的实施例。在图3中，MSG金刚石材料的多个区域(即，MSG是包括单晶基质和基质内的多个金刚石晶粒的多相材料)被包覆(包封)在单晶基质105中。在所示实施例中，FSCD(高密度层错区域，110)包围MSG金刚石材料115的每个区域。

包覆的MSGD区域不一定相同。包覆在单晶基质内的MSGD区域可以具有多种模式/类型。不同的模式可以具有不同的属性。

通常认为包覆的MSGD区域是不合期望的，并且在金刚石生长过程中通过激光处理和/或蚀刻工艺将其去除。

然而，在一些情况下，期望具有在不同区域中具有不同属性的多相结构。具体而言，SCD、FSCD和MSGD区域具有不同的属性。生产在不同区域具有不同属性的金刚石结构可能是有益的。例如，关于：

耐磨性-MSGD和FSCD通常比SC具有更高的耐磨属性。

表面光滑度-SC相通常比MSGD或FSCD具有更光滑的表面。

断裂韧性和硬度-E-MSGD和FSCD通常具有较高的断裂韧性和硬度。

热和光学方面-SC相具有出色的热和光学属性。

电气性能-SC具有比MSGD和FSCD更高的电气属性均匀性。

通过控制SC内的MSGD区域和/或FSCD的模式、位置、大小和取向，可以定制金刚石结构，以应对各种应用规范。

包覆结构生长过程

包覆结构的生长周期可以参考图4示意性地描述如下：

A.从单晶籽晶金刚石105开始。

B.在金刚石的顶表面上生成或形成缺陷。所述表面面向等离子体。

C.MSG金刚石区域115的生长开始于缺陷处，并且径向地、在侧向平面中以及向上扩展。MSG金刚石区域的生长总是在FSCD 110之后。FSCD的厚度可以经由等离子体和腔室参数来控制。

D.修改等离子体和腔室参数，以加速SC 118的生长并延缓MSG金刚石区域的生长速率。在这种状态下，SC的生长速率比MSG金刚石区域的生长速率更快。在MSG金刚石区域附近的SC的生长在FSCD之后，使得包覆的MSG金刚石区域包含在FSCD涂层内，并且在MSG金刚石区域115的周围118以及稍后上方120形成SC。

E.当SC连接MSG金刚石区域上方时，包覆完成。

包覆生长结果

可以通过在单晶衬底上钻孔或形成凹陷(例如，特意地形成缺陷)并且然后对衬底施加一定的腔室条件来控制包覆金刚石结构的生长。在大多数情况下，腔室条件会引起孔被FSCD、MSG、附加FSCD以及最后SC材料填充，最终生成完全包覆的结构。

一般地，允许合成金刚石生长的任何CVD腔室条件可以与本技术结合使用。特别地，本技术的金刚石材料的生长已经使用0.01至0.5范围内的氮与甲烷的体积流量比进行了实践。例如，可以使用0.01的氮与甲烷的流量比来生成本技术的金刚石材料。在另一实施例中，可以利用0.1的氮与甲烷的流量比。在进一步的实施例中，可以使用0.4的氮与甲烷的流量比。进一步地，氮与甲烷的体积流量比的范围不受此限制。例如，该比率可以扩展到0.005至1。

一般地，CVD腔室内的生长温度可以是允许生成合成金刚石的任何温度。在某些实施例中，生长温度处于约800℃至1500℃的范围内。在一些实施例中，生长温度在约900℃至1300℃之间。并且在某些实施例中，温度在1100℃和1400℃之间。

一般地，选择气体的体积流量和施加到CVD腔室的生长温度时要考虑所得人造金刚石材料的特定生长速率。在一些实施例中，所选择或期望的生长速率落在每小时约10至30微米生长的范围内。在某些实施例中，期望的生长速率在每小时约12至26微米之间。在其他实施例中，期望的生长速率范围在每小时约14至24微米之间。

为了例示形成包覆结构的方法的结果，对七个不同的单晶金刚石衬底进行条件约束，以在外部生长表面上提供一个或多个缺陷。在这些实施例中，通过激光钻孔外表面来特意生成缺陷，尽管也可以使用其他调节方法(例如，蚀刻、粗加工、机械压延等)。使用激光钻来生成部分缺陷(即，孔未延伸穿过整个衬底)或完全缺陷(即，衬底中从顶表面延伸至底表面的通孔)。应用不同的孔直径和不同的生长条件。在所有七个实施例中，均应用CVD生长条件，以生成包覆结构(即，在孔中形成的结构上方而不仅仅是周围的封盖区域)。

下面的表1概括了七个实施例中的每一个的条件，其中所得显微照片如图16A、图16B、图16C、图16D、图16E、图16F和图16G所示。

图16A是实施例A的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示单晶衬底的大致外部顶表面。衬底的大致底表面在位置1610处指示。在位置1615处激光钻孔，生成未延伸穿过衬底的缺陷。也就是说，该孔为部分孔。生长93小时后，合成金刚石材料填充所述部分孔并在虚线1605上方生成封盖区域。所述孔被MSG填充，并且封盖区域为SC。

图16B是实施例B的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示单晶衬底的大致外部顶表面。衬底的大致底部表面被标记为1610。图16B图示了部分延伸穿过衬底的两个钻孔(即，孔未延伸至底表面1610)。在位置1615处钻孔。CVD生长102小时后，MSG金刚石材料填充所述孔，随后生长了SC封盖区域。

图16C是实施例C的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示衬底的大致外部顶表面。线1610指示衬底的底表面的大致位置。在衬底中钻出多个孔。一些孔为部分孔，诸如位置1615处的孔；而其他孔延伸穿过衬底，诸如位置1617处的孔。CVD生长133小时后，MSG金刚石材料填充所述孔，并且从先前受损的衬底的外表面延伸出SC封盖区域。

图16D是实施例D的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示衬底的大致外部顶表面。线1610指示衬底的底表面的大致位置。在衬底上钻出两个部分孔1615a、1615b。CVD生长145小时后，MSG金刚石材料填充所述孔，并且从先前受损的衬底的外表面延伸出SC封盖区域。值得注意的是，位置1615a上方的封盖区域仅由单晶金刚石材料组成；而在位置1615b上方，在标记为1620的区域中，MSG材料坡度(变化)被包括在封盖区域内。也就是说，在1615b位置处现已填充的缺陷上方，继续小区域的MSG生长，从而阻止了该面积被完全包覆。

图16E是实施例E的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示单晶衬底的大致外部顶表面。在线1610处指示衬底的大致底表面。在位置1615处激光钻孔，生成未延伸穿过衬底的缺陷。也就是说，该孔为部分孔。生长137小时后，合成金刚石材料填充所述部分孔并在虚线1605上方生成封盖区域。所述孔被MSG填充，并且封盖区域为SC。

图16F是实施例F的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示衬底的大致外部顶表面。线1610指示衬底的底表面的大致位置。穿过衬底激光钻出两个通孔1617a、1617b。CVD生长84小时后，MSG金刚石材料填充所述孔，并且从先前受损的衬底的外表面延伸出SC封盖区域。值得注意的是，位置1617a上方的封盖区域仅由单晶金刚石材料组成；而在位置1617b上方，在标记为1625的区域中，MSG材料区域包括在封盖区域内。也就是说，在位置1617b处现已填充的缺陷上方，继续小区域的MSG生长，从而阻止了该面积被完全包覆。

图16G是实施例G的所得结构的显微照片。在显微照片上已经添加了虚线1605，以指示衬底的大致外部顶表面。线1610指示衬底的底表面的大致位置。穿过衬底激光钻出通孔1617。CVD生长76小时后，MSG金刚石材料填充所述孔，并且从先前受损的衬底的外表面延伸出SC封盖区域。应当注意的是，在位置1617上方的封盖区域，在标记为1630的区域中，一些MSG材料包括在封盖区域内。也就是说，在位置1617处现已填充的缺陷上方，继续小区域的MSG生长，从而阻止了该面积被SC材料完全包覆。然而，该区域1630似乎也具有一些位于填充缺陷的正上方、例如在虚线1605的正上方的SC生长的材料，并且接着在SC封盖材料生长一定程度之后，MSG生长再次出现。

在以上提供的实施例A-G中，在生长期间监控并调整腔室内的CVD条件，以导致缺陷被FSCD填充，随后生长MSG，并且在一些情况下，在形成封盖区域之前过渡回到FSCD。在一些实施例中，封盖区域是干净或纯粹的单晶金刚石材料。在某些实施例中，封盖区域包括在激光钻孔缺陷的位置上方的一些扩展MSG生长的小区域。

部分包覆结构

在实施例中，一种CVD生长的金刚石结构，其中单晶金刚石117部分地包覆具有与SC基质的晶体取向不同的晶体取向的至少一个金刚石晶粒和/或MSG金刚石区域115。部分包覆为一种结构，其中MSG金刚石区域115(以及FSCD 110)被SC 117包围，但并非被完全包围。例如，当MSG金刚石区域在侧面被SC 117包围并且尚未在MSG金刚石区域上方形成和/或连接时，包覆生长过程中止。换句话说，SC位于MSG金刚石部分的、径向-侧(横)向于生长平面的至少两个表面上。参见图5，其图示了部分包覆的截面图和透视图。

进一步地，从其中MSG金刚石区域在侧面被SC包围的阶段，可以修改等离子体和腔室参数，以使得SC和MSG金刚石区域的生长速率大致相等。在这种状态下，SC、MSG金刚石区域和FSCD将从顶视图可见，且MSG金刚石区域的深度将增加。通过控制和平衡蚀刻化学成分，可以减缓SC的生长速率，并且可以在较大程度上减缓MSG金刚石区域的生长速率。也就是说，MSG金刚石区域的生长速率将慢于已放缓的SC生长速率。

多个(重)小晶粒模式/类型

在生长MSG金刚石区域的情况下，利用其顶表面上存在或生成的缺陷,该过程从单晶金刚石籽晶开始。所述表面面向等离子体。不同类型的缺陷(例如，局部热点、划痕、凹坑、钻孔或裂纹)可能会发展成不同类型的MSG金刚石区域。另外，不同类型的缺陷(例如，局部热点、划痕、凹坑、钻孔或裂纹)在不同的生长条件下可能会发展成不同类型的MSG金刚石区域。

我们将参考在图6中示意性示出的四种类型的MSGD。

A.岛-岛主要为圆锥形或角锥形(金字塔)形状。从顶视图看，岛看起来主要为圆形或正方形且有边界。例如，参见图7C，其描绘了SC 705、FSCD 710和MSG 715金刚石材料的区域的轮廓。在截面中，其类似于三角形，所述三角形的底部位于顶表面上，其顶点或原点位于开始生长的原始缺陷处。参见图7A，其以截面形式图示了包覆岛。还参见图7B，其以截面形式图示了部分包覆岛(无封盖区域)。还参见图8、9A和9B，它们是图示岛生长的尖端或顶点的SEM显微照片。原始缺陷可以位于原始SC籽晶的顶表面上，或者位于从SC籽晶生长的SC层或区域(例如，FSCD层)上。另外，可以更改CVD条件，以促进MSG生长，而不需要缺陷。

岛的顶部直径的尺寸，其大直径D-岛小于10、100、500、1,000、2,500、5000、10,000微米。其高度H-岛(未示出)小于10、100、500、1000、2500、5000、10,000微米。

B.聚结物-由多个小岛或部分球形的体积组成。从顶视图看，聚结物看起来像是多个晶粒紧挨在一起。在截面中，部分球形体积中的每一个类似于具有短茎的部分晶粒、三角形或蘑菇状物。

聚结物的单球顶部直径的尺寸，其大直径d-聚结物小于10、20、50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。其高度H-聚结物(未示出)小于10、20、50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。聚结物的多球顶部直径的尺寸，D-聚结物为100、500、1,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。

C.平面-主要由MSG金刚石区域结构组成，所述结构形成MSG/SC/FSCD混合结构的壁，类似于随机穿孔的竖直(垂直)纸张。从顶视图看，每个平面看起来主要呈矩形，其长度远大于其宽度。多个平面彼此接触或相交。在截面中，平面中的每一个看起来主要呈三角形或矩形。(参见图6，C行，平面，还参见图10)。

平面的单个矩形元素的长度L-平面小于10、20、50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。平面的单个矩形元素的宽度W-平面小于2、5、10、20、50、100、500、1,000微米。其高度H-平面(未示出)小于2、5、10、20、50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。平面的多元素顶部大直径的尺寸，D-平面为50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000微米。

D.脉状物(vein)-主要由狭窄的MSG金刚石区域结构组成，类似于绳索。从顶视图看，每个脉状物看起来主要像非线性线(例如，路径)，其长度L远大于其宽度w。多个脉状物彼此接触或相交。在截面中，脉状物中的每一个看起来像一条线，其长度远大于其宽度。(参见图6，D行)。

脉状物的单个线性元素的长度L-脉状物小于2、5、10、20、50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。脉状物的单个线性元素的宽度W-脉状物小于2、5、10、20、50、100、500、1,000微米。其高度H-脉状物(未示出)小于2、5、10、20、50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000、20,000、30,000微米。脉状物的多元素顶部大直径的尺寸，D-vein为50、100、500、1,000、2,500、5000、10,000微米。

当存在高密度层错时，平面型和脉状物型均形成。特别地，通常在FSCD生长一段时间后，会发展出散射晶粒(参见图11，侧视图)。当散射晶粒沿着一定的路径生长时，出现脉状物结构。当散射晶粒沿着线性路径生长时，便发展出平面结构。

在实施例中，存在多个MSGD区域，其由多个MSGD类型组成，这些MSGD类型将在生长表面上形成并可在其上(通向其)生长，或者包覆在SCD内并被SCD覆盖。一般地，MSGD类型可以归类为由岛型形成或由散射型形成。由岛型形成的MSGD包括完全包覆岛和部分包覆岛两者。在一些实施例中，这些岛由小的FSCD层形成，所述FSCD层在厚度上通常不大于100微米，并且在厚度上一般不超过10微米。在某些实施例中，这些岛在促进MSG的CVD条件下形成，并且不需要可溯源的FSCD层。在散射类别中，MSGD包括散射晶粒、脉状物和平面配置。一般地，MSGD的散射类别由相对较厚的FSCD层形成，其通常在1000至5000微米的范围内。在一些实例中，导致散射型的厚的FSCD层可以小至500微米。一般地，散射型、脉状物型和平面型MSGD中的每一个均包括基质(单晶基质)，并且两相(例如，第一相单晶基质和由平面型组成的第二相MSGD)在生长表面上生长，从而形成层状结构。

在下面给出的表2-4中提供了用于形成示例性包覆岛、示例性部分包覆岛和示例性平面/散射的流动条件：

流动1

表2

流动2

表3

流动3

表4

以下示例例示了根据本技术生长/制造的金刚石材料的一些潜在应用。这些示例例示了材料的一些可能的定制能力。这些示例绝不是详尽无遗或限制性的。

示例1.带有通孔的金刚石工具

在实施例中，带有通孔的功能工具由SCD和/或MSGD区域和/或“具有包覆的MSG金刚石区域的CVD生长的单晶金刚石的混合结构”制成。

该功能工具可以是盘状的，在顶视图中其主尺寸大于其厚度。如果盘是圆形的，则主尺寸可以是直径(参见图12A)；或者如果盘是椭圆形的，则主尺寸可以是主直径；或者如果盘是矩形、正方形或三角形形状的，则主尺寸可以是对角线。

该功能工具可以是管状的，其中在顶视图中其主尺寸小于其高度。

所述通孔通常穿过盘的厚度或穿过管的高度。(参见图12B)。在一实施例中，通孔轴线处于盘或管的中心。在一实施例中，孔整个或部分地是圆柱形的。在一实施例中，孔整个或部分地是圆锥形的。在一实施例中，孔具有至少两个区段(部分)。在一实施例中，代替孔，存在具有通向表面的开口的凹口。在一实施例中，凹口在其整个长度上具有均匀的形状。在一实施例中，凹口的形状在其整个长度上是不均匀的。在一实施例中，凹口长度是通孔的长度。在一实施例中，凹口长度小于通孔的长度。

在一实施例中，功能工具由一个以上的层/区域组成。例如，共有3层：底部是SC层，继之以FSCD，顶部是MSGD层或区域。例如，参见图12C。

在一个实施例中，从包覆MSGD区域的SC中切出工具(未示出)，使得存在5层：底部的SC层，继之以FSCD，MSGD层，随后是另一FSCD，以及顶部的SC。

在实施例中，层由包覆在SC结构内的MSGD区域组成。在实施例中，MSGD区域以下述方式分布在层内(参见图12D)：

随机分布；

以均匀的浓度；

在层的不同区域以不同的浓度；

在层中的具体位置，例如，沿着层琢面中的一个，靠近孔；以及

部分暴露在层边界处。

示例2.拉丝模具

在实施例中，拉丝模具由所得金刚石结构制成，该金刚石结构包括具有包覆的MSGD区域的CVD生长的单晶金刚石。

典型的拉丝模具沿其通孔具有多个段。例如，参见图13，其示出：入口部分、出口部分以及包括压缩/缩减(reduction)、定径(bearing)和出口角/后放(back relief)的线材通过部分。不同的段可以具有可能需要不同的表面和/或块体属性的具体功能性。

例如，考虑图13。线材变形主要发生在入口段和压缩段，而线材平滑化发生在定径段和出口角段。在实施例中，入口段和压缩段具有大量的暴露在通孔表面上的MSGD。其他段主要为SCD，孔的表面上具有最少量的MSGD。参见图14。

在实施例中，入口段和压缩段中MSGD的密度不同。在实施例中，存在从入口段顶部(孔的较大直径)的高密度到压缩段中的较低密度、朝向定径段的梯度。

在实施例中，在两段之间(即压缩段和定径段之间)存在FSCD层。

在一实施例中，这些段仅在孔附近有所不同。也就是说，珠宝块体由SCD制成。在孔附近，不同的段具有不同的结构。在附近暗示着块体内部小于1、2、5、10、25、50、100、250、500、1000、2000、5000微米。块体内部，通常从孔的轴线朝向圆周呈放射状。

例如，入口段可以具有厚度为100微米的MSGD#1层，压缩段可以具有厚度为20微米的MSGD#2层，并且在压缩段和定径段之间可以具有2微米厚的FSCD层，20微米长。

示例3.水射流切割珠宝

在实施例中，水射流珠宝由具有包覆的MSGD区域的CVD生长的单晶金刚石的混合结构制成。

生成水射流珠宝，使得其沿着通孔具有多个段。不同的段可以具有可能需要不同的表面和/或块体属性的具体功能性。

参考图15A-E，大部分磨损发生在入口段，这是因为水在高速下向珠宝施加局部力，因此最终以某种机制侵蚀珠宝，这种机制始于材料的差异，并继续到材料的局部破坏。在这种情况下，可以通过添加包覆的MSGD层来改善耐磨性。图15A-15E图示了各种传统入口段。在实施例中，将包覆的MSG金刚石材料以层的方式添加到入口段的水暴露表面。

另一示例是由于侧向水流将磨料颗粒移向珠宝而造成的损坏。珠宝出口侧显示的损坏可由主高速射流离开珠宝时生成的侧向水流来解释。侧向水流将颗粒带到珠宝的出口，并且其中的一小部分被朝向珠宝材料加速，从而在珠宝材料中生成凹坑形式的侵蚀。

在实施例中，入口段具有大量的暴露在通孔表面上的MSGD。其他段主要为SCD，孔表面上具有最少量的MSGD。

示例4.材料去除段

材料去除结构通常在粘合剂材料内部署非常硬的材料晶粒或元素。在材料去除过程中，硬质材料晶粒或元素侵蚀和/或脱离粘合剂。这两种现象对于维持锋利且有效的材料去除工具均很重要。各种应用和材料去除过程具有不同的要求，这为硬质材料晶粒和粘合剂生成不同的规范，但是经验法则在于粘合剂和磨料应与去除的目标材料相匹配。对于相对较软的目标，具有较高硬度和耐磨性(侵蚀较慢)的硬质材料晶粒是优选的。对于硬质目标材料，具有硬质磨料的较软粘合剂是优选的。优选采用将使硬质材料晶粒支撑较长持续时间的坚固(耐用)的粘合剂系统。

在常见的材料去除系统中，材料去除硬质材料有时是一种磨料的团块，对于更复杂的目标材料，有时是由多种材料组成的元件。有时，材料去除硬质材料是一种结构，其包括芯部、壳体和可能的附加层。

在常见的材料去除系统中，硬质材料晶粒粘附在基质或粘合剂上。在一些情况下，材料去除硬质材料晶粒被嵌入在基质或粘合剂内。在一些情况下，粘合剂或基质粘附在诸如背衬的支撑系统上。出于该讨论的目的，包覆或支撑硬质材料晶粒的材料将被称为包覆单晶金刚石或ESCD。

示例5.改善的磨损特性

为了调查根据本技术制成的金刚石材料的耐磨性，进行了以下实验和测量。铸铁抛光表面被制备，其具有粘合金刚石粉末且利用接触粘结剂进行稀释的5至10微米的合成树脂表面涂层。制备了三个单独的金刚石样品。第一个是编号为40201的宝石，相对于抛光表面定位，其中100面朝向抛光表面，并含有MSGD。第二个是编号为40202的宝石，其中110面朝向抛光表面定位，并且不存在MSGD。第三个样品是编号为40203的宝石，它也不存在MSGD，但是其中100面朝向抛光表面定位。

本领域技术人员通常知道，金刚石宝石的抛光在110面上的磨损率高于所有其他面。另一方面，100面往往极难切割或磨损。

将这三个样品分别称重，并与抛光支架(例如，筒夹和套筒)一起称重。记录所有重量信息。将装有金刚石样品的筒夹插入到金刚石柄脚中。然后在抛光端对柄脚进行称重，并将其重量调整为每个等于675克。然后将金刚石样品放置在距离中心150毫米处的固定抛光垫上，然后将电动机开启到3500RPM的设定速度。将抛光垫设置为60分钟。到期时，关断电动机，然后从柄脚上移除含有金刚石样品的筒夹和套筒，称重并记录重量。然后再重复该过程两次，每次60分钟。

试验结果如下表5所示：

表5

本文中描述的结构克服了现有技术的许多不足。其中SCD为系统基质的所得金刚石材料是独一无二的。SC本身极硬，具有高的耐磨属性。SC内支撑的MSGD比普通小晶粒金刚石具有更高的硬度、断裂韧性和耐磨性。在本文中所描述的所得金刚石材料和结构中，MSGD是SC的整体组成部分，因为它们一起生长。

本技术的另一优点是缺少背衬层(例如，异质或不同材料的衬底层)。在本技术中，利用了由SC金刚石形成的衬底。结果是，在不包括第二材料(诸如像在电镀金刚石生长技术中使用的钢盘衬底)的情况下形成多相金刚石材料。因此，本技术的优点之一是能够生成不包含或不依赖于不同类型材料(例如，钢)的金刚石结构或主要是金刚石结构。

其中MSGD嵌入于SC内的结构进一步生成了较高耐磨性结构，因为MSGD仅在施加会在支撑ESCD中生成裂纹的较大力时才会断开。进一步地，已知抗磨损性和耐冲击性与硬质材料晶粒元素的大小成正比。随着硬质材料晶粒元素的大小减小，抗磨损性增加。然而，随着现有技术系统中的硬质材料晶粒元素的大小减小，将它们固定在坚固的粘合剂中的复杂性也随之降低。在本文中所描述的结构中，将MSGD固定到ESCD的任务通过使用CVD一起生长ESCD和MSGD来生成，因此系统设计考虑可以仅基于所需的抗磨损性。

本文中所描述的金刚石材料和结构的附加优点是相似的热系数。也就是说，结构的不同部分(例如，SC与MSG)具有相似或几乎相同的热膨胀系数。结果是，由所得金刚石材料制成的组件、系统和设备可以在较高的温度下操作，而无需担心由于硬质材料晶粒与粘合剂(包覆材料)之间的热膨胀系数不匹配而导致的性能下降(退化)。该系统也可以在较高的压力下操作而无需担心性能下降。