在以下的描述中将参照组成本说明书一部分的附图，并且在其中 通过图示可以实施的具体实施方案来示出。这些实施方案被足够详细 地说明，以使得本领域普通技术人员能够实施本发明；并且应该了解 的是，可以应用其他技术方案，以及不脱离本发明范围的情况下进行 结构上、逻辑上和电路上的变化。因此，以下的描述并不具有限制的 意义，本发明的范围由权利要求书限定。
本申请的第一部分描述了在单晶体金刚石中以受控的方式制造Nv 中心的技能。描述了各种能够在单晶体金刚石中制造结构的离子注入 工艺。如在医疗器械部分所描述的，于是可以使用这些工艺来在其他 环境下制造结构。进一步描述了有关单晶体金刚石掺杂来获得各种半 导体和导电性能，这可以与在金刚石内构造的纳米和微机械器件一起 使用。
金刚石内的N-V中心可以以受控的方式制造。在一个实施方案 中，利用生长过程中包括氮的CVD工艺来形成单晶体金刚石，然后退 火去除N-V中心。然后由受控数量的N-V中心形成单晶体金刚石的 薄层。该N-V中心形成用于电路中的量子位。
量子位器件在具有高受控纯度的金刚石内形成。可以制造高受控 数量的N-V中心，N-V彼此隔离并且与具有磁自旋的其他元素，诸 如N-V0、Ns和13C(碳13)相隔离。在一个实施方案中，利用单个 隔离的N-V中心从单个原子获得信息而不是从原子团获得信息。在另 一实施方案中，使得N-V中心邻近13C可能是合乎需要的。在又一实 施方案中，由于缺陷会导致更短的自旋寿命，并且氮在诸如位错的缺 陷处易于离析，其中该位错对更高的浓缩效果和在邻近自旋之间伴随 的相互作用以及寿命的降低产生影响，所以金刚石具有很高的晶体完 美性。
在一个实施方案中，光能够以受控的方式进入和离开该金刚石宿 主材料。当量子位发射光时，将在球形表面上发射该光，并且在任意 点的光强非常小且难以检测。量子位被包含在光学波导内，该光学波 导将光陷在并引导在最小数量的方向上。由于金刚石具有非常高的折 射率(可见光范围内为2.4)，它用于该种波导是理想的。与空气或 真空接触的金刚石薄层在两侧上提供了该种波导。金刚石具有比空气 明显更高的折射率，使得沿着波导传播的光束被金刚石波导的壁在内 部反射并且被金刚石波导限制。利用量子位放在金刚石波导内，量子 位所发射的大部分光将沿该波导传送并且易于被收集和检测。也可以 使用其他传送形式，例如利用等离子波导或开槽波导。在又一实施方 案中，使用细金属丝来从量子位引出光。该光在金刚石包覆层内金属 丝的外侧上传播。
一种用于构造量子位器件的方法包括：使用HPHT方法生长单晶， 加入预定量的、均将为Ns的氮原子，照射金刚石以产生碳空位并且退 火以将碳空位扩散进氮原子中从而生成N-V中心。这种方法可以导致 引起较大程度的晶体损伤的辐射，从而降低量子位寿命。
另一种在HPHT金刚石内制造N-V中心的方法包括：用钛或铝的吸 气剂从金刚石中去除所有的氮来生长金刚石，以及随后通过定点的离 子注入将氮注入金刚石中。这种方法也许不大适于生产适用于器件制 造的大体积的金刚石晶片。
图1是根据示例性实施方案具有N-V-中心110的金刚石晶格100 的框图表示。中心110也代表具有不同电荷状态的N-V中心。如上所 述，该N-V-中心110是金刚石内占位中的氮115，该占位邻近碳空位 120。在图1中，该N-V-中心110与其他N-V中心隔离，以使得其他 中心和其他结构的自旋不影响该隔离的N-V-中心，从而形成量子位。
金刚石内的N-V-中心110具有使其符合基于量子位的器件的若 干特性。它能够使用低功率的微波来抽吸。它也能容易地被检测(以 675纳米波长发射)。金刚石内的该种N-V-中心具有长寿命(60到500 微秒)和室温操作。金刚石也具有高的光学透明度和高的光学折射率， 能够构造光学波导和其他光学结构。
一种制造N-V中心的方法包括使用CVD长成的金刚石。CVD金刚 石可以生长出较大的尺寸，具有如(参见美国专利第6,582,513号) 中所见的高受控纯度并具有受控纯度、厚度和性能的层。可以以高或 低的氮浓度、具有13C或没有13C的层来生长CVD金刚石。可以通过 几种方式来控制N-V中心的形成。
CVD金刚石在N-V-、N-V0和Ns都稳定的条件下生长。此外，这些 状态的比例可以根据生长条件、浓度和生长之后的热处理变化。而且， 也能够在基本上没有氮的所有状态下生长衬底，并且然后生长只有预 期氮水平的金刚石薄膜。由于薄膜中氮原子的数量是浓度和厚度的函 数，所以N-V-中心可以与其他所有的中心隔离。换句话说，如果在 给定体积的CVD长成的金刚石内形成已知数量的N-V中心的浓度，并 且使金刚石薄膜非常薄，那么能确保形成非常少的N-V中心，并且从 而互相隔离。
在另一实施方案中，通过提取在气源中的13C或者通过增加13C 能级，用于薄膜的CVD生长的碳源具有预定能级的13C。在一个实施 方案中，需要大约2微米的间隙保证N-V-中心和其它N中心之间不交 互作用。这估计约有10ppb，这已经得到了证明。此外，可以生成唯 一标称纯度的金刚石层，然后高温退火以将所有的N-V中心转化成Ns。 由于Ns在N-V-波长不具有光信号，这从散杂的N-V原子中去除了任 意的无关信号。应该理解的是，可以培养许多层，这些层在高纯度的 和特定数量的N-V中心之间交替，以获得具有在相邻层中隔离的N-V 的三维结构。每一层可以设计成如下所述的波导，并且具有多重的和 分开的功能。
在每一个上述实施方案中，N-V中心可以被任意地放置在晶体的 体积内，但是在器件的运行期间，可以为检测而容易地被发现和标记。
在另一实施方案中，可以使用不同类型的金刚石，诸如天然、矿 采金刚石，高温、高压制造的金刚石、CVD形成的金刚石或其他金刚 石。然后可以将这些金刚石退火以破坏N-V中心，随后通过注入来生 成预定密度的N-V中心，然后再次注入以形成波导。
替代的方法使用了有或没有预定同位素纯度薄膜的非常纯的大块 晶体，用热处理以破坏所有残余的N-V中心，然后在预定的位置注入 单个隔离的N-V中心。然后再在层上生长高纯度金刚石的保护层。
波导可以靠近N-V中心形成并且与其光学连接。在一个实施方案 中，以带方式向金刚石内注入氢，随后通过对该结构进行热处理以产 生空腔，该空腔将金刚石带与底层的金刚石分离。该金刚石带基本上 被空气环绕，并且用作将信号引入和引出金刚石结构的光学波导。它 提供了高度隔离的光学信号的输入和输出，并且能够在单个金刚石芯 片上进行多通道的输入和输出。此外，可以在一个光学芯片上提供多 种功能，诸如放大器、存储和计算。多种能量的注入可以形成多个带， 同时形成深度上彼此分离的层，从而产生三维的、光学隔离的量子位 结构。由于可以利用大部分的体积，这些结构可以明显的减小这些器 件的尺寸。也可以形成开槽波导。
应该注意的是，在分离通道的波导的情况下，通过施用热和电压 循环使得波导在光点处或沿着其长度上升和降低，可以改变波导的特 性。这在本质上是一个完全寄生的器件(attached device)。这可以 用作打开或关闭光的开关或者可以用作将光移动到另一通道的开关。 在一个实施方案中，量子位、光开关和MEMS技术及其附带应用被结合 进同一芯片中。使用掩膜或者其他构图的(patterned)注入以及剥离 技术使得能够构造一系列的波导结构，例如片状、板状、线状、碟状 和所有能够像在光电子和MEMS器件中调制和转换的这些形状中的多 种形状。通过这些波导的接近度(proximity)和形状的设计，能够构 造常开或者常关的开关或者混合器。
也可以与其他半导体一起形成金刚石量子位。金刚石可以结合到 其他半导体上，例如硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅或III-IV合金。半 导体可以生长到金刚石衬底上。金刚石到其他半导体的连接将使得诸 如激光器、检测器和相应的电路能够直接与金刚石QBIT集成，以提供 到达和来自常规来源、器件和系统的输入和输出。这将提供用于常规 计算机和未来基于QBIT的计算机内的更高速度互联的光学总线的基 础。实际上通过组合所述的技术和方法，一整套新的集成量子位-半 导体器件(QSD)将是可能的。
图2是金刚石的侧视截面示意图，示出了根据示例性实施方案的 为了形成接近于如上所述形成的量子位的波导的掩膜的离子注入工 艺。在一个实施方案中，该量子位是隔离的量子位，并且该量子位的 位置用作形成波导的导向装置，由此使得量子定位在波导内。在另一 实施方案中，在早已形成的波导内形成该量子位。
在一个实施方案中，金刚石衬底210覆盖有一层掩膜215。该掩 膜215由能够足够筛分出以预定能级注入的离子220的材料制成。该 掩膜可以采取许多不同的形状，在俯视图3中的310处示出了该形状 中的一种。在此实施方案中，该掩膜是长的、细的矩形的形状，在预 定深度处形成长细的注入物225。
图4是在离子注入并加热以在金刚石210内形成空隙410之后的 图2中的金刚石210的侧视截面示意图。空隙410提供了在用420示 出的金刚石带的一侧的低折射率区域。在该金刚石带420的另一侧实 际上是金刚石210的顶部，该侧可以暴露于空气中，与金刚石带420 的折射率相比也具有低的折射率。因此，金刚石带420形成波导。量 子位430在金刚石带420内形成，并且该带提供了一种机构来捕获光 并将光提供到量子位，以检测和引起量子位的变化。很明显，金刚石 带420可以以不同的形状形成，以将光传导到预定的光源440和光检 测器450，该光检测器各自可以进一步连接到处理电路，该处理电路 可以在金刚石衬底上、金刚石内或者金刚石外形成。在不同的实施方 案中，光源440和光检测器450也可以在金刚石衬底内、衬底上或者 在金刚石衬底之外。可以形成光纤连接或者光耦合器来将光导入波导 带420或者导出波导带420。
在一个实施方案中，使用构图的离子注入来将一种或多种原子种 类输入金刚石生长表面下方，以形成在金刚石生长表面下方一定深度 处的具有峰浓度的注入层。在适宜的条件下将该合成物在非氧化性环 境中加热，以使得人造金刚石结构分离。
该种非氧化性气氛通常包括任意所含氧的浓度不足以有氧化反应 的气氛。该种气氛的实例包括惰性的(例如氦、氖、氩等)和其他不 含氧的气体(例如氢、氮等)。用于提供这些气氛的环境通常包括等 离子体、真空等等。
在本发明的某些实施方案中，在离子注入阶段之前或者在离子注 入阶段同时，可以执行多种初始步骤。一个这样的步骤包括选择衬底。 例如，当生长单晶CVD金刚石时，该衬底可以是单晶金刚石。
一旦选择了衬底，可以确定并且可选地预加工衬底的至少一个主 要表面来用于离子注入。金刚石表面的预加工可以包括任意适宜的用 于影响表面的化学和/或物理构成的方法，例如通过使用常规的抛光方 法来抛光。此种预加工可以在离子注入之前完成。一般地，离子以固 定的距离和穿过金刚石生长表面均匀的通量的方式注入，以使得注入 物质层的构形将会自身复制衬底的表面轮廓。而在衬底的注入表面上 的任意缺陷一般将对注入物的轮廓具有相应的影响，包括对预定的峰 原子层的构形的影响。因而，如果金刚石被抛光，这些结构实际上可 以被基本上抛光。衬底的预加工对于初步去除这些缺陷可能是重要的。 此外，在某些实施方案中，为了离子注入将表面彻底地清洗，例如使 用溶剂或者本领域已知的其它方法，这些方法包括等离子刻蚀、气相 刻蚀等等。抛光损伤可能会产生不期望的N-V中心。可以进一步刻蚀 抛光的金刚石的表面，以去除这些损伤和N-V中心。
通常在高真空、高电压和相对低的射束流的条件下进行离子注入。 如本领域中已知的，离子注入通常包括离子化原子种类的过程，随后 将这些物质在电场内加速，并且将加速的、离子化的物质射向衬底。 随着运动速度的加速，该物质通常穿透衬底的外表面并且在衬底内如 图2中225处所示出的区域中停下来。
该区域在衬底的注入层内。在一个实施方案中，该物质通常以法 线方向或垂直于表面的角度朝向衬底加速。但是，该物质同样也可以 以各种角度朝向衬底加速。对于给定的物质，通常通过调整电场实现 注入的深度。一般地，当增加电场的电压时，该物质的能量将被增加， 这会最终导致该物质进入衬底的更深的注入。可以完全预期的是，衬 底可以是各种晶体形状中的任意一种。例如，衬底可以是任意预定几 何形状中的一种，这些几何形状包括立方体、圆锥体、棱柱、角锥、 楔形体或其它几何形状，以及各种截锥体。
物质通常穿透衬底的上表面一直到达某一区域，诸如衬底内的区 域225。物质的峰值浓度在通常被称之为范围深度末端(end of range depth)的某一深度处。虽然只在一个深度(范围深度末端)处示出了 物质，应该理解这么作是为了简单起见。在离子注入之后，物质通常 完全分布在紧靠范围末端处的区域或者分布在范围末端的区域内。
在离子注入开始之前，必须选择所要注入的物质。在选择物质时 需要考虑许多可变因素，例如成本和有效利用率，以及如下所述的物 质对衬底晶格可预料到的损伤程度。
在离子注入期间，通过将物质(离子化的原子)射入衬底的晶格， 晶格的注入部分通常膨胀或扩张。晶格这样的过度扩张通常会引起注 入层内的应变。结果，过度的应变会对注入层造成损伤。此损伤通常 以在注入层内的位错和开裂为代表。这些位错通常会产生一个对生长 优质人造金刚石(例如通过CVD生长具有没有缺陷或位错的金刚石， 或者具有微不足道数量的缺陷或位错的金刚石)不利的外衬底表面。 但是，可以用许多方法控制晶格扩张的方式，或者实际上可以依靠多 种方法来控制。
一种方法包括选择适宜的用于注入的物质。在本发明的某些实施 方案中，使用常规的离子注入技术向金刚石衬底内注入氢离子。由于 氢的共价半径小，在注入层内只产生少量的晶格扩张。因此，注入层 内只有很小的应变(和损伤)。通常，随着所注入的物质的共价半径 增大，能够产生良好表面(例如具有有限的缺陷或位错的表面)的可 能性降低。
通常，只要物质适于此后使得注入层部分能够与衬底分离，在本 发明的工艺中可以使用任意物质用于离子注入。因此，如此选择物质 从而使其能够适合于注入到衬底内。这些物质的离子包括，即使不是 所有的话，那么也是大部分的原子元素。在本发明的某些实施方案中， 衬底也用于在其上生长人造金刚石。因此，物质优选地能够适合于注 入到衬底内以便能够分离，并且能够在衬底上适宜地形成良好的生长 表面，在该表面上能够生长优质的人造金刚石。因此，选择物质使得 能够适合于注入到衬底内而不会不期望地损伤衬底。小尺寸的到中等 尺寸的物质(具有小到中等尺寸的共价半径)通常是优选的。实例包 括诸如氦、锂、硼、碳、氧、磷和硫的原子种类。但是，该工艺的实 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，考虑了影响物质注入的其他参数，例如物质剂量和物质能 级，以便限制大尺寸的物质注入对衬底晶格的损伤程度。
注入部分的晶格损伤程度可以通过所注入的物质的剂量来限制， 该剂量被定义为注入到衬底内的原子的表面密度(原子/cm2)。例如， 如果物质使用高剂量注入，那么物质通常将对衬底造成比使用低剂量 注入更大的损伤。当物质(离子化的原子)穿过衬底行进时，靠近物 质范围末端(通常称之为“范围损伤末端”)进入衬底对衬底晶格造 成的损伤是最大的。
其次，范围末端处的损伤程度是该水平的总剂量的函数。然而， 能够使得在金刚石晶体内分离的能力也是总剂量的函数。对于特定的 实施方案，剂量水平过低将没有分离，然而剂量水平过高将会造成过 度的损伤和低品级的金刚石生长。在某些实施方案中，剂量设定在从 大约1×1014原子/cm2到大约1×1020原子/cm2的范围内，或者更优选地， 设定在从大约1×1015原子/cm2到大约1×1018原子/cm2的范围内。当注 入大尺寸的物质时，为了限制晶格损伤，通常优选地是选择范围的较 低端上的剂量。相反地，当注入小尺寸的到中等尺寸的物质时，在范 围内的任意剂量通常都是适宜的。
此外，可以通过改变用于离子注入的电场的电压来控制金刚石生 长表面的晶格损伤程度。当增加电场的电压时，物质的能量也增加， 最终会导致物质更深地注入到衬底中。其次，对于特定的物质可以选 择能级，从而能够在衬底内某一注入深度(范围深度末端)附近注入 峰浓度的物质。这一深度可以是自500埃到20,000埃范围内的任意数 值。虽然通过降低物质的能量可以限制物质的范围深度末端，但最好 不要过度地限制该能量。
在本发明的某些实施方案中，能级被设定在从大约10KeV到大约 10,000KeV的范围内，而在另一实施方案中，能级被设定在从大约 50KeV到大约500KeV的范围内。当注入大尺寸的物质时，为了限制衬 底的晶格损伤，可以期望选择该范围的较高端上的物质能级。这样， 从距金刚石生长表面更远处向其注入大尺寸的物质，从而试图避免金 刚石生长表面的任意晶格损伤。相反地，当注入小尺寸的到中等尺寸 的物质时，该方法提供了在选择物质能量上的更多的自由。
在注入过程中，物质剂量率会影响衬底的温度。如果剂量率过高， 会产生注入层区域的有害的石墨化。在本发明的一些实施方案中，该 剂量率被设定在从大约0.05微安培/cm2到大约100毫安培/cm2的范围 内，在其他实施方案中，该剂量率被设定在从大约0.1微安培/cm2到 大约500微安培/cm2的范围内。
在一个实施方案中，在多个能级注入，然后进行加热以产生衬底 的不同能级的间隙。通过在150、155和160KeV的能级注入H2，一个 实例提供了三种这样的间隙。这能够提供具有潜在的相应的隔离的N -V中心的三级结构，例如波导。
考虑本说明书，本领域普通技术人员可以理解，如果给出有关物 质注入和所使用的能量的特定值，那么可以确定物质的范围深度末端。 该计算通常被称之为TRIM(Transport of Ions in Matter)计算。 参见Nucl.Instr.Meth.第174-257页(1980)刊登的J.P.Biersack 等人的“A Monte Carlo Computer Program for the Transport of Energetic Ions in Amorphous Targets”，该文的教导通过引用并 入本文中。一般也可以参见J.F.Ziegler等人的“In the Stopping and Range of Ions in Matter”，Pergamon Press，N.Y.，第1卷(1985)， 该文的教导通过引用并入本文中。表1列出了给定用作衬底的金刚石 晶种，不同能级的各种物质的近似的范围深度末端。不管金刚石晶种 是否是HPHT、CVD或者天然金刚石，物质的范围深度末端通常保持相 同。如所示出的，随着诸如氢的物质的能级提高，其范围深度末端也 提高。对于包括硼和碳的物质在大约200KeV的能级进行计算，以证明 随着物质的原子半径增大，相应的范围深度末端降低。此外，应该注 意的是，与氢相反，当使用碳作为注入物质时，为了获得类似的范围 深度末端(例如，从1900埃到2000埃)，能级将必须增加四倍。
表1
作为注入的原子和注入能量函数的注入深度
注入能量
  注入的离子/原子   50keV    100keV    200keV    1,000keV   氢  1900    3700   7200    63500   硼   2800
碳 2000
在非氧化性气氛下为金刚石合成物提供热处理。这些处理可以通 过任意适宜的方法提供，包括辐射、传导或者对流源的所有本领域公 知方式。通常，热处理的温度范围优选设定在从大约1100℃到大约 1800℃的范围，更优选地设定在大约1100℃到大约1500℃的范围。适 当的气氛和温度水平的组合提供了使人造金刚石和注入层部分自然分 离的理想环境。
图5是金刚石的侧视截面示意图，示出了根据示例性实施方案的 用于形成悬臂梁的掩膜离子注入工艺。在此实施方案中，使用第一掩 膜形成将最后限定空腔的尺寸的总体矩形的区域，在该空腔内悬臂梁 将被释放以自由运动。同样可以理解的，可以使用除矩形之外的其他 形状。根据所需要的元件的尺寸，注入深度可以变化，以使得足够密 度的离子被注入到悬臂梁下方整个区域以及注入到悬臂梁的侧面，以 允许一旦悬臂梁被释放运动后能够充分地运动。因此，掩膜至少稍延 伸出悬臂梁的边缘和释放端。
在注入离子来形成空腔的底面之后，如图6所示使用新的掩膜， 该图6是根据示例性实施方案的用于形成悬臂梁的离子注入掩膜600 的俯视示意图。在用突出部610限定悬臂梁自身形状的同时，此掩膜 允许到达悬臂梁的侧面和越过悬臂梁的释放端的注入。和此掩膜一起 使用的注入能级被设计为将足够密度的离子注入到悬臂梁的侧面和释 放端。该注入可以改变从金刚石衬底表面到悬臂梁下方限定的空腔的 注入深度。因此，如图7所示，在非氧化性环境下加热释放了悬臂梁， 其中图7是根据示例性实施方案的释放的悬臂梁710的侧视截面示意 图。替代地，可以使用在边缘的碳注入和氧化热刻蚀、电解和氧化酸 蚀来进行释放。
在一个实施方案中，当被释放时悬臂梁710趋向于向上弯曲。在 释放悬臂梁之前或者之后可提供在较高能级的其他注入。这些注入， 根据深度和密度，将开始通过压缩表面来矫直悬臂梁；并且如果继续 注入，可以实际上使得悬臂梁向下弯曲。
如从悬臂梁710的形成可以看到的，通过使用一层或多层掩膜， 以及改变多种注入的深度来去除预定的材料，可以制造许多其他三维 结构。可以进一步在酸溶液中清洗这些结构，以去除不需要的残余注 入金刚石材料。这些结构可以用于许多不同的应用，包括具有普通应 用的NEM和MEM器件。这些器件可以用作传感器和其他除量子位器件 外的具有多种应用的机械器件，例如医疗器械。
图8是根据示例性实施方案的用于形成光学结构的掩膜的金刚石 的侧视截面示意图。在一个实施方案中，掩膜800包括一个或多个圆 形开口阵列810。如图9所示，对在预定深度得到的注入进行加热， 形成一系列碟状的空隙910，其中图9是图8中的金刚石的俯视截面 视图。在一个实施方案中，碟状的空隙910可以用作泵或者光偏转器。 当靠近金刚石表面成形时，金刚石的表面会轻微起泡。这些泡会导致 光学边缘效应，包括颜色改变。在一个实施方案中，该碟的直径大约 是500nm。可以容易地形成其他形状和尺寸。
在一个实施方案中，可以使用更多的掩膜和注入来完全地释放各 个碟状空隙上方的金刚石，以生成小透镜状结构。这些结构可以具有 与注入能级相联系的预期厚度。在一个实施方案中，透镜是大约50um 厚，形成校准器或滤光器。应该注意的是，除了变化深度注入和加热 来释放透镜之外，还可以使用激光和其他释放透镜的方法。在某些实 施方案中，采用小于1um的厚度。该厚度也可以是包括该种结构的光 学器件的所需的操作波长的函数。
医疗应用
金刚石表现出与活组织良好的生物相容性。目前，用于临床应用 中，金刚石并未显示出致癌性或毒性；并且在大体积形式下它显示出 生物惰性。因此，它是能够结合到医疗器械、整形用具、仪器、工具、 传感器和其它用于包括人类的活组织内的结构上的非常理想的材料。 这些医疗结构可以使用上文确定的工艺用CVD金刚石直接制成，或者 由目前使用的材料制成，然后涂覆CVD金刚石来提供增强的生物相容 性。该涂层可以通过用纳米晶体金刚石来涂覆预期的表面，或者涂覆 整个表面以及在这些表面上生长CVD金刚石薄层来被涂上。这些金刚 石层可以通过包括需要的掺杂物来制成导电的，或者依需要制成不导 电的。
在一个实施方案中，50nm的CVD金刚石涂层足以提供所需的性能。 这些性能包括生物相容性，以及抑制它们所涂覆的结构氧化的能力。 在一种方法中，使用纳米晶体金刚石为所需要的结构种晶种。纳米晶 体金刚石是可以买到的，并且可以悬浮在乙醇中以应用到结构中。该 结构可以被浸泡在乙醇中，然后使乙醇蒸发，在结构上留下预定量的 金刚石晶种。也可以使用用于金刚石晶种的粘性载体，例如光刻胶， 该粘性载体然后可以被蒸发。CVD金刚石层可以由该晶种形成，例如 以多种加工温度从晶种生长，根据结构的热预算或者它们的耐热性， 该加工温度例如是在500至1000℃的范围内，或者是大约200℃。在 晶种上生长CVD金刚石，利用该生长的CVD金刚石能足以覆盖结构的 所需部分。可以进行多次这样的涂覆来覆盖整个结构。
某些应用包括外科解剖刀和钻头。CVD金刚石涂层提供了增强的 耐用性。对于钻头，例如牙齿、神经或矫形型的钻头，CVD金刚石结 构或涂层可以提供增强的耐用性，并且此外能够实现期望的锋利度而 不增加钻头的磨蚀。较钝的钻头可以具有提供增强的钻速控制的预期 性能。
在其它应用中，矫形器可以具有改良的性能。构成人造膝盖、髋 部、肩部和肘关节的球窝式或封闭式结构可以选择性地用CVD金刚石 涂覆，或者在某些实施方案中完全用CVD金刚石制造。其他器件，例 如脊椎盘替换物、螺钉、板材、节点等等可以用金刚石制成，或者用 CVD金刚石涂覆。
对于用CVD金刚石制造或覆盖的器件的心血管方面的应用包括导 管系统，诸如用于清理动脉的转子叶片、支架和加热阀等均由于相应 的减少了磨损率而可以具有增长的寿命。
纳米医疗应用包括使用CVD金刚石来包住器件，该器件用于输送 蛋白质、重组蛋白质和/或逆转录酶病毒、内病毒(endovirus)以及 质粒的技术。
上述掩膜的注入工艺可以用于制造许多不同的医疗相关的器械。 利用上述注入技术，可以制造药物输送器械，该药物输送器械可以植 入活的生物体中。在图10中在1000处的简化框图示出了该器械的一 个实例。包含药物的储存器1010由金刚石、硅或其它使用与相应材料 相适应的方法来制造的衬底材料制成。当由硅制成时，可以使用许多 基本的光刻技术来形成该结构。可以使用牺牲层来形成储存器1010以 及连接到泵1020的第一管或导管1015，该泵1020是小的泡状的结构 并且具有使其容积根据预期的驱动来控制的能力。泵1020还连接到输 出管或导管1025，以喷射流体。
泵1020可以通过施加电压或者通过使用压电材料来机械地驱动， 以使得泡可受控地压缩和变形。这形成了纳米射流开关或泵。如上所 述然后可以用CVD金刚石来涂覆硅器械1000。可以使用CVD金刚石的 两种应用，对于第二种应用，将该器械翻转来涂覆该器械的底面。
当器械1000由诸如CVD金刚石之类的金刚石制成时，可以使用不 同形式的离子注入和退火来形成结构。较小的结构，诸如管1015和 1025，可以通过氢离子注入和退火来形成。在其它实施方案中，较大 的结构，例如储存器1010和泵结构1020，如果需要可以通过诸如具 有多能级的碳之类的大离子种类的注入来形成。这样的注入可能在金 刚石内形成石墨，该石墨可以通过利用氧化作用和利用腐蚀石墨层的 硫硝酸来刻蚀掉。可以通过管1015和1025引入酸。在一个实施方案 中，管1015和1025被成形为单条连续的管，提供了用于随后刻蚀储 存器1010的通道。这一形成较大开口的工艺节约了氢注入和退火工艺 的热预算。
在另一实施方案中，可以使用不同能级的掩膜的碳离子注入来制 造从储存器1010到器械1000的表面的通孔。这提供了更容易刻蚀的 通孔，也提供了用于更快地向器械装载所需的药物的通孔。也可以设 置电路来向泵1020的表面提供受控的电压或适宜的压力，以对泵提供 驱动。在又一实施方案中，可以制造附加的泵或者泡1030，以使得在 储存器和出口管之间具有两个泵。当以适当的顺序操作时，它们确保 了流体在需要的方向上被泵送。虽然器械1000的形状被显示为矩形 的，然而实际形状可以根据需要变化，用于与临床应用相适应。也可 以改变管子和储存器的尺寸来获得所需的工作参数。
在一个实施方案中，使用上述技术可以在金刚石的多个能级中形 成毛细管和其他流体结构。单晶体金刚石、单晶体上的纳米晶体和单 晶体金刚石上方的多晶体可以用于这些结构。在一个实施方案中，利 用能级间相互连接可以形成诸如图11中所示的器械1100。在低电压 下使用第一掩膜注入来形成第一级毛细管1110。使用更高的能量的掩 膜注入在器械1100内的较低的能级形成第二级毛细管1120。通过使 用一次或多次相同或不同物质的注入在两毛细管1110和1120之间形 成相互连接或通孔1130。
可以使用在不同能级的多次注入来形成通孔。使用退火来打开毛 细管，并且退火也可以用于打开通孔。如果通孔使用碳离子注入来形 成，则可以使用如上所述的刻蚀来打开通孔。如果需要可以穿过开口 的毛细管来设置刻蚀剂。也可以使用在毛细管端点之间施用的利用水 和电流的电解来去除石墨材料。
在各实施方案中可以在多个能级中和多个能级之间形成多个毛细 管和通孔，以形成复杂的流体结构。上述的泡可以集成到毛细管中并 且用作在交错的毛细管或通道之间的开关或泵。可以增加储存器和其 他所需的结构，包括隔膜、悬臂梁，并且也可以形成支撑在两端的梁 以提供多种不同的功能。由于该器械由金刚石制成，或者可以由金刚 石涂覆，它们在临床应用中具有高生物相容性。
毛细管可以制成各种尺寸，例如从5到10nm宽到毫米范围的宽度。 它们也可以被成形为根据需要的长度。通过对用来形成该宽度和长度 的注入进行掩膜来控制这两方面的尺寸。
在一个实施方案中，毛细管1110被制造为其一部分被掺杂以使其 导电。该掺杂可以在形成金刚石器械1100的过程中提供，以使得毛细 管1110的上部导电，而该管的其他部分具有未掺杂的CVD金刚石的绝 缘性能。可以使用电脉冲来关闭或打开毛细管，从而用作开关。在另 一实施方案中，可以在毛细管的导电部分的任一端设置电极，以测量 毛细管内的流体的导电性。
在又一实施方案中，如在图12中的框图所示，光学传感器和发射 器可以嵌入在金刚石内，或者用CVD金刚石涂覆。硅衬底1205具有光 学发射器1210，该光学发射器1210通过波导1230连接到光学检测器 1220。CVD金刚石涂层1235用于密封该硅结构。该金刚石覆盖层1235 用于保护硅结构并且防止它们氧化。因此，它们可以用于植入生物中 并且是生物相容的。在一个实施方案中，导电输入路径1240从光学检 测器1210穿过金刚石层延伸，诸如通过掺杂硅和金刚石层来形成在金 刚石层内的接触。在1245处形成导电输出路径，并且该路径从光学检 测器1220延伸到金刚石涂层1235的外侧。在某些实施方案中，该输 入和输出可以用作神经导体(neural conductor)。在其他实施方案 中，如下文所述的关于掺硼金刚石半导体，可以构造硅和金刚石的多 种结合。各种由硅或砷化镓制成的其他的光学和电学检测器也可以用 CVD金刚石包裹或者选择性地涂覆。在某些实施方案中，金刚石导电 部分可以从金刚石的一端延伸到另一端，从而提供基于金刚石的神经 导体。
如图13所示，在另一实施方案中，可以使用预定厚度的金刚石片 1300来制造多孔膜。可以制造10nm到微米尺寸或更大的孔隙1310， 诸如一系列孔隙来制造具有所需过滤性能的膜。该孔隙可以通过如上 所述的掩膜离子注入以及退火或刻蚀来制造。由于金刚石是高生物相 容的，能够进行许多临床应用。根据应用和表面区域，在某些实施方 案中该膜的厚度可以明显变化。除这些特定的限制之外，可以变化孔 隙的尺寸和布置。
图14是结构1410的示意图，诸如如上所述的一种结构，包括选 择性地用CVD金刚石1420涂覆的假体器械、可植入医疗器械、工具等。 由于许多这样的结构是公知的，该附图是框图形式。虽然整个结构1410 被示作被涂覆，但是只有一部分需要用CVD金刚石涂覆。根据应用， CVD金刚石1420可以是单晶体、纳米晶体或多晶体。
单晶体CVD金刚石的掺硼和电路制造
一个示例性实施方案提供了掺硼的第一和第二人造金刚石区域。 第二人造金刚石区域比第一人造金刚石区域掺有更多的硼，并且与第 一人造金刚石区域物理接触。在另一示例性实施方案中，该第一和第 二人造金刚石区域形成金刚石半导体，例如肖特基二极管。
图15-18示出了单晶体人造金刚石肖特基二极管的制造方法，该 肖特基二极管是诸如能够使用本发明的制造的金刚石半导体器件的一 种实例。图15示出了硼重掺杂的金刚石籽晶，相对于碳的四价电子其 中硼只有三价电子，使得该金刚石成为强p型半导体材料。包含硼的 金刚石内的晶格点内缺少电子，留下了能够接受电子的“空穴”，该 “空穴”实际上是移动的正电荷。带负电的硼原子固定在金刚石的晶 格内，这意味着硼原子不能移动但是帮助提供了在导电过程中用作电 子受主的空穴。
虽然其他实例使用扩散或者离子注入来将硼注入金刚石中，而不 管该金刚石是人造的或天然存在的；但是在某些实例中，硼随着通过 化学气相沉积形成金刚石而生长进金刚石中，或者通过其他工艺加入。 金刚石含有硼，该硼至少穿过延伸半微米至几微米的晶种金刚石101 的上部区域掺杂，以使得上层具有相对均匀的硼原子分布，其中该硼 原子分布为预期的密度。
将晶种101抛光以形成平的上表面，使用诸如激光或切割工具来 修剪晶种的边缘，以及对该边缘进行清理、刻蚀和抛光。如图15中在 102处示出的，然后将氢原子注入到需要的深度。在不同的实例中， 氢原子在不同的条件下被注入，但是在一个实例中氢原子以相对于金 刚石表面10度的角度和以大约每平方厘米一微安培的剂量率注入。电 子被以大约200KeV的能量注入，一直到大约十的十七次方的原子每平 方厘米的总剂量被注入到金刚石101中。改变氢注入的参数将改变所 得到的氢注入层的深度和密度。氢注入层被显示为图15中打点的层 102。
一旦完成将氢注入到掺硼的金刚石晶种中，例如通过化学气相沉 积等离子反应器，在晶种上生长更多的金刚石。对于在其他实例中的 金刚石形成可以使用的各种技术，包括微波等离子反应器、DC等离子 反应器、RF等离子反应器、热丝反应器和其他这样的技术。可以通过 多种方法和设备来制造人造金刚石，例如在标题为“System and Method for Producing Synthetic Diamond”的美国专利6,582,513中所描 述的，该专利的全部内容通过引用并入本文中。
在一个实例中生长的金刚石是单晶体人造金刚石，其使用诸如甲 烷或其他气体的气流来为等离子反应器提供前体材料(precursor material)，以产生沉积形成金刚石的等离子体。在某些实例或某些 金刚石层中的气体包括多种杂质，例如硼掺杂物、或者碳的各种同位 素等杂质。例如，具有比碳-12的平均纯度更高的纯度以及相应的比 碳-13同位素浓度降低的金刚石被称之为同位素强化，并且尤其是在 热传导性方面的强化。这使得它们更适用于诸如半导体器件的制造， 能够实现比其他方式所能获得的更高的功率和更高的密度。具有碳- 12的金刚石CVD前体气体的同位素强化能够产生具有明显小于标准的 1.1％碳-13浓度的金刚石，同时产生最高达3300W/mK的热传导率。 生产具有高热传导率的人造金刚石的方法的其他实例包括：在低氮的 环境下生长金刚石，在富氢的环境下生长人造金刚石以及使用硼掺杂 物来引起热传导率的增加。
在某些实施方案中，由于在金刚石晶体结构内放入了掺杂物，具 有硼或其他注入的掺杂物的金刚石区域会具有比未掺杂的金刚石稍大 或稍小的晶格结构。在某些实施方案中，通过注入选定用于产生所需 晶格结构的离子，可以控制在具有不同掺杂物浓度的金刚石之间、或 者在掺杂的和未掺杂的金刚石之间的晶格失配。例如，轻掺硼的金刚 石区域相对于主要由碳-12制成的未掺杂的金刚石将具有稍膨胀的晶 格结构。将碳-13加入掺硼的金刚石中收缩了晶格结构，并且这也用 于某些实施方案中来消除在金刚石层之间的晶格失配，或者来控制在 金刚石层之间的晶格失配或应变。
在更详细的实施方案中，在包括大约99％碳-12和1％碳-13的 金刚石结构中，在接触第二更重掺硼的区域生长第一轻掺硼的区域。 将更多的碳-13增加到第二更重掺硼的区域中能够使更重掺硼的区域 和更轻掺硼的金刚石区域的晶格结构彼此匹配，减少或消除了金刚石 层的边界处的晶格应变。
图16示出了图15中的晶种金刚石，该晶种金刚石具有氢注入层 201，并具有另一生长在用氢注入的表面上的掺硼的人造金刚石层 202。在某些实例中，在注入氢之前或者在第二人造金刚石区域202 生长之前的某一时间，晶种201被抛光变平；并且在第二人造金刚石 区域生长之前或者之后，晶种201被诸如通过激光刻蚀而修剪成所需 的尺寸和形状。上层生长到所需的厚度，例如在一个实例中是100微 米，并且然后被抛光和切割来形成图16中示出的金刚石组件。
图16中的组件然后被加热到足以使得第一金刚石区域101在氢注 入能级分离，产生与长成的人造金刚石区域202分开的一部分晶种金 刚石区域101。由于利用更轻掺硼的部分303而除去更重掺硼的金刚 石部分302，该操作产生了比原始晶种金刚石101稍小的晶种金刚石 301。图17中302和303所得到的结构形成了肖特基二极管的半导体 部分，当与诸如硅的其他半导体材料比较时，该半导体部分由于金刚 石的特性能够以特别高的电压和功率级工作。在其它实例中，生长区 域将比晶种区域更重掺杂硼，金刚石区域的厚度将不同，并且将进行 其他结构和设计上的变化。
图18示出了由图17中的302和303形成的金刚石组件，该金刚 石组件被顶离401处金刚石晶种区域，具有在402和403处连接的电 导线。基于金属的功函数或费米函数以及所需的肖特基二极管的性能， 选择金属附属件，并且一般将是包含诸如铝、铂、金、钛或镍的金属 或金属合金。这形成了完全的肖特基二极管，该二极管在其调整某些 信号、或者在某些情况下只在一个方向上让电流通过的能力类似于其 它类型的二极管。参见图18中的肖特基二极管，末端403被称为阳极， 末端402被称为阴极。当阳极所处的电位高于阴极所处的电位某一电 压电平时，电流将流过二极管，但是当阳极处于比阴极更低的电位或 者电压时，电流不能流过二极管。这一性能使得二极管广泛用于各种 电子应用中，包括检测、滤波和整形电子信号。
肖特基二极管的整流部分实际上是金属-金刚石半导体的接触， 而不是像大多数其他诸如p-n型的半导体二极管那样的半导体材料 之间的接触。肖特基二极管的工作原理是公知的但是相对复杂，对于 许多应用与常规二极管相比具有许多显著优点。肖特基二极管两端的 正向电压降典型地明显小于一般p-n结半导体二极管两端的正向电 压降，肖特基二极管两端的电压降的标准值是.2伏特，而硅p-n结二 极管两端的电压降的标准值是.6-.7伏特。肖特基二极管两端的电容 容量也明显较低，并且在形成肖特基二极管的势垒区域的金属接口处 的载流子复合明显地快于p-n半导体结中的载流子复合，大约10皮 秒左右。这使得肖特基二极管特别适用于诸如高频检测、混频和其它 类似应用。肖特基二极管相对于半导体p-n结二极管的低噪音的特征 进一步使得它们适合用于低能级检测应用，例如雷达或其他无线电检 测。
图19是制造诸如图18中的掺硼的金刚石半导体器件的方法流程 图。在501处，产生了掺硼的晶种金刚石。这可以通过将离子注入到 天然或人造金刚石中、通过在富硼的环境中生长人造金刚石、或者通 过其他适宜的方法来实现。通过高压高温(HPHT)方法、通过化学气 相沉积、或者通过其他适宜的方法可以制造长成的金刚石。在502处 掺硼的晶种金刚石表面被抛光，以制备所需晶体取向的平面金刚石晶 体表面。例如，可以在100平面内抛光金刚石，朝向110平面倾斜两 度，以产生轻微偏离金刚石的100表面的抛光表面。在不同的实例中， 可以切割晶种的边缘以及对各个其他面进行抛光或加工成形，以及使 用酸洗、水冲和溶剂干燥来清理表面。
然后，选择注入角度、能级和剂量，并且在503处进行氢离子注 入。如图15所示出和描绘的，注入参数被配置为在晶种金刚石内选定 深度注入选定密度的氢原子。在注入氢原子之后，注入的晶种金刚石 用作生长另外的金刚石的晶种，例如通过化学气相沉积。如图16所描 绘的，在某些实例中，长成的金刚石包括比晶种金刚石更高或更低的 硼浓度。金刚石一直生长到获得所需的厚度，例如500微米的厚度， 或者10到15,000微米范围内的厚度。
一旦完成生长过程，从生长器械上去除金刚石组件，并且在505 处使用激光切割器修剪边缘。在其他实例中，边缘可以使用其他方法 修剪，并且可以被抛光或打磨。因此，晶种的边缘也可以被修剪到所 需尺寸，例如恢复到在晶种金刚石区域上方生长之前的原始晶种尺寸。
在非氧化性环境中，例如在氢或惰性气体中，将所得到的金刚石 组件加热到使得金刚石组件的晶种金刚石区域在氢注入区域分离的高 温。在一个实例中，该分离在大约1200摄氏度出现，而在其他实例中 在1100到2400摄氏度的范围内出现。如图17所示，一旦晶种和长成 的金刚石-晶种金刚石组件分离，则留下长成的金刚石-晶种金刚石 组件，而在氢注入层上方的晶种金刚石部分连接到长成的金刚石。在 某些实例中，该分离在高温下自发的产生，但是在其他实例中通过向 氢注入层施加压力来产生。
产物是掺硼的半导体器件，其能够在507处被进一步修剪和抛光， 并且在509处可以连接到引线并被封装以用作半导体器件。
如图20所示，与本发明的各种实施方案一致的其他半导体器件的 实施方案包括制造集成电路。该图在601处示出了通常的金刚石半导 体衬底，该金刚石半导体衬底至少具有掺硼的区域或部分602。第二 区域603被生长、注入或以其它方式与金刚石区域602接触形成，但 是具有不同的硼的掺杂密度。这形成了肖特基二极管的半导体部分， 但是可以使用类似的方法来形成晶体管和各种其他部件。使用具有适 当的功函数的金属线将元件602和603连接到电路上，而在其它实例 中，使用多晶硅或其它导体或半导体元件将元件602和603连接到集 成电路的其它部分。
图21图示了与本发明的某些示例性实施方案相一致的、可以构造 的电子器件的实例。雷达装置701使用肖特基二极管用于低能级、高 频的无线电检测，并且在诸如多普勒雷达的其它示例性应用中用于混 频。电子器件得益于使用掺硼的金刚石半导体能够增强的性能，例如 相对于诸如硅的传统半导体的改进的功率处理、更高的密度和更好的 性能。
掺硼的金刚石不同于硅基半导体的地方还在于它是基本透明的， 具有浅蓝色的色泽。这使得掺硼的金刚石除了适用于诸如传统的LED 或激光二极管之外，尤其适宜用在诸如在结构上光从除了半导体结的 外表面之外的地方发射的蓝色LED或激光半导体器件中。由于掺硼的 金刚石一定程度上导电，它也可以用于需要导电的各种应用中，例如 在电极中、在其状态和其它特征可以被电子监视的导电的切割工具中， 在导电的加热槽或散热器中以及在能够被加热或者可以通过电流来改 变折射率的光学窗口中。
肖特基势垒结还用于除肖特基二极管之外的多种应用中，包括用 于双极结晶体管，在该双极结晶体管中肖特基结位于晶体管的基极和 集电极之间。这防止了晶体管饱和过深而引起晶体管开关时间过快。 金属半导体场效应晶体管(MESFET)也使用反向偏置的肖特基势垒来 提供在晶体管内的耗尽区，并且类似于JFET工作。此外在其它包括高 电子迁移率晶体管(HEMT)器件中，在异质结器件中使用肖特基势垒 来提供晶体管内的非常高的导电性。
可以预料，本说明书所描述的器件将不仅应用于肖特基二极管和 相关的器件中，而且应用于其他半导体、集成电路和电子器件中。虽 然本说明书描述和图示了具体的实施方案，但本领域普通技术人员应 该理解的是，适用于实现相同目的的各种配置可以替代所示出的具体 实施方案。本申请的意图在于覆盖本发明的任意改型和变体。这意味 着本发明仅仅通过权利要求和其等同物的所有范围来限制。
所提供的摘要符合37C.F.R.§1.72(b)，以使得读者能够快速 地确定该技术公开文本的类型和要点。摘要提交的条件是它不会用于 解释或限制权利要求的范围或含义。
相关申请
本申请要求2005年1月11日提交的标题为“金刚石医疗器械 (Diamond Medical Devices)”，序列号60/643,390的美国临时申 请的权利，该临时申请全部内容在此通过引用并入本说明书中。本申 请还要求2005年7月11日提交的标题为“金刚石内形成的结构 (Structures Formed in Diamond)”，序列号11/178,623的美国 专利申请的优先权，该专利申请全部内容在此通过引用并入本说明书 中。本申请还要求2005年2月11日提交的标题为“金刚石结构分离 (Diamond Structure Separation)”，序列号11/056,338的美国 专利申请的优先权，该专利申请全部内容在此通过引用并入本说明书 中。