專利名稱：：在金剛石中形成的結構的制作方法在金剛石中形成的結構
背景技術：
通用計算機提供數(shù)字化處理，其中數(shù)據(jù)以設備的正狀態(tài)或負狀態(tài)(或者關和開狀態(tài))被保持。數(shù)字設備可以是半導體的、磁的、光的、壓電的或其他的設備。該數(shù)字化處理被稱作數(shù)字計算，它是現(xiàn)在所有計算機、計算機用半導體設備和計算機軟件的經(jīng)濟和技術核心。數(shù)字化技術的應用需要所有的數(shù)據(jù)表示為"2"的冪的形式，這反過來又需要數(shù)據(jù)的控制、速度、存儲等等都按照這個巨大速度進行擴充。對于甚至是很有限的性能改進，這個數(shù)字化途徑也需要顯著地增加半導體芯片的尺寸、速度和復雜度，以與該改進相適應。半導體工程師對此做出的應對是使裝置體積更小，在更小的空間內有更多的裝置，并且不斷增加其復雜度。對更小空間的需求已經(jīng)逼近材料和光刻能力的極限，并且據(jù)估計我們已經(jīng)接近了摩爾定律(所述定律提出設備的體積將不斷地變小并且每18個月容量翻番)的極限；另外，減小設備的空間所產(chǎn)生的熱量會損害設備的性能。對于大數(shù)量的處理來說，數(shù)字計算機快速地變得太大并且太復雜，所述大數(shù)量的處理例如天氣分析、高級加密、藥物發(fā)現(xiàn)、基因操作和由于數(shù)字計算機的限制而尚未發(fā)現(xiàn)的許多其他應用?，F(xiàn)已提出了一種基于量子特征的全新型計算機?？梢允褂迷S多方法操縱一個原子或一組原子的自旋狀態(tài)并且可以使用如光源或光檢測器等的能量源或檢測器檢測和/或可控制地改變所述自旋狀態(tài)。具有不連續(xù)自旋狀態(tài)的一個原子或多個原子類似于傳統(tǒng)計算機中的位(bit)。然而，由于自旋狀態(tài)的量子性質，一量子位(qubit)不僅可以兩個狀態(tài)中的其中一個存在，而且可以這些狀態(tài)的重疊存在。正是這種多個狀態(tài)的重疊使基于量子位的計算機能夠以比傳統(tǒng)計算機可能達到的速度快得多的速度分析信息。量子位這一名稱是非常通用的，因為可以制成僅使用(并且僅需要使用)一量子位的裝置而其他的裝置可以使用多個量子位。已提出的裝置包括用于加密的和極高速信息的單量子位光放大器、用于信息存儲的多量子位裝置和用于高速和高密度計算的多量子位裝置。因為原子可同時以多個自旋狀態(tài)存在，所以自旋狀態(tài)的相互作用使得僅用少量的原子就可以完成大量的計算。一臺超級計算機的完全量子位芯片可能會比一個指甲蓋還小。另外，量子位技術有望結合光波導技術為傳統(tǒng)計算機構建高速光總線，同時增加加密能力。磁自旋狀態(tài)可以在包括液體和固體在內的大量材料中產(chǎn)生。然而，為了用于量子計算機必須滿足幾個條件；1.所述自旋狀態(tài)必須可以被激發(fā)；2.所述自旋狀態(tài)必須可以被檢測；3.所述自旋狀態(tài)必須具有足夠長的生命期以使得能夠進行預期的運算和檢測結果；4.所述裝置必須能夠在可實踐的溫度下操作。已提出大量的材料用作量子位基質，其中包括半導體(包括量子點半導體)和超導體。迄今為止所有這些材料都具有必須在低溫下操作和或自旋生命期短的缺點。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)金剛石中的N-V中心不僅在所有材料中具有最長的自旋生命期，而且它還在室溫下具有這個特征。N-V中心是位于金剛石中的一個取代位點的氮，所述取代位點與一個碳空位毗鄰。有一個具有負電荷的N-V—中心，一個類似的但無電荷的N-V°中心和一個Ns中心，所述Ns中心是取代了碳的無毗鄰空位的氮。通常N-V中心為兩個電荷狀態(tài)(負電荷的N-V—和中性N-V°)中的其中一個。金剛石的N-V中心具有多種性質使其成為基于量子位的設備所需要的。使用低功率的微波可以容易地把它抽吸。它也易于被檢測(在675納米波長下發(fā)射)。金剛石的這類N-V中心可以具有長的生命期(60至500微秒)并且可以在室溫下操作。金剛石也具有高的透光度和高的光折射率，使得能夠構建光波導和其他光學結構。
發(fā)明內容金剛石的N-V中心可以受控的方式產(chǎn)生。在一個實施方案中，使用一種CVD方法形成一個單晶金剛石，接著進行退火以除去N-V中心。然后形成一個具有受控數(shù)量的N-V中心的單晶金剛石的薄層。所述N-V中心形成可被應用于電子電路中的量子位。掩膜式的受控離子植入與退火一起被應用于CVD形成的單晶金剛石中以產(chǎn)生用于光學領域和納米級機電裝置形成的結構。應用離子植入把一種或多種原子輸送到金剛石生長表面之中和之下以形成一個植入層，所述植入層在金剛石生長表面以下的一個預定的深度處具有原子的高峰濃度。在合適的條件下，在非氧化環(huán)境中加熱所述組合物以使貼近植入層的金剛石分離。在釋放的結構中可以進一步使用離子植入以使之按照預期變直或彎曲。也可以利用硼摻雜以產(chǎn)生有傳導性的金剛石結構。在一個實施方案中，在金剛石中需要產(chǎn)生納米通道的點處通過植入離子形成一個納米通道?？梢岳醚谀た刂扑鲋踩氲膶挾群烷L度，并且可以利用選擇的植入功率水平控制植入的深度。加熱所述金剛石使在所述植入處或者所述植入附近發(fā)生分離。這種分離可以被用來作為一個輸送流體的納米通道，或者作為一個波導的低折射率部分?？梢赃M一步地設定植入的大小和形狀以形成一個校準器、濾光器或光偏轉器。在一個實施方案中使用的是一個大約500nm的環(huán)形。使用一系列連續(xù)的掩膜和植入深度可以形成許多不同的機械結構，如那些可以在硅中形成的結構。植入之后，可以使具有一個或多個金剛石層的合成金剛石生長出其它層。圖1是根據(jù)一個例證實施方案的具有N-V中心的金剛石的框圖表圖2是一個金剛石的側視截面圖表示，用于說明根據(jù)一個例證實施方案的掩膜式離子植入過程。圖3是圖2金剛石的俯視圖，用于說明根據(jù)一個例證實施方案的用于離子植入的掩膜。圖4是圖2的金剛石經(jīng)過根據(jù)一個例證實施方案的離子植入和加熱后的側視截面圖表示。圖5是一個金剛石的側視截面圖表示，用于說明根據(jù)一個例證實施方案的用于形成一個懸臂的掩膜式離子植入過程。圖6是一個離子植入掩膜的俯視圖，該掩模被用來根據(jù)一個例證實施方案形成懸臂。圖7是根據(jù)一個例證實施方案的一個釋放的懸臂的側視截面圖表示。圖8是一個掩膜的金剛石的側視截面圖表示，所述掩膜的金剛石用來根據(jù)一個例證實施方案形成光學結構。圖9是圖8金剛石的俯視截面圖，用于說明根據(jù)一個例證實施方案形成的光學結構。具體實施方式在接下來的說明中，將參考作為本說明書的一部分的附圖，附圖中通過示例說明的方式顯示了可實施的具體實施方案。對這些實施方且應理解的是，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，可以使用其他的實施方案并且可以做出結構學上的、邏輯學上的和電學上的變化。因此，接下來的說明不是為了限制，并且本發(fā)明的范圍在附加的權利要求中限定?？梢允芸氐姆绞疆a(chǎn)生金剛石的N-V中心。在一個實施方案中，使用一種生長過程中包括有氮的CVD方法形成一個單晶金剛石，然后進行退火除去N-V中心。接著，形成一個具有受控數(shù)量的N-V中心的單晶金剛石的薄層。所述N-V中心形成可在電子電路中使用的量子位。在具有高度受控的純度的金剛石中形成量子位裝置?？梢援a(chǎn)生高度受控數(shù)量的N-V中心，所述N-V中心彼此獨立并且獨立于其他具有磁自旋的元素，例如N-V0、Ns和13C(碳13)。在一個實施方案中，單個的、獨立的N-V中心被用來從個體的原子而不是從原子簇中獲得信息。在進一步的實施方案中，可能需要N-V與13C毗鄰。在更進一步的實施方案中，所述金剛石具有高度的晶體完整性，因為不完整會導致自旋生命期的縮短，并且在不完整處例如位錯處容易發(fā)生氮的分離，導致更高的濃度和隨后的毗鄰自旋之間的相互作用以及生命期減短的結果。在一個實施方案中，光可以一種受控的方式進入和離開所述金剛石基質材料。當一個量子位發(fā)光的時候，光是從一個球面上發(fā)出的并且在任一點的光強度都很低，不容易被檢測到。所述量子位包含在一個光波導中，所述光波導限制并指引光有最少數(shù)量的方向。金剛石對于這種波導是理想的，因為它具有很高的折射率(在可見光范圍內為2.4)。兩面均與空氣或真空接觸的金剛石的薄層提供了這樣一種波導。金剛石具有比空氣高得多的折射率，以至于沿所述波導傳輸?shù)墓馐凰鼋饎偸▽П趦炔康胤瓷洳⒈幌拗圃谒鼋饎偸▽?。當量子位位于金剛石波導中的時候，所述量子位發(fā)出的大部分光將沿所述波導進行傳輸并且容易被聚集和檢測。也可應用其他形式的傳輸，例如通過等離子體波導(plasmawaveguide)或縫波導(slotwaveguide)。在更進一步的實施方案中，應用小的金屬線從量子位中牽引光。所述光在金剛石包層的金屬線外傳播。構建量子位裝置的一種方法包括通過HPHT方法使單晶生長，摻入所需量的氮原子(都是Ns),照射金剛石以產(chǎn)生碳空位以及進行退火使所述碳空位彌散到氮原子，從而形成N-V中心。這種方法可能會產(chǎn)生導致晶體顯著水平的損傷的輻射，所述損傷可縮短量子位的生命期。在HPHT金剛石中產(chǎn)生N-V中心的另一種方法包括用鈦除氣劑或鋁除氣劑進行所述金剛石的生長以除去金剛石中所有的氮，并且隨后通過向選定的點進行離子植入而把氮注入到所述金剛石。這種方法可能不太適合于制造適用于設備生產(chǎn)的大尺寸的金剛石薄片。圖1是根據(jù)一個例證實施方案的具有N-V—中心110的金剛石晶格IOO的框圖表示。中心IIO也代表具有不同電荷狀態(tài)的N-V中心。如上文描述的，一個N-V—中心110是位于金剛石中的一個置換位點的氮115，所述位點與一個碳空位120毗鄰。在圖1中，所述N-V沖心110獨立于其他N-V中心，從而其他自旋中心和其他結構不會千擾所述獨立的N-V中心，由此形成一個量子位。金剛石的N-V—中心110具有多種屬性，使之成為基于量子位的裝置所需要的。使用低功率的微波可以很容易地把它抽吸。它也易于被檢測(675納米波長下發(fā)射)。金剛石的這種N-V—中心具有長的生命期(60至500微秒)并且可以在室溫下進行操作。金剛石也具有高的透光度和高的光折射率，使得能夠構建光波導和其他光學結構。產(chǎn)生N-V中心的一種方法包括使用CVD生長的金剛石。CVD金剛石可以較大的尺寸長成，并具有高度受控的純度，如見(美國專利No.6,582,513)，和具有受控純度、厚度和性質的層。CVD金剛石可以高氮濃度或低氮濃度長成，薄層含有或不含有13C?？梢酝ㄟ^多種方式控制N-V中心的形成。CVD金剛石在N-V、N-V。和Ns都穩(wěn)定的條件下生長。此外，這些狀態(tài)的比值可以通過生長條件、濃度和生長后的熱處理而改變。而且，可以先生長出一種基本不含所有狀態(tài)的氮的底物，然后再生長出一個僅包含所需水平的氮的金剛石膜。因為膜中的氮原子的數(shù)量是濃度和厚度的函數(shù)，所以可以使N-r中心獨立于所有其他中心。換句話說，如果給定體積的CVD生長金剛石中將形成的N-V中心的濃度是已知的，使金剛石層很薄可以確保只有很少的N-V中心形成，并且因此而彼此獨立。在進一步的實施方案中，通過減少源氣體中的13C或濃縮13C的水平，使用于所述膜的CVD生長的碳源具有所需水平的13C。在一個實施方案中，為了使N-r和其他N中心之間無相互作用，需要大約2微米的間隔。這是在已經(jīng)被證實的約10ppb下估計的。另外，也可生長出只有標定純度的金剛石層，并且接著在高溫下退火以把所有的N-V中心轉換成Ns。這可以去除所有來自于雜散的N-V原子的無關信號，因為Ns在N-r波長處沒有光信號。也需要明白的是，可使長成的許多層交替地具有高純度和特定數(shù)量的N-V中心，以獲得在相鄰層中具有獨立的N-V的三維結構。每層都可以^^沒計為一個波導，如下所述，并且具有多種并且分離的功能。在上述每個實施方案中，N-V中心可隨機地散布在所述晶體的空間之中，但是對于在所述裝置的操作過程中的檢測，可以很容易發(fā)現(xiàn)和標記所述N-V中心。在進一步的實施方案中，可以使用不同類型的金剛石，例如天然的礦物金剛石、高壓高溫制造的金剛石、CVD形成的金剛石等等。這種金剛石可以接著被退火以破壞N-V中心，之后進行植入以產(chǎn)生所需密度的N-V中心，并且再進行植入以形成波導。一種替代方法是利用非常純的大晶體(bulkcrystal)，所述大晶體具有或不具有所需同位素純度的膜，進行熱處理以破壞所有殘留N-V中心，之后在需要的位置植入單個的、獨立的N-V中心。然后，可以在所述層上生長出一個高純度金剛石的覆蓋層。波導可以在貼近N-V中心處形成并且與所述中心光耦連。在一個實施方案中，氫以條帶的形式被植入所述金剛石中，之后對該結構進行熱處理以產(chǎn)生空穴，所述空穴把金剛石帶與下層的金剛石分開。所述金剛石帶基本被空氣包圍，并被用作光波導，以把信號傳入金剛石結構并從其中傳出。它提供了高度獨立的光信號的傳入和傳出，并且使得在單個的金剛石芯片上形成多通道用于光的傳入和傳出。此外，還可在一個光芯片上提供多種功能，例如放大、存儲和計算。植入多重能量可以提供多重帶，所述多重帶在深度方向上各層彼此之間相分離，使得產(chǎn)生三維的光學上獨立的量子位結構。這些結構可以顯著地縮小這種裝置的尺寸，因為大部分的體積都可被利用。也可形成縫波導。也應該注意到在分離的通道波導的情況下，所述波導的性質可以被改變，所述改變是通過施加熱或電壓循環(huán)引起所述波導在點或沿其長度升高或降低而實現(xiàn)。這實質上是一個完全的附加裝置。這可以被應用于作為光的關閉或開啟的開關，或者作為把光轉移到另一通道的開關。在一個實施方案中，量子位、光開關和MEMS技術被融合到同一個芯片中，所述芯片具有芯片的附加應用模塊。使用掩膜式或圖案式植入(patternedimplantation)和剝離(lift-off)技術可以構建多種波導結構，例如片、板、線、盤和這些形狀的多重體，所有這些形狀都具有在光電裝置和MEMS裝置中實現(xiàn)調節(jié)和轉換功能的可能性。也可通過設計這種波導的毗鄰度和形狀來構建標準開啟或標準關閉的開關和組合。金剛石量子位也可與其他半導體相結合形成。金剛石可以聯(lián)結到其他半導體上，例如硅、砷化鎵、氮化鎵、碳化硅或III-IV合金。所述半導體也可以在金剛石基質上生長。金剛石和其他半導體的聯(lián)結使得諸如激光、檢測器和聯(lián)合電路等的光電裝置能夠與金剛石QBIT直接結合以提供去往和來自常規(guī)源、裝置和系統(tǒng)的輸入和輸出。這將為光總線提供基礎，所述光總線用于常規(guī)計算機和未來基于QBIT的計算機的更高速連接。事實上，通過融合所論述的技術和方法能夠發(fā)展出一整個的量子位-半導體設備(QSD)的全新家族。圖2是一個金剛石的側視截面圖表示，用于說明根據(jù)一個例證實施方案的掩膜式離子植入過程，以形成一個與如上形成的量子位接近的波導。在一個實施方案中，所述量子位是一個孤立的量子位，并且所述量子位所在的位置被用來作為形成所述波導的引導物，從而所述量子位位于所述波導之中。在進一步的實施方案中，所述量子位在已經(jīng)形成的波導中形成。在一個實施方案中，金剛石基質210被掩膜215覆蓋。構成所述掩膜215的材料足夠阻擋住所需能量水平的植入離子220。掩膜可以采用許多不同的形狀，但在俯視3中顯示了這樣的一種形狀310。在這個實施方案中，掩膜的形狀是一個細長的長方形，使得在所需的深度處形成一個細長的植入225。圖4是圖2的金剛石210在經(jīng)過離子植入和加熱以在金剛石210內形成一個開放空間410之后的側視截面圖表示。開放的空間410在一條標識為420的金剛石帶的一側提供了一個低折射率區(qū)域。金剛石帶420的另一側基本上是金剛石210的頂部，這一側可以暴露于空氣，并且也具有一個相對于金剛石帶420的折射率而言的低折射率。因此，金剛石帶420形成一個波導。在帶420中形成一個量子位430，并且所述帶提供一個機械結構，該結構能夠捕獲所述量子位的光也能夠提供去往所述量子位的光，以檢測和反映出所述量子位的變化。明顯地，帶420可以不同的形狀形成，以把光傳導至需要的光源440和光檢測器450上，光源440和光檢測器450都可以進一步連接到處理電路上，所述處理電路在所述金剛石基質之內、之上或之外形成。光源440和光檢測器450也可在各種實施方案中位于金剛石基質之內、之上或之外?？尚纬晒饫w連接或者光耦合器以將光傳導到波導帶420和從波導帶420傳導光。在一個實施方案中，應用圖案式離子植入以將一種或多種原子輸送到金剛石生長表面之中和之下從而形成一個植入層，所述植入層在金剛石生長面之下的一個預定深度處具有一個原子濃度峰值。在合適的條件下，在非氧化環(huán)境中加熱所述組合物以引起合成金剛石結構的分離。這種非氧化的氣氛通常包括其含氧濃度不足以發(fā)生氧化反應的任何氣氛。這類氣氛的實例包括惰性氣體(如氦、氖、氬等)和其他含非氧的氣體(如氫、氮等)。用來提供這種氣氛的環(huán)境可以包括等離子、真空等等。在本發(fā)明的某些實施方案中，可以在所述離子植入階段之前或同時進行多種初始步驟。一種此類步驟包括選擇一種基質。當使例如單晶CVD金剛石生長的時候，這種基質可以是單晶金剛石。在選擇基質時，可以為離子植入鑒別出基質的至少一個主要表面，并且任選地對其進行處理。金剛石表面的處理可以包括用于影響所述表面化學和/或物理組成的任何合適的方法，例如使用常規(guī)的拋光方法進行拋光。這樣的處理可以在離子植入之前完成。通常，離子的植入是以一種方式穿過所述金剛石生長表面在一個設定的距離處均勻地流過而實現(xiàn)，從而植入物質層的構型本身將復制所述基質的表面輪廓。反過來，所述基質的被植入的表面上的任何缺陷典型地都將會對植入輪廓具有相應影響，包括對預定的峰值原子層的構型的影響。因此，如果所述金剛石的表面被拋光，那么實際上這些表面也基本是拋光的?；|的處理對這些缺陷的初始去除是重要的。另外，在某些實施方案中，為進行離子植入而對表面進行徹底清理，例如使用溶劑或者本領域已知的其他合適的方法，包括等離子蝕刻、氣相蝕刻等等。拋光損傷可能會產(chǎn)生不想要的N-V中心?？梢詫?jīng)過拋光的金剛石的表面進行進一步蝕刻以除去這種損傷和N-V中心。離子植入通常是在高真空度、高電壓和較低的電子束電流的條件下進行。如本領域已知的，離子植入通常包括使一種原子離子化的過程，接著在電場中加速各種物質，并且使加速的離子化的物質指向基質。利用各物質的運動速率被加速，它們通常穿過基質的外表面進入并駐留在所述基質中如圖2中的225所示的區(qū)域。所述區(qū)域位于基質的植入層之中。在一個實施方案中，加速的物質朝向基質的角度通常是表面的法線方向或者是與表面垂直。然而，所述物質也可以一個較寬的角度范圍被加速射向基質。對于給定的物質，通常通過調整電場實現(xiàn)植入深度。典型地，當提高電場的電壓時，物質的能量會增加，這最終導致所述物質在基質中更深的植入。已充分考慮到，基質可以是各種結晶形狀中的任何一種。例如，基質可以是任何預設的幾何形狀，包括立方體、錐體、菱形、角錐、楔形或其它幾何形狀，也可以是它們的平截頭體。所述物質通常穿透基質的上表面直至到達基質中的一個區(qū)域，例如區(qū)域225。所述物質的峰濃度位于一個特定的深度，所述深度通常被稱為是射程深度的端點。雖然所述物質僅顯示在一個深度處(射程深度的端點)，但是應當理解這樣作僅出于簡化。在離子植入之后，所述物質通常分布于位于射程深度端點及其附近的整個區(qū)域。在離子植入開始之前，必須選擇進行植入的物質。在選擇一種物質的時候需要考慮許多變量，例如花費和能否獲得，也要考慮該物質預期會對基質晶格產(chǎn)生多大的損害，如下文所述。在離子植入過程中，由于(離子化原子的)各物質打入所述基質的晶格中，晶格的被植入的部分通常發(fā)生膨脹或擴張。晶格按照這種方式的過度膨脹通常會在植入層中產(chǎn)生張力。因此，過度的張力可以造成植入層受損。這種損傷通常表現(xiàn)為所述植入層內的位錯或斷裂。這些位錯通?？梢援a(chǎn)生不利于高品質合成金剛石生長的外基質面(例如，通過CVD產(chǎn)生沒有缺陷或位錯、或者沒有明顯的缺陷或位錯的金剛石)。然而，晶格膨脹的方式可以通過許多方式控制，并且實際上也是依賴于這些方式。一種方式包括為植入選擇一種合適的物質。在本發(fā)明的某些實施方案中，使用常規(guī)的離子植入技術把氫離子植入到一個金剛石基質中。由于氫的共價半徑小，所以在植入層內僅出現(xiàn)少量的晶格膨脹現(xiàn)象。因此，在所述植入層中僅有極小的張力(和極少的損傷)。通常，隨著植入物質的共價半徑增加，生成這樣一個有利的表面(如具有有限的缺陷或位錯)的可能性變低。通常，任何物質均可用于本發(fā)明方法的離子植入，只要該物質適合于隨后使植入層部分與基質分離。如此，選擇物質以允許在基質中進行適合的植入。這些物質的實例包括大部分的但并非全部的原子元素(atomicelement)。在本發(fā)明的某些實施方案中，也應用基質以在其上生長一個合成的金剛石。如此，所述物質優(yōu)選使得能夠在所述基質中進行合適的植入以實現(xiàn)分離，并且使得能夠在所述基質上適當?shù)匦纬闪己玫纳L表面，從所述表面上可以生長出高品質的合成金剛石。因此，選擇物質以使得能夠在基質中進行合適的植入而不對所述基質帶來不想要的損傷。通常優(yōu)選小尺寸至中等尺寸的物質(具有小尺寸至中等尺寸的共價半徑)。實例包括諸如氦、鋰、硼、碳、氧、磷和硫等的原子物質。然而，本方法的一些實施方案也可包括大尺寸的物質(具有大尺寸的共價半徑)。在這些實施方案中，為了限制大尺寸物質的植入對基質晶格造成的損傷數(shù)量，也可考慮影響所述物質植入的其他參數(shù)，例如物質的劑量數(shù)量和物質的能級。可以通過植入物質的劑量數(shù)量來限制被植入部分的晶格損傷程入基質中的原子的面密度(原子/cm2)。例如，和使用低劑量進行物質的植入相比，如果使用高劑量進行所述物質的植入，通常在植入時會對基質造成更大的損傷。由于(離子化原子的)物質遍及整個基質移動，所以基質晶格的損傷通常在物質進入基質的射程端點附近最大化(通常稱作"射程端點損傷")。反過來，射程端點的損傷程度又是那一水平下的總劑量的函數(shù)。然而，在金剛石晶體中引起分離的能力也是所述總劑量的函數(shù)。劑量水平太低，將不發(fā)生分離，而對于某個特定的實施方案過高的劑量水平，又會有過度的損傷和較差的金剛石生長。在某些實施方案中，設定的劑量數(shù)量在約lxl0e"原子/cm2到約lxl0e"原子/cm2的范圍內，并且甚至更優(yōu)選地，設定在約lxl0e"原子/cm2到約lxl0e"原子/cm2范圍內。當植入大尺寸的物質的時候，為了限制晶格損傷，通常優(yōu)選地，選擇該范圍的較低端的劑量。相反，當植入小尺寸到中等尺寸的物質的時候，該范圍內的所有劑量通常都是適合的。另外，也可以通過改變離子植入中使用的電場的電壓，來控制對金剛石生長表面的晶格損傷程度。當電場的電壓升高的時候，物質的能量也升高，最終導致所述物質植入到基質中更深。反過來，也可為一種特定的物質選擇能量水平，以在大約是基質的特定植入深度處植入一個峰值的物質濃度(射程深度的端點)。所述深度可以從約500埃到約20，000埃的任何位置變動。盡管可以通過降低物質的能量對所述物質的射程深度的端點進行限制，但是不應太嚴格地限制所述能量。在本發(fā)明的某些實施方案中，能量水平設定為在約10KeV到約10,OOOKeV的范圍內，在另一個實施方案中，設定為在約50KeV到約500KeV的范圍內。當植入大尺寸的物質的時候，為了限制基質的晶格損傷，可能需要選擇該物質的能量在這個范圍的較高端。如此，大尺寸的物質被植入到距離金剛石生長面更遠的位置，從而可以把任何的晶格損傷與所述金剛石生長面分離開來。相反地，當植入小到中等尺寸的物質的時候，本方法在選擇物質能量時更為自由。物質的劑量率(doserate)可以影響植入過程中基質的溫度。如果所述劑量率太高，則在植入層的區(qū)域可能發(fā)生不想要的石墨化。在本發(fā)明的某些實施方案中，所述劑量率設定為在約0.05微安/cm2到約100微安/cm2范圍內，在其他實施方案中，設定為在約0.1微安/cm2到約500微安/cn^范圍內。在一個實施方案中，在多重水平下進行植入之后進行加熱以在基質的不同水平處產(chǎn)生空隙。一個實例是通過在150、155和160KeV的能量水平下植入H2產(chǎn)生三個這種空隙。這可以提供三水平的結構(如波導)，所述結構具有潛在的相應的孤立N-V中心。根據(jù)本發(fā)明的說明，在給出有關植入物質和所使用能量的細節(jié)的情況下，本領域技術人員將領悟確定物質的射程深度的端點的方法。這種計算通常被稱作TRIM(TransportofIonsinMatter)計算。參見J.P.Biersacketal.，爿Ca/7oCoiz/7i/fe/"7Vo^ra邁/"orf力e7!ra/75770i^o/"^"/7ergef/c/afls//7J邁c/7力ow517i3rgefs，Nucl.Instr.Meth.，pp.174:257(1980)，其中教導的內容通過引用的方式納入本說明書中。更一般地也可參見J.F.Ziegleretal.，T/z^e67o/7/7//^a/7dja/geo尸/0/7S//船"er，PergamonPress,N.Y.，vol.1(1985)，其中教導的內容通過引用的方式納入本說明書中。表1列出了在金剛石晶種作為基質的情況下，各種物質在各種能量水平下的近似的射程深度端點。不管所述金剛石晶種是HPHT、CVD還是天然金剛石，物質的射程深度端點通常保持不變。如所示，對于諸如氫等的物質當能量水平增加的時候，它的射程深度端點也增加。對于包括硼和碳在內的物質在約200keV的能量水平下進行計算，證明隨著物質的原子直徑的增加，相應的射程深度端點減小。另外應該注意到，為了達到類似的射程深度端點(如1900埃到2000埃)，使用碳作為植入物質的時候，能量水平相比于氫將需要擴增4倍。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>在非氧化的氣氛中對所述金剛石組合物進行熱處理?？梢酝ㄟ^任何合適的方法進行熱處理，包括輻射、傳導或對流源，所有這些方法都是本領域普遍已知的。通常，加熱處理的溫度范圍優(yōu)選設定在約1100""C到約1800-C的范圍內，更優(yōu)選地，約1100。C到約1500°C。合適的氣氛與溫度水平的結合可以提供一個理想的環(huán)境，以引起合成金剛石和植入層部分的自發(fā)分離。圖5是一個金剛石的側視截面圖表示，用于說明根據(jù)一個例證實施方案的用于形成一個懸臂的掩膜式離子植入過程。在這個實施方案中，用一個第一掩膜形成一個大體為矩形的區(qū)域，該區(qū)域將最終限定一個孔穴的大小，所述空穴中懸臂將會被釋放而自由運動。如可以看到的，也可使用不同于矩形的形狀。根據(jù)所需元件的尺寸，植入深度可發(fā)生變化，從而在懸臂之下的整個區(qū)域中和到懸臂的面植入足夠密度的離子，以使得一旦所述懸臂被釋放而運動時有足夠的運動。因此，所述掩膜至少稍微地延伸過所述懸臂的邊緣和釋放端。在進行離子植入形成所述空穴的基礎之后，使用一個新的掩膜，如圖6所示，圖6是根據(jù)一個例證實施方案的用來形成一個懸臂的離子植入掩膜600的俯視圖。這個掩膜使得植入達到懸臂的面并且通過所述懸臂的釋放端，而通過突出部分610限定懸臂本身的形狀。使用這個掩膜時所采用的植入的能量水平，設計成能夠把足夠密度的離子植入到所述懸臂的面和釋放端。這個植入可以是不同深度的植入，所述深度是從金剛石基質表面到懸臂下限定的空穴。因此，在非氧化環(huán)境中加熱釋放懸臂如圖7所示，圖7是根據(jù)一個例證實施方案的釋放的懸臂束710的側視截面圖表示?；蛘?，也可在邊緣進行碳植入并且通過加熱、電解或氧化酸來氧化以進行刻蝕，從而進行釋放。在一個實施方案中，在釋放的時候，懸臂束710容易往上彎曲。可以在懸臂束釋放之前或者之后進行更高水平的進一步的植入。根據(jù)深度和密度，這種植入將會通過壓縮表面而使所述懸臂開始變直，并且如果繼續(xù)進行，則實際上可導致所述懸臂束向下彎曲。如可在形成懸臂束710中看到的，通過使用一個或多個掩膜和不同深度的多重植入以除去需要去除的物質，可以制造許多其他的三維結構。這些結構也可以在酸溶液中進一步清洗，以去除植入到金剛石材料中的不需要的殘留物。所述結構可用于許多不同的應用，包括具有普遍應用領域的NEM和MEM裝置。這些裝置可作為傳感器和其他機械裝置，所述其他機械裝置具有廣泛的不止限于量子位裝置的多種應用，例如醫(yī)療器械。圖8是一個掩膜的金剛石的側視截面圖表示，所述掩膜的金剛石用來根據(jù)一個例證的實施方案形成光學結構。在一個實施方案中，掩膜800包含具有一個或多個多重圓形開口810的陣列。在需要的深度進行植入之后經(jīng)過加熱形成一個圓盤樣空隙910的陣列，如圖9所示，圖9是圖8金剛石的俯視截面圖。在一個實施方案中，圓盤樣空隙910可作為一個泵(pump)或光偏轉器。當在金剛石的表面附近形成的時候，所述金剛石的面輕微地起泡。這些泡可產(chǎn)生光散射效應(opticalfringeeffect),包括色彩的改變。在一個實施方案中，圓盤的直徑約500nm?？扇菀椎匦纬善渌螤詈痛笮　Ｔ谝粋€實施方案中，可以使用其他掩膜和進一步的植入以完全地釋放每個圓盤樣空隙之上的金剛石，從而制造小的類似于透鏡的結構。這樣的結構可以具有依賴于植入水平的需要的厚度。在一個實施方案中，透鏡約50um厚，形成一個校準器或濾光器。應該注意到，除了使用不同深度的植入和加熱以釋放透鏡之外，也可利用激光和用于釋放透鏡的其他方法。在某些實施方案中，使用小于l認的厚度。所述厚度也可以是包括有這樣結構的光學設備的所需操作波長的函數(shù)。依照37C.F.R.§1.72(b)的要求提供說明書摘要，以使讀者可以迅速領會本技術公開內容的實質和要點。提交摘要的同時，應理解它并非用來解釋或限制權利要求的范圍和意義。權利要求1.一種裝置，所述裝置包括一個單晶金剛石層；一個在所述單晶金剛石層中形成的波導；和一個與所述波導光耦連的獨立的N-V中心。2.根據(jù)權利要求l的裝置，其中所述獨立的N-V中心在所述波導內部。3.根據(jù)權利要求l的裝置，其中所述獨立的N-V中心與具有磁自旋的其他元素分離開至少大約2微米。4.根據(jù)權利要求l的裝置，進一步包括耦接到所述波導的一個光源和一個光檢測器。5.—種方法，所述方法包括形成一個金剛石基質；在所述金剛石基質上制造一個CVD金剛石的薄層，所述薄層具有獨立的N-V中心，從而至少一部分N-V中心不與具有磁自旋的其他元素鄰近。6.根據(jù)權利要求5的方法，其中形成的所述CVD金剛石的薄層具有最少量的13C。7.根據(jù)權利要求5的裝置，其中所述獨立的N-V中心與具有磁自旋的其他元素分離開至少大約2微米。8.根據(jù)權利要求5的裝置，還包括形成CVD金剛石的進一步的薄層，所述薄層具有被高純度的CVD金剛石層分離開的獨立N-V中心，所述高純度的CVD金剛石層具有最少量的磁自旋元素。9.根據(jù)權利要求8的裝置，進一步包括確定所述獨立的N-V中心的位置；和形成與不同CVD金剛石薄層中已定位的獨立的N-V中心光耦接的波導。10.—種方法，所述方法包括形成一種具有最少量磁自旋元素的CVD金剛石；和在所述CVD金剛石中選擇性地形成獨立的N-V中心。11.根據(jù)權利要求10的方法，進一步包括形成一個波導，從而一個獨立的N-V中心光耦接到所述波導。12.根據(jù)權利要求10的方法，其中在選擇性地形成獨立的N-V中心之前，對所述CVD金剛石進行熱處理以除去具有磁自旋的元素。13.根據(jù)權利要求10的方法，其中所述獨立的N-V中心是通過形成一個具有受控的氮含量的CVD金剛石薄層而形成的。14.根據(jù)權利要求13的方法，其中所述N-V中心的獨立性是形成的CVD金剛石薄層的厚度和氮的量的函數(shù)。15.根據(jù)權利要求14的方法，其中一個更薄的CVD金剛石薄層可能具有高度的獨立性。16.根據(jù)權利要求10的方法，其中所述N-V中心與具有磁自旋的其他元素分離開至少大約2微米。17.根據(jù)權利要求10的方法，其中所述N-V中心的密度是大約10ppb。18.根據(jù)權利要求10的方法，所述N-V中心的密度顯著低于10ppb。19.一種裝置，所述裝置包括一個單晶金剛石層；一個在所述單晶金剛石層中形成的波導；和一個與所述波導光耦接的獨立的N-V—中心。20.根據(jù)權利要求19的裝置，其中所述獨立的N-V—中心在所述波導內部。全文摘要以一種受控的方式形成金剛石的N-V中心。在一個實施方案中，使用一種CVD方法形成一個單晶金剛石，然后進行退火除去N-V中心。然后形成一個具有受控數(shù)量的N-V中心的單晶金剛石薄層。所述N-V中心形成應用于電子電路中的量子位。掩膜式的和受控離子植入與退火一起被應用于CVD形成的金剛石中以形成一些結構，所述結構被應用于光學領域中和納米機電裝置的形成中。形成的波導可以光耦接到所述N-V中心并且進一步耦接到光源和光探測器上以與所述N-V中心相互作用。文檔編號H01L21/203GK101223630SQ200680025412公開日2008年7月16日申請日期2006年7月11日優(yōu)先權日2005年7月11日發(fā)明者A·詹尼斯,B·里納雷斯,P·J·多林,R·C·里納雷斯,W·德羅米肖瑟申請人:阿波羅鉆石公司