包括金剛石層以及金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層的基板的制作方法
【專利摘要】多層基板包括在復(fù)合層上CVD生長的金剛石層。該復(fù)合層包括金剛石和碳化硅與任選的硅的顆粒。該復(fù)合層中的金剛石的載荷水平(按體積計)可為≥5％、≥20％、≥40％、或≥60％。該多層基板能夠用作光學(xué)器件；用于檢測輻射粒子或電磁波的檢測器；用于切割、鉆孔、機械加工、碾磨、研磨、拋光、涂布、粘結(jié)、或釬焊的裝置；制動裝置；密封條；導(dǎo)熱體；電磁波導(dǎo)體；在升高的溫度下或在低溫條件下用于腐蝕性環(huán)境、強氧化性環(huán)境、或強還原性環(huán)境的化學(xué)惰性裝置；或用于拋光或平坦化其它器件、晶圓或膜的裝置。
【專利說明】包括金剛石層以及金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層的 基板
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請要求于2014年1月24日提交的美國臨時專利申請No. 61 /931，227的優(yōu)先權(quán)， 以引用的方式將其并入本文。
[0003] 發(fā)明背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明為包括金剛石層和復(fù)合層的多層基板、以及制造該多層基板的方法，其中 該復(fù)合層包含金剛石和碳化硅的顆粒，并且可任選地包含硅顆粒。
【背景技術(shù)】
[0005] 金剛石是已知最硬的材料，其莫氏硬度為10,這使得金剛石最適用于切割、機械加 工、鉆孔、碾磨等應(yīng)用。金剛石也是已知的最導(dǎo)熱的材料，其熱導(dǎo)率高達每開氏度(K)2000至 2200瓦，這使得金剛石非常適合于苛刻條件下的熱管理應(yīng)用。金剛石也具有極低的摩擦系 數(shù)，這使得金剛石成為用于諸如制動器等的用途廣泛的材料。
[0006] 金剛石也是用于傳送微波、紅外線、可見光、以及其它紫外線電磁波的優(yōu)異光學(xué)材 料。當(dāng)金剛石被用作高通量的核輻射檢測器時，其也具有高的穩(wěn)定性。另外，金剛石在可能 涉及強酸、強堿、強氧化劑或強還原劑的化學(xué)環(huán)境中、甚至在高溫或在低溫條件下也是高惰 性材料。此外，金剛石是高折射率材料中的一種，這使得金剛石在珠寶行業(yè)中流行且具有最 高的價值。
[0007]可以在以下參考文獻中找到關(guān)于金剛石的信息：（1)由The Institute of Electrical Engineers出版、由M.H.Nazare和A.J.Neves在2001年編著的"金剛石的性質(zhì)、 生長和應(yīng)用（Properties，Growth and Applications of Diamond)''；（2)由Marcel Dekker 出版、由Jes Asmussen和D.K.Reinhard在2002年編著的"金剛石薄膜手冊(Diamond Films Handbook)" ；以及(3)由Elsevier出版、由Koji Kobashi在2005年編著的"金剛石膜，用于定 向性和異質(zhì)外延生長的化學(xué)氣相沉積(Diamond Films,Chemical Vapor Deposition for Oriented and Heteroepitaxial Growth)''。
[0008]雖然金剛石是最多功能和最高價值的材料之一，但是金剛石的可得性在自然界中 是非常有限的。此外，從土地中開采的金剛石通常是單晶，單晶的幾何尺寸在大小上是非常 有限的，大部分的時候太小而無法用于需要大尺寸的工業(yè)用途。許多時候，在自然界中形成 的金剛石還含有雜質(zhì)和晶體缺陷。晶體尺寸相對較大、化學(xué)含量相對較純、并且相對完美且 無晶體缺陷的金剛石晶體是非常昂貴的，很多時候是無價的。
[0009]已知在工業(yè)中，合成金剛石是在極高的壓力和極高的溫度下于化學(xué)反應(yīng)器中制得 的，這被稱為高溫高壓(HTHP)工藝。由于苛刻的生長條件，反應(yīng)器的大小通常是受限的，因 此由HTHP工藝生產(chǎn)的金剛石的尺寸也是受限的，更不用提其在工藝、設(shè)備、和安全性上相關(guān) 的高成本。很多時候，由于金剛石晶格中引入了催化劑雜質(zhì)，所以HTHP工藝生產(chǎn)的金剛石具 有黃色的色調(diào)。
[0010] 在工業(yè)上，單晶金剛石也能夠在反應(yīng)器中通過被稱為化學(xué)氣相沉積(CVD)的工藝 生長，其中合適的生長條件能夠通過微波增強的等離子體、鎢熱絲、直流噴射等離子體、激 光誘導(dǎo)的等離子體、乙炔噴燈等來實現(xiàn)。本領(lǐng)域中眾所周知的是，CVD生長工藝也能夠成功 地在不同基板上生長多晶金剛石薄膜和/或自支撐的金剛石厚膜，但是獲得低應(yīng)力膜或大 尺寸的無裂紋金剛石是具有挑戰(zhàn)性的。然而，CVD工藝通常制造的金剛石片顯著大于自然界 中的或通過HTHP工藝生長的單晶金剛石的直徑。不過，CVD工藝中或任何金剛石生長工藝中 的金剛石生長速率通常較慢，其生長速率在小于1微米/小時到不超過約10至20微米/小時 的范圍中，雖然有些聲稱能夠以較高的生長速率生長單晶，但是有很多缺陷。
[0011] 通過在基板上生長金剛石厚膜以在基板層上形成金剛石膜層的復(fù)合物是具有挑 戰(zhàn)性的，這是因為金剛石與金剛石生長于其上的基板之間的物理和化學(xué)性質(zhì)（例如導(dǎo)熱系 數(shù)、電導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、楊氏模量等)極為不同，從而導(dǎo)致存在極大的應(yīng)力。在化學(xué)上，基板 的材料需要能夠碳化物（即，基板的化學(xué)元素的原子與碳原子之間的鍵合），這可形成這樣 的界面，該界面可具有某種親和性從而使其它含碳鍵材料至少憑借表面物理相互作用（例 如范德華力）而附著，由此金剛石晶體能夠在上面種晶，其也過渡了金剛石和基板之間的一 些化學(xué)差異。硅、鎢、鉬、碳化硅、鉭、鈮等是碳化物形成物，其中來自碳化物的碳提供一定的 錨定機制以使金剛石粘附。這可能是現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)能夠在一定生長條件下在這種類型的基 板上沉積金剛石層方面顯示出一些成功的原因。然而，金剛石和基板之間的相互作用至多 可能是在通過范德華力的物理相互作用水平，或在具有一些碳-碳鍵合的化學(xué)水平，更不用 提金剛石晶格和金屬碳化物晶格之間存在晶格不匹配，對于這種晶格不匹配，金剛石碳和 基板碳之間的碳-碳鍵將是不完美的，從而在界面處產(chǎn)生導(dǎo)致故障的應(yīng)力缺陷。
[0012] 關(guān)于物理性質(zhì)，金剛石和基板材料也是非常不同的。例如，硅具有149W/H1-K的導(dǎo)熱 系數(shù)，鎢為173W/H1-K，鉬為138W/m-K，鉭為57.5W/m-K，鈮為53.7W/m-K等，而金剛石具有2000 至2200W/m-K的導(dǎo)熱系數(shù)。硅具有2.7 X 10_6/m/m-K的熱膨脹系數(shù)，鎢為4.6 X 10_6/m/m-K，鉬 為4.8 X 10_6/m/m-K，鉭為3.6 X 10_6/m/m-K，鈮為4.0 X 10_6/m/m-K等，而金剛石僅僅具有1.0 X 10_6/m/m-K的熱膨脹系數(shù)。硅具有103 Ω -m的電阻率，鎢為52.8 X 10_9 Ω -m，鉬為53.4 X 10 -9 Ω -m，鉭為131 X 10_9 Ω -m，鈮為152 X 10_9 Ω -m等，而金剛石具有1011 Ω -m的電阻率。本文 中，當(dāng)用作表示數(shù)值的單位時，"m" =米并且"K" =開氏度。
[0013] 除了由金剛石和基板之間的化學(xué)鍵合產(chǎn)生的固有局限之外（如果存在的話），金剛 石和這種基板材料之間在物理性質(zhì)上的極大差異也對在這些基板材料上生長厚金剛石膜 或?qū)佣粍冸x產(chǎn)生了挑戰(zhàn)?？梢韵胂竦氖?，CVD生長在這些基板上的金剛石膜在與基板剝離 之前可能具有高應(yīng)力，這種剝離有時在沉積期間發(fā)生，而且有時在停止反應(yīng)之后發(fā)生。即使 金剛石膜幸存而沒有剝離，這種金剛石膜(大多時候為薄膜)仍然具有高應(yīng)力，這對于各種 應(yīng)用而言是極為不利的，這是因為該膜可能在靜置時發(fā)生剝離，或在被用于不同用途時發(fā) 生剝離。
[0014] 現(xiàn)有技術(shù)利用基板上的金剛石膜的剝離行為從而將金剛石膜從基板上分離下來， 并產(chǎn)生自支撐的金剛石膜，不過這是困難的。剝離工藝可能涉及大量的應(yīng)力。因此，厚的金 剛石膜可能會破碎成許多小片，因而難以獲得無裂紋的金剛石厚膜。當(dāng)金剛石膜或?qū)拥闹?徑或幾何尺寸增加時，無論對于厚或薄的金剛石膜或?qū)佣?，保持幾何形狀而不開裂會變 得甚至更具挑戰(zhàn)性或不可能。有時金剛石膜部分地剝離并留下一些具有未剝離的金剛石的 基板區(qū)域，這會阻礙這個基板再次用于下一次的金剛石膜生長。由于金剛石是地球上最硬 的材料，所以從基板上研磨除去殘留的金剛石膜是困難、耗時且昂貴的。即使金剛石薄膜在 剝離時幸存，其（即使具有小的尺寸)也非常脆且難以處理，這使得將自支撐的金剛石薄膜 用于工業(yè)上的實際應(yīng)用是不可能的。
[0015] 在許多實際應(yīng)用中，由位于基板層上的金剛石層構(gòu)成的獨特且完整的復(fù)合物是非 常理想的，其在金剛石層和基板層之間具有最小或更小的應(yīng)力，無裂紋或破碎、或在靜置或 使用中不存在破裂或破碎的風(fēng)險。有時，薄金剛石層支持于廉價基板上時是有利的，其具有 最小或更小的應(yīng)力，這使得其成功地用于機械加工、鉆孔、切割、研磨等中的苛刻條件下。有 時，位于幾何尺寸較大的基板層上的厚金剛石層的復(fù)合物具有最小的應(yīng)力或更小的應(yīng)力， 無裂紋或具有最小程度的裂紋，其在光學(xué)鏡、熱管理、摩擦控制、機械應(yīng)用（如鉆孔、機械加 工、切割、碾磨等)等應(yīng)用中是理想的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本文中公開的是一種多層基板，該多層基板包括金剛石層和復(fù)合層，該復(fù)合層含 有金剛石顆粒和碳化硅顆粒以及任選的硅顆粒。經(jīng)拉曼光譜證實，該多層基板中的金剛石 層具有低應(yīng)力或最小應(yīng)力，而且該金剛石層可以是薄金剛石層或厚金剛石層，這由應(yīng)用的 要求和金剛石生長方法來確定。除了物理相互作用（例如范德華力）以及金剛石晶種碳-碳 鍵合至基板的金屬碳化物的可能的化學(xué)相互作用（如果有的話）（在碳化硅和金剛石晶種之 間的界面處，金剛石晶格與金屬碳化物晶格之間存在極大的晶格不匹配）以外，金剛石層可 以在金剛石晶格的水平上通過sp 3碳-碳鍵合而連接至包含金剛石和碳化硅以及任選的硅 的復(fù)合物的表面中暴露的金剛石顆粒上，并牢固地錨定于該復(fù)合層上。而且，金剛石層和復(fù) 合層的物理性質(zhì)具有額外的優(yōu)點，例如，楊氏模量、導(dǎo)熱系數(shù)、以及熱膨脹系數(shù)。這些優(yōu)點 (可能來自于金剛石層和復(fù)合層之間的化學(xué)錨定機制和物理性質(zhì)相似性)使得多層基板能 夠用于諸如(但不限于)機械應(yīng)用(鉆孔、切割、機械加工、或碾磨等）、熱管理(電子、激光、光 學(xué)、半導(dǎo)體、或發(fā)光裝置等）、檢測器(高能量輻射粒子、紫外光、以及探針等）、光學(xué)鏡(反射 鏡或透鏡）、摩擦控制（制動系統(tǒng)）、電磁波和聲波管理(聲音傳導(dǎo)等）、化學(xué)惰性、磨損控制 (例如栗的密封件或地下鉆孔密封件)等應(yīng)用或溫度波動可能相對較高并且高度壓力控制 至關(guān)重要的區(qū)域。然而，本發(fā)明的范圍并不受本發(fā)明的公開內(nèi)容中提供的解釋所限制。
[0017] 還公開了一種制造多層基板的方法，該多層基板包括金剛石層、以及含有金剛石 顆粒和碳化硅顆粒以及可能的硅顆粒的復(fù)合層。該方法包括制備包含金剛石顆粒和碳化硅 顆粒以及任選的硅顆粒的復(fù)合層。在這個工藝過程中，復(fù)合物或其預(yù)制件可以被機械加工、 研磨、拋光、切割、鉆孔、或任意其它的方法。接著，通過(但不限于)化學(xué)氣相沉積將薄的或 者厚的金剛石層形成或沉積在該復(fù)合層上。
[0018] 金剛石層的化學(xué)氣相沉積可以包括(但不限于)微波等離子化學(xué)氣相沉積、熱絲化 學(xué)氣相沉積、直流噴射/熱等離子化學(xué)氣相沉積、燃燒噴霧等離子化學(xué)氣相沉積、激光輔助 的化學(xué)氣相沉積等。
[0019] 該多層基板可以被進一步加工（例如切割、碾磨、機械加工、鉆孔、研磨、粘結(jié)、釬 焊、或拋光、涂覆等）以用于諸如機械應(yīng)用(鉆孔、切割、機械加工、或碾磨等）、熱管理（電子、 激光、光學(xué)、半導(dǎo)體、或發(fā)光裝置等）、檢測器(高能量輻射粒子、紫外光、以及探針等）、光學(xué) 鏡(反射鏡或透鏡等）、摩擦控制（制動系統(tǒng)）、電磁波和聲波管理(聲音傳導(dǎo)等）、化學(xué)惰性、 磨損控制(例如栗的密封件或地下鉆孔密封件)等應(yīng)用、或溫度波動可能相對較高并且高度 應(yīng)力控制至關(guān)重要、或可能需要大的幾何尺寸、或需要快速除去或輸送熱量、或需要耐磨損 性或耐摩擦性、或需要金剛石的優(yōu)異性質(zhì)但立體片狀(solid piece)金剛石太昂貴等的領(lǐng) 域。
[0020] 現(xiàn)在將在以下編號的條款中描述和提出本發(fā)明的各種優(yōu)選的且非限制性的實施 方案或方面：
[0021] 條款1:一種多層基板，包括:包含金剛石顆粒和碳化硅顆粒的復(fù)合層；以及位于所 述復(fù)合層上的化學(xué)氣相沉積(CVD)生長的金剛石層，其中所述金剛石層的金剛石通過CVD生 長于構(gòu)成所述復(fù)合層的所述金剛石顆粒和/或所述碳化硅顆粒的晶體表面上。
[0022] 條款2:條款1所述的多層基板，其中所述金剛石層包含多晶金剛石。
[0023] 條款3:條款1或2所述的多層基板，其中所述復(fù)合層進一步包含硅顆粒。
[0024] 條款4:條款1至3中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層為以下之一:未摻 雜;摻雜了 η型元素或化合物;摻雜了 p型元素或化合物;或摻雜了硼。
[0025] 條款5:條款1至4中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層被圖案化或被選擇 性刻蝕。
[0026] 條款6:條款1至5中任一項所述的多層基板，其中所述復(fù)合層中的所述金剛石顆粒 在所述復(fù)合層中具有介于〇 %至1 〇〇 %之間的濃度梯度。
[0027] 條款7:條款1至6中任一項所述的多層基板，其中所述復(fù)合層中的金剛石顆粒的載 荷水平(按體積計)為以下之一：彡5% ;彡20%、彡40%、或彡60%。
[0028] 條款8:條款1至7中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層的厚度為以下之 一:介于10-9米至10- 6米之間、介于5 X 10-6米至20 X 10-3米之間、介于500 X 10-6米至10 X 10-3 米之間、介于1 X 10-6米至5 X 10-3米之間、介于3 X 10-6米至3 X 10-3米之間、介于50 X 10-6米 至50 X 10-2米之間、介于100 X 10-6米至10 X 10-2米之間、介于200 X 10-6米至5 X 10-2米之間、 或介于500 X 10-6米至2 X ΚΓ2米之間。
[0029] 條款9:條款1至8中任一項所述的多層基板，其中所述多層基板的厚度為以下之 一：彡 200 X 10-6米、彡 20 X 10-3米、彡40 X 10-3米、彡 75 X 10-3米、彡 50 X 10-6米、彡 500 X 10-6 米、或彡1X10-3米。
[0030] 條款10:條款1至9中任一項所述的多層基板，其中所述多層基板具有以下形狀之 一或以下形狀中的兩種或兩種以上的組合：圓形、正方形、矩形、多邊形、橢圓形、曲線形、球 形、非球形、圓柱形、錐形、凹形、或凸形。
[0031] 條款11:條款1至10中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層的表面經(jīng)過生長 或拋光至所需的粗糙度和平整度值。
[0032]條款12:條款1至11中任一項所述的多層基板，被構(gòu)造為用作以下之一:光學(xué)器件； 用于檢測高能量輻射粒子的檢測器;用于檢測電磁波的檢測器;用于切割、鉆孔、機械加工、 碾磨、研磨、拋光、涂布、粘結(jié)、或釬焊的裝置;制動裝置;密封件；導(dǎo)熱體；電磁波傳導(dǎo)器件； 化學(xué)惰性裝置，其被構(gòu)造在高溫或在低溫條件下用于高腐蝕性環(huán)境、強氧化性環(huán)境、或強還 原性環(huán)境;或用于半導(dǎo)體器件、晶圓或膜，光學(xué)器件、晶圓或膜，和或電子器件、晶圓或膜的 拋光或平坦化的裝置。
[0033]條款13:條款1至12中任一項所述的多層基板，其中所述光學(xué)器件為平面光學(xué)鏡或 非平面光學(xué)鏡。
[0034]條款14:條款1至13中任一項所述的多層基板，其中所述平面光學(xué)鏡是反射鏡或透 鏡。
[0035]條款15:條款1至14中任一項所述的多層基板，其中所述非平面光學(xué)鏡是球形、非 球形、圓錐形、或圓柱形。
[0036]條款16:條款1至15中任一項所述的多層基板，其中所述光學(xué)器件包括用于管理電 磁波的光學(xué)涂層。
[0037] 條款17:-種形成條款1至16中任一項所述的多層基板的方法，包括：（a)形成包含 金剛石和碳化硅的復(fù)合層；（b)將所述復(fù)合層置于反應(yīng)器的基板支架上；以及(c)在置于所 述反應(yīng)器的所述基板支架上的所述復(fù)合層上生長金剛石層，其中所述金剛石層的金剛石直 接生長在構(gòu)成所述復(fù)合層的所述金剛石顆粒的晶體表面上。
[0038] 條款18:條款1至17中任一項所述的方法，其中所述復(fù)合層還包含硅。
[0039] 條款19:條款1至18中任一項所述的方法，其中步驟(c)包括通過化學(xué)氣相沉積在 所述復(fù)合層上生長所述金剛石層。
[0040] 條款20:條款1至19中任一項所述的方法，其中步驟(a)還包括對所述復(fù)合層進行 機械加工、研磨、拋光、切割、或鉆孔。
[0041] 附圖簡要說明
[0042] 圖1為包括金剛石層和復(fù)合層的示例性多層基板，其中該復(fù)合層含有金剛石和碳 化硅以及任選的硅；
[0043] 圖2為示出能夠用于制造圖1的多層基板的各步驟的圖；
[0044] 圖3為能夠用于在復(fù)合層上沉積金剛石層以形成圖1的多層基板的示例性微波等 離子化學(xué)氣相沉積(CVD)系統(tǒng)的示意圖；
[0045] 圖4A為在復(fù)合層(類似圖1的復(fù)合層)上進行金剛石的CVD沉積之前，復(fù)合層的表面 的SEM圖像；
[0046]圖4B為在圖4A的復(fù)合層上進行金剛石的CVD沉積約20小時之后，生長在復(fù)合層上 的金剛石層的SEM圖像；
[0047]圖4C為在圖4A的復(fù)合層上進行金剛石的CVD生長約117小時之后，生長在復(fù)合層上 的金剛石層的生長面的SEM圖像；
[0048]圖5為圖4C的金剛石層在研磨和拋光之后的UV-Vis-NIR反射光譜圖；
[0049] 圖6為CVD生長在包含70%金剛石（按體積計）的復(fù)合層上的金剛石層的中心的生 長面的SEM圖像；
[0050] 圖7A-7E為圖6示出的CVD金剛石層的5個不同位置的拉曼光譜；
[0051 ]圖8為天然單晶金剛石的示例性拉曼光譜；
[0052]圖9A-9D為從金剛石窗的生長側(cè)和成核側(cè)的中心和邊緣處收集的CVD光學(xué)金剛石 窗的拉曼光譜；
[0053]圖10為CVD生長在鎢基板上的金剛石層的生長面的中心的SEM圖像；
[0054]圖11A-11C為圖10中示出的CVD金剛石層的3個不同位置的拉曼光譜；
[0055]圖12為CVD生長在包含40%金剛石(按體積計）的復(fù)合層上的金剛石層的中心的生 長面的SEM圖像；
[0056]圖13A-13E為在圖12中示出的CVD金剛石層的5個不同位置獲得的拉曼光譜；
[0057] 圖14A-14E為在CVD生長的金剛石層的5個不同位置獲得的拉曼光譜，該金剛石層 被沉積在復(fù)合基板的相對側(cè)上，其中該復(fù)合基板上沉積有圖12示出的CVD金剛石層；
[0058] 圖15A-15E為在CVD生長的金剛石層的5個不同位置的拉曼光譜，該金剛石層生長 在含有〇 %金剛石的復(fù)合層上；
[0059] 圖15F為天然單晶金剛石的參照拉曼光譜；
[0060] 圖16為天然單晶金剛石(天然S⑶）、生長的自支撐金剛石窗(04A05901)、以及生長 在包括本文中公開的復(fù)合層在內(nèi)的各種基板（即，鎢、包含40%金剛石顆粒的復(fù)合層、包含 70%金剛石顆粒的復(fù)合層、以及不含金剛石顆粒的SiC/Si基板（1A178))上的金剛石層的拉 曼數(shù)據(jù)表。
【具體實施方式】
[0061] 參照圖1，本文中公開了至少包括金剛石層4和復(fù)合層6的多層基板2,該復(fù)合層6包 含金剛石和碳化硅以及任選的硅。
[0062] 無論金剛石層4的制造方法如何，金剛石層4包含多晶(包括納米晶、微晶、大晶體、 和/或單晶）金剛石。無論復(fù)合層6的制備方法如何，復(fù)合層6包含金剛石顆粒和碳化硅顆粒 以及任選的硅顆粒。
[0063] 令人驚奇地是，薄或厚的金剛石層4能夠生長或沉積在復(fù)合層6上，而不會在金剛 石沉積后發(fā)生剝離、開裂、或粉碎。更令人驚奇地是，經(jīng)拉曼峰位移證實，生長或沉積在復(fù)合 層6上的金剛石層4具有較低的應(yīng)力，這或許可以解釋多層基板2的獨特性。然而，本發(fā)明的 范圍并不應(yīng)該理解為受本文中的解釋的限制。
[0064] 復(fù)合層6中的金剛石顆?？杀┞痘蚓植勘┞队趶?fù)合層6的表面。因此，在(例如）金 剛石的CVD沉積過程中形成在復(fù)合層6上的金剛石層4生長于作為復(fù)合層6的一部分的金剛 石顆粒和/或碳化硅顆粒的晶體表面上，從而實現(xiàn)了金剛石晶格的無縫和固有的C-C sp3化 學(xué)鍵合。因此，與現(xiàn)有技術(shù)中將金剛石晶體種到包含金屬碳化物的基板表面上不同，在新生 長的金剛石層4與復(fù)合層6中的金剛石顆粒之間的鍵合本質(zhì)上是牢固且錨定良好的。
[0065] 可以設(shè)想的是，位于復(fù)合層6的表面的金剛石顆?？赡懿痪哂杏糜诮饎偸瘜?的 CVD生長的暴露的金剛石晶格。更具體而言，在復(fù)合層6的制備過程中，可以設(shè)想的是，硅可 能與復(fù)合層6的金剛石顆粒反應(yīng)，從而在例如(不限于)復(fù)合層6的金剛石顆粒的暴露表面上 形成碳化硅的界面層。如果在復(fù)合層6上進行金剛石層4的CVD沉積之前對復(fù)合層6進行加工 (例如，研磨或拋光），則可以設(shè)想的是，碳化硅界面層將不會存在于復(fù)合層6的金剛石顆粒 的暴露的金剛石晶體表面上，并且金剛石層4可以直接生長在形成復(fù)合層6的這些暴露的金 剛石晶體表面和碳化硅顆粒上。另一方面，如果將金剛石層4沉積在未經(jīng)加工的復(fù)合層6上 (例如，沉積在包括碳化硅界面層的復(fù)合層6中金剛石顆粒的金剛石晶體表面上），則可以設(shè) 想的是，金剛石層4將生長在形成復(fù)合層6的該碳化硅界面層上和碳化硅顆粒上。包含金屬 碳化物的現(xiàn)有技術(shù)基板表面可能通過物理相互作用（例如范德華力)對金剛石碳原子具有 一定程度的親和性，從而為位于基板表面的新成核的金剛石顆粒提供粘附性，或至多具有 碳-碳鍵的單層鍵合(來自金屬碳化物的基板表面的一個碳原子以及來自新種的金剛石顆 粒的一個碳原子），不過由于金剛石晶格和基板金屬碳化物晶格的不匹配，因此預(yù)期鍵合將 存在高度缺陷。因此，向形成包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6的復(fù)合系統(tǒng)中添 加任意量的金剛石顆粒是有利的。
[0066]包含在復(fù)合層6中的金剛石載荷量(按體積計）優(yōu)選為多5%，更優(yōu)選為多10%，仍 更優(yōu)選為多20%，甚至更優(yōu)選為多30%，高度優(yōu)選為多40%，進一步優(yōu)選為多50%或以上， 并且最優(yōu)選為多60 %。
[0067] 多層基板2的復(fù)合層6可以沿著一定的幾何尺寸具有金剛石濃度梯度，該金剛石濃 度梯度為低至〇 %金剛石至高達1〇〇 %金剛石。
[0068] 金剛石層4可以是未經(jīng)摻雜的、p型摻雜的、或η型摻雜的。對于不同的應(yīng)用，也可以 將金剛石層4圖案化、或選擇性刻蝕等。
[0069] 包含于復(fù)合層6中的金剛石顆粒的尺寸范圍可以從幾納米至幾百微米或更大。這 樣的金剛石顆?？梢該诫s其它化學(xué)元素(例如硼)來實現(xiàn)用于一些獨特應(yīng)用的其它性質(zhì)(如 導(dǎo)電性）。
[0070] 包含于復(fù)合層6中的碳化硅顆粒的尺寸范圍可以從幾納米至幾百或幾千微米或更 大。有時由于經(jīng)濟原因，這樣的碳化硅顆?？梢院衅渌幕瘜W(xué)雜質(zhì)。
[0071] 復(fù)合層6中任選的硅的尺寸范圍可以從幾納米至幾百微米或更大。硅顆?？梢允?結(jié)晶性的或非結(jié)晶性的。硅可以是半導(dǎo)體等級的純度，或可以是工業(yè)等級的純度。
[0072]多層基板2可以具有任意的厚度、可以為任意直徑的圓、任意尺寸的正方形、任意 尺寸的矩形、或具有任意尺寸的任意幾何形狀、或不規(guī)則的幾何形狀。大小、尺寸及形狀可 以由應(yīng)用、或由用于在復(fù)合層6上生長或沉積金剛石層4的CVD法指定。
[0073] 金剛石層4可以具有任意的厚度。對于薄膜或涂層應(yīng)用來說，厚度可以薄至幾納米 至幾微米。這樣薄的涂層在光學(xué)透明性、反射性、平滑度、或平坦度等性質(zhì)上能夠是金剛石 或類似金剛石的碳。對于厚膜應(yīng)用來說，厚度可以是幾微米至幾毫米或更厚。優(yōu)選地是，金 剛石層4的厚度范圍在幾納米至5毫米之間、更優(yōu)選的是在20微米至4毫米之間、仍更優(yōu)選的 是在50微米至3毫米之間、以及最優(yōu)選的是在100微米至3毫米之間。對于剛生長的金剛石層 4或隨后被施加不同表面修整技術(shù)(例如，常規(guī)的拋光工藝或電子束拋光工藝，其可應(yīng)用于 薄膜金剛石或厚膜金剛石）的剛生長的金剛石層4,可以實現(xiàn)期望的光學(xué)表面修整參數(shù)(例 如表面粗糙度和平坦度）。
[0074] 復(fù)合層6可以是任意的厚度。例如，根據(jù)其應(yīng)用，復(fù)合層6的厚度可以在若干微米、 若干毫米、若干厘米、或更大的等級上。
[0075] 取決于應(yīng)用和用于在復(fù)合層6上進行金剛石層4的化學(xué)氣相沉積的方法和反應(yīng)器 尺寸，多層基板2的直徑或最大橫向尺寸可以是若干毫米、幾十毫米、幾百毫米、或甚至更 大。
[0076] 鑒于金剛石層4的機械硬度，金剛石層4對于用于機械應(yīng)用的產(chǎn)品是高度理想的， 這是因為在給定的厚度下，金剛石層4將具有長的壽命和耐久性，并且可能由金剛石層4的 應(yīng)力引起的故障機會較低。機械應(yīng)用的例子包括(但不限于)鉆孔、切割、研磨、機械加工等。 對于較不苛刻的環(huán)境，可能只需要薄的金剛石層4。對于較苛刻的加工條件，可以在復(fù)合層6 上生長較厚的金剛石層4,這樣可以延長多層基板2的壽命，并且可以使多層基板2在那些要 求較高的條件下表現(xiàn)更一致。
[0077]通過CVD生長在復(fù)合層6上的金剛石層4的導(dǎo)熱系數(shù)可以使得金剛石層4被用于熱 管理的應(yīng)用，例如(不限于)光學(xué)應(yīng)用、電子應(yīng)用(散熱器）、航空應(yīng)用、化學(xué)應(yīng)用等，這在本技 術(shù)領(lǐng)域中迄今是未知的。
[0078]除了金剛石層4的導(dǎo)熱系數(shù)之外，當(dāng)復(fù)合層6中的金剛石載荷量在70%時，復(fù)合層6 具有高達625W/m-K、或更高(遠(yuǎn)優(yōu)于銅的導(dǎo)熱系數(shù)401W/m-K)的導(dǎo)熱系數(shù)。在復(fù)合層6中的金 剛石載荷水平為42%時，復(fù)合層6具有450W/m-K的導(dǎo)熱系數(shù)，仍高于銅的導(dǎo)熱系數(shù)(401W/m-K)。隨著復(fù)合層6中的金剛石載荷量的增加，復(fù)合層6的導(dǎo)熱系數(shù)從現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品(M-Cubed 丁6(：1111〇1〇87的330702)的導(dǎo)熱系數(shù)(碳化娃和娃的復(fù)合物為170￥/111-1〇提高到金剛石的導(dǎo) 熱系數(shù)，即2000至2200W/m-K。
[0079]如果使用線性模型計算導(dǎo)熱系數(shù)，則當(dāng)金剛石載荷量為42%時，復(fù)合層6的導(dǎo)熱系 數(shù)為981W/m-K，而當(dāng)金剛石載荷量為70%時，復(fù)合層6的導(dǎo)熱系數(shù)為l，521W/m-K，所以這種 復(fù)合層的導(dǎo)熱系數(shù)性質(zhì)的結(jié)果是出乎意料的。多層基板2中金剛石層4和復(fù)合層6的獨特組 合使得金剛石層4能夠沿著金剛石層4的橫向或水平方向由集中的、熱的和/或產(chǎn)生熱的區(qū) 域傳導(dǎo)熱能，并使該能量垂直消散到復(fù)合層6本體中，與使用純金剛石層相比，復(fù)合層6可以 更厚、更便宜、且更容易制造。對于在激光光學(xué)、電子學(xué)、航空、或其它需要快速除熱的應(yīng)用 而言，這是特別有利的。或者，其可被用于需要快速輸送熱能的應(yīng)用。
[0080] 金剛石層4可以任選地被研磨和打磨至拋光(optical finish)、并且/或者任選地 覆蓋有一個或多個用于控制電磁波(例如，微波、紅外光、和可見光）的光學(xué)覆層、或用于不 同目的（使用本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的研磨、拋光、以及涂布工藝來實現(xiàn)）的其它類型的涂 層。使用多層基板2制造的光學(xué)器件可以具有平面的表面或可以具有非平面的表面，例如 (但不限于)球體、圓錐體、圓柱體、或任意的可被用于現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)應(yīng)用的表面。多層 基板2的金剛石層4可以通過后處理進行拋光或可以生長到滿足實際應(yīng)用的需求的粗糙度 和平坦度數(shù)值范圍內(nèi)?？梢詫⑵渌愋偷母矊邮┘拥蕉鄬踊?的表面上，例如施加到金剛 石層4的表面或復(fù)合層6的表面。
[0081]當(dāng)用于需要金剛石層4所具備的性質(zhì)并且同時會經(jīng)歷顯著溫度波動的環(huán)境中時， 金剛石層4和復(fù)合層6的尺寸穩(wěn)定性都給出了意想不到的優(yōu)點。復(fù)合層6的熱膨脹系數(shù)出人 意料地從不含金剛石顆粒的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合物產(chǎn)品(Μ-Cubed SSC-702)的2.9X 10_6/m/m-K降到包 含42%金剛石顆粒的復(fù)合層6的1.5Xl(T6/m/m-K(通過線性模型計算，其熱膨脹系數(shù)降至 2.1 X l(T6/m/m · K)，并進一步下降到低至包含70%金剛石顆粒的復(fù)合層6的1.2X l(T6/m/ m-K(通過線性模型計算，其熱膨脹系數(shù)降至1.6Xl(T6/m/m-K)，其中包含70%金剛石顆粒的 復(fù)合層6幾乎是類金剛石材料(金剛石的熱膨脹系數(shù)為1.0Xl(T 6/m/m-K)。這在例如涉及摩 擦的制動系統(tǒng)等應(yīng)用中是高度理想的，這些應(yīng)用需要金剛石的優(yōu)良耐磨性并同時涉及大量 的熱產(chǎn)生，并涉及隨后快速去除熱而不會經(jīng)歷極端的溫度上升并且可能需要多層基板2的 優(yōu)異尺寸穩(wěn)定性。然而，本發(fā)明的范圍不應(yīng)該被理解為僅限于這些應(yīng)用。
[0082]金剛石已知為高能量粒子輻射的優(yōu)良檢測器。多層基板2的獨特組成物更為便宜 且更容易制備，而且由于不會發(fā)生破裂或粉碎，因此多層基板2沒有尺寸限制。所有這些理 想的特性使得多層基板2對于用作高能量輻射、聲音傳導(dǎo)機制、以及許多其它應(yīng)用是可行且 經(jīng)濟的。
[0083] 由于金剛石的化學(xué)惰性，因此多層基板2的獨特組成物可被用于涉及化學(xué)苛刻的 腐蝕環(huán)境、甚至高溫的高要求應(yīng)用。
[0084] 此外或者可替代地，如圖1中的虛線所示，可以將一個或更多個額外的金剛石層4' 施加到復(fù)合層6的一側(cè)、或多側(cè)、和/或底部表面，只要用于生長金剛石層4'的化學(xué)氣相沉積 (CVD)的反應(yīng)器允許即可。可以設(shè)想的是，可以通過任何可能的手段使金剛石4'接合或生長 于復(fù)合層6的一個或更多個表面上。
[0085] 由于金剛石的獨特性質(zhì)，金剛石4的表面可以為了不同的應(yīng)用而被圖案化或被選 擇性地刻蝕等。
[0086] 由于金剛石層4在復(fù)合層6上的獨特錨定機制，因此多層基板2可用作拋光或平坦 化調(diào)節(jié)器，以用于半導(dǎo)體器件晶圓或膜、光學(xué)器件晶圓或膜、和/或電子元件、晶圓或膜的化 學(xué)機械平坦化或打磨。
[0087] 制造包括金剛石層4和復(fù)合層6的多層基板2的工藝。
[0088] 參照圖2并繼續(xù)參照圖1，圖2為能夠用于制造多層基板2的各個步驟的圖，該多層 基板2至少包括金剛石層4和復(fù)合層6,該復(fù)合層6包含金剛石和碳化硅以及任選的硅。以下 將公開更詳細(xì)的工藝。
[0089] 第一步驟是包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6的制備。將金剛石顆粒 與碳化硅(SiC)顆?；蛐纬商蓟?SiC)的前驅(qū)體、任選的硅顆粒、以及任選的碳混合，其中 所述碳為石墨、炭黑、和/或形成碳的前驅(qū)體的形式。然后使用該混合物以通過澆鑄、擠壓、 或等靜壓壓制而形成固體制品。將該固體制品任選地加熱至足以形成碳質(zhì)材料的溫度。
[0090] 然后，將該制品任選地進行熱壓燒結(jié)，或任選地在高溫高壓下燒結(jié)或在常壓或大 氣壓下高溫?zé)Y(jié)，或在高于常壓或大氣壓的壓力下、在常壓或大氣壓下、或真空下進行高溫 滲硅。在燒結(jié)、熱壓、或滲透工藝過程中，金剛石顆?？梢圆糠值嘏c硅反應(yīng)以形成碳化硅，而 且添加的非金剛石碳(例如石墨、碳黑、碳纖維和/或在中間溫度下形成的碳質(zhì)材料)也可以 與硅反應(yīng)以形成碳化硅。非金剛石碳源可能不會與硅完全反應(yīng)，并且硅可能不會與金剛石 和碳源完全反應(yīng)。所生成的復(fù)合層6可以包含金剛石和碳化硅;可以包含金剛石、碳化硅、和 硅;可以包含金剛石、碳化硅、和碳;或者可以包含金剛石、碳化硅、硅、和非金剛石碳?？梢?在該工序過程中或該工序結(jié)束時，對該復(fù)合物進行機械加工、或通過任意方法將其加工成 任意形狀或尺寸。
[0091] 可以在第二步驟(接下來將對第二步驟進行描述，即將金剛石層4沉積或接合至所 制備的復(fù)合層6上的步驟)之前，可任選地對通過第一步驟制備的復(fù)合層6進行研磨、拋光、 切割、或通過任意方法進行處理。作為第二步驟，可將金剛石層4接合至制備的復(fù)合層6上以 形成多層基板2?？梢酝ㄟ^化學(xué)氣相沉積(CVD)法(例如但不限于微波等離子、熱絲、直流等 離子、燃燒火焰、射頻和或極高頻等離子、激光等，在下面的段落中將詳細(xì)描述)將金剛石層 4沉積到復(fù)合層6的表面上以形成多層基板2。
[0092] 可以將金剛石層4接合或沉積到復(fù)合層6的一側(cè)或兩側(cè)、或所有的側(cè)面上，以形成 多層基板2。
[0093]作為第三步驟，隨后可以任選地通過不同的工藝對所制備的多層基板2進行進一 步加工，這些工藝包括(但不限于)切割、鉆孔、機械加工、研磨、拋光、涂布、接合、釬焊等，從 而用于不同的應(yīng)用，這些應(yīng)用包括(但不限于)機械應(yīng)用（例如(但不限于)切割、鉆孔、機械 加工、或碾磨等）、光學(xué)應(yīng)用（例如(但不限于)反射鏡、透鏡等）、熱管理(例如(但不限于）電 子、半導(dǎo)體、激光、快速除熱或快速熱輸送、或高溫或低溫條件下的熱管理）、化學(xué)惰性應(yīng)用 (腐蝕環(huán)境，例如（但不限于）強酸、強堿，強氧化環(huán)境、強還原環(huán)境，高溫或低溫條件）、摩擦 控制應(yīng)用（例如(但不限于)要求適當(dāng)摩擦和快速熱控制的制動系統(tǒng)）、電磁或聲波管理(例 如(但不限于)聲波傳導(dǎo)）、耐磨元件(例如(但不限于)栗的密封、地下鉆孔密封等）、檢測器 (例如(但不限于)高能量放射性粒子、紫外光、電極等）、或任何其它可以使用多層基板2的 應(yīng)用。
[0094] 制造用于本發(fā)明的包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合物的方法。
[0095]可以通過US 8,474,362(以引用的方式并入本文中）中公開的方式制備復(fù)合層2， 其中（1)以預(yù)定量稱取碳化硅顆粒和金剛石顆粒并置于容器中，（2)然后將酚醛樹脂添加到 該容器中，并將混合物混合，（3)然后在模中將所得的混合物擠壓或澆鑄成預(yù)制件，（4)然后 將擠壓或澆鑄的預(yù)制件放入爐中，并在惰性環(huán)境下碳化，以及(5)然后在真空和高溫下利用 硅金屬對經(jīng)過碳化的預(yù)制件進行滲透所需的時間。從爐中取出的預(yù)制件為復(fù)合層6。
[0096] 或者，可以通過US 4，171，339和/或US 4,353,963(都以引用的方式并入本文中） 中公開的方式制造復(fù)合層6，其中通過對金剛石、娃、以及碳化娃基材或娃-碳化娃基材的等 靜壓壓制混合物進行壓制而制成金剛石和碳化硅復(fù)合物?；蛘?，可以通過US 4,417,906、4， 428，755、以及4，453，951 (都以引用的方式并入本文中）公開的方式制造復(fù)合層6，其中通過 如下方式制備金剛石-碳化硅復(fù)合物是:在石蠟中混合金剛石和碳黑以制備第一分散體，并 在石蠟中混合碳纖維和碳黑以形成第二分散體，隨后將這兩個分散體壓實在一起并形成雙 層復(fù)合物，然后在真空下除去石蠟，并隨后在高溫下進行滲硅。
[0097] 此外，可以通過US 4，643，741 (以引用的方式并入本文中）中公開的方式制造復(fù)合 層6，其中通過對經(jīng)過苛性鈉清洗的金剛石顆粒和硅的混合物進行高溫高壓處理，從而形成 金剛石和碳化硅的復(fù)合物。
[0098]或者，可以通過US 5,010,043(以引用的方式并入本文中）公開的方式制造復(fù)合層 6,該方式類似于US 4,643,741公開的方式，不同之處在于省略了使用苛性鈉清洗金剛石顆 粒的步驟。
[0099] 仍進一步的是，可以通過US 6,939,506和/或US 7,060,641(都以引用的方式并入 本文中）中公開的方式制造復(fù)合層6,其中通過對微晶金剛石顆粒和非晶硅粉末的球磨混合 物進行燒結(jié)/滲透，使一些非晶硅在600°C下被部分轉(zhuǎn)化成納米晶體硅，并且在更高的溫度 下轉(zhuǎn)化成納米晶體碳化硅，從而制備金剛石和碳化硅的復(fù)合物。
[0100] 或者，可以通過US 7,959,841(-種制造金剛石和碳化硅的復(fù)合物的方法）或US 8,168,115(-種制造金剛石和碳化硅的復(fù)合物的高強度磨料壓塊的方法）（都以引用的方 式并入本文中）中公開的方式制造復(fù)合層6。
[0101] 或者，可以通過US 2011/0283629(以引用的方式并入本文中）中公開的方式制造 復(fù)合層6,其中通過將不同粒徑的金剛石和不同粒徑的硅的混合物混合，隨后對該混合物進 行熱壓，從而制成具有少于約2%的未反應(yīng)硅和約1 %的石墨的高強度金剛石-碳化硅壓塊。 [0102] 在包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層上沉積金剛石層以制造本發(fā)明的 多層基板的方法。
[0103] 可以通過US 5,250，149、US 5,628,824、或1^ 5,523，160(都以引用的方式并入本 文中）中的任意一個公開的方式進行化學(xué)氣相沉積，從而在復(fù)合層6上沉積金剛石層4,其中 化學(xué)氣相沉積條件為:微波等離子體，使用甲烷和氫氣作為反應(yīng)氣體，真空，高溫，受控的微 波功率。
[0104] 可以通過US 5,015,494(以引用的方式并入本文中）中公開的方式將金剛石層4沉 積在復(fù)合層6上，其中使用在2.45GHz下運行的微波等離子反應(yīng)器，并使用乙炔、乙烯、甲醇、 乙醇或甲烷作為碳源并連同使用氫氣，從而將金剛石膜沉積到基板上。該專利進一步公開 了也可以將含氮和硼的化學(xué)品連同含碳和氫的氣體一起引入反應(yīng)體系中。
[0105] 1^ 4,958,590(以引用的方式并入本文中）教導(dǎo)在2.456他的微波等離子反應(yīng)器 中，通過使用氫氣、甲烷、以及二氧化碳的氣體混合物以約6微米/小時的生長速率將金剛石 沉積到基板上。US5，660，894(以引用的方式并入本文中）公開了一種通過利用微波等離子 體，并使用乙炔和二氧化碳的反應(yīng)氣體混合物將金剛石沉積到硅基板上的方法。US 5,749， 966(以引用的方式并入本文中）公開了在從250°C至950°C的不同生長溫度范圍和選擇的偏 壓下，通過利用微波等離子體并控制反應(yīng)氣體組成(氫氣、甲烷、氧氣以及氬氣的混合物）， 從而沉積多晶、納米晶金剛石、以及類金剛石碳。US 6，110,541(以引用的方式并入本文中） 公開了通過使用微波等離子體，并可任選地在成核階段施加負(fù)偏壓，從而由含有甲烷的氣 體混合物在硅基板上沉積金剛石膜。US 7，115,241、US 7,452,420、US 7,713,507、US7， 754,180、以及US 2010/0116197(都以引用的方式并入本文中）公開了通過化學(xué)氣相沉積并 使用微波等離子體，由氮和甲烷的氣體混合物生長單晶金剛石，其中氮的濃度范圍為0.5% 至約5%。
[0106] US5,270，114(以引用的方式并入本文中）公開在用金剛石粉末刮擦硅單晶的表面 之后，在兩階段的工藝中通過微波等離子化學(xué)氣相沉積(CVD)由氫氣和甲烷的氣體混合物 向硅單晶沉積厚度約350微米的金剛石層。然后通過化學(xué)刻蝕剝離該金剛石膜。該專利還公 開了使用CVD來鞏固和滲透基板的多孔或不規(guī)則表面，其中該基板包含金剛石、碳化硅、鎢、 碳化鎢、鉬、以及硅的顆粒。更具體來說，該基板是通過以化學(xué)方式去除多晶金剛石壓塊中 的金屬而制備的，其中該多晶金剛石壓塊是通過如下方式制造的：（1)金屬覆蓋的金剛石顆 粒，和(2)在較高的高壓和高溫條件下，將這些金屬覆蓋的金剛石顆粒壓制在一起，其中金 屬覆層熔化，從而使得下層的金剛石晶粒部分生長在一起。通過酸刻蝕去除金屬之后的基 板包括其中沉積有CVD金剛石的多孔金剛石基板，其滲透孔隙并鞏固該多孔金剛石基板而 成為固體金剛石片，使得該多孔金剛石基板的物理性能得到改善。US 6，344，149(以引用的 方式并入本文中）公開了類似的工藝，其中使用CVD金剛石滲透多孔表面，該多孔表面是通 過從金剛石-金屬復(fù)合物中去除催化劑而產(chǎn)生的。
[0107] 正如US 5,479,874、US 5,445，106、US 5,437,891、US 5,437,728、US 5,424,096、 US 5,391，229、US 5,286,524、US 4,970,986和/或US5,523,121(都以引用的方式并入本文 中）所公開的，為了制造多層基板2,可以使用熱絲反應(yīng)器通過化學(xué)氣相沉積將金剛石層4沉 積在復(fù)合層6上。在這個工藝中，氫和烴(例如甲烷)的氣體混合物有時另外連同一些氮氣被 用作原料并被加熱到適當(dāng)?shù)碾x解溫度(通過熱絲控制），在該離解溫度下氫分子被轉(zhuǎn)化成氫 自由基，并且原始的烴(其中使用了甲烷)被轉(zhuǎn)化成各種中間體烴自由基，例如CH 3、CH2、CH 等。將基板保持在促進由烴的自由基向金剛石的成核和生長轉(zhuǎn)變的溫度。
[0108] 為了制造多層基板2,也可以使用類似于US 5,270,077(以引用的方式并入本文 中，其公開了在剝離期間和之后使用鉬的凸形基板來抵抗金剛石膜的應(yīng)力的方法)公開的 方法，通過化學(xué)氣相沉積來沉積金剛石層4。
[0109] 也可以通過US 5，190,823(以引用的方式并入本文中）公開的方式制造多層基板 2,其中硅烷層被施加到鉬基板上，使得在熱絲反應(yīng)器中沉積的金剛石厚度能夠從10至20微 米增加到100微米，甚至厚達300微米，而不會發(fā)生剝離。
[0110] 也可以通過下列美國專利文獻中任意一個所公開的方法來制造多層基板2WS 6， 414,338(以引用的方式并入本文中）公開了一種使用氫氣和甲烷的反應(yīng)氣體混合物，通過 錸熱絲等離子將金剛石沉積在作為基板的鉬箱上的方法。US 6,981，465(其以引用的方式 并入本文中）公開了一種使用熱絲等離子將金剛石化學(xué)氣相沉積到硅基板上的方法。US 4， 707，384(以引用的方式并入本文中）公開了一種使用熱絲CVD工藝將金剛石膜沉積到過渡 金屬的碳化物、氮化物、氮碳化物、碳氧化物、以及硼化物基板上的方法。在后面的這項專利 中，使金剛石膜粘附于基板上是一個挑戰(zhàn)，并且該專利公開了如何在金剛石膜和基板之間 插入中間層以實現(xiàn)金剛石膜在基板上更牢固的粘著。這種插入的中間層主要是碳化鈦，其 通過單層接合（主要是通過范德華力的物理相互作用）而對金剛石具有良好的親和性。 US2005/0064097(以引用的方式并入本文中）公開了一種通過使用硼進行預(yù)處理以形成鐵 的硼化物，從而在鐵系基板上生長若干微米的金剛石膜的方法。該金剛石膜沒有發(fā)生剝離。 然而，該金剛石膜具有2GPa的應(yīng)力，單晶金剛石的拉曼位移為1332.54CHT 1到1335CHT1，正位 移為約2.5CHT1，這意味著此金剛石膜上有明顯的壓縮應(yīng)力。該專利公開教導(dǎo)了當(dāng)金剛石厚 度僅為80nm至300nm厚時，應(yīng)力會減小。據(jù)報道，由拉曼位移確定，約40-50微米的金剛石膜 具有高達8GPa的應(yīng)力，并且其中一些金剛石膜的應(yīng)力為1.4GPa。如US 5,952，102(以引用的 方式并入本文中）所公開的，通過用于機械應(yīng)用的熱絲法從碳化鎢基板中去除鈷金屬使得 應(yīng)力為500MPa、超過30微米的金剛石膜更好地粘附至碳化鎢。US 6，042，886(以引用的方式 并入本文中）公開了通過對研磨工具的表面進行粗糙化，使得熱絲CVD金剛石膜粘附于研磨 工具的表面，否則金剛石將無法粘附，最大可能是由于金剛石膜具有大量的應(yīng)力。此外，US 2005/0276979和US 2005/0025973(都以引用的方式并入本文中）公開了使用熱絲CVD法在 金剛石粗砂（10至75微米)周圍沉積8至200微米的金剛石膜，其中該金剛石粗砂被植入直徑 2英寸的碳化硅和硅的復(fù)合物的表面上；所公開的產(chǎn)物被用于CMP(化學(xué)機械平坦化）墊修 整、散熱器、及磨耗元件。
[0111] 或者，可以通過類似于US 5,403,399和US 5,368,897(都以引用的方式并入本文 中）所教導(dǎo)的化學(xué)氣相沉積法，使多晶金剛石層4沉積在復(fù)合層6上，其中在弧光放電噴射等 離子或直流熱等離子的條件下使氫氣和氣態(tài)碳激發(fā)，從而將金剛石沉積到硅基板上。可以 通過美國專利5，314，652(以引用的方式并入本文中）公開的方式將金剛石層4沉積在復(fù)合 基板6上，其中通過使用直流電弧等離子并施加由氮化鈦、碳化鈦、氮化鉿、氮化鋯、氮化鋁、 或氧化鋁制成的中間層，從而沉積厚度介于200至1000微米的自支撐金剛石膜，并使之與鉬 制基板分離。US 5，507，987(以引用的方式并入本文中）公開一種使用DC噴射等離子來沉積 金剛石膜并獲得厚度高達1270微米的自支撐金剛石膜的方法。US 5，792，254(以引用的方 式并入本文中）公開了使用DC等離子并使用氫氣和甲烷的氣體混合物在表面處理過的石墨 基板上生長金剛石膜。US 5,897,924(以引用的方式并入本文中）公開了使用微波等離子在 玻璃基板上生長金剛石。US 7，306，778、US7，771，823、以及US 7，767，184(都以引用的方式 并入本文中）公開了使用DC等離子并且使用乙炔作為碳源，從而在聚碳酸酯基板上沉積亞 lOOnm的金剛石層。US 2010/0178730(以引用的方式并入本文中）公開一種用于將80微米的 金剛石膜沉積到鉬基板上的DC等離子CVD設(shè)備。US 7，833，581 (以引用的方式并入本文中） 公開一種在金剛石膜的整個生長過程中通過經(jīng)由多個步驟的沉積溫度增加來形成金剛石 膜以包覆金屬基板(例如鈦)的方法。
[0112] US 5,480,686和US 5,418,018(都以引用的方式并入本文中）公開通過化學(xué)氣相 沉積使用基于水的等離子放電在復(fù)合層上通過沉積而形成多晶金剛石層。這個工藝涉及作 為碳源的醇和烴以及作為氧源的水，用于反應(yīng)性的氧刻蝕石墨材料。
[0113] US 5,433,977、US 5,505，158以及US 5,665,430(都以引用的方式并入本文中）公 開了在燃燒火焰的條件下，使用由高純度氧和乙炔氣體產(chǎn)生的火炬，通過化學(xué)氣相沉積形 成多晶金剛石層。這些專利公開了將典型的10微米厚的金剛石膜沉積到由碳化鎢和鈷制成 的復(fù)合物基板和/或氮化硅基板上。US 5,491，028(以引用的方式并入本文中）公開了一種 通過燃燒火焰來將金剛石膜沉積到WC-Co(碳化鎢-鈷)復(fù)合物表面上的方法，以通過添加高 溫粘結(jié)劑來提尚金剛石的粘著性。
[0114] US 5,902,563(以引用的方式并入本文中）公開了可以通過化學(xué)氣相沉積進行多 晶金剛石層的沉積，其中在射頻(RF，3kHz至300GHz)等離子、或極高頻(VHF，50至300MHz)等 離子的條件下將氫氣和甲烷的氣體混合物激發(fā)以將金剛石沉積到硅和或鉬基板上。
[0115] US 5,302,231(以引用的方式并入本文中）公開了可以通過化學(xué)氣相沉積進行多 晶金剛石層的沉積，其中氫不足，并使用了其它的替代化學(xué)品，例如鹵化碳分子(CC1 4、CF4、 CBr4、以及CI4)以取代典型的氫氣和甲烷用于金剛石的生長。US 5,071，677(以引用的方式 并入本文中）公開了一種在高溫下使用能夠供應(yīng)碳、氫以及鹵素的氣體混合物來將金剛石 沉積到基板上的方法。
[0116] US 5，154,945(以引用的方式并入本文中）公開了可以使用紅外激光通過化學(xué)氣 相沉積從甲烷和氫氣的氣體混合物、從碳灰形式的純碳來沉積多晶金剛石層。US 4，948， 629(以引用的方式并入本文中）公開了使用紫外激光從有機酸來沉積多晶金剛石層。
[0117] US 5,474,808(以引用的方式并入本文中）公開了多晶金剛石層可以被直接沉積 在復(fù)合物表面上，該復(fù)合物表面通過施加可任選地與水性或非水性液體混合的金剛石顆粒 而進行種晶。
[0118] US 2008/0256850(以引用的方式并入本文中）公開了一種為了用不同厚度的碳化 硅涂布金剛石表面來產(chǎn)生耐氧化性和獨特光學(xué)特征的目的而使用不同厚度的碳化硅涂布 金剛石片的方法。US2002/0015794(以引用的方式并入本文中）公開了一種用碳化物/延展 性金屬膜的薄層涂布CVD金剛石的方法，該薄層隨后被粘合于硬質(zhì)合金層(其包含鎳、鈷、 鐵、或含有這些金屬中的一種或更多種的合金）。自支撐CVD金剛石是昂貴的，而且一大片大 的CVD金剛石是很難得到的。該工藝似乎是不經(jīng)濟的。然而，這種處理可能適用于至少包括 金剛石層和復(fù)合層的本發(fā)明多層基板的金剛石層表面，其中該復(fù)合層包含金剛石和碳化硅 以及任選的硅。
[0119] 表征方法
[0120]在配備有能量色散分析X射線(EDAX)檢測器的Tescan's Vega掃描電子顯微鏡上 收集掃描電子顯微鏡(SEM)的圖像。
[0121] 通過共焦拉曼顯微鏡收集拉曼光譜。激光拉曼光譜廣泛作為表征金剛石、單晶或 多晶的標(biāo)準(zhǔn)。激光拉曼光譜提供了每種不同形式（同素異形體)的碳(例如金剛石、石墨、巴 克球等）的容易區(qū)別的特征。與光致發(fā)光(PL)技術(shù)結(jié)合，拉曼光譜提供了非破壞性的方式來 研究金剛石的各種性質(zhì)，包括相純度、晶體大小和取向、缺陷水平和結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)類型和濃度、 以及金剛石晶體和膜的應(yīng)力和應(yīng)變。具體來說，在1332CHT 1的一級金剛石拉曼峰值的寬度 (半高寬，F(xiàn)WHM)以及金剛石峰和石墨峰(D帶在1350CHT1而G帶在1600CHT 1)之間的拉曼強度 比是金剛石質(zhì)量的直接指標(biāo)。此外，金剛石晶粒和膜中的應(yīng)力和應(yīng)變水平可以從金剛石拉 曼峰位移進行估計。據(jù)報道，在靜水壓力下，金剛石拉曼峰值位移速率為約3.Scn^/GPa，并 且在拉伸應(yīng)力下峰值向較低的波數(shù)偏移，而在壓縮應(yīng)力下峰值向較高的波數(shù)偏移。本文中 呈現(xiàn)的拉曼光譜使用具有514nm激發(fā)激光的共焦顯微鏡收集。有關(guān)使用拉曼光譜來表征金 剛石的更多信息也可以由參考文獻（l)A.M.Zaitsev,Optical Properties of Diamond, 2001，Springer以及（2)S.Prawer，R. J.Nemanich，Phil · Trans ·R. Soc · Lond·Α(2004)362， 2537-2565 中取得。
[0122] 通過UV/Vis/NIR(紫外/可見/近紅外)光譜儀收集反射式UV/Vis/NIR光譜。
[0123] 依據(jù)ASTM C135-86通過水浸泡測定密度。
[0124] 依據(jù)ASTM E494-95通過超音波速度測定楊氏模數(shù)。
[0125] 依據(jù)ASTM E 831通過膨脹測量技術(shù)測定熱膨脹系數(shù)(CTE)。
[0126] 依據(jù)ASTM E 1461通過激光閃光技術(shù)測量導(dǎo)熱率。
[0127] 通過微波等離子的金剛石化學(xué)氣相沉積法。
[0128] 通過微波等離子增強的金剛石化學(xué)氣相沉積在本技術(shù)領(lǐng)域中是已知的，并已在本 文中進行了大量討論。圖3示出了在復(fù)合層6上進行金剛石層4的沉積中所使用的微波等離 子CVD系統(tǒng)的示意圖。具體來說，使含有氫氣和甲烷的反應(yīng)氣體混合物流入微波等離子CVD 反應(yīng)器中，并通過獨立的質(zhì)量流量控制器來控制氫氣和甲烷的流速。排出的氣體從CVD反應(yīng) 器中流出，通常流到真空栗中。微波通常通過磁電管產(chǎn)生，并通過石英窗被引導(dǎo)到反應(yīng)器 中。在反應(yīng)器內(nèi)部，微波能量被轉(zhuǎn)換成等離子而將氫分子激發(fā)成氫自由基，并將甲烷分子激 發(fā)成甲基自由基(CH3)、亞甲基自由基(CH2)、次甲基自由基(CH)、以及含有兩個或更多個碳 的二級或三級自由基。在反應(yīng)器的底部設(shè)有支持基板的基板支架。在該基板支架上設(shè)置有 包含金剛石和碳化娃以及任選的娃的復(fù)合層6。
[0129] 當(dāng)?shù)入x子開啟時，含有碳的激發(fā)自由基轟擊基板的表面，從而在所謂"撞粘(hit and stick)"機理的作用下實現(xiàn)碳固定。然后，氫自由基轟擊固定的表面碳物質(zhì)（仍含有氫 原子），并從該固定的碳物質(zhì)中抽出氫原子，導(dǎo)致表面碳自由基的形成，用于形成含有較少 氫原子數(shù)的C-C鍵，直到所有的氫原子都被抽出。一些純的碳與碳鍵合本質(zhì)上可能是sp 3(其 對于金剛石晶格是理想的）。一些純的碳與碳鍵合本質(zhì)上可能是不理想的sp2,這是因為它 本質(zhì)上是石墨。然而，氫自由基能夠比從金剛石晶格剝離sp 3碳更快地從石墨物質(zhì)中剝離sp2 碳。
[0130] 本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的是，如果將等離子的尺寸調(diào)整到足夠覆蓋基板表面的尺 寸，則除了生長溫度之外，氣體混合物中的氫和甲烷的濃度也是金剛石生長的關(guān)鍵參數(shù)； CVD反應(yīng)器內(nèi)的微波功率和壓力與基板尺寸高度相關(guān)。為了種晶、沉積以及生長優(yōu)質(zhì)金剛石 的目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能夠按照本公開的程序和指示來將其等離子調(diào)整到足以覆蓋不 同尺寸的基板的適當(dāng)大小。
[0131] 實施例1:制備包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6,該復(fù)合層6被用于制 造多層基板2。
[0132] 在以下的實施例4和實施例5以及US 8,474,362(以引用的方式并入本文中）中公 開了制造包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層4的詳細(xì)流程?；镜墓に囀牵?)將預(yù) 定量的金剛石顆粒(直徑76微米、直徑300微米、直徑500微米)和碳化硅(54號粒度、240號粒 度、或500號粒度)與粘結(jié)劑(酚醛樹脂)和試劑級的醇混合，接著在振動下澆鑄到橡膠模具 中，并周期性地除去表面的液體。（2)然后將模具放入烘箱中，并在140°C下加熱2到3個小 時。隨后將烘箱和容納有內(nèi)容物(稱作預(yù)制件）的橡膠模具冷卻至環(huán)境溫度。然后將該預(yù)制 件從橡膠模具中移出并放到石墨板上，接著將該石墨板放入具有惰性環(huán)境的爐中。然后使 其中放置有預(yù)制件的爐的內(nèi)部保持在高溫(例如650°C)下2小時，隨后冷卻至室溫，由此將 該預(yù)制件碳化。然后將該預(yù)制件浸泡酚醛樹脂并在類似的條件下進行第二次碳化。（3)然后 將該預(yù)制件連同硅塊放在石墨舟內(nèi)，然后將該石墨舟放在真空燒結(jié)爐內(nèi)部。將該爐抽空，例 如抽到低于0.1托的壓力，并使?fàn)t的內(nèi)部溫度升至約1450Γ且保持1小時。然后將該爐的內(nèi) 部溫度降到室溫。由此，硅金屬已熔化并滲入該預(yù)制件中，并且與可能來自金剛石、石墨、以 及碳質(zhì)物質(zhì)的碳反應(yīng)而形成碳化硅，從而生成包含金剛石和碳化硅以及任選的硅(如果剩 余一些過量或未反應(yīng)的娃)的復(fù)合物。
[0133] 替代的程序包括省略添加醇和澆鑄到橡膠模具中的步驟，取而代之的是進行在模 具中擠壓碳化硅、金剛石、以及酚醛樹脂的混合物并形成預(yù)制件的步驟。然后，在高溫下（例 如600 °C)、在惰性氣氛存在下將該預(yù)制件碳化，接著在真空中于1483 °C下進行滲硅一段時 間。此替代程序產(chǎn)生了完全致密的、即無孔隙的復(fù)合層6。所產(chǎn)生的復(fù)合層6包含金剛石和碳 化硅以及任選的硅(如果復(fù)合層6中剩余過量或未反應(yīng)的硅）。
[0134] 下表1不出了包含金剛石和碳化娃以及任選的娃(如果存在過量或未反應(yīng)的娃）的 復(fù)合層6(按照上述方法制造）的物理性質(zhì)（包括密度、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)(CTE)、以及導(dǎo) 熱系數(shù))與反應(yīng)結(jié)合碳化硅(RBSC)復(fù)合物的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的物理性質(zhì)的比較。由表1可以看出， 隨著金剛石含量(或載荷量)從〇%增加到42%并增加到70% (按體積計），復(fù)合層6的密度分 別從2.95g/cm3增加到3.27g/cm3并增加到3.30g/cm 3。同時，楊氏模量分別從350GPa增加到 630GPa并增加到700GPa。注意到的是，密度和楊氏模量這兩者的增加與金剛石載荷水平的 增加并非精確的線性相關(guān)，這是出乎意料的。據(jù)報道，純金剛石的密度為約3.52g/cm 3,并且 純金剛石的楊氏模量為約l，220GPa。然而，隨著復(fù)合物中的金剛石載荷水平增加，諸如密度 和楊氏模量等物理性質(zhì)越來越類似于純金剛石的性質(zhì)。
[0135] 表1還示出了隨著金剛石載荷水平(按體積計)從0 %增加到42 %并增加到70%，熱 膨脹系數(shù)(CTE)分別從2.9 X 10_6/m/m-K減少到 1.5 X 10_6/m/m-K，并減少到 1.2 X 10_6/m/m-K，而純金剛石的熱膨脹系數(shù)為1.0Xl(T6/m/m-K。通過線性模型的計算預(yù)測出，包含42%金 剛石的復(fù)合物的熱膨脹系數(shù)只會減少到2.1 X l(T6/m/m-K，并且包含70%金剛石的復(fù)合物的 熱膨脹系數(shù)只會減少到1.6Xl(T6/m/m-K，這是非常令人驚訝的。然而，這樣的結(jié)果進一步表 明，隨著金剛石載荷水平(按體積計)增加，包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6在 金剛石物理性質(zhì)方面(特別是熱膨脹系數(shù)方面)越來越類似于金剛石。
[0136] 盡管金剛石載荷水平（按體積計）的增加使得導(dǎo)熱系數(shù)從RBSCStd.的170W/m-K增 加到包含42%金剛石的復(fù)合層6的4501/111-1(，并增加到包含70%金剛石的復(fù)合層6的625￥/ m-K(遠(yuǎn)優(yōu)于純銅的導(dǎo)熱系數(shù)(401W/m-K))，但這些導(dǎo)熱系數(shù)仍遠(yuǎn)低于理論預(yù)測(通過線性模 型計算）的導(dǎo)熱系數(shù)(包含42%金剛石的復(fù)合層6為981W/m-K，以及包含70%金剛石的復(fù)合 層6為1521W/m-K)，這是非常出乎意料的。然而，這些結(jié)果仍然支持如下結(jié)論:隨著金剛石的 載荷水平增加，包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6在物理性質(zhì)上越來越類似于 純的或天然的金剛石。
[0137] 表1.包含金剛石和碳化娃以及任選的娃的復(fù)合層與包含碳化娃和娃的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng) 結(jié)合碳化硅(RBSC)復(fù)合物在密度、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)(CTE)、以及導(dǎo)熱系數(shù)方面的比較
[0139]使用與上述程序和工藝類似的工藝，制備了多片具有不同幾何尺寸的包含金剛石 和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6,并在微波等離子反應(yīng)器中用作金剛石層4的化學(xué)氣相沉 積的基板，這在下文中將有進一步的描述，并且將描述通過先前討論的微波等離子進行金 剛石的化學(xué)氣相沉積的方法。
[0140] 實施例2:通過在復(fù)合層6的裸露金剛石顆粒上持續(xù)生長金剛石以將金剛石層4牢 固地錨定于包含剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6中的金剛石顆粒上。
[0141] 將包含40% (按體積計）金剛石且余量為碳化硅以及可能的硅的復(fù)合層6(直徑為 68mm且厚度為12mm)用作微波等離子化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器中的基板。使1850mL/分鐘 的氫氣和13.7mL/分鐘的甲烷的混合物流入微波等離子CVD反應(yīng)器中。啟動等離子之后，調(diào) 整微波功率和反應(yīng)器壓力，使得等離子的大小覆蓋復(fù)合層6,并通過冷卻微波等離子CVD反 應(yīng)器中支持復(fù)合層6的基板支架從而將復(fù)合層6的溫度控制在820°C。在復(fù)合層6上進行金剛 石層4的化學(xué)氣相沉積約20小時之后，將反應(yīng)停止，并將多層基板2從微波等離子CVD反應(yīng)器 中移出，并通過光學(xué)顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、以及拉曼散射光譜法進行分析。拉曼光譜 研究的結(jié)果證實了生長的金剛石膜或?qū)?是完整的，并且新生長的金剛石層4是高質(zhì)量的在 約1332CHT 1處有尖銳的拉曼位移特征峰的金剛石。在約20小時的生長之后，據(jù)估計金剛石層 4具有約30微米的厚度。
[0142] 圖4A示出了在將復(fù)合層6用于在其上進行金剛石層4的化學(xué)氣相沉積之前，復(fù)合層 6的表面的SEM背散射圖像。由于電子密度的差異，圖4A中的金剛石顆粒顯示為暗的圖像，碳 化硅顯示為灰色的連續(xù)相，而硅顯示為填充復(fù)合物孔隙的離散的亮灰色，這示出了包含金 剛石、碳化娃以及娃的復(fù)合層6是高度致密的。在復(fù)合層6的表面露出的復(fù)合層6中的金剛石 顆粒具有介于約10至30微米之間的最大尺寸。
[0143] 如圖4B的多層基板所示，在約20小時生長約30微米的金剛石層4到復(fù)合層6的表面 上之后，驚訝地發(fā)現(xiàn)，生長的金剛石顆粒長得更大，并且復(fù)合層6中碳化硅和硅的區(qū)域長了 小的金剛石晶體。
[0144] 隨后將圖4B的多層基板送回到微波CVD反應(yīng)器中，以在相同的氣流條件下額外沉 積金剛石共117小時。然后從CVD反應(yīng)器中移出多層基板，并發(fā)現(xiàn)金剛石層4仍是完整的，這 也是令人驚訝的，因為金剛石層4的厚度據(jù)估計為約190微米。在此之前，厚度約190微米的 金剛石層4通常會與鉬或鎢基板剝離。進一步驚訝地發(fā)現(xiàn)原本的金剛石晶體此時為100微米 或更大，而生長20小時之后在大金剛石晶粒之間注意到的小金剛石晶粒已從幾微米生長到 約20至30微米，如圖4C所示。
[0145] 基于前述的觀察，包括金剛石層4和復(fù)合層6(含有金剛石和碳化硅以及任選的硅） 的多層基板2具有許多優(yōu)點。在化學(xué)方面，金剛石層4在晶格水平上持續(xù)生長到復(fù)合層6表面 上的暴露金剛石晶體上?？梢韵胂竦氖牵饎偸瘜?牢固地錨定于復(fù)合層6的基質(zhì)。這種晶格 錨定可以造成多層基板2在本質(zhì)上是堅固的。這個優(yōu)點可確保多層基板2具有出色的性能和 出色的能力，以承受許多物理和化學(xué)的挑戰(zhàn)(例如涉及大量外力、應(yīng)力以及溫度波動的機械 應(yīng)用）。這種優(yōu)點也使得能夠在復(fù)合層6上生長任意厚度的金剛石層4,只要CVD反應(yīng)器允許 即可。
[0146] 上面的實施例1顯示，從物理性質(zhì)的觀點來看，隨著金剛石載荷量的水平增加，復(fù) 合層6越來越類似于金剛石層4。這種物理性質(zhì)上的相似使得多層基板2的這兩種不同的層 能夠更好地相互作用，從而有助于更有效地承受外部的應(yīng)力，特別是金剛石層4和復(fù)合層6 的熱膨脹系數(shù)，其得到了產(chǎn)生由于溫度波動的熱應(yīng)力較低的優(yōu)點。
[0147] 隨著復(fù)合物中的金剛石載荷水平增加，碳化硅或硅與種晶的金剛石顆粒之間的物 理相互作用面積減小，并且具有通過金剛石晶格鍵合的化學(xué)相互作用的面積增大。據(jù)信，由 范德華力產(chǎn)生的相互作用可能比由化學(xué)鍵合(特別是金剛石晶格中的 SP3C-C鍵合)產(chǎn)生的 相互作用更小。所有這些觀察都暗示了多層基板2具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點。然而，本發(fā)明 的范圍不被本文提供的說明所限制。
[0148] 將包括金剛石層4(厚度為約190微米)和復(fù)合層6的多層基板6研磨和打磨到拋光， 其中復(fù)合層6含有40% (按體積計）的金剛石，余量為碳化硅以及可能的硅。如圖5所示，從 2500nm的波長到300nm的波長以8°的反射角(基本上只允許從單一表面收集反射光)收集金 剛石層6的UV-Vis-NIR反射光譜。此光譜中的單一表面反射率與對應(yīng)于這些波長的高質(zhì)量 金剛石反射指數(shù)具有良好的一致性。
[0149] 實施例3:通過化學(xué)方式錨定于復(fù)合層6上的低應(yīng)力或減小的應(yīng)力的厚金剛石層4。 [0150]將包含70% (按體積計）金剛石顆粒且余量為碳化硅和可能的硅的復(fù)合層6(直徑 140mm且厚度10mm)用作為基板，以用于化學(xué)氣相沉積金剛石層4。使1850mL/min的氫氣和 13.7mL/min的甲烷的混合物流入微波等離子CVD反應(yīng)器(參見圖3)中。在啟動等離子之后， 調(diào)整微波功率和反應(yīng)器壓力，使得等離子的大小覆蓋復(fù)合層6，然后通過冷卻基板支架來將 基板溫度控制在820°C。在化學(xué)氣相沉積金剛石層4約17小時之后，將反應(yīng)停止，并從微波 CVD反應(yīng)器中移出多層基板2。觀察到約30微米的金剛石層4粘合在復(fù)合層6上。然后使在包 含約70%金剛石的復(fù)合層6上具有約30微米金剛石層4的多層基板2返回到微波CVD反應(yīng)器， 以繼續(xù)生長金剛石，總計生長時間為約130小時。然后再次停止金剛石的微波化學(xué)氣相沉積 反應(yīng)，并從微波CVD反應(yīng)器中移出多層基板2。約200微米的金剛石層4粘合在包含70%金剛 石的復(fù)合層6上。然后使此多層基板2再次返回微波反應(yīng)器中再繼續(xù)生長金剛石，總計生長 時間共約290小時。停止反應(yīng)后，從微波CVD反應(yīng)器中移出多層基板2。令人驚訝的是，約450 微米的金剛石層4仍粘合在復(fù)合層6上。通常，位于直徑140mm的基板（例如鎢）上的這種約 450微米厚度的金剛石層4非常容易發(fā)生剝離。將這片包括金剛石層4以及含有金剛石和碳 化硅以及任選的硅的復(fù)合層6的多層基板2定義為基板1A175。
[0151] 圖6示出了在直徑140mm、包含70%金剛石的復(fù)合層6(基板1A175)上的金剛石層4 (在微波CVD反應(yīng)器中沉積約290小時）的中心的生長面的SEM圖像。金剛石的粒度顯示為大 于幾百微米，同時觀察到較小的金剛石晶粒仍在生長過程中。
[0152] 圖7A-7E示出了在基板1A175的金剛石層4的5個不同位置（即中心、北緣、東緣、南 緣、以及西緣）的拉曼光譜。金剛石特征拉曼峰分別位于1332.75(31^^ 1333.27CHT1、 1333.52cm-\ 1332.45cm-\ 1332.89cm-、平均為 1332.98cm-、拉曼峰寬度（半高寬，F(xiàn)WHM)為 3 · 20cm-1、3 · 40cm-1、3 · 82cm-1、3 · 43cm-1、以及4 · 29cm-1，平均為3 · 63cm-1。這些拉曼散射光譜 的基線是平的，并且實際上檢測不到與石墨碳相關(guān)的sp2碳-碳鍵合的特征。因此，基板 1A175的金剛石層4的質(zhì)量高，甚至在直徑140mm的多層基板2的整個表面上都是高質(zhì)量的。 天然單體金剛石（SCD)、自支撐生長的金剛石窗(04A05901)、以及生長在各種基板(包括本 文公開的復(fù)合層)上的金剛石的拉曼數(shù)據(jù)示出于（圖16)中。
[0153] 為了更好的評價來自多層基板2的金剛石層4的質(zhì)量，收集高質(zhì)量天然單晶金剛石 (天然SCD)的拉曼光譜并將其用作基線。將這些光譜之一在圖8中示出。此天然單晶金剛石 的金剛石特征拉曼峰位于1332.53CHT 1，其拉曼峰寬(半高寬，F(xiàn)WHM)為4.04CHT1，而且此單晶 的拉曼光譜的基線也是非常平坦的，并且實際上也檢測不到與石墨碳關(guān)聯(lián)的sp 2碳-碳鍵的 特征。通過比較圖8的單晶金剛石的拉曼光譜和多層基板2的金剛石層4的拉曼光譜(基板 1A175,圖7A-7E)可以觀察到，不僅多層基板2的金剛石層4的質(zhì)量是高質(zhì)量的，而且多層基 板2的金剛石層4的金剛石應(yīng)力也是低的，這可由與單晶金剛石的拉曼峰（1332.530^ 1)相距 的很小拉曼峰位移得到證實，中心處的位移為+0.22CHT1，北緣處的位移為+0.74CHT 1、東緣 處的位移為+〇. 99cnf \南緣處的位移為-0.0 Scnf1、并且西緣處的位移為+0.36cnf1，平均為+ 0.45CHT 1。這些結(jié)果表明，當(dāng)多層基板2(基板1A175)的金剛石層4在厚度為約450微米且直徑 為140mm時，其金剛石應(yīng)力是異常低的。通常，金剛石膜的金剛石應(yīng)力會隨著金剛石膜厚度 和/或金剛石膜直徑(或尺寸）的增加而升高。
[0154] 為了進一步說明多層基板1A175的質(zhì)量，考量自支撐的CVD光學(xué)金剛石窗（基板 04A05901)(兩面都經(jīng)過拋光和修整以用于光學(xué)應(yīng)用）的拉曼光譜，如圖9A-9D所示，該光譜 收集自中心和邊緣、以及生長側(cè)和成核側(cè)。自支撐CVD金剛石窗04A05901的金剛石特征拉曼 峰為 1332 · 67cm-\ 1332 · 36cm-\ 1332 · 53cm-1、以及 1332 · 61cm-1，平均為 1332 · 54cm-1;并且與 單晶金剛石的拉曼峰（1332.53cm-Μ相距的拉曼峰位移分別為+0.14cm- 1、-0 . ncnf1、 0.0 Ocnf \以及+0.08cnf1，平均為+0.0 lcnf1。這表明高質(zhì)量的自支撐金剛石未受到可觀察到 的應(yīng)力。基板1A175的金剛石膜4的應(yīng)力來自于在界面處的兩個不同材料的層之間的相互作 用，也就是金剛石層4與包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6之間的相互作用。
[0155] 參照圖10-11C，為了進一步說明由金剛石層4和復(fù)合層6組成的多層基板2(基板 1A175)的質(zhì)量，將厚度10mm的140mm鎢基板(基板#124)放在微波等離子CVD反應(yīng)器(參見圖 3)內(nèi)。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷的混合物流入微波等離子CVD反應(yīng)器中。啟 動等離子之后，調(diào)整微波功率和反應(yīng)器壓力，使得等離子的大小可覆蓋鎢基板，并通過冷卻 將鎢基板的溫度控制在820°C。在鎢基板上化學(xué)氣相沉積金剛石層24小時之后，將反應(yīng)停 止，并從微波CVD反應(yīng)器中移出具有金剛石層的鎢基板。金剛石層仍粘附于鎢基板，并且該 金剛石層的厚度估計少于30微米。通常，在鎢基板上生長金剛石層24小時或更長的時間會 導(dǎo)致金剛石層或膜與鎢基板剝離。
[0156]圖10為生長在(并粘附于）具有約20微米或更小粒徑的鎢基板（即基板#124)上的 金剛石層或膜的中心處的生長面的SEM圖像。
[0157]圖11A-11C示出了在鎢基板上進行過夜的微波CVD金剛石生長之后，分別來自生長 的金剛石膜的中心、邊緣1以及邊緣2的3個拉曼光譜。金剛石特征拉曼峰分別位于 1335 · 85cm-\ 1335 · 87cm-\ 以及 1335 · 85cm-1，平均為 1335 · 86cm-1。與單晶金剛石的拉曼峰 (1332.53cm-3相距的拉曼峰位移分別為+3.32cm-\+3.34cm-\以及+3.32cm- 1，平均為+ 3.33CHT1。與單晶金剛石相距的該拉曼峰位移水平表明，即使金剛石層(例如圖10所示)小于 30微米，但在此薄金剛石層和鎢基板之間仍存在相當(dāng)?shù)膽?yīng)力水平。如果金剛石膜的厚度與 上述基板1A175的金剛石層4 一樣厚（約450微米），則鎢基板上的金剛石膜的應(yīng)力將是非常 尚的。
[0158] 實施例4:對于多層基板2,金剛石層4的應(yīng)力可能會受包含金剛石和碳化硅以及任 選的硅的復(fù)合層6中的金剛石載荷量的影響。
[0159] 首先通過拋光漿料研磨包含40%金剛石載荷(按體積計)且余量為碳化硅和任選 的硅的復(fù)合層6(直徑為140mm且厚度為10mm)。然后，用金剛石粉末摩擦其表面并用異丙醇 沖洗干凈。然后使用復(fù)合層6作為基板，以在微波等離子CVD反應(yīng)器內(nèi)進行金剛石層4的化學(xué) 氣相沉積。將復(fù)合層6放在基板支架上之后，使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷的混 合物流入微波等離子CVD反應(yīng)器(參見圖3)中。啟動等離子之后，調(diào)整微波功率和反應(yīng)器壓 力，使得等離子的大小可以覆蓋復(fù)合層6,并通過冷卻基板支架將復(fù)合層6的溫度控制在820 °C。在復(fù)合層6上化學(xué)氣相沉積金剛石層4持續(xù)約301小時以形成多層基板2,然后將反應(yīng)停 止。然后從微波CVD反應(yīng)器中移出多層基板2。觀察到所沉積的多層基板2的CVD金剛石層4的 厚度為約480微米，并粘合于包含金剛石和碳化硅以及可能的硅的復(fù)合層6。然后將該多層 基板2定義為基板1A177B。
[0160] 圖12示出了在直徑為140mm、包含40%金剛石的復(fù)合層6(基板1A177B)上的金剛石 層4(其在微波CVD反應(yīng)器中沉積約301小時）的中心的生長面的SEM圖像。觀察到金剛石的粒 度大于幾百微米，同時觀察到較小的金剛石晶粒仍在生長過程中。
[0161] 圖13A-13E示出了在基板1A177B的5個不同位置（即中心、北緣、東緣、南緣、以及西 緣）的拉曼光譜。金剛石特征拉曼峰分別位于1333.67CHT 1、1334.35cnf ^1333.43(:1^1、 1333.62cm-\ 1333.58cm-S 平均為 1333.73cm-、拉曼峰寬度（半高寬，F(xiàn)WHM)為3.20cm-1、 5 · 82cm-1、3 · 42cm-1、3 · 10cm-1、以及6 · 43cm-1，平均為4 · 39cm-1 (質(zhì)量接近拉曼峰寬或半高寬 FWHM在4.04CHT1的半高的單晶金剛石），并且這些拉曼散射光譜的基線是平的，并且實際上 檢測不到與石墨碳關(guān)聯(lián)的sp 2碳-碳鍵合的特征。因此，在整個表面上此金剛石層4的質(zhì)量是 非常高的。
[0162] 比較天然單晶金剛石的拉曼散射光譜（圖8)和來自基板1A177B的金剛石層4的金 剛石的拉曼散射光譜（圖13A-13E)，注意到不僅多層基板2的金剛石層4的質(zhì)量是良好的，而 且基板1A177B的金剛石層4的金剛石的應(yīng)力小于生長在鎢基板上的薄金剛石層（<30微米） 的應(yīng)力(基板#124;圖11A-11C)，這可由其與單晶金剛石的拉曼峰（1332.530^ 1)相距的極小 拉曼峰位移得到證實，在中心處為+1.14CHT1，在北緣處為+1.82CHT 1、在東緣處為-Ο.^αιΓ1、 在南緣處為+1. ogcnr1、以及在西緣處為+1. ΟδαιΓ1，平均為+1.2001^1;而媽基板(基板#124; 圖11A-11C)上的薄金剛石膜（<30微米)具有+3.33CHT1的平均拉曼峰位移。這些結(jié)果表明， 當(dāng)多層基板2(基板1A177B，具有含40%金剛石顆粒的復(fù)合層6)的金剛石層4的厚度約450微 米且直徑高達140mm時，金剛石應(yīng)力仍然特別低。然而，相對于金剛石層4的金剛石應(yīng)力，因 為基板1A175的復(fù)合層6具有70%的金剛石而1A177B的復(fù)合層6只有40%的金剛石，實際上 基板1A177B(圖13A-13E)不如基板1A175(圖7A-7E)。因此，這些結(jié)果似乎表明，復(fù)合層6中較 高的金剛石載荷量(按體積計)是較理想的，這可能是由于（1)含有較多金剛石載荷量的復(fù) 合層6在物理性能上更類似于天然金剛石，以及(2)復(fù)合層6中更多的金剛石顆粒暴露于與 金剛石層4形成CVD本質(zhì)sp 3碳-碳金剛石晶格鍵合的復(fù)合層6表面，使得新形成的金剛石層4 被晶格水平的化學(xué)相互作用錨定于包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6的基質(zhì) 中。
[0163] 實施例5:對于多層基板2,金剛石層4的應(yīng)力可能會受到多層基板2中的金剛石層4 的厚度的影響，其中該多層基板2包括金剛石層4以及含有金剛石和碳化硅以及任選的硅的 復(fù)合層6。
[0164] 將上述實施例4中描述的直徑為140mm且厚度為10mm的多層基板1A177B的與金剛 石層4相對的一側(cè)放入微波CVD反應(yīng)器中，用于將金剛石層4'（在圖1中以虛線示出）沉積到 復(fù)合層6的與金剛石層4相對的表面上。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲燒的混合物 流入微波等離子CVD反應(yīng)器中。啟動等離子之后，調(diào)整微波功率和反應(yīng)器壓力，使得等離子 的大小可覆蓋復(fù)合層6的與金剛石層4相對的表面，然后通過冷卻基板支架將復(fù)合層6的溫 度控制在820°C。金剛石層4'的化學(xué)氣相沉積持續(xù)約50.5小時之后，將CVD反應(yīng)停止。從微波 CVD反應(yīng)器中移出基板1A177B，并且觀察到所沉積的CVD金剛石層4'為約80微米厚，并觀察 到粘合于復(fù)合層6上與金剛石層4相對的側(cè)面。將該多層基板2定義為基板1A177A。
[0165] 圖14A-14F示出基板1A177A的金剛石層4'的5個不同位置（即中心、北緣、東緣、南 緣、以及西緣）的拉曼光譜。金剛石特征拉曼峰分別位于1333.93(31^ 1、1332.99(31^1、 1333.40cm-1、1332.93cm-\ 1332.98cm-S 平均為 1333.25cm-S 拉曼峰寬（半高寬，F(xiàn)WHM)為 4.68cm-\6· 35(^^6.48cm-13.42cm-1、以及5.31cm-1，平均為5.45cm- 1(質(zhì)量不如拉曼峰 FWHM在4. (Mcnf1的單晶金剛石優(yōu)秀，但仍是質(zhì)量優(yōu)良的CVD金剛石）。圖14A-14F示出的拉曼 光譜的基線是平的，并且實際上檢測不到與石墨碳關(guān)聯(lián)的sp 2碳-碳鍵合的特征。因此，金剛 石層4'的質(zhì)量是高的，并且甚至基板1A177A的整個表面的質(zhì)量也是相對較高的。
[0166] 通過比較天然單晶金剛石（圖8)的拉曼散射光譜和基板1A177A的金剛石層4'的金 剛石的拉曼散射光譜（圖14A-14E)，注意到的是，不僅金剛石層4'的金剛石的質(zhì)量是良好 的，而且金剛石層4'的金剛石的應(yīng)力遠(yuǎn)小于生長在鎢基板上的薄金剛石層（<30微米)的應(yīng) 力（圖11A-11C)，這可由與天然單晶金剛石（圖8)的拉曼峰（1332.53(^ 1)相距的峰位移得到 證實，在中心處為+1.40CHT1，在北緣處為+0.46CHT 1、在東緣處為+0.87CHT1、在南緣處為+ 0.40cm-\以及在西緣處為+0.4501^,平均為+0.7201^,而媽基板(如圖11A-11C所示)上的 薄金剛石膜（<30微米)具有3.33CHT 1的平均拉曼峰偏移。這些結(jié)果表明，基板1A177A(在這 個情況下，復(fù)合層6包含40%金剛石顆粒)的金剛石層4'的金剛石應(yīng)力與金剛石層4'的厚度 有關(guān)。據(jù)觀察，當(dāng)多層基板2的復(fù)合層6上的金剛石層4'生長到更厚時，構(gòu)成金剛石層4'的金 剛石的應(yīng)力會增加，這可通過更加正向的金剛石拉曼峰位移觀察到，這表明更大的壓縮應(yīng) 力。
[0167]正如圖1所示，可以將金剛石層4和4'沉積或形成在復(fù)合層6的兩側(cè)上?？梢酝瑫r或 二擇其一地將金剛石層4和/或4'施加于包含金剛石和碳化硅以及任選的硅的復(fù)合層6的所 有側(cè)面上。不同的應(yīng)用可能需要這種類型的多層基板2。
[0168] 實施例Θ:在由反應(yīng)結(jié)合碳化石圭和可能的娃組成而無金剛石顆粒的復(fù)合層6,上通 過CVD生長的高應(yīng)力的金剛石層4(對照組）。
[0169] 據(jù)信，生長在由反應(yīng)結(jié)合碳化硅和可能的硅組成復(fù)合層6'（未添加金剛石顆粒到 復(fù)合層6'）上的金剛石層4(作為對照組)具有高的應(yīng)力，并且在拉曼光譜研究中應(yīng)表現(xiàn)出較 高的拉曼峰位移。因此，在對照實驗中使用一片由碳化硅和可能的硅(無金剛石)組成的對 照復(fù)合層6'。在此對照實驗中，將該片復(fù)合層6'放在微波等離子CVD反應(yīng)器的基板支架上。 使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷的混合物流入微波等離子CVD反應(yīng)器中。啟動等 離子之后，調(diào)整微波功率和反應(yīng)器壓力，使得等離子的大小可以覆蓋對照復(fù)合層6'，并通過 冷卻基板支架將復(fù)合層6'的溫度控制在820°C。在復(fù)合層6'上CVD生長金剛石層4約112小時 之后，將CVD反應(yīng)停止，并從微波等離子CVD反應(yīng)器中移出復(fù)合層6'（其上面有金剛石層4)， 且將復(fù)合層6'定義為基板1A178(圖15A-15E)。通過光學(xué)顯微鏡和拉曼散射光譜法在5個不 同位置分析基板1A178的金剛石層4,其中在復(fù)合層6'（由碳化硅和可能的硅組成且未添加 金剛石顆粒)上的金剛石層4具有約180微米的厚度。
[0170] 圖15A-15E示出了在基板1A178的5個不同位置（即中心、北緣、東緣、南緣、以及西 緣）的拉曼光譜。金剛石特征拉曼峰分別位于1335.03CHT 1、1335.33cnf ^1334.52(31^1、 1334.56cm-1 ^334.560^1，平均為1334.80cm-、拉曼峰寬（半高寬，F(xiàn)WHM)為4.71cm-1、 3 · 64cm-1、3 · 71 cm-1、3 · 84cm-1、以及4 · 71 cm-1，平均為4 · 01 cm-1 (質(zhì)量與拉曼峰 FWHM 在4 · 04cm-1 的單晶金剛石一樣良好）。這些拉曼光譜的基線是平的，并且實際上檢測不到與石墨碳關(guān)聯(lián) 的sp2碳-碳鍵合的特征。因此，基板1A178的金剛石層4的質(zhì)量是高的，并且整個表面是均勻 的。
[0171] 通過比較天然單晶金剛石的拉曼光譜（圖15F)和基板1A178的金剛石層4的金剛石 的拉曼光譜（圖15A-15E)，其中所有這些拉曼光譜基本上是同時獲得的，可以確認(rèn)的是，基 板1A178的金剛石層4的質(zhì)量是良好的，但是基板1A178的金剛石層4的金剛石應(yīng)力大致上高 于基板1A175、1A177B、以及1A177A(以上討論的）的金剛石的應(yīng)力，這可由基板1A178的金剛 石層4具有較大的、與天然單晶金剛石的拉曼峰（1331.91CHT 1)相距的峰位移得到證實，在中 心處為+3.12cnf1，在北緣處為+3.42CHT 1、在東緣處為+2.61cnf1、在南緣處為+2.65cnf1、以及 在西緣處為+2.65CHT 1，平均為+2.89CHT1，而基板1A175、1A177B、以及1A177A的金剛石層4的 拉曼峰位移較?。?A175 為+0 · 45cm-1，1A177B 為+1 · 20cm-1，并且 1A177A為 0 · 72cm-1。
[0172] 觀察到的基板1A178的拉曼位移是令人興奮的，因為該拉曼位移證實了包括金剛 石層4以及由金剛石、碳化硅以及任選的硅組成的復(fù)合層6的多層基板2是獨特的、出乎意料 的、并且對于不同的應(yīng)用有高度價值。
[0173] 已經(jīng)參照附圖描述了本發(fā)明。他人在閱讀并理解前述的詳細(xì)描述之后，將可以做 明顯的修改和變更。意圖將本發(fā)明理解為包括所有這樣的修改和變更，只要該修改和變更 落入隨附的權(quán)利要求書或其均等物的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種多層基板，包括： 包含金剛石顆粒和碳化硅顆粒的復(fù)合層；以及 位于所述復(fù)合層上的化學(xué)氣相沉積(CVD)生長的金剛石層，其中所述金剛石層的金剛 石通過CVD生長于構(gòu)成所述復(fù)合層的所述金剛石顆粒和/或所述碳化硅顆粒的晶體表面上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述金剛石層包含多晶金剛石。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述復(fù)合層進一步包含硅顆粒。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述金剛石層為以下之一： 未摻雜； 摻雜了η型元素或化合物； 摻雜了 Ρ型元素或化合物;或 摻雜了硼。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述金剛石層被圖案化或被選擇性刻蝕。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述復(fù)合層中的所述金剛石顆粒在所述復(fù)合 層中具有介于〇 %至1 〇〇 %之間的濃度梯度。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述復(fù)合層中的金剛石顆粒的載荷水平(按體 積計)為以下之一： ^5%； ^20%； 彡40%;或 彡 60%〇8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述金剛石層的厚度為以下之一： 介于ΚΓ9米至10-6米之間； 介于5 X 10-6米至20 X 10-3米之間； 介于500 X ΚΓ6米至10 X 10-3米之間； 介于1 X 10-6米至5 X 10-3米之間； 介于3 X 10-6米至3 X 10-3米之間； 介于50 X 10-6米至50 X 10-2米之間； 介于100 X ΚΓ6米至10 X 10-2米之間； 介于200 X ΚΓ6米至5 X 10-2米之間；或 介于500 X ΚΓ6米至2 X 10-2米之間。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述多層基板的厚度為以下之一： 彡 200X 10-6米； 彡 20X10-3米； 彡40 X 10-3米;或彡75 X 10-3米； 彡 50X10-6米； 彡500X 10-6米;或 彡IX 10-3米。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述多層基板具有以下形狀之一或以下形狀 中的兩種或兩種以上的組合： 圓形； 正方形； 矩形； 多邊形； 橢圓形； 曲線形； 球形； 非球形； 圓柱形； 錐形； 凹形;或 凸形。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，其中所述金剛石層的表面經(jīng)過生長或拋光至所需 的粗糙度和平整度值。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層基板，被構(gòu)造為用作以下之一： 光學(xué)器件； 用于檢測高能量輻射粒子的檢測器； 用于檢測電磁波的檢測器； 用于切割、鉆孔、機械加工、碾磨、研磨、拋光、涂布、粘結(jié)、或釬焊的裝置； 制動裝置； 密封件； 導(dǎo)熱體； 電磁波傳導(dǎo)器件； 化學(xué)惰性裝置，其被構(gòu)造在高溫或在低溫條件下用于高腐蝕性環(huán)境、強氧化性環(huán)境、或 強還原性環(huán)境中；或 用于半導(dǎo)體器件、晶圓或膜，光學(xué)器件、晶圓或膜，和或電子器件、晶圓或膜的拋光或平 坦化的裝置。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的多層基板，其中所述光學(xué)器件為平面光學(xué)鏡或非平面光學(xué) 鏡。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的多層基板，其中所述平面光學(xué)鏡是反射鏡或透鏡。15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的多層基板，其中所述非平面光學(xué)鏡呈球形、非球形、圓錐形、 或圓柱形。16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的多層基板，其中所述光學(xué)器件包括用于管理電磁波的光學(xué) 涂層。17. -種形成權(quán)利要求1所述的多層基板的方法，包括： (a) 形成包含金剛石和碳化硅的復(fù)合層； (b) 將所述復(fù)合層置于反應(yīng)器的基板支架上；以及 (c) 在置于所述反應(yīng)器的所述基板支架上的所述復(fù)合層上生長金剛石層，其中所述金 剛石層的金剛石直接生長在構(gòu)成所述復(fù)合層的所述金剛石顆粒的晶體表面上。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述復(fù)合層還包含硅。19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中步驟(c)包括通過化學(xué)氣相沉積在所述復(fù)合層上 生長所述金剛石層。20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中步驟(a)還包括對所述復(fù)合層進行機械加工、研 磨、拋光、切割、或鉆孔。21. -種多層基板，包括：包含金剛石顆粒和碳化硅顆粒的復(fù)合層；以及位于所述復(fù)合 層上的化學(xué)氣相沉積(CVD)生長的金剛石層，其中所述金剛石層的金剛石通過CVD生長于構(gòu) 成所述復(fù)合層的所述金剛石顆粒和/或所述碳化硅顆粒的晶體表面上。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的多層基板，其中所述金剛石層包含多晶金剛石。23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的多層基板，其中所述復(fù)合層進一步包含硅顆粒。24. 根據(jù)權(quán)利要求21至23中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層為以下之一:未 摻雜;摻雜了 η型元素或化合物;摻雜了 p型元素或化合物;或摻雜了硼。25. 根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層被圖案化或被 選擇性刻蝕。26. 根據(jù)權(quán)利要求21至25中任一項所述的多層基板，其中所述復(fù)合層中的所述金剛石 顆粒在所述復(fù)合層中具有介于0 %至100 %之間的濃度梯度。27. 根據(jù)權(quán)利要求21至26中任一項所述的多層基板，其中所述復(fù)合層中的金剛石顆粒 的載荷水平(按體積計)為以下之一：彡5%;彡20%;彡40%;或彡60%。28. 根據(jù)權(quán)利要求21至27中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層的厚度為以下 之一:介于10-9米至10- 6米之間；介于5 X 10-6米至20 X 10-3米之間；介于500 X 10-6米至10 X 10一3米之間；介于1 X 10-6米至5 X 10-3米之間；介于3 X 10-6米至3 X 10-3米之間；介于50 X 10一6 米至50 X 10-2米之間；介于100 X 10-6米至10 X 10-2米之間；介于200 X 10-6米至5 X 10-2米之 間；或介于500 X 10-6米至2 X 10-2米之間。29. 根據(jù)權(quán)利要求21至28中任一項所述的多層基板，其中所述多層基板的厚度為以下 之一：彡 200 X 10-6米；彡 20 X 10-3米；彡40 X 10-3米；彡 75 X 10-3米；彡 50 X 10-6米；彡 500 X 10 -6米;或彡IX 10-3米。30. 根據(jù)權(quán)利要求21至29中任一項所述的多層基板，其中所述多層基板具有以下形狀 之一或以下形狀中的兩個或兩個以上的組合：圓形、正方形、矩形、多邊形、橢圓形、曲線形、 球形、非球形、圓柱形、錐形、凹形、或凸形。31. 根據(jù)權(quán)利要求21至30中任一項所述的多層基板，其中所述金剛石層的表面經(jīng)過生 長或拋光至所需的粗糙度和平整度值。32. 根據(jù)權(quán)利要求21至31中任一項所述的多層基板，被構(gòu)造以用作以下之一：光學(xué)器 件;用于檢測高能量輻射粒子的檢測器;用于檢測電磁波的檢測器;用于切割、鉆孔、機械加 工、碾磨、研磨、拋光、涂布、粘結(jié)、或釬焊的裝置;制動裝置;密封件；導(dǎo)熱體；電磁波傳導(dǎo)器 件;化學(xué)惰性裝置，其被構(gòu)造在高溫或在低溫條件下用于高腐蝕性環(huán)境、強氧化性環(huán)境、或 強還原性環(huán)境中；或用于半導(dǎo)體器件、晶圓或膜，光學(xué)器件、晶圓或膜，和或電子器件、晶圓 或膜的拋光或平坦化的裝置。33. 根據(jù)權(quán)利要求21至32中任一項所述的多層基板，其中所述光學(xué)器件為平面光學(xué)鏡 或非平面光學(xué)鏡。34. 根據(jù)權(quán)利要求21至33中任一項所述的多層基板，其中所述平面光學(xué)鏡是反射鏡或 透鏡。35. 根據(jù)權(quán)利要求21至34中任一項所述的多層基板，其中所述非平面光學(xué)鏡呈球形、非 球形、圓錐形、或圓柱形。36. 根據(jù)權(quán)利要求21至35中任一項所述的多層基板，其中所述光學(xué)器件包括用于管理 電磁波的光學(xué)涂層。37. -種形成權(quán)利要求21至36中任一項所述的多層基板的方法，包括： (a) 形成包含金剛石和碳化硅的復(fù)合層； (b) 將所述復(fù)合層置于反應(yīng)器的基板支架上；以及 (c) 在置于所述反應(yīng)器的所述基板支架上的所述復(fù)合層上生長金剛石層，其中所述金 剛石層的金剛石直接生長在構(gòu)成所述復(fù)合層的所述金剛石顆粒的晶體表面上。38. 根據(jù)權(quán)利要求21至37中任一項所述的方法，其中所述復(fù)合層還包含硅。39. 根據(jù)權(quán)利要求21至38中任一項所述的方法，其中步驟(c)包括通過化學(xué)氣相沉積在 所述復(fù)合層上生長所述金剛石層。40. 根據(jù)權(quán)利要求21至39中任一項所述的方法，其中步驟(a)還包括對所述復(fù)合層進行 機械加工、研磨、拋光、切割、或鉆孔。
【文檔編號】C23C16/56GK105992835SQ201580005770
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月21日
【發(fā)明人】W-Q·許, 埃爾金·E·伊斯勒, C·劉, 查尓斯·D·坦納, 查尓斯·J·克萊辛格爾, 邁克爾·阿格哈亞尼安
【申請人】Ii-Vi有限公司