包括金刚石层以及金刚石和碳化硅以及任选的硅的复合层的基板制造技术

多层基板包括在复合层上CVD生长的金刚石层。该复合层包括金刚石和碳化硅与任选的硅的颗粒。该复合层中的金刚石的载荷水平(按体积计)可为≥5％、≥20％、≥40％、或≥60％。该多层基板能够用作光学器件；用于检测辐射粒子或电磁波的检测器；用于切割、钻孔、机械加工、碾磨、研磨、抛光、涂布、粘结、或钎焊的装置；制动装置；密封条；导热体；电磁波导体；在升高的温度下或在低温条件下用于腐蚀性环境、强氧化性环境、或强还原性环境的化学惰性装置；或用于抛光或平坦化其它器件、晶圆或膜的装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2014年1月24日提交的美国临时专利申请No.61/931,227的优先权，以引用的方式将其并入本文。专利技术背景
本专利技术为包括金刚石层和复合层的多层基板、以及制造该多层基板的方法，其中该复合层包含金刚石和碳化硅的颗粒，并且可任选地包含硅颗粒。
技术介绍
金刚石是已知最硬的材料，其莫氏硬度为10，这使得金刚石最适用于切割、机械加工、钻孔、碾磨等应用。金刚石也是已知的最导热的材料，其热导率高达每开氏度(K)2000至2200瓦，这使得金刚石非常适合于苛刻条件下的热管理应用。金刚石也具有极低的摩擦系数，这使得金刚石成为用于诸如制动器等的用途广泛的材料。金刚石也是用于传送微波、红外线、可见光、以及其它紫外线电磁波的优异光学材料。当金刚石被用作高通量的核辐射检测器时，其也具有高的稳定性。另外，金刚石在可能涉及强酸、强碱、强氧化剂或强还原剂的化学环境中、甚至在高温或在低温条件下也是高惰性材料。此外，金刚石是高折射率材料中的一种，这使得金刚石在珠宝行业中流行且具有最高的价值。可以在以下参考文献中找到关于金刚石的信息：(1)由The Institute of Electrical Engineers出版、由M.H.Nazare和A.J.Neves在2001年编著的“金刚石的性质、生长和应用(Properties,Growth and Applications of Diamond)”；(2)由Marcel Dekker出版、由Jes Asmussen和D.K.Reinhard在2002年编著的“金刚石薄膜手册(Diamond Films Handbook)”；以及(3)由Elsevier出版、由Koji Kobashi在2005年编著的“金刚石膜，用于定向性和异质外延生长的化学气相沉积(Diamond Films,Chemical Vapor Deposition for Oriented and Heteroepitaxial Growth)”。虽然金刚石是最多功能和最高价值的材料之一，但是金刚石的可得性在自然界中是非常有限的。此外，从土地中开采的金刚石通常是单晶，单晶的几何尺寸在大小上是非常有限的，大部分的时候太小而无法用于需要大尺寸的工业用途。许多时候，在自然界中形成的金刚石还含有杂质和晶体缺陷。晶体尺寸相对较大、化学含量相对较纯、并且相对完美且无晶体缺陷的金刚石晶体是非常昂贵的，很多时候是无价的。已知在工业中，合成金刚石是在极高的压力和极高的温度下于化学反应器中制得的，这被称为高温高压(HTHP)工艺。由于苛刻的生长条件，反应器的大小通常是受限的，因此由HTHP工艺生产的金刚石的尺寸也是受限的，更不用提其在工艺、设备、和安全性上相关的高成本。很多时候，由于金刚石晶格中引入了催化剂杂质，所以HTHP工艺生产的金刚石具有黄色的色调。在工业上，单晶金刚石也能够在反应器中通过被称为化学气相沉积(CVD)的工艺生长，其中合适的生长条件能够通过微波增强的等离子体、钨热丝、直流喷射等离子体、激光诱导的等离子体、乙炔喷灯等来实现。本领域中众所周知的是，CVD生长工艺也能够成功地在不同基板上生长多晶金刚石薄膜和/或自支撑的金刚石厚膜，但是获得低应力膜或大尺寸的无裂纹金刚石是具有挑战性的。然而，CVD工艺通常制造的金刚石片显著大于自然界中的或通过HTHP工艺生长的单晶金刚石的直径。不过，CVD工艺中或任何金刚石生长工艺中的金刚石生长速率通常较慢，其生长速率在小于1微米/小时到不超过约10至20微米/小时的范围中，虽然有些声称能够以较高的生长速率生长单晶，但是有很多缺陷。通过在基板上生长金刚石厚膜以在基板层上形成金刚石膜层的复合物是具有挑战性的，这是因为金刚石与金刚石生长于其上的基板之间的物理和化学性质(例如导热系数、电导率、热膨胀系数、杨氏模量等)极为不同，从而导致存在极大的应力。在化学上，基板的材料需要能够碳化物(即，基板的化学元素的原子与碳原子之间的键合)，这可形成这样的界面，该界面可具有某种亲和性从而使其它含碳键材料至少凭借表面物理相互作用(例如范德华力)而附着，由此金刚石晶体能够在上面种晶，其也过渡了金刚石和基板之间的一些化学差异。硅、钨、钼、碳化硅、钽、铌等是碳化物形成物，其中来自碳化物的碳提供一定的锚定机制以使金刚石粘附。这可能是现有技术已经能够在一定生长条件下在这种类型的基板上沉积金刚石层方面显示出一些成功的原因。然而，金刚石和基板之间的相互作用至多可能是在通过范德华力的物理相互作用水平，或在具有一些碳-碳键合的化学水平，更不用提金刚石晶格和金属碳化物晶格之间存在晶格不匹配，对于这种晶格不匹配，金刚石碳和基板碳之间的碳-碳键将是不完美的，从而在界面处产生导致故障的应力缺陷。关于物理性质，金刚石和基板材料也是非常不同的。例如，硅具有149W/m-K的导热系数，钨为173W/m-K，钼为138W/m-K，钽为57.5W/m-K，铌为53.7W/m-K等，而金刚石具有2000至2200W/m-K的导热系数。硅具有2.7×10-6/m/m-K的热膨胀系数，钨为4.6×10-6/m/m-K，钼为4.8×10-6/m/m-K，钽为3.6×10-6/m/m-K，铌为4.0×10-6/m/m-K等，而金刚石仅仅具有1.0×10-6/m/m-K的热膨胀系数。硅具有103Ω-m的电阻率，钨为52.8×10-9Ω-m，钼为53.4×10-9Ω-m，钽为131×10-9Ω-m，铌为152×10-9Ω-m等，而金刚石具有1011Ω-m的电阻率。本文中，当用作表示数值的单位时，“m”＝米并且“K”＝开氏度。除了由金刚石和基板之间的化学键合产生的固有局限之外(如果存在的话)，金刚石和这种基板材料之间在物理性质上的极大差异也对在这些基板材料上生长厚金刚石膜或层而不剥离产生了挑战。可以想像的是，CVD生长在这些基板上的金刚石膜在与基板剥离之前可能具有高应力，这种剥离有时在沉积期间发生，而且有时在停止反应之后发生。即使金刚石膜幸存而没有剥离，这种金刚石膜(大多时候为薄膜)仍然具有高应力，这对于各种应用而言是极为不利的，这是因为该膜可能在静置时发生剥离，或在被用于不同用途时发生剥离。现有技术利用基板上的金刚石膜的剥离行为从而将金刚石膜从基板上分离下来，并产生自支撑的金刚石膜，不过这是困难的。剥离工艺可能涉及大量的应力。因此，厚的金刚石膜可能会破碎成许多小片，因而难以获得无裂纹的金刚石厚膜。当金刚石膜或层的直径或几何尺寸增加时，无论对于厚或薄的金刚石膜或层而言，保持几何形状而不开裂会变得甚至更具挑战性或不可能。有时金刚石膜部分地剥离并留下一些具有未剥离的金刚石的基板区域，这会阻碍这个基板再次用于下一次的金刚石膜生长。由于金刚石是地球上最硬的材料，所以从基板上研磨除去残留的金刚石膜是困难、耗时且昂贵的。即使金刚石薄膜在剥离时幸存，其(即使具有小的尺寸)也非常脆且难以处理，这使得将自支撑的金刚石薄膜用于工业上的实际应用是不可能的。在许多实际应用中，由位于基板层上的金刚石层构成的独特且完整的复合物是非常理想的，其在金刚石层和基板层之间具有最小或更小的应力，无裂纹或破碎、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层基板，包括：包含金刚石颗粒和碳化硅颗粒的复合层；以及位于所述复合层上的化学气相沉积(CVD)生长的金刚石层，其中所述金刚石层的金刚石通过CVD生长于构成所述复合层的所述金刚石颗粒和/或所述碳化硅颗粒的晶体表面上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.24 US 61/931,2271.一种多层基板，包括：包含金刚石颗粒和碳化硅颗粒的复合层；以及位于所述复合层上的化学气相沉积(CVD)生长的金刚石层，其中所述金刚石层的金刚石通过CVD生长于构成所述复合层的所述金刚石颗粒和/或所述碳化硅颗粒的晶体表面上。2.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述金刚石层包含多晶金刚石。3.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述复合层进一步包含硅颗粒。4.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述金刚石层为以下之一：未掺杂；掺杂了n型元素或化合物；掺杂了p型元素或化合物；或掺杂了硼。5.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述金刚石层被图案化或被选择性刻蚀。6.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述复合层中的所述金刚石颗粒在所述复合层中具有介于0％至100％之间的浓度梯度。7.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述复合层中的金刚石颗粒的载荷水平(按体积计)为以下之一：≥5％；≥20％；≥40％；或≥60％。8.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述金刚石层的厚度为以下之一：介于10-9米至10-6米之间；介于5×10-6米至20×10-3米之间；介于500×10-6米至10×10-3米之间；介于1×10-6米至5×10-3米之间；介于3×10-6米至3×10-3米之间；介于50×10-6米至50×10-2米之间；介于100×10-6米至10×10-2米之间；介于200×10-6米至5×10-2米之间；或介于500×10-6米至2×10-2米之间。9.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述多层基板的厚度为以下之一：≥200×10-6米；≥20×10-3米；≥40×10-3米；或≥75×10-3米；≥50×10-6米；≥500×10-6米；或≥1×10-3米。10.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述多层基板具有以下形状之一或以下形状中的两种或两种以上的组合：圆形；正方形；矩形；多边形；椭圆形；曲线形；球形；非球形；圆柱形；锥形；凹形；或凸形。11.根据权利要求1所述的多层基板，其中所述金刚石层的表面经过生长或抛光至所需的粗糙度和平整度值。12.根据权利要求1所述的多层基板，被构造为用作以下之一：光学器件；用于检测高能量辐射粒子的检测器；用于检测电磁波的检测器；用于切割、钻孔、机械加工、碾磨、研磨、抛光、涂布、粘结、或钎焊的装置；制动装置；密封件；导热体；电磁波传导器件；化学惰性装置，其被构造在高温或在低温条件下用于高腐蚀性环境、强氧化性环境、或强还原性环境中；或用于半导体器件、晶圆或膜，光学器件、晶圆或膜，和或电子器件、晶圆或膜的抛光或平坦化的装置。13.根据权利要求12所述的多层基板，其中所述光学器件为平面光学镜或非平面光学镜。14.根据权利要求13所述的多层基板，其中所述平面光学镜是反射镜或透镜。15.根据权利要求13所述的多层基板，其中所述非平面光学镜呈球形、非球形、圆锥形、或圆柱形。16.根据权利要求12所述的多层基板，其中所述光学器件包括用于管理电磁波的光学涂层。17.一种形成权利要求1所述的多层基板的方法，包括：(a)形成包含金刚石和碳化硅的复合层；(b)将所述复合层置于反应器的基板支架上；以及(c)在置于所述反应器的所述基板支架上的所述复合层上生长金刚石层，其中所述金刚石层的金刚石直接生长在构成所述复合层的所述金刚石颗粒的晶体表面上。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述复合层还包含硅。19.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(c)包括通过化学气相沉积在所述复合层上生长所述金刚石层。20.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(a)还包括对所述复合层进行机械加工、研磨、抛光、切割、或钻孔。21.一种多层基板，包括：包含金刚石颗粒和碳化硅颗粒的复合层；以及位于所述复合层上的化学气相沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：WQ·许，埃尔金·E·伊斯勒，C·刘，查尓斯·D·坦纳，查尓斯·J·克莱辛格尔，迈克尔·阿格哈亚尼安，
申请(专利权)人：IIVI有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US