CN100540727C - 钻石薄膜制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻石薄膜制造方法，包括有下列步骤：提供一个基材，置于一真空腔室中；以一靶材置入该真空腔室，用以产生多个靶材粒子，并使靶材粒子以一可变化的入射角朝向该基材的一侧面并沉积于该基材而形成一缓冲层；及将一钻石材料镀膜于该缓冲层，形成一钻石薄膜；及去除该基材。本发明可以消除因为材料热膨胀系数、晶格尺寸、原子结构的差异造成的残余应力，同时可轻易地将基材与钻石晶圆加以分离，或是通过缓冲层使钻石薄膜更容易与另一底材进行结合。

Description

钻石薄膜制造方法

技术领域

本发明涉及应用材料领域，特别是涉及一种钻石薄膜的制造方法。

背景技术

图1A所示为传统的钻石薄膜如平面晶圆制作方法。先提供一金属或非金属制作的基材1，通过化学气相沉积(Chemical Vapor deposition：CVD)等程序，将钻石材料沉积于基材1上，形成一钻石晶圆2，再将钻石晶圆2与基材1分离，就可以制成无基材的钻石晶圆2。

然而，传统的钻石晶圆制作方法还有两个技术课题尚待解决。其一，不论基材是以热膨胀系数高的金属还是热膨胀系数较低的非金属制作，钻石材料的热膨胀系数仍然远小于基材的热膨胀系数，加以钻石材料镀膜程序都是在高温环境下完成，以热丝化学气相沉积(HFCVD)为例，其工作温度高达800～900℃。在完成镀膜程序，将温度降回室温时，基材1的收缩率大于钻石晶圆2收缩率，会形成残余应力(residual stress)，造成钻石晶圆2弯曲、变形，甚至破损，如图1B所示。

其二，钻石晶圆与基材之间往往会形成稳固的化学结合，特别是含碳元素反应化合成的材料制成的基材，其接合处会生成化合物，使得钻石晶圆与基材不易分离。在分离过程中会造成钻石晶圆的破损，而影响其物理特性的表现。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题在于提供一种钻石薄膜方法，可以有效消除钻石薄膜制造过程中产生的残余应力，并且可依产品需求而选择将钻石薄膜与基材进行分离。

为了达成上述的目的，本发明提供了一种钻石薄膜制作方法，包括有下列步骤：提供一个基材，置于一真空腔室中；以一靶材置入该真空腔室，用以产生多个靶材粒子，并使靶材粒子以一可变化的入射角朝向该基材的一侧面并沉积于该基材而形成一缓冲层；及将一钻石材料镀膜于该缓冲层，形成一钻石薄膜；及去除该基材。

所述的真空腔室内部可定义一水平方向及一铅直方向，该基材呈现倾斜与该水平方向形成一夹角，靶材粒子沿平行于该铅直方向的方向，朝向该基材前进。

所述的钻石薄膜制造方法，还包括有一工作臂，设于该真空腔室内部，该基材固定于该工作臂的前端，其中该工作臂可改变该基材的倾斜角度，以及带动该基材依据旋转轴线进行旋转。

所述的靶材的材料选自镁、铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、金、铂、钯、铱、钨、钼、钍、锗、镓、铍、锡元素或前述各该元素的合金的组合。

所述的靶材的材料选自镁、铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、金、铂、钯、铱、钨、钼、钍、锗、镓、铍或锡元素，与氧、碳、或氮反应形成的金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物的群组组合。

所述的靶材的材料选自硼、硅等元素或其分别与氧、碳、氮反应的产物的组合。

所述的靶材粒子以不同入射角朝向该基材前进。

所述的基材改变其倾斜角度，以使该靶材粒子以不同入射角朝向该基材前进。

所述的钻石薄膜制造方法，还包含有一步骤，以机械研磨、溶剂腐蚀、化学解离去除该缓冲层。

所述的钻石薄膜制造方法，可直接去除该缓冲层，使该钻石薄膜与该基材分离。

所述的钻石薄膜制造方法，以溶剂腐蚀、化学解离去除该缓冲层。

所述的基板上具有多个突起物，使该缓冲层及该钻石薄膜形成多个对应的突起物。

所述的钻石薄膜制造方法，还包含有一步骤，于该缓冲层前设置一网罩，其中该网罩具备有多个网孔；以该靶材粒子穿透网孔沉积于该缓冲层，于该缓冲层上形成多个突起物。

本发明的功效在于，不需经由特制的器具或是材料，沿用现有的材料及工艺，只需针对真空溅射或蒸镀程序进行改变，就可以有效消除钻石薄膜在制造过程中产生的残余应力，同时可以让基材更容易被去除，减少钻石薄膜在制造过程中所受到的损害，维持其物理特性。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域的普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所提供的内容、权利要求及附图，任何本领域的普通技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1A及图1B为现有钻石薄膜制作方法的示意图；

图2A、2B为本发明较佳实施例的示意图；

图3为较佳实施例中缓冲层与基材的局部放大示意图；

图4为本发明较佳实施例的示意图；

图5为较佳实施例中缓冲层与基材的局部放大示意图；

图6为较佳实施例中缓冲层的局部结构放大图；

图7A、图7B、以及图7C为分离基材与钻石薄膜的示意图；

图7D及图7E为利用缓冲层将底材与钻石薄膜结合的示意图；

图8A、图8B、图8C、图8D、以及图8E为利用不同形态的基材以制作曲面形态钻石薄膜的示意图；

图9A、图9B、图9C、以及图9D为利用不同形态基材制作具备矩阵突状物钻石薄膜的示意图；及

图10A、图10B、图10C、以及图10D为利用网罩遮盖法制作具备矩阵突状物钻石薄膜的示意图。

其中，附图标记：

1基材                 2钻石晶圆

10基材                10a矩阵突起物

20真空腔室            30工作臂

41靶材                40缓冲层

40a矩阵突状物         41a靶材粒子

42柱状结构            50钻石薄膜

50a矩阵突起物         60网罩

61网孔                X水平方向

Y铅直方向             A旋转轴

11底材

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，现配合实施例详细说明如下。

请参阅图2A～2B，为本发明提供的钻石薄膜制造方法示意图，此一钻石薄膜可为一平面晶圆，用来作为表面声波滤波(SAW Filter)的钻石基板、高功率发光二极管的散热基板、平面喇叭振动膜片等，其方法说明如下。

如图2A所示，先提供一个基材10，基材10为耐高热温度的材料制成，如硅(Silicon)。预先依照钻石薄膜所需要的尺寸及形态制造，基材10的厚度范围为0.1mm～50mm。

接着将基材10置入一真空腔室20中预备进行至真空镀膜作业，其中真空腔室20内部可定义一水平方向X及铅直方向Y。真空腔室20顶部的内壁上，设有一工作臂30，并将基材10固定于工作臂30的前端，同时使基材10呈现倾斜状态，与水平方向X之间形成一夹角。此外，工作臂30进行旋转，从而带动基材10依据一平行于铅直方向Y的旋转轴线A进行旋转。

于基材10下方放置一靶材41，此一靶材41为金属、非金属或是陶瓷材料所制成。金属材料选自镁、铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、金、铂、钯、铱、钨、钼、钍、锗、镓、铍、锡元素、或其合金的所成组合。非金属材料可为前述金属元素所形成的金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物。陶瓷材料：氧、碳、氮原子可与非金属：硅、硼或是金属材料镁、铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、金、铂、钯、铱、钨、钼、钍、锗、镓、铍、锡的反应物或前述反应物的混合物所成的组合。

如图2A及图2B所示，将真空腔室20进行高真空处理之后，利用离子化钝气，例如氩离子高速冲击靶材41，使靶材41上的材料被溅射出来，形成高速靶材粒子41a溅射并沉积于基材10向下的一面，逐渐形成一缓冲层40。虽然靶材41的靶材粒子41a被溅射出来后，会呈现发散形式前进，但是由于靶材41与基材10之间相隔足够的距离，因此靶材粒子41a可视为平行铅直方向Y，以直线朝向基材10前进。除利用离子冲击靶材41进行溅射外，还可采用物理蒸镀。将真空腔室20进行高真空处理后，直接对靶材41进行加热，使靶材41气化产生靶材粒子41a脱离靶材40，而蒸镀并沉积于基材10向下的一面(就是面向靶材40的一面)。

参阅图3所示，为基材10下侧面的局部放大图，靶材粒子41a的入射方向是平行于铅直方向Y，而基材10则是呈现倾斜状态，使基材10的法线会与铅直方向Y形成一夹角，即被溅射的靶材粒子41a会以一入射角溅射于基材10的下侧面。由于靶材粒子41a沿着铅直方向Y不断溅射于基材10的下表面，形成缓冲层40，因此缓冲层40的微观结构沿着铅直方向Y的成长速度会远高于其它方向的成长速度，只有单一方向的结构较为完整，形成许多独立的微小柱状结构42，各柱状结构42之间不互相连结，同时产生许多微小孔隙，因而使得缓冲层40具备多孔隙结构。

参阅图3及图4所示，为了避免缓冲层40中各柱状结构42间的微小孔隙被后续溅射的靶材粒子41a填补，同时为避免各柱状结构42朝其它方向延伸成长产生横向连结关系，在真空溅射一段时间后，利用工作臂30依据平行于铅直方向Y的旋转轴A，将基材10依据旋转轴A旋转一角度，例如旋转180度角，或是直接以工作臂30改变基材10倾斜方向，改变其法线的方向，再利用靶材41继续进行真空镀膜程序。

参阅图5所示，由于基材10倾斜角度改变，使得靶材粒子41a会以不同的入射角溅射于已经成形的缓冲层40上，由于前一程序中形成的柱状结构42延伸方向与此一程序中的靶材粒子41a入射方向交错，因此靶材粒子41a会受到柱状结构42的遮挡，不会进入柱状结构42之间的孔隙中，而是在已经成形的缓冲层40的下侧面，继续形成延伸方向不同的柱状结构42，且此一柱状结构42也会构成许多微小的孔隙，使得结构形成多孔隙。此外不同溅射程序所形成的柱状结构42，其延伸成长方向不同，产生结构上的不连续面，更提高缓冲层40结构中的孔隙比例。

参阅图6所示，基材10可以不断改变其倾斜角度，即改变其法线的方向，使不同真空镀膜程序中的靶材粒子41a入射方向皆不同，使得缓冲层40的微观结构由许多不连续的微小柱状结构42构成，而且柱状结构42间布满许多微小孔隙，直到缓冲层40达到预定厚度后停止镀膜程序，就可以得到一个多孔隙的缓冲层40。此外，缓冲层40的强度、孔隙比率、表面粗糙度可以利用靶材41溅射速率或是蒸发速率、基材10温度、真空腔室20内的真空压力值等参数来调整。因此可以针对后续的需求，来改变靶材41的材质选择，改变制作缓冲层40的操作条件。

参阅图7A、图7B、以及图7C所示，接着将镀上缓冲层40的基材10取下，将基材10平放使缓冲层40位于上侧。利用高温使钻石材料镀膜于缓冲层40上，形成一钻石薄膜50。镀膜方式可为热丝化学气相沉积法(HFCVD)，利用此高温(一般为800度以上)使钻石材料游离沉积于缓冲层40上，形成钻石薄膜50。

由于钻石材料是直接沉积在缓冲层40上而形成钻石薄膜50，因此钻石薄膜50的几何特性会随着缓冲层的几何特性而改变。如前所述，缓冲层40表面粗糙度可通过设定制造过程的操作条件来控制。因此可以通过控制缓冲层40表面的粗糙度，改变钻石薄膜50的表面特性：降低缓冲层40表面粗糙度可以获得表面平整的钻石薄膜50；增加缓冲层40表面粗糙度可以获得表面粗糙的钻石薄膜50。

接着将基材10、缓冲层40及钻石薄膜50降温至室温，由于基材10的材料与钻石材料的热膨胀系数差异相当大，因此降温后的收缩率差异也非常大。此时缓冲层40多孔隙特性便可以缓冲基材10与钻石薄膜50间收缩率的差异，将冷却收缩时产生的残留应力释放，使钻石薄膜50与基材10维持平整不受力变形，从而有效避免钻石薄膜50应变过大而出现裂隙，维持其机械强度。

同样地，由于缓冲层40松软、脆弱以及多孔隙的特性，因此可以轻易的将基材10从钻石薄膜50下侧面剥离，如图7B所示。接着再利用机械研磨、溶剂腐蚀、化学解离等方式将仍然附着于钻石薄膜50底部的缓冲层40去除，就可以得到一个无底材的钻石薄膜50，如图7C所示。当然，也可直接以溶剂腐蚀、化学解离的方式，直接去除缓冲层40，而将在钻石薄膜50与基材10分离。缓冲层40多孔隙的特性，有助于加速其解离速度，避免钻石薄膜50受损。在去除缓冲层40之前，可先对钻石薄膜50表面进行机械性或是化学性研磨抛光，完成后再依据需求去除缓冲层40，利用缓冲层40的加强保护，可以减少钻石薄膜50在抛光程序中受损。

参照图7D及图7E所示，缓冲层40也可不加以去除，可依据需求将其保留下来。通过缓冲层40多孔隙的特性以及伴随多孔隙而来的巨大表面积，可使一底材11材料更容易结合在缓冲层40上，而使钻石薄膜50与底材11结合。即使是此一底材11材料的物理、化学特性与钻石材料不兼容，仍可通过缓冲层40作为中间界面，而进行结合。此一底材11材料可为金属、非金属、陶瓷、塑料、高分子材料等，可通过物理或化学接合方式进行接合固定。

参照图8A、图8B、图8C、图8D及图8E所示，钻石薄膜50也可制作成立体形态。通过基材10形状的改换，改变所形成的缓冲层40及钻石薄膜50的形状。例如应用于半圆形喇叭振动片所需的钻石薄膜50，设置于具备曲面的基材10上，利用靶材41溅射或蒸镀产生靶材粒子41a，于此具备曲面的基材10上形成缓冲层40，接着于缓冲层40上设置一钻石薄膜50，由于受到基材10的形态影响，缓冲层40与钻石薄膜50随之沉积形成曲面形态。

参照图9A、图9B、图9C、及图9D所示，其采用一具备矩阵突起物10a的基板10，于基板10上设置缓冲层40，此一缓冲层40上也会形成矩阵突状物40a，接着再进行钻石镀膜程序，形成钻石薄膜50，如此一来钻石薄膜50的表面就可以形成矩阵突起物50a，此一钻石薄膜50可用于半导体化学机械研磨CMP抛光垫修整器、钻石散热片、电子场发射(Electron Field Emission)装置、或是薄膜体声波滤波器(F-Bar Filter)等应用。

参照图10A、图10B、图10C、及图10D所示，制作具备矩阵突起物50a的钻石薄膜50，除了利用具备特殊形态的基板进行镀膜程序之外，也可以直接采用平面形态的基板10，通过网罩遮盖法改变缓冲层40的形态。此方法先利用靶材41溅射或蒸镀产生靶材粒子41a，于基板10上形成一层平板形态的缓冲层40，接者在缓冲层40前方放置一网罩60，网罩60上具备多个以矩阵形态排列的网孔61。靶材41继续产生靶材粒子41a，此时受到网罩60的遮盖，靶材粒子41a只能通过网孔61，因此会在对应于网孔61的位置上形成突起物40a，而且这些突起物40a也会形成矩阵形态的排列。然后再进行钻石镀膜程序，在缓冲层40上设置钻石薄膜50，使钻石薄膜50随着缓冲层40改变形态，而形成矩阵突起物50a。

通过上述实施例可知，本发明确实可以于钻石薄膜制造过程中，消除钻石薄膜与其基材之间的残留应力问题，并且其基材容易去除，形成无底材的钻石薄膜，降低去除基材时的困难程度。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，但并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所做的更动与修改，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参阅所附的权利要求书。

Claims (13)

1、一种钻石薄膜制造方法，其特征在于，包括有下列步骤：

提供一个基材，置于一真空腔室中，该基材固定于设于该真空腔室内部的一工作臂的前端，该工作臂可在钻石薄膜制造过程中改变该基材的倾斜角度，以及带动该基材依据旋转轴线进行旋转；

以一靶材置入该真空腔室，用以产生多个靶材粒子，并使靶材粒子以一可变化的入射角朝向该基材的一侧面并沉积于该基材而形成一缓冲层；及

将一钻石材料镀膜于该缓冲层，形成一钻石薄膜；及

去除该基材。

2、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该真空腔室内部可定义一水平方向及一铅直方向，该基材呈现倾斜与该水平方向形成一夹角，靶材粒子沿平行于该铅直方向的方向，朝向该基材前进。

3、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，采用一具有矩阵突起物的基板或一平面基板配合网罩遮盖的方式，于基板表面形成矩阵状突起的钻石薄膜。

4、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该靶材的材料选自镁、铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、金、铂、钯、铱、钨、钼、钍、锗、镓、铍、锡元素或前述各该元素的合金的组合。

5、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该靶材的材料选自镁、铝、钛、钒、铬、铁、钴、镍、铜、金、铂、钯、铱、钨、钼、钍、锗、镓、铍或锡元素与氧、碳、或氮反应形成的金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物的群组组合。

6、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该靶材的材料选自硼、硅元素或其分别与氧、碳、氮反应的产物的组合。

7、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该靶材粒子以不同入射角朝向该基材前进。

8、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该基材改变其倾斜角度，以使该靶材粒子以不同入射角朝向该基材前进。

9、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，还包含有一步骤，以机械研磨、溶剂腐蚀或化学解离去除该缓冲层。

10、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，直接去除该缓冲层，使该钻石薄膜与该基材分离。

11、如权利要求10所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，以溶剂腐蚀或化学解离去除该缓冲层。

12、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，该基板上具有多个突起物，使该缓冲层及该钻石薄膜形成多个对应的突起物。

13、如权利要求1所述的钻石薄膜制造方法，其特征在于，还包含有一步骤，于该缓冲层前设置一网罩，其中该网罩具备有多个网孔；以该靶材粒子穿透网孔沉积于该缓冲层，于该缓冲层上形成多个突起物。

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