CN100567592C - 金刚石复合基板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种具有好的韧性、大的表面积和高质量的金刚石基板及制造该基板的方法，该基板可用于半导体材料、电子元件、光学元件等等。金刚石多晶膜层叠在金刚石单晶基板表面上而形成金刚石复合基板。在所述的金刚石复合基板中，优选具有金刚石单晶基板的最大表面积的主要面为{100}面，而且金刚石多晶膜层叠在平行于该面的反面上。金刚石单晶基板3可以由具有相同方位的主要面的多个金刚石单晶构成，而且这些多个金刚石单晶可以通过金刚石单晶层4连接而形成金刚石复合基板2。金刚石单晶也可以用作种子晶体以及在其表面通过气相合成提供金刚石单晶。

Description

金刚石复合基板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石复合基板及其制造方法，更具体地涉及一种在半导体材料、电子元件、光学元件等等中使用的具有大表面积与高质量的金刚石基板，并且涉及制造该基板的方法。

背景技术

金刚石具有很多其它半导体材料不具备的优异性质，例如高的热传导率，高电子/空穴迁移率，高介质击穿场，低介电损失和宽能带隙。特别地，近年来，利用宽能带隙的紫外线发射元件以及具有优异的高频性能的场效应晶体管等得到了持续发展。

通常由高温、高压合成过程生产的人造金刚石单晶具有优异的结晶性，而且由于不同于金属的与声子相关的热传导机理，因而具有至少为在通常温度下铜的热传导率5倍的热传导率。当这些金刚石单晶用作需要好的性能和可靠性的散热基板时，需要使用这些特性。相反，对于通常由气相合成获得的金刚石多晶膜，由于在晶粒界面的声子散射效应，它的热传导率只约为金刚石单晶的一半。

同时，为了金刚石在半导体中应用，需要大的金刚石复合基板。因为高温、高压过程生产的金刚石单晶比自然产生的单晶具有更好的结晶性，因而也用作半导体基板。然而，在这种高温、高压过程使用的超高压合成仪器庞大而且昂贵，这意味着制造单晶的成本能够降低多少是有限制的。也因为所得的单晶尺寸与仪器尺寸成比例，所以1cm级的尺寸是实际上的界限。考虑这原因，例如，日本公开专利H3-75298(专利文献1)公开了获得具有大表面积的金刚石单晶基板的方法。在该方法中，排列了多个的具有基本相同晶体取向的高压相物质，并形成用作气相生长核的基板，而且单晶通过气相合成沿着基板生长，因而形成了完整、大的单晶。

日本公开专利H2-51413讨论了如下方法：至少提供相互间有距离的两个金刚石表面，然后通过化学气相沉积(CVD)在金刚石表面之间生长金刚石或类金刚石交联，从而使金刚石表面连接起来。然而，这种在两个表面之间交联的连接金刚石的缺点是：当表面被抛光时，抛光应力集中在连接界面而导致在连接处分离。

金刚石单晶用作散热基板时遇到的问题是热应变和开裂，这是因为金刚石和热发射材料之间的热膨胀系数不相同的缘故。金刚石具有所有物质中最低的热膨胀系数之一，然而半导体材料诸如硅和GaAs具有1.5到几倍的金刚石的热膨胀系数。所以例如当两者加热和焊接以使它们连接时，在冷却过程中出现了变形和开裂。特别是金刚石单晶具有大的杨氏模量和抗变形性能，这反而使金刚石单晶成为了低韧性的易碎材料。具体地，金刚石单晶的缺陷是当它们遇到作用力时，它们趋向沿着其{111}面裂开。因此以比单晶具有更好韧性的多晶金刚石为主的散热基板也具有实际应用价值。尽管如此，单晶的热传导率仍然不能由上述单独的金刚石多晶膜相匹配。

发明人为了检测在该方法中所碰到的问题而实施了在上述专利文献1中讨论的获得大单晶的方法，并且发现了如下问题。包含用作气相生长核的多个层的单晶基板通常没有完全相同的生长面取向，其中每层具有稍微不同的沿面取向。在这种状态下进行单晶气相生长并且将单晶整合时，单晶的连接部分具有不同角度的生长边界，称为小角边界，其广义理解为缺陷，而且不论单晶生长持续多长时间，这些缺陷基本不会出现。

发明人使用拉曼散射光谱详细检测了小角边界周围的区域，结果检测到了不同于普通金刚石峰的峰位移。具体地，他们发现的不是在1332cm^-1附近的普通金刚石单晶峰，而是在单晶连接边界附近出现了移高或移低几个cm^-1的微区域。他们也发现当单晶生长在该相同状态下继续进行时，单晶在气相生长过程中大约在膜厚度超过100μm的时刻点在单晶连接边界处开裂。从这两个事实，他们认识到当通过上述现有技术形成大单晶时，应力集中在小角边界附近，而且单晶在达到或超过某一膜厚时在这些边界周围开裂。

发明内容

本发明是为解决在现有技术遇到的上述问题而设计的，它的目的在于提供一种具有好的韧性、大表面积和高质量，用于半导体材料、电子元件、光学元件等等的金刚石基板及其制造方法。

为实现所述目的，本发明含有下列方面(1)到(23)。

(1)一种金刚石复合基板，包括：金刚石单晶基板；和由气相合成方法层叠在所述基板上的金刚石多晶膜。

(2)根据上述(1)的金刚石复合基板，其中具有金刚石单晶基板的最大表面积的主要面的方位(orientation)与{100}面的方位之间的差异不大于5度，而且金刚石多晶膜层叠在平行于所述主要面的反面上。

(3)依上述(2)的金刚石复合基板，其中主要面为{100}面。

(4)依上述(1)到(3)中任一项的金刚石复合基板，其中主要面之间的距离，即金刚石单晶基板的厚度，至少为0.1mm并且不超过1mm。

(5)依上述(1)到(4)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中层叠在金刚石单晶基板上的金刚石多晶膜的厚度为至少0.1mm并且不超过1mm。

(6)依上述(1)到(5)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中金刚石单晶基板的厚度与金刚石多晶膜的厚度比为1∶1～1∶4。

(7)依上述(1)到(6)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中金刚石单晶基板由全部具有与具有最大表面积的主要面的相同的方位的多个金刚石单晶构成，这些多个金刚石单晶通过在所述金刚石单晶上由气相合成方法形成的金刚石多晶膜连接在一起。

(8)依上述(1)到(7)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中在相对于垂直于金刚石单晶主要面的轴的旋转方向上的多个金刚石单晶的方位之间的差异为不大于2度，而且各自主要面的方位和{100}面的方位之间的差异为不大于5度。

(9)依上述(8)所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶的主要面的方位为{100}。

(10)依上述(7)到(9)中任意之一项所述的金刚石复合基板，其中各个金刚石单晶之间的厚度差异为不超过10μm。

(11)依上述(7)到(10)中任意之一项所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶之间的缝隙为不超过500μm。

(12)金刚石复合基板，其中，金刚石单晶基板由多个金刚石单晶构成，其中在相对于垂直于其主要面的轴的旋转方向上的这些金刚石单晶的方位之间的差异不大于2度，而且各自主要面的方位和{100}面的方位之间的差异不大于5度，这些金刚石单晶通过在平行于所述金刚石单晶的各自主要面的反面上由气相合成方法形成的金刚石多晶膜连接，所述主要面的全部表面通过使用金刚石单晶基板作为种子晶体生长的由气相方法合成的金刚石单晶结合在一起。

(13)依上述(12)所述的金刚石复合基板，其中多个金刚石单晶的主要面的方位为{100}。

(14)根据上述(12)或(13)所述的金刚石复合基板，其中主要面之间的距离，即所述多个金刚石多晶基板的厚度，至少为0.1mm且不超过1mm。

(15)根据上述(12)-(14)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中在金刚石单晶上方由气相合成方法形成的金刚石多晶膜的厚度至少为0.1mm且不超过1mm。

(16)根据上述(12)-(15)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中这些金刚石单晶的厚度与所述金刚石多晶膜的厚度比为1∶1～1∶4。

(17)根据上述(12)-(16)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶之间的缝隙为不大于500μm。

(18)根据上述(12)-(17)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶之间的厚度差异为不超过10μm。

(19)根据上述(12)-(18)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中金刚石多晶膜的表面已被抛光。

(20)根据上述(12)-(19)中任意之一所述的金刚石复合基板，其中金刚石多晶膜的表面粗糙度Rmax不超过0.1μm。

(21)一种制造金刚石复合基板的方法，其中将具有相同方位的多个金刚石单晶排齐，通过气相合成方法在所述单晶上面形成金刚石多晶膜，而且通过所述金刚石多晶膜将所述多个金刚石单晶相连接。

(22)根据上述(21)所述的制造金刚石复合基板的方法，其中在相对于垂直于其具有最大表面积的主要面的轴的旋转方向上的所述多个金刚石单晶的各方位之间的偏差不大于2度，而且各自主要面的方位和{100}面的方位之间的差异为不超过5度。

(23)根据上述(22)所述的制造金刚石复合基板的方法，其中构成金刚石单晶的这些面中所述具有最大表面积的主要面为{100}面。

(24)根据上述(21)到(23)中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中金刚石单晶的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm。

(25)根据上述(21)到(24)中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中在金刚石单晶上面由气相合成方法形成的金刚石多晶膜的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm。

(26)根据上述(21)到(25)中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中金刚石单晶的厚度和金刚石多晶膜的厚度比为1∶1～1∶4。

(27)根据上述(21)到(26)中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中所述多个金刚石单晶之间的厚度差异为不大于10μm。

(28)根据上述(21)到(27)中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中所述多个金刚石单晶之间的缝隙为不大于500μm。

现在详述本发明上述的方面(1)到方面(28)。

在本说明书和权利要求书中，术语“金刚石单晶基板”不仅用于表示包括只由一个单晶组成的基板，也指由多个单晶构成的基板。

方面(1)

层叠具有高的热传导率的金刚石单晶基板与在该单晶基板上由气相合成形成的具有高韧性的金刚石多晶膜，生产出一种同时具有高热传导率和高韧性的金刚石复合基板。这里的金刚石单晶可以是天然的金刚石单晶，通过高温、高压过程获得的人造金刚石单晶，或气相沉积的金刚石单晶，或者它们可以是由其它一些方法制造的金刚石单晶。

方面(2)和(3)

金刚石复合基板使用时，与层叠金刚石多晶膜的面相反的单晶面可用于实际应用，诸如应用于半导体或用于散热基板的接触面。在该情形下，单晶表面更好是包括比较柔软而使其适于应用的{100}面。

另外，本发明金刚石复合基板特征可在于金刚石单晶的方位之间的偏差为从{100}起不超过5度。考虑实际应用，优选单晶的主要面为上述的{100}。但是，作为主要面方位偏差的深入研究结果，本发明人发现，只要从{100}面的偏差在5度之内，在后面的半导体应用或抛光中都没有问题。

方面(4)和(6)

本发明的金刚石复合基板也可以特征在于：金刚石单晶的厚度至少为0.1mm并不超过1mm；层叠在金刚石单晶基板上的金刚石多晶膜的厚度至少为0.1mm并不超过1mm；金刚石单晶基板的厚度与金刚石多晶膜的厚度的比值为1∶1～1∶4。如果主要目的是应用于散热基板，由于金刚石复合基板热传导率与韧性之间是倒数关系，所以单晶层厚度，多晶层厚度及其它们的比值存在最佳范围。发明人发现好的韧性可以通过使这些数值在上述范围内获得，同时保持适当的热传导率。

方面(7)

本发明的金刚石复合基板也可以特征在于：金刚石单晶基板由全部具有相同的主要面方位的多个金刚石单晶构成，并且这些金刚石单晶通过在所述金刚石单晶上由气相合成形成的金刚石多晶膜连接。如上讨论，如果单晶直接从由多个单晶组成的单晶基板上通过气相生长，基板可能因为应力集中在边界而裂开。然而，如果单晶通过多晶膜连接则不会出现这种裂开，而且结果会是形成大的、基本完整的复合基板。这种金刚石多晶膜不需要必须在单晶的侧面形成，这些单晶可以通过在主要面形成的多晶相连接。

方面(8)和(9)

本发明的金刚石复合基板也可以特征在于：朝相对于垂直于金刚石单晶主要面的轴的旋转方向构成金刚石单晶基板的这些金刚石单晶的方位之间的偏差不大于2度，而且金刚石单晶的主要面的方位为{100}或金刚石单晶基板的主要面离{100}面方位的偏差不大于5度。如果使用多个单晶，这些方位上的偏差将是二维的，位于垂直和旋转方向。如果计划的应用为其中这些单晶通过多晶膜连接并整合成一体的应用，那么单晶的可使用性和其它物理性能必须是在所有基板上都相同，并且前面提到的方位偏差是在可允许的范围内。发明人发现，复合基板的性质可以通过保持各种单晶的方位的偏差在上述范围内而变得稳定。

方面(10)和(11)

本发明的金刚石复合基板也可以特征在于：构成金刚石单晶基板的金刚石单晶之间的厚度差异为不超过10μm；金刚石单晶之间的缝隙为不超过500μm。在由多晶膜整合成一体的多个金刚石单晶的应用中，单晶之间的厚度差异和单晶之间的缝隙差异应该尽可能小。另一方面，在由气相合成完成整合时，如果单晶之间的缝隙太小，排列将很困难，而且在生产更大的复合基板时也将会碰到更大的问题。因而在实际应用中，缝隙优选至少150μm。研究各种应用的结果是，发明人发现了没有实际应用问题的金刚石复合基板可以通过保持这些值在上面给定的数字范围内而获得。

方面(12)到(20)

本发明的金刚石复合基板也可以特征在于：金刚石单晶基板由多个金刚石单晶构成，其中各个金刚石单晶的主要面方位为{100}，或者主要面方位与{100}面方位之间的差异不超过5度，而且这些金刚石单晶通过在平行于金刚石单晶主要面的反面上形成的金刚石多晶膜相连接，并且所述主要面的全部表面通过使用金刚石单晶作为种子晶体生长的气相合成的金刚石单晶整合。正如上所述，当单晶通过直接从多个金刚石单晶气相生长而连接时，单晶在应力作用下可能开裂。然而，如果一侧连接多晶膜，另一侧具有由气相生长的单晶相整合的结构，开裂的问题就可以完全消除。这些整合的、气相合成的金刚石单晶可以用作大的单晶基板。如果金刚石单晶的厚度为至少0.1mm并且不超过1mm，则在金刚石单晶上由气相合成形成的金刚石多晶膜的厚度优选为至少0.1mm并且不超过1mm，金刚石单晶的厚度与金刚石多晶膜厚度的比值优选为1∶1～1∶4。如果所述多个金刚石单晶之间的厚度差异为不超过10μm，那么金刚石单晶之间的缝隙也优选为不超过500μm。具有大表面积的高质量金刚石基板，即本发明目的，可以通过保持单晶和多晶层的尺寸和排列在上述给出的范围内来获得。从后来的应用立场看，也优选如果金刚石多晶膜表面被抛光，则其表面的粗糙度Rmax不超过0.1μm。

方面(21)到(23)

本发明用于制造金刚石复合基板的方法的特征在于：排齐具有相同方位的多个金刚石单晶；在这些单晶上面通过气相合成形成金刚石多晶膜；金刚石单晶由所生产的金刚石多晶膜连接。通过在由多个层组成的金刚石单晶基板上面形成所述多晶膜而将单晶与多晶膜相连接的制造方法中，如果具有相同方位的金刚石单晶膜是现有的，则多晶膜在其上通过气相合成生长，然后所得的金刚石复合基板可以用作具有大表面积的高质量金刚石复合基材。此外，如果具有构成金刚石单晶基板的面中的最大表面积的主要面为{100}面，而且如果在相对于垂直于主要面的轴的旋转方向的这些单晶的方位之间的偏差不超过2度，那么主要面方位离{100}面的偏差优选为不超过5度。

方面(24)到(28)

如果金刚石单晶的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm，则优选在金刚石单晶上面通过气相合成形成的金刚石多晶膜的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm，以及优选金刚石单晶的厚度与金刚石多晶膜的厚度的比值为1∶1～1∶4。如果金刚石单晶之间的厚度差异不超过10μm，也优选金刚石单晶之间的缝隙不超过500μm。这种具有大表面积的高质量金刚石基板的生产，即本发明目的，可以通过保持单晶和多晶层的所述条件在上述给出的范围内而变得容易实现。

附图说明

图1是本发明使用的金刚石单晶基板的简化视图；

图2是使用本发明的金刚石复合基板进行的热传导试验的简化视图；

图3是用于制造本发明的金刚石复合基板的金刚石单晶基板的布局图；

图4是使用本发明制造的大的金刚石复合基板的简化视图；和

图5是使用本发明的金刚石复合基板生产大的金刚石单晶基板的一个实施例。

具体实施例

将在实施例基础上详细描述本发明，但是本发明的范围绝不限于下列实施例。

实施例1

本实施例描述金刚石复合基板的一种可能结构，在该基板中金刚石多晶膜层叠在由单个单晶组成的金刚石单晶基板上。首先，准备如图1所示的立方金刚石单晶基板，其中厚度为0.5mm，垂直于厚度方向的两侧的长度均为10mm，所有六个面的方位为{100}。这种单晶基板切割自未加工的包含作为杂质的氮、通过高温、高压合成过程制造的单晶(称为类型Ib)。具有最大表面积的主要面的方位离{100}的偏差通过X-射线Laue方法测定，测定为1.9度。金刚石多晶膜在这种金刚石单晶基板上通过已知的微波CVD过程形成。多晶膜的生成条件如表1所示。

表1.多晶膜生成条件

微波频率	2.45GHz
		微波功率	5kW
室压力	1.33×10<sup>4</sup>Pa
		H<sub>2</sub>气流量	100sccm
CH<sub>4</sub>气流量	2sccm
		基板温度	980℃
生长时间	250小时

在生长后的膜形成区域没有出现单晶层，基板区域(单晶)明显不同于膜形成区域(多晶膜)。多晶层的厚度为0.5mm。这种基板(“基板1”)通过下列方法评价韧性和热传导率。首先，韧性通过如JIS R 1601的三点抗弯曲性测试进行评价。弯曲方向是其中张应力作用于单晶侧的方向。评价条件如表2所示。

表2韧性评价条件

十字头速度	0.5mm/min
		测力计(load cell)	500kgf×1/50
跨距	4mm三点弯曲

测定基板1的抗弯曲性，测定结果为1240MPa。接着在基板1用作为高-输出量激光二极管(LD)的热扩散基板时，从热扩散部份的冷却效应评价热传导率。图2示出热传导测试的示意图。当LD(包括GaAs层5)焊接到由金刚石单晶层3和金刚石多晶层4组成的金刚石复合基板2的单晶侧时，激光振荡，并测定了激光加热部分6的最高温度。在热传导率测试中的评价条件如表3所示。

表3.热传导率评价条件

LD发热性	600mW
		加热部分	1×1×300μm
金刚石多晶侧	20℃空气冷却

测定表明，LD加热部分的最高温度为75℃，激光输出也正常。

接着，单独对金刚石单晶基板、单独对金刚石多晶、和各种厚度的金刚石复合基板进行同样的韧性和热传导率测试。

表4示出金刚石单晶基板的结构和测试结果。在每种情形中金刚石单晶基板的主要面的大小为10mm的正方形(这与基板1相同)，方位为{100}，除基板9情形外α(表示方位的偏差)不超过2度。多晶膜形成条件均与表1相同。

表4测试结果

基板编号	单晶厚度(mm)	多晶厚度(mm)	角度α(deg)	抗弯曲性(MPa)	加热部分温度(℃)	激光输出量
							1	0.5	0.5	1.9	1240	75	正常
2	1.0	0	1.8	260	69	正常
							3	0	1.0	1.1	1440	86	降低
4	0.25	0.75	1.3	1380	81	正常
							5	0.15	0.8	0.5	1400	84	降低
6	0.7	0.3	1.5	510	72	正常
							7	0.09	0.09	1.9	180	59	正常
8	1.1	1.1	2.0	1670	95	降低
							9	0.5	0.5	5.5	1130	76	正常

在表4中，基板2和3分别为金刚石单晶基板和金刚石多晶基板，它们的测试结果在表4给出。因为基板2是单一的单晶，所以热传导率更高和加热部位的温度降低。但是，抗弯曲性降低到仅为基板1的复合基板的约1/5。这使该基板难于应用在需要好韧性的应用上。因为基板3仅为多晶，所以抗弯曲性比基板1更高，但是热传导率更低，而且加热部分的温度升高。结果是导致激光输出的降低。

其次，基板4-6具有单晶和多晶膜的不同厚度(比率)，使得它们的性能不同。如已经讨论过的，金刚石复合基板的韧性和热传导率成倒数关系，这在表4中也很明显。具体地，对于基板5和6，抗弯曲性或激光输出(加热部分温度)有显著降低，可以看到金刚石基板的优越性降低。基板7和8表示基板厚度不同时性能变化的比较。

对于基板7，单晶和多晶膜都比优选的薄，结果是散热好但抗弯曲性下降，因此该基板不能用于需求高韧性的应用上。相反地，对于基板8，单晶和多晶膜都比优选的厚，于是尽管韧性好，但热阻增大。而且，缺点是制造成本更高。最后，对于基板9的效果是在单晶主要面从{100}的偏差超过5度时检测的。在此情形中，抗弯曲性稍微低于基板1，但该结果没有引起实际问题，包括热传导率的问题。然而，在分别进行抛光测试时，单晶面的抛光比率降低至基板1比率的2/3，所以在可使用性方面存在问题。

因而，由基板1表示的金刚石单晶/多晶膜复合基板表明可用作拥有好的韧性和高的热传导率的散热基板。

实施例2

本实施例描述金刚石多晶膜层叠在多个具有相同方位的金刚石单晶上以使这些单晶整体连接的情形，以使这些单晶整体连接，并且描述金刚石单晶在单晶表面通过气相沉积随后生长的情形。

首先，准备16片由高温、高压合成得到的类型Ib金刚石单晶。单晶尺寸为4mm长和宽，0.5mm厚，主要面被抛光。主要面和所有侧面都具有{100}方位，而α(表示主要面的方位偏差)为不大于2度。这些单晶排列在基板支持物上，以使它们的单晶侧面如图3所示吻合。对于任一相邻的单晶，相对于垂直于主要面(图3的β；图3下部图样是从由上部图样的椭圆围绕部分的俯视图)的轴的旋转方向的方位偏差为不超过1度。厚度差异为最多10μm，单晶之间的最大缝隙为90μm。

在与实施例1的表1给出的相同条件下，金刚石多晶膜4在由这些多个单晶组成的金刚石单晶基板1上由微波等离子CVD形成。结果如图4所示，可以得到其中由16个单晶层通过多晶膜厚度为0.5mm的多晶层4整体连接的金刚石复合基板2(这称为基板10)。

然后，基板10的多晶面被抛光，使表面粗糙度Rmax平滑至0.09μm。然后，单晶在单晶侧通过已知微波等离子CVD气相沉积进行生长。生长条件如表5所示。

表5单晶生长条件

微波频率	2.45GHz
		微波功率	5kW
室压力	1.33×10<sup>4</sup>Pa
		H<sub>2</sub>气流量	100sccm
CH<sub>4</sub>气流量	5sccm
		基板温度	900℃
生长时间	100小时

长成后，从各个单晶生长的气相单晶膜具有0.5mm厚度，而且全部连接形成一个单一、大的单晶基板(图5)。然后，由多个层组成的单晶基板部分和多晶膜通过抛光去除，这得到的大的、气相合成的金刚石单晶，测定为16mm正方形，厚度为0.5mm。

除基板10外，其它复合基板样品包括其中单晶的平面方位的偏差α和β被改变的基板，其中单晶与多晶膜的厚度被改变的基板，其中单晶之间的厚度差异被改变的基板，其中单晶之间的缝隙被改变的基板，和其中多晶膜侧的表面粗糙度被改变(即是否进行抛光)的基板(基板11到20)。这些基板的生产条件汇集在表6中。

对于复合基板11到20，在与基板10相同的条件下，在单晶侧生产出气相合成金刚石单晶。对于基板11和12，不同单晶的方位存在很大的偏差，在气相单晶的连接界面经常发生反常生长，不能达到导致完全成为整体的单晶生长。

至于基板13，由于单晶薄，可注意到被连接的复合基板在初始多晶层形成时弯曲。因此，即使在后来的单晶气相生长中，也不能完成导致完整的气相生长。

至于基板14，多晶层薄以及在多晶层被抛光时出现破裂。而且，因为在使用相同基板且多晶层未抛光下单晶通过气相沉积生长时应力集中，所以在气相单晶中出现破裂。

对于单晶厚度差别很大的基板15，在多晶层形成时，在多晶层侧出现台阶(step)。因此，在多晶面抛光过程中出现应力集中和破裂。而且，在翻转相同基板(没有进行任何抛光)和单晶通过气相沉积在单晶面生长时，台阶导致的温度分布阻止了完整的气相生长。

对于在基板之间具有稍大的缝隙的基板16，可以获得与基板10相同的金刚石复合基板。而且，从基板16的单晶起通过气相沉积生长单晶时，比基板10更大的缝隙导致相应的尺寸增加，因此形成了16.5mm的正方形以及厚度为0.5mm大的气相合成的金刚石单晶。

对于在基板之间具有更大的缝隙的基板17，由于在多晶层抛光过程中应力集中在界面上而出现一些破裂，但是能完成抛光而没有分解。对于具有更大缝隙的基板18，在多晶层抛光过程出现破裂和分解，因而抛光不能完成。用与基板18相同的基板在没有抛光的单晶表面上通过气相沉积生长单晶时，从单晶基板之间的缝隙起出现不正常的生长，而且不能得到导致在整个表面上整合的单晶生长。

最后，对于基板19，它的多晶面没有抛光，而基板20，它具有粗糙的多晶面，在单晶气相生长过程中，每个单晶都存在温度分布，不能完成导致在整个表面上整合的气相生长。

如上讨论说明，为得到具有大表面积和好的结晶度的金刚石单晶基板，通过由基板10表示的方法制造的金刚石复合基板可用作种子基板。

工业应用性

如上所述，属于本发明的金刚石复合基板及其制造方法，可以用在半导体材料、电子元件、光学元件等等中作为组合有高的热传导率和好的韧性的散热基板，或用作具有大表面积的高质量金刚石单晶基板。

Claims (28)

1.一种金刚石复合基板，包括：

金刚石单晶基板；和

由气相合成方法层叠在其上的金刚石多晶膜，其中所述的金刚石多晶膜生长在所述金刚石单晶基板的整个表面上。

2.如权利要求1所述的金刚石复合基板，其中具有金刚石单晶基板的最大表面积的主要面的方位与{100}面的方位之间的差异不超过5度，而且所述金刚石多晶膜层叠到平行于所述主要面的反面上。

3.如权利要求2所述的金刚石复合基板，其中所述主要面为{100}面。

4.如权利要求1到3中任意之一所述的金刚石复合基板，其中所述主要面之间的距离，即所述金刚石单晶基板的厚度，为至少0.1mm并且不超过1mm。

5.如权利要求1到3中任意之一所述的金刚石复合基板，其中层叠在所述金刚石单晶基板上的所述金刚石多晶膜的厚度为至少0.1mm并且不超过1mm。

6.如权利要求1到3中任意之一所述的金刚石复合基板，其中所述金刚石单晶基板与所述金刚石多晶膜的厚度比为1∶1～1∶4。

7.如权利要求1到3中任意之一所述的金刚石复合基板，其中所述金刚石单晶基板由多个金刚石单晶组成，所述多个金刚石单晶都具有所述最大表面积的主要面的相同方位，而且这些所述多个金刚石单晶通过在所述金刚石单晶上由气相合成方法形成的金刚石多晶膜连接在一起。

8.如权利要求1到3中任意之一所述的金刚石复合基板，其中在相对于垂直于其主要面的轴的旋转方向上的所述多个金刚石单晶的方位之间的差异不大于2度，而且各自主要面的方位与{100}面的方位之间的差异不大于5度。

9.如权利要求8所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶的主要面的方位为{100}。

10.如权利要求7所述的金刚石复合基板，其中各个金刚石单晶之间的厚度差异不超过10μm。

11.如权利要求7所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶之间的缝隙不超过500μm。

12.一种金刚石复合基板，其中金刚石单晶基板由多个金刚石单晶构成，在金刚石单晶中，在相对于垂直于其主要面的轴的旋转方向上的这些金刚石单晶的方位之间的差异不大于2度，而且各自主要面的方位和{100}面的方位之间的差异不大于5度，这些金刚石单晶通过在平行于金刚石单晶各自主要面的反面上由气相合成形成的金刚石多晶膜相连接，所述的金刚石多晶膜生长在所述金刚石单晶基板的整个表面上，和通过使用所述金刚石单晶基板作为种子晶体生长的气相合成的金刚石单晶对所述主要面的整个表面进行整合。

13.如权利要求12所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶的主要面的方位为{100}。

14.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中所述主要面之间的距离，即所述多个金刚石单晶基板的厚度，至少为0.1mm并且不超过1mm。

15.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中在所述金刚石单晶上面由气相合成形成的金刚石多晶膜的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm。

16.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中所述金刚石单晶的厚度与所述金刚石多晶膜的厚度比为1∶1～1∶4。

17.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶之间的缝隙不大于500μm。

18.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中所述多个金刚石单晶之间的厚度差异不超过10μm。

19.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中所述金刚石多晶膜的表面已被抛光。

20.如权利要求12或13所述的金刚石复合基板，其中所述金刚石多晶膜的表面粗糙度Rmax不大于0.1μm。

21.一种制造金刚石复合基板的方法，其中将具有相同方位的多个金刚石单晶排齐，通过气相合成在所述单晶上面形成金刚石多晶膜，使得所述的金刚石多晶膜生长在所述金刚石单晶基板的整个表面上，和通过所述金刚石多晶膜将所述多个金刚石单晶相连接。

22.如权利要求21所述的制造金刚石复合基板的方法，其中在相对于与其具有最大表面积的主要面相垂直的轴的旋转方向上的所述多个金刚石单晶的方位之间的偏差不超过2度，而且各自主要面的方位和{100}面的方位之间的差异不超过5度。

23.如权利要求22所述的制造金刚石复合基板的方法，其中具有在构成金刚石单晶的面中的最大表面积的主要面为{100}面。

24.如权利要求21到23中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中金刚石单晶的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm。

25.如权利要求21到23中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中在所述金刚石单晶上由气相合成形成的金刚石多晶膜的厚度至少为0.1mm并且不超过1mm。

26.如权利要求21到23中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中所述金刚石单晶的厚度和所述金刚石多晶膜的厚度比为1∶1～1∶4。

27.如权利要求21到23中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中所述多个金刚石单晶之间的厚度差异不大于10μm。

28.如权利要求21到23中任意之一所述的制造金刚石复合基板的方法，其中所述多个金刚石单晶之间的缝隙不大于500μm。

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