CN104798381B - 独立式非平面聚晶合成金刚石部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，该独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件包含成核面和生长面，所述成核面包含比所述生长面更小的晶粒，所述成核面具有不大于50nm的表面粗糙度Ra，其中所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件在投影到平面上时具有不小于5mm的最长线性尺寸，并且在其至少中心区域上基本无裂纹，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％，其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于2mm长度的裂纹。

Description

独立式非平面聚晶合成金刚石部件及其制造方法
发明领域
本发明的某些实施方案涉及非平面聚晶CVD合成金刚石部件，特别但不专门地，涉及高端音频设备的扬声器球顶(dome)。
发明背景
金刚石由于其长寿命和美学吸引力而已被长期用于珠宝首饰中。金刚石材料对于许多不同技术应用还具有一系列期望的性质。例如，金刚石材料重量轻，而且非常坚硬/刚硬。这些性质导致金刚石成为一种用于形成高端音频设备中的扬声器球顶的优异材料。此类扬声器球顶可以形成具有极高破音频率(break-up frequency)的高频扬声器(tweeter)，所述极高破音频率超出人类的音频范围从而产生在人类音频范围内的极高品质的声音。
例如，WO2005/101900公开了这样这样的金刚石扬声器球顶。如WO2005/101900中所述，谐声可以延伸至低于基本的破音频率，因此期望从人类音频范围的末端良好地去除破音频率，以确保扬声器球顶在高频振荡中的弯曲不损害声音的复制。WO2005/101900描述了可通过具有特定尺寸的整体外圆周裙边的合成金刚石扬声器球顶来提供具有极高破音频率的扬声器球顶。该文献中没有提及制造这样的扬声器球顶的具体制造方法的细节。
GB2429367也公开了一种金刚石扬声器球顶，并且描述了可以通过如下方式制造这样的球顶：在凸曲面基底上CVD合成金刚石材料以便在其上形成合成金刚石膜，随后使合成金刚石膜从基底分离以产生金刚石扬声器球顶。没有给出关于用作在其上沉积合成金刚石材料的基底的材料的细节，也没有给出关于将合成金刚石膜从基底分离以产生金刚石扬声器球顶的分离技术的细节。
US5556464和JP59143498也公开了金刚石扬声器球顶，并描述了可以通过如下方式制造这样的扬声器球顶：在凸曲面的基底上化学气相沉积合成金刚石材料以便在其上形成合成金刚石膜，随后使合成金刚石膜从基底分离以产生金刚石扬声器球顶。这些文献给出了关于制造工艺的较多细节并且描述了在凸曲面硅基底上沉积合成金刚石材料并通过在酸中溶解硅基底以实现合成金刚石膜从基底的分离从而产生金刚石扬声器球顶。
本发明人利用了前述硅基底-酸溶解方法来制造金刚石扬声器球顶，并且证实这种方法能用于成功地、高产量地制造金刚石扬声器球顶，不会在合成和基底去除步骤期间引起相对柔弱、易碎的金刚石扬声器球顶的开裂。因此，如果适当地控制合成条件，这种方法为制造金刚石扬声器球顶提供了一种可行的商业途径。然而，这种用于金刚石扬声器球顶生产的方法中最主要的费用在于合适的凸曲面硅基底的费用，该基底被溶解在酸中因此只能使用一次。此外，硅基底酸溶解的实际过程是耗时的、昂贵的并且危险的。由于金刚石与硅的粘附性质，该基底不允许保持硅基底完好以再次用于制造另外的金刚石扬声器球顶的释放工艺。相反地，在生长以后，需要通过例如HF/硝酸将硅酸蚀。
使用硅作为CVD金刚石生长工艺(特别是微波驱动的CVD生长工艺)中的CVD金刚石生长基底的额外问题是硅在高温下的功率吸收，导致热失控并断裂。此外，在生长期间硅易于进入CVD金刚石，特别是可表现为737nm Si-V缺陷。因此，硅基底的使用会对CVD金刚石产品的纯度产生有害影响。
鉴于上述，本发明人已经认识到：寻找硅基底-酸蚀工艺的替代方案用以制造金刚石扬声器球顶是有利的。特别地，有利的是提供一种能够将可重复使用的基底用于金刚石扬声器球顶生长的方法，其中所述基底保持基本上不受生长过程影响。这将允许基底被重复用于多个生长操作，并将显著减少生产的相关费用。另外，这种方法还将避免昂贵且危险的酸蚀方法。
本发明人因此研究了可能的替代方法并且特别是使用凸曲面难熔金属基底的可能性。在这方面，已知可以在平面难熔金属基底(如钼、钨、铌、或它们的合金)上生长平面CVD合成金刚石膜。例如，US5261959中建议难熔金属基底材料，如平面圆盘形式的钼。作为替代，Whitfield等人建议使用钨基底(参见“Nucleation and growth of diamond filmson single crystal and polycrystalline tungsten substrates”,Diamond andRelated Materials,第9卷，第3-6期，2000年4-5月，第262-268页)。具体而言，Whitfield等人公开了在2.45GHz的微波等离子体反应器中使用6.3mm厚且直径50mm的平面聚晶钨盘和6.3mm厚且直径8mm的单晶钨盘。其教导使基底进行包括如下的制备步骤：使用1-3微米的金刚石磨料抛光至镜面光洁度，和通过超声波清洗及原位等离子体蚀刻进行清洁。在CVD金刚石生长期间使用光学高温测量计和嵌入式热电偶监测基底温度。还公开了由于CVD金刚石晶片与钨基底之间的热膨胀系数差异，在生长之后冷却时CVD金刚石晶片从钨基底的自然脱离，从而产生独立式金刚石晶片。Whitfield等人指出，在他们的实验中通常并不重复使用基底，但是在进行重复使用的少数情形中，将基底研磨和抛光至少24小时以去除在先前的生长操作期间形成的薄碳化物层。
鉴于上述，显然形成难熔金属的碳化物可以提供硅基底的引人关注的替代。尽管如此，即使在平面构造中，本发明人在使用这些基底时也经历了很多问题。这些问题包括：基底上的不均匀CVD金刚石生长；在CVD金刚石生长期间，CVD金刚石晶片与基底的分离；以及在CVD金刚石晶片生长之后冷却期间的裂纹萌生和蔓延。当使用较大的基底来生长大面积的聚晶金刚石盘时(如，直径80mm或更大)，这些问题往往加剧。如果提供非平面基底，如凸曲面难熔金属基底，发现该问题会进一步加剧。此外，当在后续的生产操作中重复使用所述基底时，这些问题趋于加剧。当基底是昂贵的并且在经济上具有竞争力的工业过程中期望重复使用时，这特别成问题。
本领域中已经提出了使用硅基底-酸溶解方法制造金刚石扬声器球顶的替代方案。例如，GB2427878讨论了可以在金属或非金属基底上生长金刚石扬声器球顶，但是确认了与这两种方法相关的潜在问题。关于金属基底，确认了生长在其上的金刚石膜在合成期间或冷却时易于开裂。关于非金属基底，确认了此类基底难以与生长在其上的金刚石膜分离。因此，GB2427878似乎认识到一些如上文所述本发明人也已确定的问题。为了解决这些问题，GB2427878建议可以在包含缓冲层的凸曲面聚合物基底上生长聚晶CVD合成金刚石扬声器球顶。其建议这种缓冲层可以由类金刚石碳(DLC)、无定形碳或纳米晶体金刚石(NCD)、或金属或陶瓷膜形成。它描述了在金刚石生长期间聚合物基底被热分解，从而产生复合扬声器球顶，该复合扬声器球顶包含与缓冲材料层粘合的聚晶CVD金刚石材料层。提出这种方法用以避免开裂的问题(如使用固体金属基底时)和用以避免生长后基底移除的问题(如使用硅基底时)。然而，GB2427878中描述的方法不允许基底的重复使用，因为在金刚石生长过程期间每个基底被热分解。此外，得到的金刚石扬声器球顶产品包含附着于金刚石球顶的缓冲材料层。该缓冲层将往往对扬声器球顶的声学特性产生不利影响，例如因降低破音频率。
JP4161000建议在凸曲面钨基底上生长聚晶CVD金刚石扬声器球顶，随后通过酸溶去除钨。这种方法在很多方面与先前描述的硅基底-酸溶方法相同，并具有相同的问题，即基底不能被重复使用，以及仍然需要昂贵且有害的酸蚀步骤以便将金刚石扬声器球顶从其基底释放。
JP60141697似乎解决了一些上述问题。该文件公开了一种在具有高耐热性和低热导率的材料制成的凸曲面基底(如钼和硅)上制造金刚石扬声器球顶的方法。其提到可以通过CVD技术在此类基底上生长金刚石膜。在金刚石合成并冷却之后，照射来自红外线灯或加热器的加热光束并且使其传递通过所述金刚石薄膜以便加热基底的表面。它暗示：由于基底材料的低热导率因而不使基底温度升高到金刚石膜那么多，以及金刚石膜由于温差而发生热膨胀并且从基底上释放从而获得独立式金刚石扬声器球顶。
原则上，JP60141697中所述的方法似乎能够提供一种制造金刚石扬声器球顶的途径，该途径允许基底的重复使用并且还避免昂贵且有害的酸蚀步骤。JP60141697建议热诱发的释放过程可以用于金属(钼)基底和硅基底两者。然而，如前所述，本发明人已经发现，鉴于金刚石对硅的粘附性质，硅基底的使用不允许可保持硅基底完好以便在制造另外的金刚石扬声器球顶中重复使用的热诱发释放过程。考虑在该过程中使用金属基底例如钼时，如前所述，本发明人在使用此类金属基底时经历了很多问题，包括：基底上的不均匀CVD金刚石生长；在CVD金刚石生长期间，CVD金刚石晶片与基底的分离；以及在CVD金刚石晶片生长之后冷却期间的裂纹萌生和蔓延。如前所述，对于平面难熔金属基底已经存在这些问题，并且如果提供非平面基底如凸曲面难熔金属基底则会加剧这些问题。此外，当在后续生长操作中重复使用基底时，这些问题往往加剧。GB2427878中也提到了这些问题，其确认了在金属基底上生长的金刚石膜易于在合成期间或冷却时开裂。JP60141697似乎没有解决这些问题。事实上，JP60141697教导，从生长条件冷却下来之后并且在施用加热束之前，金刚石扬声器球顶保持附着在金属基底上。在CVD金刚石生长之后冷却时，由于与下方的基底(金刚石膜与其结合)的热膨胀系数失配，金刚石膜与金属基底之间的热膨胀系数失配将导致在金刚石扬声器球顶上的大量热应力。因此最终的扬声器球顶可能含有裂纹。此外，JP60141697仍然需要生长后的处理步骤以除去球顶，这将增加制造过程的时间和成本。
本发明的某些实施方案的目的是解决前述问题。特别，本发明的实施方案旨在提供一种制造金刚石扬声器球顶的方法，其允许金刚石扬声器球顶从可重复使用的基底受控分离而不引起金刚石扬声器球顶开裂，不会损坏基底使得其可被重复使用，并且不需要生长后的处理步骤来实现分离。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了一种独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，该部件包含成核面和生长面，所述成核面包含比所述生长面更小的晶粒，所述成核面具有不大于50nm的表面粗糙度Ra，其中所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件在投影到平面上时具有不小于5mm的最长线性尺寸，并且在其至少中心区域上基本无裂纹，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％，其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于2mm长度的裂纹。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的方法，所述方法包括：
对形成碳化物的难熔金属基底的非平面表面进行处理，从而在所述非平面表面上形成具有不大于50nm表面粗糙度Ra的金属碳化物层；
在700℃-1300℃范围的生长温度下，在CVD反应器中在所述非平面表面上生长聚晶CVD合成金刚石材料的膜；以及
以受控的速率冷却所述形成碳化物的难熔金属基底的和聚晶CVD合成金刚石材料的膜，由此所述聚晶CVD合成金刚石材料的膜在冷却期间从所述形成碳化物的难熔金属基底的金属碳化物表面分离，从而产生独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，该部件具有不大于50nm表面粗糙度Ra的成核面并且至少在其中心区域上基本无裂纹，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％，其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于2mm长度的裂纹。
附图简述
为了更好地理解本发明并且显示如何实施本发明，现在结合附图仅以举例方式对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1示出了依照本发明实施方案的用于制造非平面聚晶CVD合成金刚石部件的形成碳化物的难熔金属基底的截面视图；
图2示出了图1所示形成碳化物的难熔金属基底的肩部的截面视图，其示出了形成碳化物的难熔金属基底的球顶形部分与柱体部分之间的角度过渡部分；
图3示出了护圈的截面视图，在CVD反应器内该护圈可布置在图1和2所示形成碳化物的难熔金属基底周围以允许金刚石生长的“切断”并且限定出分离区域用于受控地分离生长在形成碳化物的难熔金属基底上的非平面聚晶CVD合成金刚石部件的分离区域；
图4示出了形成碳化物的难熔金属基底和安装在底座上的护圈的截面视图，在形成碳化物的难熔金属基底的周边区域的下方限定有气隙；
图5示出了包括多个底座的台板的截面视图，所述形成碳化物的难熔金属基底被设置所述台板上；
图6示出了图5所示的基底/台板结构的顶视图；
图7示出了替代性基底/台板构造的截面视图；和
图8示出了微波等离子体反应器的截面视图，基底/台板构造被布置在该微波等离子体反应器中。
具体实施方式
薄的金刚石膜(例如，厚度<100微米)不易从其生长的基底完好地分离。CVD金刚石在约800-1100℃的高温下生长，并且在冷却至室温时由于热膨胀系数(TCE)的差异在金刚石膜和基底之间产生热失配。由于金刚石与基底相比具有低的热膨胀系数，其名义上处于受压缩，然而取决于曲率半径而产生垂直于界面的应力分量。金刚石膜是否保持附着于表面取决于几个参数：失配应变；该表面的曲率半径；和两层之间的附着力水平。当温度、界面处的曲率半径、和附着水平都减小或者金刚石膜的厚度增加时，更易于发生分离。较厚的金刚石膜凭借其增加的机械坚固性从而更可能经受住分离过程。从该简单分析得到的结论是：为了使薄的金刚石膜从基底完好地分离，金刚石与基底之间的附着力水平应当低。因此，有待解决的基本问题是降低金刚石对其基底的界面强度。对于典型的基底材料，两个因素决定了界面强度：(a)在两层之间形成的任何化学键的强度，例如硅在界面处形成强的碳化物；和(b)两层之间的机械附着力水平。在后一情形中，可以认为没有表面粗糙(asperities)的完美平滑界面将显现出可忽略不计的机械附着力。因此，挑战是产生此类具有非常弱的化学和机械结合的表面。
本发明的具体实施方案提供了一种制造金刚石扬声器球顶的方法，其允许金刚石扬声器球顶从可重复使用的基底上的受控分离，而不会引起金刚石扬声器球顶的开裂，不损坏基底从而使其可被重复使用，以及不需要生长后处理步骤来实现分离。提供包含非平面表面的形成碳化物的难熔金属基底作为可重复使用的基底。形成碳化物的难熔金属基底可以由选自以下的金属形成：钨；钼；铌；及其合金，例如钨-镍-铁合金(DENSIMETRT)。例如，所述基底可以由提供有非平面生长表面和平面基部的此类材料的实心块形成。
人们已经发现，当使基底可被重复用于另外的扬声器球顶制造时，这种仔细制备的生长表面的仔细生长表面制备和维护是实现从此类基底的受控分离并产生基本无裂纹的扬声器球顶所需的关键特征。特别地，已发现在表面粗糙度Ra不超过50nm、40nm、30nm、20nm或10nm的基底上提供并维持金属碳化物表面层是有益的。可以通过用研磨粉(如金刚石粉)处理对此类表面进行引晶，从而形成引晶金属碳化物表面用于聚晶CVD合成金刚石生长。可对所述引晶进行控制使得引晶的金属碳化物表面保持所定义的低的表面粗糙度Ra。
在制备这样的基底生长表面之后，可以在CVD反应器中在700℃-1300℃、800℃-1200℃、900℃-1200℃、950℃-1150℃、或1000℃-1100℃范围内的生长温度下在该表面上生长聚晶CVD合成金刚石材料的膜。
在生长之后，以受控的速率冷却所述形成碳化物的难熔金属基底和聚晶CVD合成金刚石材料膜，由此聚晶CVD合成金刚石材料膜在冷却期间从形成碳化物的难熔金属基底的金属碳化物表面分离，从而产生独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件。由于基底生长表面的低表面粗糙度，所得到的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件将包含具有与生长表面对应的低表面粗糙度的成核面。仔细制备的生长表面与CVD金刚石生长之后的受控冷却的组合使得能够实现受控分离，从而产生基本上无裂纹的非平面聚晶CVD合成金刚石部件。优选地，该非平面聚晶CVD合成金刚石部件没有明显裂纹，至少在部件的大部分上。例如，非平面聚晶CVD合成金刚石部件可以包括中心区域，该中心区域为所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％、80％、80％、90％或95％，以及该中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主面相交且延伸超过2mm长度的裂纹。
然后可将所述基底重新用于制造更多的非平面聚晶CVD合成金刚石部件。当形成碳化物的难熔金属基底被重复用于多个生长操作中时，在每次生长操作之前对所述形成碳化物的难熔金属基底进行预先引晶(pre-seed)。可以在生长操作之间监测基底生长表面的表面粗糙度，并且当金属碳化物层的表面粗糙度Ra变得过高时才需要对其进行抛光，例如超过50nm、40nm、30nm或20nm。表面粗糙度的增加可能是由于反复的引晶导致的，但占主要的机制可能是在金刚石材料从生长表面分离期间金属碳化物晶粒被从生长表面拉出。
可以使用多种方法来生长本文所述的聚晶CVD合成金刚石部件，包括：热丝反应器、微波等离子体反应器、和直流电弧喷射反应器。这些方法各自具有其优点。直流电弧喷射沉积系统往往具有高的局部生长速率，但却具有电极/喷嘴的侵蚀、高气体消耗和相对差的区域覆盖。热丝反应器可以涂覆大面积和3D形状，但是具有有限的膜厚度以及具有相对差的金刚石品质。相比之下，微波等离子体CVD金刚石已经成为生产高品质块体金刚石的主导方法。遗憾的是，由于微波电场和非平面基底的相互作用，微波等离子体方法具有仅仅有限的涂覆非平面基底的能力。由于外部拐角处的电场集中效应或者相反地由于内部拐角处的电场减弱，即使简单的3D形状(如工具嵌体或扬声器球顶芯轴)的涂覆也是困难的。电场的这种变化对金刚石膜的质量和厚度的均匀性产生不利影响。例如，微波等离子体CVD反应器通常不能用于保形涂覆切削工具嵌体。在拐角处，高的电场导致增厚和临界切刃的变圆，因此使得它们不适合预期的目的。，就熔点或热冲击而言的热敏感材料对于在微波等离子体反应器中进行均匀涂覆甚至更具挑战性。
鉴于上述，人们将预计微波等离子体工艺不适合于实施本发明的实施方案。然而，令人惊讶的是，已经发现如果按本文所述方式配置微波等离子体CVD装置，如果按本文所述方式仔细处理基底的表面，以及如果按本文所述方式仔细控制生长和冷却循环，那么有可能使用微波等离子体CVD工艺进行本发明。因为这种工艺与替代性生长方法相比产生更高品质的金刚石材料，因此使用微波等离子体CVD反应器(最优选以相对高的功率和压力)可以是有利的，以便制造高品质的聚晶CVD合成金刚石材料。例如，可以用800MHz至1000mHz范围内的微波频率，用至少140托、160托、180托、200托、230托、260托或300托的压力，和/或至少10kW、15kW、20kW、25kW或30kW的微波功率操作CVD反应器。如果将高的操作功率和压力用于CVD金刚石生长，那么生长后的冷却可以通过CVD反应器内的功率和压力的降低来实现，从而避免聚晶CVD合成金刚石部件的热诱发开裂。例如，冷却的受控速率可以包括：在CVD反应器内的等离子体熄灭之前，在至少10分钟、15分钟或20分钟的时间段内将生长温度降低到至少800℃、750℃、700℃、650℃或600℃。
可以在高功率和压力下通过在CVD金刚石生长期间使用在轴向朝向基底的高工艺气流来减轻等离子体中的电弧问题。例如，所述工艺气体的总流量可以不低于2100sccm、2600sccm、2800sccm、3000sccm或3100sccm。所述工艺气体可以包含下列中的一种或多种：占总工艺气体流量的1-10％、1-7％、2-5％、2-4％或2.5-3.5％范围内的含碳气体；占总工艺气体流量的0.5-10％、0.5-7％、0.5-5％、0.5-3％或1.0-2.0％范围内的惰性气体，例如氩气；以及，占总工艺气体流量的85-98％、90-98％、93.0-97.5％、94.0-96.5％或95.0％-96％范围内的氢气。通过CVD反应器内的于基底相对设置的一个或多个进气喷嘴将工艺气体导向基底。
按照设想，可以使用本文所述方法制造一系列非平面聚晶CVD合成金刚石部件。然而，特别开发所述方法来制造用于音频应用的金刚石扬声器球顶。在该情形中，形成碳化物的难熔金属基底的非平面表面提供球顶形状的生长表面。该表面可以为凹的或凸的，优选为凹的以便实现其上生长的金刚石扬声器球顶的更好的受控分离。球顶形状生长表面的典型尺寸包括：
在5mm至50mm、10mm至40mm、15mm至35mm或20mm至30mm范围内的直径；以及
10mm至80mm、20mm至70mm、30mm至60mm、40mm至55mm或45mm至55mm范围内的曲率半径。
这样的尺寸允许扬声器球顶的受控释放。有利地，扬声器球顶包含整体外圆周裙边，如在背景部分中所讨论的现有技术中所述。为了制造这种整体裙边，形成碳化物的难熔金属基底的非平面表面可被形成为具有基本上圆柱形的周边部分，该周边部分从球顶形生长表面的外圆周伸出并且具有在形成碳化物的难熔金属基底的非平面表面的中心旋转轴的20°、10°、5°、2°、或1°内取向的侧壁。为了在扬声器球顶的球顶部分与裙边部分之间的界面区域处实现一致的金刚石生长，还发现提供如下基底是有利的：该基底具有与所述球顶形生长表面的外圆周相邻的至少一部分，其相对于所述形成碳化物的难熔金属基底的中心旋转轴形成2°至20°、3°至10°、4°至7°或5°至6°范围内的角。已发现在球顶形区域与圆柱侧壁之间提供这种角度过渡部分使得在CVD金刚石生长和部件分离期间形成整体裙边，在这个区域中没有开裂。在生长表面的不同部分之间形成过渡的拐角区域还可以被圆化(round)以辅助分离而不开裂。
基本上圆柱形的周边部分可以具有1至10mm、2至8mm、3至6mm或3.5mm至5mm范围内的深度。这显著大于扬声器球顶通常期望的裙边长度。已经发现，这种厚的周边区域对于如下是有利的：与单独的周边护圈部件一起使用以便限定裙边长度。所述护圈位于所述基本上圆柱形周边部分的周边边缘周围，并且产生金刚石生长的死角(dead-space)，从而允许在基本上圆柱形的周边部分上的位置进行金刚石生长的修剪(pinch off)。这种金刚石生长的修剪在冷却时提供脱离的区域，以便实现受控分离并产生独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件。护圈部件与基本上圆柱形的周边部分之间在深度差对应于目标裙边长度。因此，该深度差可以落在0.2mm至2.0mm、0.2mm至1.5mm、0.3mm至1.0mm、0.4mm至0.8mm或0.5mm至0.75mm的范围内。先前定义的低粗糙度的表面应遍布基底的球顶部分和至少到如下部分：其上生长扬声器球顶的裙边的基本上圆柱形的周边部分。
跨基底生长表面的温度控制对于确保其上相对均匀的CVD金刚石生长来说是重要的。可以通过如下方式实现温度控制：在基底下方提供气隙并且以受控的速率和组成在气隙内提供气体以改变热传导率，从而控制上覆基底的温度。为了优化顶点和周边(球顶的外圆周)之间温度的均匀性，已发现将基底支撑在CVD反应器内的金属底座上是有利的，在所述形成碳化物的难熔金属基底的至少周边区域下方在所述形成碳化物的难熔金属基底与金属底座之间限定有气隙。例如，所述气隙可以具有位于基底的中心区域下方的第一高度以及位于基底的周边区域下方的第二高度，所述第二高度大于所述第一高度以便减少基底周边区域处的冷却。这种调整增加了额外的热阻项，可以通过使用具有高热传导率的底座材料例如无氧高导铜(OFHC)对此进行补偿。
为了实现商业上可行的制造方法，在单一生长操作中在CVD反应器内提供多个形成碳化物的难熔金属基底是有利的。可以在单个生长操作中在CVD反应器内提供八个或更多个形成碳化物的难熔金属基底。例如，可以提供一个中心基底，并且七个另外基底位于该中心基底周围。
本发明人已发现，在微波等离子体CVD金刚石合成工艺中提供多个非平面基底的一个问题在于，可能跨异形基底产生不均匀的电场并且这会导致不均匀的金刚石沉积。特别地，已发现每个基底外边缘处的电场强度大于内边缘，相对于等离子室的中心轴线而言。据认为这是由高阶衰减微波模式引起的。因此，期望配置基底的布置以便降低每个基底的外边缘处的电场强度，使得电场强度跨异形基底是相对均匀的。例如，每个基底的内边缘和外边缘之间的电场强度差异不可以超过内边缘处电场强度的10％、8％、5％或2％。这可以通过下面讨论的多种不同方式来实现：
(i)使用单模等离子室，如TM011模式的等离子室，能够辅助提供稳定的电场并使来自多模的干扰最小化。
(ii)提供素数(prime number)个离轴非平面基底(如，不包括位于等离子室的中心旋转轴上的基底)能够辅助使位于等离子室内的结构部件引起的电场不均匀最小化。等离子室还优选地设有素数个微波的入口开孔以便使等离子室内的电场强度不均匀最小化。
(iii)可将模态抵消块定位在等离子室内以减小来自多模的干扰。在这方面，每个微波入口开孔在效果上相当于矩形波导。三路开孔可有助于使开孔长度最大化。从模态稳定性的角度来看，四路和六路开孔都已被发现是有缺陷的。尽管存在多个开孔，能够主要以TM0mn模态将功率耦合到腔内。存在来自开孔对称性的影响，其形式可表现为产生高阶模态如TMlmn(其中l不等于0)。因此，三路开孔(其中所有三个开孔都被同相激发)将耦合到TM3mn系列模态，而四路和六路开孔可预期与更高阶TM8mn和TM12mn模态耦合。然而在实践中，四路和六路开孔倾向于寄生模态。因此，四路或六路开孔可以耦合到TM2mn模态。总的效果是，四路和六路开孔可以在等离子体中形成非对称性，其导致等离子体偏离中心或者分裂成两路。三路开孔产生稳定的三路牵引效应，这比其它构造所发生的更严重的一路和两路分裂模态要受欢迎些(less undesirable)。可以使用模态抵消块来处理不稳定性，所述模态抵消块基本上金属体，该金属体对局部电场产生微扰，其意图抵消由所述开孔产生的三路模态的影响。这些金属块的位置可以根据经验建立。通过将它们放在高壁电流区域(即H场高的地方)，所述块可被用于破坏不需要的模态。因此，在一种设置中将多个模态抵消块布置在等离子室的内壁上，例如在该室的侧壁上或底部上，对所述模态抵消块进行配置以便补偿由多个开孔引起的电磁微扰。所述模态抵消块被间隔开以便与所述开孔构造对称相关。例如，模态抵消块的数目可以等于波导板中提供的开孔数目，对所述模态抵消块进行定位以便具有对应于开孔设置的对称性。例如，如果波导板中提供三个开孔，那么可以在等离子室下部中环绕等离子室壁安装三个模态抵消块并使其对称设置，以便抵消由所述开孔引起的电场微扰。作为替代，模态抵消块的数目可以是开孔数目的整数倍，同时仍然进行设置以便与开孔构造对称相关。可将所述模态抵消块粘附到等离子室的内壁或者由等离子室壁一体地形成。
(iv)可设置基底构造以便相对于内边缘减小每个基底的外边缘处的电场强度，从而补偿在每个基底的外边缘处发现的较高电场强度。这可以通过多个方式实现：
(a)使模态抵消块定位在每个基底的外边缘附近来减小每个基底的外边缘处的电场强度；
(b)相对于内边缘降低每个基底的外边缘的局部高度能够补偿内边缘和外边缘之间的电场强度的不一致。这可以通过如下方式来实现：调整基底相对于其上放置基底的支撑表面的角度或者以其它方式调整支撑表面的角度，使得基底外边缘到支撑表面的高度低于基底内边缘到支撑表面的高度。
关于第(iv)(b)点，已发现调节中心基底向外相对于CVD反应器的中心轴的角度是有利的。通过调节基底向外的角度，已经发现在该基底的外边缘上的电场强度减小，同时该有角度的基底的内边缘处的强度增加。发现这会改善CVD反应器内并非中心定位的基底上的CVD金刚石生长的均匀性。例如，可以使所述多个形成碳化物的难熔金属基底中的一个或更多个进行取向以便具有相对于CVD反应器的中心轴成1°至35°、2°至25°、3°至20°或4°至15°范围内的角度设置的中心旋转轴。
作为替代，可以通过如下方式来实现类似的效果：相对于CVD反应器的中心轴以平行取向安置基底，但是提供在一个或更多个形成碳化物的难熔金属基底下方倾斜的支撑表面使得该支撑表面的高度在基底的外边缘处相对于基底的内边缘提高。这具有减小基底外边缘上的电场强度且同时基底内边缘处的强度增加的相应效果。
因此已发现前述方法对提供一种制备独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的商业路线是有利的。所得到的部件具有制备方法所固有的特征。例如，所述部件将包括成核面和生长面，所述成核面包括比生长面更小的晶粒，且成核面具有低的表面粗糙度，这反映了制造它们的生长表面的低表面粗糙度。此外，该部件将如先前所述那样基本上无开裂。因此，本发明的一个方面是提供一种独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，该部件包括成核面和生长面，成核面包括比生长面更小的晶粒，成核面具有不大于50nm、40nm、30nm、20nm或10nm的表面粗糙度Ra，其中所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件当投影到平面上时具有不小于5mm的最长线性尺寸，并且在其至少中心区域上基本无裂纹，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％、80％、80％、90％或95％，其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于2mm、1.5mm、1.0mm、0.5mm或0.2mm长度的裂纹。
与在硅基底上生长的部件相比，根据本发明的实施方案在形成碳化物的难熔金属基底上制造的部件表现出进一步的特征。例如，所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件还可以包含一个或多个下列特性：
(i)通过二次离子质谱法测定的硅浓度不大于1017原子cm-3、5×1016原子cm-3、1016原子cm-3、5×1015原子cm-3或1015原子cm-3；
(ii)所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的成核面与生长面之间的硅浓度差异不大于1017原子cm-3、5×1016原子cm-3、1016原子cm-3、5×1015原子cm-3或1015原子cm-3；
(iii)在所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的成核面处没有可检测的碳化硅；以及
(iv)在所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的成核面处的可检测水平的难熔金属碳化物。
关于特征(i)，未生长在硅基底上并且在CVD反应器内不存在其它明显硅源的部件将基本上不包含硅。这与生长在硅基底上的部件形成对比，其中在生长期间来自基底的硅将纳入到所述非平面聚晶CVD合成金刚石部件中。
关于特征(ii)，如果在CVD反应器中存在另外的明显硅源，那么未生长在难熔金属基底上的部件可能仍然包含大量的硅。例如，包含钟形罩的CVD反应器室将往往导致来自钟形罩的硅纳入在钟形罩内生长的金刚石部件中。然而，在金刚石部件的生长期间，这种硅通常将以基本上均匀的方式被纳入。这可与在硅基底上的生长形成对比，其中来自所述硅基底的大量硅可纳入在其上生长的金刚石部件的成核面中，但是当金刚石生长继续时，硅基底被金刚石覆盖，所述金刚石显著减少了在生长面纳入到金刚石部件中的硅量。因此，虽然生长在硅基底上的部件在成核面表现出比生长面更高的硅浓度，但是在难熔金属基底上生长的部件通常将不呈现出这种浓度梯度，即使在CVD反应器内存在其它硅源。
关于特征(iii)，在硅基底上生长的部件将往往在成核面上具有可检测水平的碳化硅，甚至在硅基底的酸蚀后也是如此。这与在难熔金属基底上生长的部件形成对比，该部件将往往在成核面上没有可检测到的碳化硅。
最后，关于特征(iv)，在难熔金属基底上生长的部件将往往在成核面上具有可检测水平的难熔金属碳化物。这与在硅基底上生长的部件形成对比，该部件将往往在成核面上没有可检测到的金属碳化物。
根据本发明特定实施方案的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件可以具有一个或多个下列尺寸特征：
当投影到平面上时不小于5mm、10mm、15mm、20mm或25mm的最长线性尺寸，例如在5mm至50mm、10mm至40mm、15mm至35mm或20mm至30mm的范围内；以及
不大于500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、75μm或50μm的厚度，例如在20μm至100μm、30μm至90μm、30μm至80μm、35μm至70μm、35μm至60μm或35μm至55μm的范围内。
将认识到，本文所述的方法能够实现相对大的薄部件的受控、无裂纹的分离。如果所述部件是金刚石扬声器球顶可以是中心球顶形部分，优选具有凸形的成核面，那么具有一个或多个下列尺寸特征：
10mm至80mm、20mm至70mm、30mm至60mm、40mm至55mm或45mm至55mm范围内的曲率半径；
不大于平均径向厚度的40％、30％、25％、或22％的径向厚度变化；以及
不大于平均圆周厚度的20％、15％、或22％的圆周厚度变化。
所述扬声器球顶部件优选还包含由从所述球顶形部分的外圆周伸出的基本上圆柱形周边部分形成的“裙部”。该裙部可以具有在所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的中心旋转轴的20°、10°、5°、2°、或1°内取向的侧壁。另外，所述基本上圆柱形周边部分的侧壁可以包含与球顶形部分的外圆周相邻的至少一部分，其相对于所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的中心旋转轴形成2°至20°、3°至10°、4°至7°或5°至6°范围内的角度。如前所述，在球顶和裙部之间提供这种角度过渡部分有助于实现CVD金刚石生长以及在制造期间所述部件从下方基底的受控、无裂纹的分离。所述裙部优选地具有0.2mm至2.0mm、0.2mm至1.5mm、0.3mm至1.0mm、0.4mm至0.8mm或0.5mm至0.75mm范围内的深度。已发现这样的裙部深度在扬声器球顶应用中提供了优质的声学特性。为了进一步增强声学特性，所述扬声器球顶还优选重量非常轻。例如，所述部件可以具有50mg至110mg、60mg至100mg、65mg至90mg、70mg至85mg或70mg至80mg范围内的质量。
因此，如上制造的扬声器球顶具有优异的声学特性，例如破音频率大于25kHz、35kHz、45kHz或55kHz、60kHz或70kHz，并且在破音频率的4/9处测量的同轴响应曲线与平坦响应的偏差小于3dB。
图1示出了根据本发明实施方案的用于制造非平面聚晶CVD合成金刚石部件的形成碳化物的难熔金属基底2的实例的截面视图。基底2是包含球顶形部分4和基本上圆柱形部分6的纯钨基底。所述球顶形部分的高度hd为3.5mm，直径d为25.5mm，曲率半径为25mm。所述基本上圆柱形部分的高度hc为4.43mm，因而所述基底总高度ht为7.93mm。
从球顶的肩部起，在到达基底的垂直边缘之前0.91mm处存在5°的拔模角度。这更详细地显示在图2中，该图示出了图1中所示的形成碳化物的难熔金属基底的肩部的截面视图。在形成碳化物的难熔金属基底的球顶形部分4与圆柱形部分6之间提供角度过渡部分8。
如此制造的基底在所有表面上的表面粗糙度Ra>1000nm，然后将其研磨和抛光至<20nm的期望Ra。所述研磨和抛光处理包括球顶部分2和基本上圆柱形部分4两者。
图3示出了护圈10的截面视图，在CVD反应器内所述护圈可被设置在图1和2中所示的形成碳化物的难熔金属基底的周围，从而允许对金刚石生长的“修剪”(pinching off)并且限定出用于使生长在所述形成碳化物的难熔金属基底上的非平面聚晶CVD合成金刚石部件受控分离的脱离区域。
所示护圈一般具有尖锐轮廓设计，包括倾斜的外表面12，但是变体是可能的。这就是说，已对扁平的尖头护圈与扁平的尖头环进行了试验且很少成功，这通常由被所述护圈与基底之间的过度生长(overgrowth)的倾向所支配。还设想可以为护圈在内壁14上提供台阶，以便控制护圈与基底之间的将影响脱离的死角区域的体积。
使用中，护圈10位于所述基底外边缘的周围。这个护圈限定了所生长的金刚石部件的裙部轮廓，与基底的基本上圆柱形部分的高度相应的所述圈的高度限定出裙部的长度。
图4示出了形成碳化物的难熔金属基底2和护圈10的截面视图，所述护圈安装在底座16上并且通过隔离丝17与其间隔开，以便在底座与形成形成碳化物的难熔金属基底和护圈之间形成气隙18。对所述底座进行设计以便增加在护圈和/或基底周边区域下方的气隙，从而优化球顶顶点和肩部之间的温度均匀性，前面所示的护圈看起来绘出了离开基底边缘的高度，从而导致球顶的较薄生长。这种调整增加了额外的热阻项，通过使用具有高热传导率的底座材料来对此进行补偿。因此，选择OFHC铜材料用作底座。
图5示出了包含多个底座16的台板20的截面视图，在所述底座上设置形成碳化物的难熔金属基底2和护环10。所示台板被设计为使得七个底座16以10°角度下陷到台板的表面中，以43.8mm的半径围绕一个中心底座。所述外部底座位于距离台板底部10mm的高度，而所述中心底座具有8mm的高度。
如前所述，以这种方式调节离轴基底的角度导致离轴基底的外边缘的高度ho低于离轴基底的内边缘的高度hi。这趋于降低离轴基底的外边缘处的电场强度，否则其显著高于基底的内边缘处的电场强度。因此，这种设置补偿了跨基底的电场强度不均匀性，并且导致更均匀的金刚石沉积以及在生长后无裂纹的分离。
图6示出了图5中所示的基底/台板构造的顶视图。所述基底构造包含一个中心的以及七个离轴的布置在台板20上的形成碳化物的难熔金属基底2。所述离轴基底在围绕所述中心基底的圆中均匀间隔。素数个均匀间隔的离轴基底有助于保持电场均与性并因此有助于维持均匀的金刚石沉积。为了增加基底的个数，可对这种七个离轴设置进行重新配置以便包含11个离轴基底。可以根据台板和微波等离子腔的尺寸提供更高素数个离轴基底，然而可指出的是，移向更大的直径可能在保持等离子体稳定性和均匀金刚石沉积方面是有问题的。
图7示出一种替代性基底构造的截面视图。如图5中的设置所示，所述基底构造包括台板20，所述台板20包括多个底座16，在底座16上设置所述形成碳化物的难熔金属基底2和护环10。然而，不调节台板/基底的角度，而是使台板的上表面倾斜，使得在台板上表面之上每个基底的外边缘高度h0小于在台板上表面之上每个基底的内边缘高度hi。这具有与降低每个基底的外边缘处的电场强度相同的技术效果，以致于使每个基底的内边缘处的电场强度更接近地匹配。也可以设想诸如阶梯台板或曲面台板的变化以确保在台板上表面之上每个基底的外边缘高度h0小于在台板上表面之上每个基底的内边缘高度hi。
作为如图5-7所示构造的替代，不调节基底或顶部台板表面的角度或者除调节基底或顶部台板表面的角度之外，可使用模态抵消块来降低每个基底的外边缘处的电场强度，以致于使每个基底的内边缘处的电场强度更接近地匹配。
图8示出了一种微波等离子体反应器的截面视图，其中设置基底/台板构造。所述微波等离子体反应器包括下列基本部件：等离子室22；设置在所述等离子室中的台板24，用于安放球顶形基底4；微波发生器26，用于在等离子室22内形成等离子体28；微波耦合构造30，用于经由同轴波导并通过环形介电窗口32将来自微波发生器26的微波输送到等离子室22中；气流系统34、36、38，用于将工艺气体输送到等离子室22中以及将它们从中去除；以及基底冷却系统40，用于控制基底4的温度。
在合成期间，可以用3000:43:93sccm的工艺气流H2:Ar:CH4将平均基底温度控制在1050-1075℃之间。根据某些实施方案，在所述气流中不提供额外的氧气。将微波功率控制为20-30kW，并且将等离子室压力控制为190-200托。此外，使用受控的下降过程，而不是快速的冷却技术。这涉及在20分钟内的压力和功率下降，将基底冷却至600℃，随后熄灭等离子体。目标厚度为35-45μm，这应提供大约70-75mg的球顶质量。球顶的厚度存在一些径向不均匀性，其可以为约22％。圆周扩展约为10％。
生长之后，几乎不需要处理。一定数目的生长操作之后，基底可能需要一些再处理(repreparation)。关键是确保所述表面的低Ra是完好的并且在基底侧面上没有可能干扰所述裙部区域生长的碎片(debris)。金刚石球顶本身可受益于交货之前的酸清洗，但是不需要激光切割或仿形切削(profi ling)。还可以在制造后对产品进行涂覆，例如处于美观的好处。
虽然结合优选的实施方案对本发明进行了具体显示和描述，但是应当理解的是本领域的技术人员可以在不脱离所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下在形式和细节上做出各种改变。

Claims (18)

1.一种独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，该独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件包含成核面和生长面，所述成核面包含比所述生长面更小的晶粒，所述成核面具有不大于50nm的表面粗糙度Ra，其中所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件在投影到平面上时具有不小于5mm的最长线性尺寸，并且在其至少中心区域上无裂纹，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％，其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于2mm长度的裂纹。
2.根据权利要求1所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少80％、90％或95％。
3.根据权利要求1所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于1.5mm、1.0mm、0.5mm或0.2mm长度的裂纹。
4.根据权利要求1所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述成核面的表面粗糙度Ra不大于40nm、30nm、20nm或10nm。
5.根据权利要求1所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，当投影到平面上时具有不小于10mm、15mm、20mm或25mm的最长线性尺寸。
6.根据权利要求5所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述最长线性尺寸在10mm至40mm、15mm至35mm、或20mm至30mm的范围内。
7.根据权利要求1所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件具有不大于500μm、400μm、300μm、200μm、100μm、75μm、或50μm的厚度。
8.根据权利要求7所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述厚度在20μm至100μm、30μm至90μm、30μm至80μm、35μm至70μm、35μm至60μm或35μm至55μm的范围内。
9.根据权利要求1所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其包含中心球顶形部分。
10.根据权利要求9所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述中心球顶形部分的生长面是凸的。
11.根据权利要求9所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述球顶形部分具有10mm至80mm、20mm至70mm、30mm至60mm、40mm至55mm、或45mm至55mm范围内的曲率半径。
12.根据权利要求9所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述球顶形部分具有不大于平均径向厚度的40％、30％、25％或22％的径向厚度变化。
13.根据权利要求9所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述球顶形部分具有不大于平均圆周厚度的20％、15％、或22％的圆周厚度变化。
14.根据权利要求9所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件还包含圆柱形的周边部分，该周边部分从所述球顶形部分的外圆周延伸并且具有在所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的中心旋转轴的20°、10°、5°、2°、或1°内取向的侧壁。
15.根据权利要求14所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述圆柱形的周边部分包含两个部分，包括主要侧壁部分以及与所述球顶形部分的外圆周相邻的角度过渡部分，所述角度过渡部分位于所述主要侧壁部分和所述球顶形部分之间，其中所述角度过渡部分相对于所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的中心旋转轴形成2°至20°、3°至10°、4°至7°或5°至6°范围内的角，并且其中所述角度过渡部分的角度大于由所述主要侧壁部分相对于所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的中心旋转轴所形成的角度。
16.根据权利要求14所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述圆柱形的周边部分具有0.2mm至2.0mm、0.2mm至1.5mm、0.3mm至1.0mm、0.4mm至0.8mm或0.5mm至0.75mm范围内的深度。
17.根据权利要求9所述的独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，其中所述球顶形独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件具有50mg至110mg、60mg至100mg、65mg至90mg、70mg至85mg或70mg至80mg范围内的质量。
18.一种制造独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的方法，所述方法包括：
对形成碳化物的难熔金属基底的非平面表面进行处理，从而在所述非平面表面上形成具有不大于50nm表面粗糙度Ra的金属碳化物层；
在700℃至1300℃范围的生长温度下，在CVD反应器中在所述非平面表面上生长聚晶CVD合成金刚石材料的膜；以及
以受控的速率冷却所述形成碳化物的难熔金属基底的和聚晶CVD合成金刚石材料的膜，由此所述聚晶CVD合成金刚石材料的膜在冷却期间从所述形成碳化物的难熔金属基底的金属碳化物表面分离，从而产生独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件，该部件具有不大于50nm表面粗糙度Ra的成核面并且至少在其中心区域上无裂纹，其中所述中心区域是所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件总面积的至少70％，并且其中所述中心区域没有与所述独立式非平面聚晶CVD合成金刚石部件的两个外部主要面相交并且延伸大于2mm长度的裂纹。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201214370D0 (en) * 2012-08-13 2012-09-26 Element Six Ltd Thick polycrystalline synthetic diamond wafers for heat spreading applications and microwave plasma chemical vapour deposition synthesis techniques
GB201410703D0 (en) 2014-06-16 2014-07-30 Element Six Technologies Ltd A microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
TW201616467A (zh) * 2014-10-31 2016-05-01 中華映管股份有限公司 曲面裝飾板以及曲面顯示裝置的製作方法
US10494713B2 (en) * 2015-04-16 2019-12-03 Ii-Vi Incorporated Method of forming an optically-finished thin diamond film, diamond substrate, or diamond window of high aspect ratio
GB201522502D0 (en) 2015-12-21 2016-02-03 Element Six Technologies Ltd Thick Optical quality synethetic polycrystalline Diamond Material with low bulk absorption and low microfeature density
CN109700453B (zh) * 2018-12-15 2022-06-14 深圳市中科先见医疗科技有限公司 一种复合阵列电极及其制备方法和应用
GB201911086D0 (en) 2019-08-02 2019-09-18 Element Six Tech Ltd Non-planar diomand body
CN110773623A (zh) * 2019-12-17 2020-02-11 哈工大机器人（岳阳）军民融合研究院 电磁冲孔成形装置
GB201919158D0 (en) * 2019-12-23 2020-02-05 Element Six Tech Ltd Non-planner diamond body

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6659161B1 (en) * 2000-10-13 2003-12-09 Chien-Min Sung Molding process for making diamond tools
CN1649678A (zh) * 2002-05-01 2005-08-03 皇家飞利浦电子股份有限公司 超声薄膜换能器
WO2005101900A1 (en) * 2004-04-15 2005-10-27 B & W Loudspeakers Limited Diaphragms for loudspeaker drive units or microphones
CN101103651A (zh) * 2005-01-14 2008-01-09 六号元素有限公司 带涂层的扬声器圆顶
CN101990148A (zh) * 2009-07-31 2011-03-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 振动膜及应用该振动膜的扬声器

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59143498A (ja) 1983-02-03 1984-08-17 Sumitomo Electric Ind Ltd スピ−カ−用振動板およびその製造法
JPS60141697A (ja) * 1983-12-27 1985-07-26 Pioneer Electronic Corp ダイヤモンド振動板の製造方法
US5261959A (en) 1988-05-26 1993-11-16 General Electric Company Diamond crystal growth apparatus
CA2034440A1 (en) * 1990-02-13 1991-08-14 Thomas R. Anthony Cvd diamond workpieces and their fabrication
US5264071A (en) * 1990-06-13 1993-11-23 General Electric Company Free standing diamond sheet and method and apparatus for making same
JPH04161000A (ja) 1990-10-25 1992-06-04 Yamaha Corp スピーカー用振動板の製造方法
JPH0638295A (ja) 1992-07-15 1994-02-10 Sumitomo Electric Ind Ltd スピ−カ−用振動板及びその製造方法
JP3107683B2 (ja) * 1993-08-12 2000-11-13 富士通株式会社 ダイヤモンドの気相合成方法
DE10015729B4 (de) * 2000-03-29 2005-09-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Herstellen eines Elementes aus polykristallinem Diamant sowie danach hergestelltes Element
US7011134B2 (en) 2000-10-13 2006-03-14 Chien-Min Sung Casting method for producing surface acoustic wave devices
US7132309B2 (en) * 2003-04-22 2006-11-07 Chien-Min Sung Semiconductor-on-diamond devices and methods of forming
JP2007524554A (ja) 2003-02-06 2007-08-30 ジェンヴァック エアロスペイス コーポレイション 自立ダイヤモンド構造および方法
JP2006290687A (ja) * 2005-04-12 2006-10-26 Univ Of Electro-Communications 成型ダイヤモンド膜の製造方法
TW200702302A (en) 2005-07-01 2007-01-16 Kinik Co Method of manufacturing diamond film and application thereof
GB0513932D0 (en) * 2005-07-08 2005-08-17 Element Six Ltd Single crystal diamond elements having spherical surfaces
TW200708478A (en) 2005-08-19 2007-03-01 Kinik Co Diamond vibrating membrane
US20090120366A1 (en) 2007-01-29 2009-05-14 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Microwave plasma cvd device
GB201021913D0 (en) 2010-12-23 2011-02-02 Element Six Ltd Microwave plasma reactors and substrates for synthetic diamond manufacture

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6659161B1 (en) * 2000-10-13 2003-12-09 Chien-Min Sung Molding process for making diamond tools
CN1649678A (zh) * 2002-05-01 2005-08-03 皇家飞利浦电子股份有限公司 超声薄膜换能器
WO2005101900A1 (en) * 2004-04-15 2005-10-27 B & W Loudspeakers Limited Diaphragms for loudspeaker drive units or microphones
CN101103651A (zh) * 2005-01-14 2008-01-09 六号元素有限公司 带涂层的扬声器圆顶
CN101990148A (zh) * 2009-07-31 2011-03-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 振动膜及应用该振动膜的扬声器

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