CN106661759B - 金刚石复合体、衬底、金刚石、包括金刚石的工具、以及制造金刚石的方法 - Google Patents

金刚石复合体、衬底、金刚石、包括金刚石的工具、以及制造金刚石的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种能缩短分离衬底和金刚石层的分离时间的金刚石复合体、衬底和制造金刚石的方法、以及从所述金刚石复合体获得的金刚石和包括所述金刚石的工具。所述金刚石复合体包括：包括金刚石籽晶并在主表面中具有沟槽的衬底，形成在所述衬底的主表面上的金刚石层，以及在距所述衬底和所述金刚石层之间的界面恒定深度处形成在衬底侧上的非金刚石层。

Description

金刚石复合体、衬底、金刚石、包括金刚石的工具、以及制造金 刚石的方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石复合体、衬底、金刚石、包括金刚石的工具、以及制造金刚石的方法。
背景技术
金刚石具有许多优良特性，例如高硬度、高热导率、高透光率、宽带隙等等。因此，金刚石广泛用作用于各种工具、光学部件、半导体、以及电子部件的材料，且预期在未来会变得更加重要。
作为金刚石的工业应用，除了天然形成的金刚石之外，主要使用具有稳定质量的人工合成金刚石。目前，大多数人造金刚石单晶在具有约一千几百摄氏度至两千几百摄氏度的温度以及大于或等于几万大气压的环境(金刚石可稳定存在于这些条件下)下被工业合成。因为生成这种高温和高压的超高压容器非常昂贵且在尺寸上受限，因此通过高温高压合成方法的大尺寸单晶的合成具有局限性。对于包含作为杂质的氮(N)且假设为黄色的Ib型金刚石来说，通过高温高压合成方法制造并销售1cm直径级别的金刚石。但是，这个等级的尺寸被认为是基本上到达了上限。而且，对于没有杂质且无色而且透明的IIa型金刚石来说，高温高压合成方法仅允许合成具有小于或等于约几毫米直径的更小的金刚石。
另一方面，除了高温高压合成方法之外，已经建立化学气相合成方法(以下也称为化学气相沉积(CVD)方法)作为用于合成金刚石的方法。这种方法允许形成具有约6英寸直径的相对较大的合成金刚石，其典型地为多晶薄膜。但是，当金刚石在金刚石的应用中用作超精度工具或需要特别平坦表面的光学部件时，应当使用需要杂质浓度的精确控制以及高载流子迁移率的半导体等的单晶金刚石。因此，已经常规地考虑通过借助化学气相合成方法的外延生长获得单晶金刚石的方法。
通常，外延生长包括其中生长物质生长在同质衬底上的同质外延生长，以及其中生长物质生长在异质衬底上的异质外延生长。其中，同质外延生长被认为对于单晶合成来说更实用，因为所获得的单晶具有优良结晶度。
通过同质外延生长，可通过在借助高温高压合成获得的Ib型金刚石衬底上通过由气相外延生长高纯度金刚石而获得大于通过高温高压合成方法获得的IIa型金刚石的IIa型金刚石。
但是，当同质外延生长用于合成金刚石时，会出现怎样移除衬底以及怎样再利用衬底的问题。当通过使用Ib型金刚石等通过化学气相合成获得IIa型金刚石薄膜作为衬底时，有必要通过某一方法从生长的金刚石层移除Ib型金刚石衬底。对于这种方法来说，可采用用于分离外延薄膜和衬底的方法，且激光切片是一种典型的方法。但是，对于具有增大面积的金刚石来说，金刚石应当具有更厚的厚度以便承受切片，且切片变得不太成功。
因此，PTD 1(日本专利申请公开No.2008-031503)已经提出了一种用于通过借助化学气相合成方法在金刚石衬底上生长金刚石层，从生长表面以高到难以劣化最外层表面的结晶度的能量注入离子以直接在金刚石衬底上形成离子注入层，且随后通过电化学技术蚀刻注入层，在不造成损伤的情况下分离/脱层金刚石衬底以及金刚石层的方法。但是，使用PTD 1(日本专利申请公开No.2008-031503)的技术，需要12小时才能分离4平方毫米的金刚石单晶衬底以及其上生长的金刚石，这会延长制造工艺。
PTD 2(日本专利申请公开No.2011-195407)以及PTD 3(日本专利申请公开No.2011-195411)已经提出一种通过使用具有预定pH以及电导率的蚀刻溶液作为非金刚石层的蚀刻溶液，而以相对较短的时间在其中交替层叠金刚石层、通过将离子注入金刚石而获得的电导性非金刚石层、以及金刚石层而制成的结构体中分离金刚石层的方法。
引用文献列表
专利文献
PTD 1：日本专利申请公开No.2008-031503
PTD 2：日本专利申请公开No.2011-195407
PTD 3：日本专利申请公开No.2011-195411
发明内容
技术问题
借助PTD 2以及PTD 3的技术，当将由金刚石制成的结构体浸入蚀刻溶液时，蚀刻溶液从非金刚石层的外部暴露部分渗透进入非金刚石层。因为非金刚石层具有非常薄的厚度，因此蚀刻溶液渗入非金刚石层的速度非常慢。因此，随着衬底尺寸的增加，用于分离金刚石层的分离速度也变得非常慢，致使制造成本增加。
因此，本发明的目的是提供一种能缩短分离衬底和金刚石层的分离时间的金刚石复合体、所述衬底、及制造金刚石的方法、以及由金刚石复合体获得的金刚石以及包括金刚石的工具。
技术方案
根据本发明的一个方面的金刚石复合体包括：包括金刚石籽晶并在主表面中具有沟槽的衬底，形成在所述衬底的主表面上的金刚石层，以及以距所述衬底和所述金刚石层之间的界面恒定深度形成在衬底侧上的非金刚石层。
根据本发明的一个方面的衬底是包括金刚石籽晶的衬底，所述衬底的主表面相对于(001)面具有大于或等于0°且小于或等于15°的偏离角，所述衬底的主表面具有基本上平行于<100>方向的沟槽。
根据本发明的一个方面的金刚石是包括通过电化学蚀刻根据本发明的一个方面的金刚石复合体的非金刚石层、并分离所述金刚石层和所述衬底而获得的金刚石层的金刚石。
根据本发明的一个方面的金刚石是具有一组主表面、且当以垂直穿过该组主表面的光观察时包括线形或格子形光学畸变的金刚石。
根据本发明的一个方面的金刚石是包括具有一组主表面的金刚石层、以及布置在所述金刚石层的所述主表面的至少一个上的包含注入离子的层的金刚石，包含注入离子的层具有穿透至金刚石层的线形或格子形的沟槽。当包含注入离子的层具有薄的厚度时，沟槽的每一个被辨识为包括在主表面上彼此相邻的注入离子的层之间不包含注入离子的边界。
根据本发明的一个方面的金刚石是具有一组主表面的金刚石，当从所述主表面的任一个观察时，所述金刚石包括光致发光(PL)的强度和阴极发光(CL)的强度、或SEM中的次级电子强度、反射电子强度以及吸收电流强度的映射中的线形或格子形阵列。
根据本发明的一个方面的金刚石是具有第一主表面以及第二主表面的多晶金刚石，包括在第一主表面的表面中的线形或格子形的光学畸变，第二主表面的表面的平均粒径大于或等于第一主表面的表面在除光学畸变的周期波峰面积之外的区域中的平均粒径的50％且小于或等于其200％。
根据本发明的一个方面的工具是包括根据本发明的一个方面的金刚石的工具。
制造根据本发明的一个方面的金刚石的方法是通过化学气相合成方法制造包括金刚石层的金刚石的方法，包括：制备包括金刚石籽晶并在主表面中具有沟槽的衬底；通过将离子注入到所述衬底，在距所述衬底的主表面的表面的恒定深度形成非金刚石层；通过化学气相合成方法在所述衬底的主表面生长金刚石层；以及通过电化学蚀刻所述非金刚石层，从所述衬底分离所述金刚石层。
制造根据本发明的一个方面的金刚石的方法是通过化学气相合成方法制造包括金刚石层的金刚石的方法，包括：制备包括金刚石籽晶的衬底；通过将离子注入到所述衬底中，在距衬底主表面的表面的恒定深度处形成非金刚石层；在所述衬底的主表面中形成沟槽，通过化学气相合成方法，在所述衬底的主表面上生长所述金刚石层；以及通过电化学蚀刻所述非金刚石层，从所述衬底分离所述金刚石层。
发明的有益效果
根据上述方面，可提供能缩短分离衬底和金刚石层的分离时间的金刚石复合体、所述衬底、用于制造金刚石的方法。而且，可提供由所述金刚石复合体获得的金刚石以及包括所述金刚石的工具。
附图说明
图1是根据本发明的一个方面的金刚石复合体的示意性截面视图。
图2是根据本发明的一个方面的衬底的主表面侧的顶视图。
图3是根据本发明的一个方面的衬底的主表面侧的顶视图。
图4(A)至图4(D)示意性示出用于制造根据本发明的一个方面的金刚石的方法。
图5是一个示例中使用的衬底的主表面侧的顶视图。
图6是一个示例中使用的衬底的主表面侧的顶视图。
具体实施方式
[本发明的实施例的说明]
首先，将以列表方式说明本发明的一个实施例。
(1)根据本发明的一个方面的金刚石复合体包括：包括金刚石籽晶并在主表面中具有沟槽的衬底，形成在衬底主表面上的金刚石层，以及形成在距衬底和金刚石层之间的界面恒定深度的衬底侧上的非金刚石层。
因为金刚石复合体包括具有沟槽的衬底，因此当将金刚石复合体浸入蚀刻溶液时，蚀刻溶液容易流过衬底中的沟槽并渗透进入非金刚石层。因此，缩短了当通过使用电化学技术蚀刻非金刚石层而分离衬底和金刚石层时的分离时间。
(2)优选地，衬底的主表面相对于(001)面具有大于或等于0°且小于或等于15°的偏离角，且衬底的主表面中的沟槽基本上平行于<100>方向。由此，形成在衬底的主表面上的金刚石层具有提高的均匀性。
(3)优选地，衬底的主表面中的沟槽具有大于或等于0.1μm且小于或等于30μm的宽度W。由此，形成在衬底主表面上的金刚石层生长以桥接衬底主表面附近的每个沟槽(即，覆盖每个沟槽的上表面)，且因此金刚石层的表面被平坦化。
(4)优选地，衬底主表面中的沟槽的宽度W和深度D之间的比D/W的值大于或等于3且小于或等于50。由此，形成在衬底主表面上的金刚石层不填充衬底中的沟槽的整个内部，且因此即使衬底和金刚石层分离之后，沟槽仍保留在衬底中。因此，在不需再次形成沟槽的情况下，下次可重新使用衬底。
(5)优选地，衬底的主表面还具有与基本上平行于<100>方向的沟槽交叉的沟槽。由此，可进一步提高当金刚石复合体浸入蚀刻溶液时蚀刻溶液渗透进入非金刚石层的速度。因此，进一步缩短当通过使用电化学技术蚀刻非金刚石层而分离衬底和金刚石层时的分离时间。
(6)进一步，根据本发明的一个方面的衬底是包括金刚石籽晶的衬底，衬底的主表面相对于(001)面具有大于或等于0°且小于或等于15°的偏离角，衬底的主表面具有基本上平行于<100>方向的沟槽。
当衬底的主表面相对于(001)面具有大于或等于0°且小于或等于15°的偏离角时，可在衬底上有效地形成较厚的金刚石，且可提高金刚石的均匀性。进一步，当衬底的主表面中的沟槽基本上平行于<100>方向时，当金刚石层生长在衬底上时，金刚石容易桥接衬底主表面附近的每个沟槽(即，容易覆盖每个沟槽的上表面)，且因此可平坦化金刚石层的表面。
(7)进一步，根据本发明的一个方面的金刚石是包括通过电化学蚀刻(1)至(5)中所述的金刚石复合体的非金刚石层且分离金刚石层和衬底而获得的金刚石层的金刚石。
(8)进一步，根据本发明的一个方面的金刚石是具有一组主表面、且在利用垂直穿过该组主表面的光观察时包括线形或格子形光学畸变的金刚石。因为通过电化学蚀刻(1)至(5)中所述的金刚石复合体的非金刚石层、且分离金刚石层和衬底而获得金刚石，因此以更短的分离时间分离金刚石，且降低了其成本。应当注意“垂直穿过该组主表面”是指穿过的光相对于主表面具有80°至100°范围内的角度。
(9)优选地，在大于或等于主表面的表面的90％的区域中，光学畸变的相位差的平均值小于50nm。这可避免当单独制成时由于线形或格子形部分以及除此之外的部分之间的应力差造成的分离的金刚石层的断裂。
(10)优选地，在大于或等于主表面的表面的90％的区域中，除光学畸变的周期波峰面积之外的区域中的相位差的最大值小于或等于90nm。这可避免当分离的金刚石层单独制成时由于除周期波峰面积之外的区域中的应力差造成的金刚石层中裂纹的生成。
(11)优选地，光学畸变基本上平行于<100>方向。由此，当单独制成分离的金刚石层时，金刚石层中的应力集中位置不位于<110>轴方向附近，且保持其中金刚石层不太可能断裂的方向。进一步，可以以进一步缩短的分离时间从金刚石复合体分离金刚石，且可降低其成本。
(12)优选地，光学畸变占主表面的表面的大于或等于20％的区域。由此，容易确定金刚石是否是从(1)至(5)中所述的金刚石复合体获得。
(13)进一步，根据本发明的一个方面的金刚石是包括具有一组主表面的金刚石层、以及包含布置在金刚石层的至少一个主表面上的注入离子的层的金刚石，包含注入离子的层具有穿透至金刚石层的线形或格子形的沟槽。当金刚石作为热沉或切割固定器而粘合至诸如散热板或柄的异质衬底时，过量的粘合材料会流出沟槽。进一步，提高了金刚石和散热板之间的粘附，且有利于散热。
(14)进一步，根据本发明的一个方面的金刚石是具有第一主表面和第二主表面的多晶金刚石，包括第一主表面的表面中的线形或格子形光学畸变，且第二主表面的表面的平均粒径大于或等于第一主表面的表面在除光学畸变的周期波峰面积之外的区域中的平均粒径的50％且小于或等于其200％。当与异质衬底上的常规多晶结构比较时，这种结构提供粒径和晶界均匀的材料。因为通过电化学蚀刻(1)至(5)中所述的金刚石复合体的非金刚石层、且分离金刚石层和衬底而获得金刚石，因此以更短的分离时间分离金刚石，且可降低其成本。
(15)进一步，根据本发明的一个方面的工具是包括(7)至(14)任一所述的金刚石的工具。
因为以高速从金刚石复合体分离金刚石，因此可降低金刚石以及包括金刚石的工具的制造成本。
(16)进一步，制造根据本发明的一个方面的金刚石的方法是用于通过化学气相合成方法制造包括金刚石层的金刚石的方法，包括制备包括金刚石籽晶并在主表面中具有沟槽的衬底，通过将离子注入衬底而在距衬底主表面的表面恒定深度处形成非金刚石层，通过化学气相合成方法在衬底主表面上生长金刚石层，以及通过电化学蚀刻非金刚石层从衬底分离金刚石层。
因为在制造(16)中所述的金刚石的方法中使用了主表面中具有沟槽的衬底，因此当具有形成在衬底的主表面上的金刚石层的衬底浸入蚀刻溶液时，蚀刻溶液容易流过衬底中的沟槽并渗透进入非金刚石层。因此，可缩短当通过利用电化学技术蚀刻非金刚石层而分离衬底和金刚石时需要的时间。
(17)制造根据本发明的一个方面的金刚石的方法是通过化学气相合成方法制造包括金刚石层的金刚石的方法，包括制备包括金刚石籽晶的衬底，通过将离子注入衬底而在距衬底的主表面的表面恒定深度处形成非金刚石层，在衬底主表面中形成沟槽，通过化学气相合成方法在衬底的主表面上生长金刚石层，且通过电化学蚀刻非金刚石层而从衬底分离金刚石层。
在制造(17)中所述的金刚石的方法中，在衬底的主表面中形沟槽成，且随后将具有形成在衬底的主表面上的金刚石层的衬底浸入蚀刻溶液。因此，蚀刻溶液容易流过衬底中的沟槽并渗透进入非金刚石层。因此，可缩短通过使用电化学技术蚀刻非金刚石分离衬底和金刚石层时所需的分离时间。
[本发明的实施例的细节]
以下将参考附图说明根据本发明的该实施例的金刚石复合体、衬底、金刚石、工具以及制造金刚石的方法的具体示例。在以下附图中，相同或相应的部分由相同的参考数字指定，且将不再重复其说明。应当注意本发明不限于这些示例且由权利要求的范围定义，且旨在涵盖等效于权利要求范围的范围和含义内的任意变型。
<金刚石复合体>
图1是根据本发明的该实施例的金刚石复合体的截面示意图。金刚石复合体5包括：包括金刚石籽晶且在主表面中具有沟槽4的衬底1，形成在衬底1的主表面上的金刚石层3，以及在距在衬底1和金刚石层3之间的界面的恒定深度处形成在衬底1侧上的非金刚石层2。
在根据本发明的该实施例的金刚石复合体5中，因为衬底1具有沟槽，因此当金刚石复合体5浸入蚀刻溶液时，蚀刻溶液容易流过衬底1中的沟槽并渗透进入非金刚石层2。因此，缩短了通过使用电化学技术蚀刻非金刚石层2分离衬底1和金刚石层3所需的分离时间。
<衬底>
衬底1可以是单晶金刚石或可以是多晶金刚石。因为单晶金刚石更昂贵，从更显著地展现本发明的实施例的效果的观点考虑，衬底1优选是单晶金刚石。衬底1优选具有高结晶度。当衬底1具有高结晶度时，形成在衬底1上的金刚石层3也具有高结晶度。高结晶度是指具有更少缺陷(诸如位错)、且具有更少的晶轴的波动或畸变。衬底1优选是通过高温高压合成方法制造的单晶金刚石。通过高温高压合成方法制造的单晶金刚石具有均匀的晶体结构以及高结晶度。但是，衬底1可以是通过化学气相合成方法制造的单晶金刚石。替选地，衬底1可通过加工从根据本发明的该实施例的金刚石复合体获得的金刚石而制备。
衬底1在主表面中具有沟槽4。沟槽4例如可通过向衬底的平坦主表面上发射激光而形成。在沟槽4形成在衬底1的主表面中的情况下，当金刚石复合体5浸入蚀刻溶液中时，蚀刻溶液容易流过衬底1中的沟槽并渗透进入非金刚石层2。因此，缩短了通过使用电化学技术蚀刻非金刚石层2分离衬底1和金刚石层3时所需的分离时间。
优选地，衬底1的主表面中的沟槽基本上平行于<100>方向。在衬底1的主表面中的沟槽基本上平行于<100>方向的情况下，形成在衬底的主表面上的金刚石层可具有提高的均匀性。
图2是衬底1的主表面一侧的顶视图。虽然沟槽4平行于图2中的<100>方向，但是沟槽4可基本上平行于<100>方向。这里，基本上平行于<100>方向是指沟槽4与<100>方向以大于或等于0°且小于或等于±30°(优选地，大于或等于0°且小于或等于±20°)的角度相交。
应当注意，如果沟槽4平行于<110>方向，则衬底容易断裂(其不是优选的)。此外，如果沟槽4平行于<110>方向，则当金刚石层生长在衬底的主表面上时，难以使金刚石生长以桥接衬底主表面附近的每个沟槽(即覆盖每个沟槽的上表面)，且会削减金刚石表面的平坦性，因此是不优选的。
优选地，衬底1还具有基本上平行于<100>方向的沟槽4a以及与沟槽4a相交的沟槽4b，如图3中的示例所示。在衬底1具有沟槽4a和沟槽4b的情况下，会进一步提高当金刚石复合体浸入蚀刻溶液时蚀刻溶液渗透进入非金刚石层的速度。因此，可进一步缩短通过使用电化学技术蚀刻非金刚石层而分离衬底和金刚石层时所需的分离时间。从沟槽之上的金刚石层的强度观点看，沟槽4a和沟槽4b之间的交角优选大于或等于30°且小于或等于90°，更优选大于或等于50°且小于或等于90°，进一步优选大于或等于70°且小于或等于90°，且最优选90°。从电化学蚀刻速率的观点考虑，沟槽4a和沟槽4b之间的交角优选是锐角。例如，交角优选小于90°，进一步优选小于60°，且最优选30°。因此，沟槽4a和沟槽4b以及<100>方向之间的角度的确定应基于其优先级等全面地考虑金刚石的强度和蚀刻速率两者的观点。
沟槽优选具有大于或等于0.1μm且小于或等于30μm、更优选大于或等于0.1μm且小于或等于20μm、更优选大于或等于0.3μm且小于或等于10μm、且进一步优选大于或等于0.5μm且小于或等于5μm的宽度W。由此，当金刚石层生长在衬底的主表面上时，可生长金刚石以桥接衬底主表面附近的每个沟槽(即，覆盖每个沟槽的上表面)，且因此金刚石的表面被平坦化。应当注意沟槽的宽度W是指衬底1的主表面中暴露的每个沟槽4的宽度的距离。
沟槽的宽度W和深度D之间的比值D/W优选大于或等于3且小于或等于50，更优选大于或等于5且小于或等于40，且进一步优选大于或等于10且小于或等于30。由此，当金刚石层生长在衬底的主表面上时，金刚石不填充衬底中的沟槽的整个内部。因此，即使在分离衬底和金刚石层之后，沟槽仍保留在衬底中，且因此可在不需在衬底中再次形成沟槽的情况下重复利用衬底。应当注意沟槽的深度D是指在衬底1的厚度方向上从衬底1的主表面至最远离其的每个沟槽4的位置的距离。
沟槽优选具有更深的深度D，因为衬底的主表面上形成的金刚石层未填充衬底中的整个沟槽。但是，如果沟槽的深度D大于衬底厚度的三分之二，则会引起衬底容易断裂的问题。因此，从确保衬底的强度的观点考虑，沟槽的深度D优选小于或等于衬底厚度的三分之二，更优选小于或等于衬底厚度的一半，且进一步优选小于或等于衬底厚度的三分之一。
如果每个沟槽的端部到达衬底的外边缘，则蚀刻溶液容易流过沟槽并渗透进入非金刚石层，这是优选的。但是，也会引起衬底容易断裂的问题。因此，从确保衬底的强度的观点考虑，优选每个沟槽的端部不到达衬底的外边缘，如图2和3中的示例所示。在这种情况下，每个沟槽的每个端部以及衬底的外边缘之间的距离l优选大于或等于衬底一边L的2％且小于或等于其20％，且进一步优选大于或等于衬底的一边L的5％且小于或等于其10％。由此，在确保衬底强度的情况下，蚀刻溶液容易渗透进入非金刚石层。在能够确保衬底强度的情况下(诸如例如，在衬底的厚度大于沟槽的深度D的十倍以上的情况下，以及在衬底粘合至异质衬底且由此被增强的情况下)，距外边缘的距离l可被设定为0mm。由此，蚀刻速率变得更快。
沟槽之间的间隔优选大于或等于10μm且小于或等于5mm，更优选大于或等于100μm且小于或等于5mm，且进一步优选大于或等于500μm且小于或等于3mm。这里，沟槽之间的间隔是指在宽度方向上从沟槽的中心至宽度方向上相邻沟槽的中心的最小距离。由此，可并行进行蚀刻，沟槽可具有足够的宽度，且可执行具有高自由度的设计。沟槽之间的间隔可大于或等于衬底的一边L的2％且小于或等于其20％。例如，在衬底尺寸增至25mm或以上的情况下，即使在间隔为5mm或以上时也能展现本发明的效果。沟槽之间的间隔优选大于或等于沟槽宽度的五倍，且进一步优选大于或等于沟槽宽度的10倍。沟槽部之上的金刚石层倾向于具有高畸变，且如果沟槽之间的间隔小于沟槽宽度的五倍，则非沟槽部之上的金刚石层中的畸变会对金刚石层的较少畸变部具有显著影响。应当注意，当沟槽之间的间隔大于或等于沟槽宽度的10倍时，金刚石层的主表面中的平均相位差(光学畸变)极大降低，这是优选的。更优选地，沟槽之间的间隔大于或等于沟槽宽度的100倍。
为了有效形成金刚石层3以在金刚石复合体5中具有较大厚度(在图1中的上/下方向上)，衬底1的主表面优选为(001)面。进一步，为了进一步提高金刚石层3的晶体的均匀性，衬底1的主表面相对于(001)面具有优选大于或等于0°且小于或等于15°、更优选大于或等于1.5°且小于或等于8°的偏离角。在金刚石层3具有小于或等于50μm的较薄厚度的情况下，复合体具有很大的重要性。即，仅薄的金刚石层3会在其单独制造时容易断裂，而并入复合体中的薄的金刚石层3不太可能断裂。进一步，在复合体的金刚石层一侧粘合至绝缘体等且随后金刚石层从衬底1电化学分离的情况下，避免在工艺过程中金刚石层3单独存在，且金刚石层3可在没有断裂的情况下保持在绝缘体等上。
从操作的观点考虑，衬底1的厚度优选大于或等于100μm，且从容易获取的观点考虑，优选小于或等于3mm。然而，即使在衬底的厚度大于3mm时也能获得本发明的效果。衬底1的厚度定义为在衬底1的主表面中心附近测量的厚度。虽然衬底1的主表面形状典型地为四边形，但是其可以是多边形或圆。在衬底1的主表面形状是四边形的情况下，从扩大生长方向上的制造的金刚石层3的截面积的观点考虑，四边形的一边优选地具有较长的长度。实际上，一个衬底的一边具有约3mm至12mm的长度，且其中组合多个单晶衬底的马赛克形粘合衬底的一边具有约8mm至50mm的长度。本发明还适用于多晶金刚石，且对于这种情况下的衬底条件来说，除平面取向条件之外，上述条件是适用的。多晶金刚石衬底的一边的长度可设定为20mm至300mm。进一步，虽然多晶金刚石衬底优选抛光为平坦，但是也可用于在不抛光的情况下的不平坦的生成态。
<金刚石层>
金刚石层3是通过CVD方法形成的外延生长层，且在图1中的向上的方向上生长。衬底1的主表面的平面取向传递至金刚石层3的上表面。
金刚石层3可以是单晶或可以是多晶。因为单晶金刚石更昂贵，因此金刚石层3优选是单晶，因此可更明显展现本发明的该实施例的效果。金刚石层3可以是电导性的或可以是绝缘的。因为大多数工业应用的金刚石都是绝缘的，因此金刚石层3通常优选是绝缘的，使用其能明显展现本发明的该实施例的效果。在硼或磷加入金刚石晶体的情况下获得电导性。因为当与绝缘层比较时，电场不太可能穿入电导层，因此难以隔离电导层。
<非金刚石层>
例如可通过从衬底1的主表面注入离子而形成非金刚石层2。通过离子注入将衬底1分成两层。即，非金刚石层2是离子注入层(其是其中破坏了金刚石结构并进行石墨化的层，且具有电导性)。被分开的两层的正面侧层(即，其上将要外延生长金刚石层的层)保持金刚石晶体结构。进一步，某些离子注入的原子也混入其中达到不破坏晶体结构且保持没有被电化学蚀刻的程度。由此，正面侧层具有与常规金刚石表面的特性不同的特性，这会影响诸如浸润性的特性。应当注意，当通过SIMS检查元素分布时，离子注入的原子显示出专属于离子注入的杂质分布的陡的基线的一端，这与当合成金刚石层时引入的杂质的分布不同。难以通过合成执行这种陡的杂质引入。为此，被分成两层的正面侧层被称为包含注入离子的层。
非金刚石层2距衬底1的主表面的深度在波峰优选大于或等于0.05μm且小于或等于3μm，且进一步优选大于或等于0.2μm且小于或等于1μm。由此，可有效增厚内部石墨层，同时在其上保持用于外延层的结晶度。应当注意距衬底1的主表面的深度是指衬底1的主表面以及靠近衬底1的主表面的非金刚石层的表面之间的距离。
非金刚石层2的厚度在半幅值中优选大于或等于0.03μm且小于或等于0.5μm，且进一步优选大于或等于0.05μm且小于或等于0.3μm。由此，可以有效增厚内部石墨层，同时在其上保持用于外延层的结晶度。
为了允许使用电化学技术蚀刻非金刚石层2，非金刚石层2的外周在浸入蚀刻溶液中时应至少部分地、优选全部地与蚀刻溶液接触。
<金刚石>
根据本发明的该实施例的金刚石是通过电化学蚀刻金刚石复合体5的非金刚石层2并分离金刚石层3以及衬底1而获得的包括金刚石层3的金刚石。因为根据本发明的该实施例的金刚石以高速从金刚石复合体分离，因此可降低其制造成本。
根据本发明的该实施例的金刚石具有一组主表面，且包括在至少一个主表面的表面中的线形或格子形光学畸变。通过生长金刚石层而再次封闭在衬底中引入的每个沟槽的金刚石层生长表面(开口)附近来获得根据本发明的该实施例的金刚石。当生长金刚石层时，在通过封闭每个沟槽的开口附近而获得的组合部中，金刚石晶体在水平方向上生长，且在形成在衬底上的金刚石层中，金刚石晶体在垂直方向上生长。这种生长方式的不同致使晶体完整性的不同以及杂质进入量的不同。因此，在通过封闭每个沟槽的开口附近而获得的组合部、以及在衬底上形成的金刚石层的部分之间会发生结晶度的略微不同以及杂质进入量的不同。
即使在金刚石从衬底分离之后，晶体完整性的不同以及杂质进入量的不同也能被观察为光学畸变属性的不同，光致发光(PL)以及阴极发光(CL)的光谱的不同，或次级电子强度、反射电子强度以及吸收电流强度的不同。因此，通过观察这些属性，可能确定金刚石是否是使用本实施例的金刚石复合体制造的。对于除了光学畸变属性之外的属性来说，检测它们的能力在朝向深度方向上降低，且因此适于从分离表面观察它们。即使在光学畸变属性具有较小相位差或较小空间分辨率且难以对其进行测量时，这些方法也能以良好的检测灵敏度区分线形光学畸变、格子形光学畸变等等，且这些方法是有效的。
金刚石的主表面中的沟槽的宽度必须不能削弱金刚石层的结晶度。从这个观点来看，沟槽的宽度优选小于或等于30μm。另一方面，沟槽的宽度优选大于或等于0.1μm以有助于当从金刚石复合体分离金刚石时蚀刻溶液的渗透。
可利用用于评估双折射率以及相位差的设备观测光学畸变的分布。例如，可利用Photonic Lattice公司制造的WPA200等对其观测。相位差的值指示在543nm的波长下对具有50μm至500μm厚度的样本执行测量、并将测量值转换成每100μm的值而获得的值。这种观测使用的是相位差和层厚度之间的比例关系。
当在诸如室温、干冰的升华温度附近、液氮的沸腾温度附近、或小于或等于40K的低温的条件下测量PL和CL时，可清晰地观测到每个沟槽上的上部以及除此之外的上部之间的光学畸变、缺陷以及杂质进入量的不同。用于PL的激励光具有优选小于或等于600nm、更优选小于或等于550nm、且进一步优选小于或等于500nm的短波长。可利用扫描电子显微镜在室温或从室温至液氮的沸腾温度的温度下评估次级电子强度，反射电子强度以及吸收电流强度。这些测量手段可以在即使在上述WPA200等由于低灵敏度或分辨率而测量失败时也能检测所述属性，而且作为分辨金刚石是否是通过本发明的制造方法而获得的的手段是有效的。
因为仅为了相对比较而测量PL和CL的强度，因此可通过在特定波长下获得强度而对其进行观测。可通过观测照片中荧光的颜色分布而观测光谱，或者可截取典型部分的光谱并进行比较。在具有光学畸变的部分中，与氮和硅有关的公知光谱(发光波峰)以及相关背景强度是不同的。与此关联地，SEM中的次级电子图像、反射电子图像以及吸收电流图像等也可应用于发现强度分布。
可通过观察客观地确定相位差的分布以及PL和CL的分布是线形或格子形排列。应当注意可通过下述方法机械地对其进行评估。当相位差、PL和CL的强度、次级电子强度、反射电子强度、以及吸收电流强度的映射数据的每一个为线扫描，且利用y轴上的强度以及x轴上的位置信息绘制曲线图时，周期性地看到具有高强度(波峰)的区域。应当注意也可周期性地看到具有低强度(波谷)的区域。当在平行于上述线的另一位置对映射数据中的每一个进行线扫描时，周期性地看到具有高强度(波峰)的类似区域以及具有低强度(波谷)的类似区域。当类似地提取至少10条线，且具有高强度的区域或具有低强度(波谷)的区域重叠时，更清晰地看到周期性结构(波峰/波谷的周期性结构)。
周期性结构是指设定阈值、将具有高于阈值的值的区域定义为具有高强度的区域且将具有低于阈值的值的区域定义为具有低强度的区域、且具有高强度的区域以及具有低强度的区域周期性地存在。一个周期的长度对应于沟槽之间的间隔。当线正交于沟槽时，一个周期的长度等于沟槽之间的间隔值，且当线偏离角度θ时，一个周期的大小增加l/sinθ。在沟槽形成为格子形的情况下，可通过执行彼此正交的两种类型的线扫描、并类似地针对每个线扫描提取至少10条线而检测周期性结构。但是，在沟槽具有格子形的情况下，在适用于沟槽的角度执行的线扫描更具辨识性。虽然诸如曲线图案以及随机图案的各种形状都可用作沟槽的图案，但是线图案或格子图案可简单并有效地形成。
当一个周期的长度等于沟槽之间的间隔时，周期波峰之间的间隔优选大于或等于10μm且小于或等于5mm、更优选大于或等于100μm且小于或等于5mm、且进一步优选大于或等于500μm小于或等于3mm。这里，周期波峰之间的间隔是指从宽度方向上的周期波峰的中心至宽度方向上的相邻周期波峰的中心之间的最小距离。
光学畸变占据金刚石的主表面的表面的优选大于或等于20％、更优选大于或等于40％、更优选大于或等于60％、且进一步优选大于或等于80％的区域。可作为沟槽的图案的面积观测具有光学畸变的区域。当沟槽的图案占金刚石的主表面的表面的大于或等于20％、优选大于或等于40％、更优选大于或等于60％、且进一步优选大于或等于80％的面积时，容易辨识金刚石是否是从本实施例的金刚石复合体获得的金刚石。可通过将在上述线扫描的时刻的由周期波峰强度的范围覆盖的面积(即从周期波峰的端到端以及从包括周期波峰的线扫描的端到端的面积)除以金刚石主表面的整个表面积而计算沟槽的图案的面积比。当利用金刚石单晶作为衬底尝试形成具有良好结晶度的金刚石层时，在结晶状态下匹配通过封闭每个沟槽开口附近获得的组合部以及形成在衬底上的金刚石层，且因此线图案或格子图案倾向于变模糊。当在大于或等于金刚石的主表面的表面的20％的面积中观测到光学畸变时，可确定金刚石是由本实施例的金刚石复合体获得的金刚石。
在根据本发明的该实施例的金刚石中，在大于或等于金刚石的主表面的表面的90％的区域中，光学畸变的相位差的平均值小于50nm、优选小于30nm、进一步优选小于10nm、且更加优选小于5nm。相位差是在543nm的波长下测量的值且按照厚度(单位：nm)的每100μm而转换的，且可利用由Photonic Lattice公司制造的WPA200测量。通过将多个视场的数据与至少具有5至10mm范围的每个视场连接而观测整个样本。因为小于整个样本的10％可以是由于考虑设备或原理、或不可避免的瑕疵、缺陷等而不可测量的部分，因此在排除这个部分的情况下评估样本是没有问题的。
在根据本发明的该实施例的金刚石中，在大于或等于金刚石的主表面的表面的90％的区域中，除光学畸变的周期波峰面积之外的区域中的相位差的最小值优选小于或等于90nm、更优选小于或等于50nm、更优选小于或等于10nm、且进一步优选小于或等于5nm。这里，周期波峰面积是指其中具有线形或格子形的高光学畸变部分被定义为波峰且其从波峰中心向所有方向延伸两倍于波峰半高全宽的距离。以与上述测量方法相同的方式测量相位差。金刚石的主表面中的沟槽具有在桥接沟槽的部分聚集缺陷的效果、以及弛豫表面中的长距离畸变的效果，且由此减少了整个金刚石中的光学畸变，且减少了形成在非沟槽部上方的衬底上的金刚石层中的光学畸变。
在根据本发明的该实施例的金刚石中，主表面的表面中的光学畸变优选基本上平行于<100>方向。因为这种金刚石以更短的分离时间从金刚石复合体分离，因此可以低成本制造。
根据本发明的该实施例的金刚石包括具有一组主表面的金刚石层，以及布置在金刚石层的至少一个主表面的表面的大于或等于50％的区域上的石墨层，石墨层具有穿透至金刚石层的线形或格子形的沟槽。本实施例的金刚石由金刚石复合体获得，且石墨层与通过将离子注入金刚石衬底而形成的层的部分对应。在金刚石中，石墨层具有与金刚石复合体的衬底中形成的沟槽对应的沟槽。当金刚石作为热沉或切割固定器粘合至诸如散热板或柄的异质衬底时，金刚石的这种结构帮助过量的粘合材料流出沟槽。这种结构也促进金刚石和散热板之间的粘附性且有助于散热。
根据本发明的该实施例的金刚石是具有第一主表面和第二主表面的多晶金刚石，包括第一主表面的表面中的线形或格子形光学畸变，第二主表面的表面的平均粒径大于或等于除光学畸变的周期波峰面积之外的区域中的第一主表面的表面的平均粒径的50％且小于或等于200％、优选大于或等于70％且小于或等于140％、更优选大于或等于80％且小于或等于120％、且进一步优选大于或等于90％且小于或等于110％。可从排列成线形或格子形的周期波峰辨识线形或格子形光学畸变。
周期波峰是指：当执行线扫描以横扫具有高光学畸变的部分时，光学畸变(相位差)的值的波峰周期性出现。在衬底中的沟槽具有线形的情况下，存在一种类型的周期波峰，而在沟槽具有格子形的情况下，存在两种类型的周期波峰。但是，不与任何沟槽平行地执行线扫描以。如果与一个沟槽平行地执行线扫描，则一个周期消失。进一步，衬底中的格子形沟槽可在垂直和水平方向上具有不同周期。当观测金刚石中的畸变时，衬底已经被移除，且因此不能清晰地辨识衬底中的沟槽。但是，即使在这种情况下，畸变的周期仍保留。这是因为不仅多晶金刚石、而且包括上述单晶的金刚石作为一个整体。
当一个周期的大小等于沟槽之间的间隔时，周期波峰之间的间隔优选大于或等于10μm且小于或等于5mm、更优选大于或等于100μm且小于或等于5mm、且进一步优选大于或等于500μm且小于或等于3mm。这里，周期波峰之间的间隔是指从宽度方向上的周期波峰的中心至宽度方向上相邻周期波峰的中心的距离。
周期波峰面积是指具有从波峰位置朝向所有方向延伸两倍于波峰的半高全宽的距离的范围内的宽度的面积。优选地，在沟槽分隔两倍于或等于波峰的半高全宽的距离的条件下处理沟槽的周期。这是因为不仅多晶金刚石而且包括上述单晶的金刚石作为一个整体。
金刚石的每个主表面的表面的平均粒径是通过SEM观测来测量的值。
<工具>
根据本发明的该实施例的工具是包括金刚石的工具。因为根据本发明的该实施例的工具包括以高速从金刚石复合体分离的金刚石，因此降低了其制造成本。
具体地，根据本发明的该实施例的工具是诸如金刚石车刀的切割工具、钻头、立铣刀、用于钻头的切削刃可置换刀片、用于立铣刀的切削刃可置换刀片、用于研磨的切削刃可置换刀片、用于切割的切削刃可置换刀片、钢锯、齿轮切刀、扩孔器、或丝锥。进一步，根据本发明的该实施例的工具不限于切割工具，且可以是研磨工具、耐磨工具、部件等等。研磨工具的示例可包括打磨机等等。耐磨工具或部件的示例可包括模具、切片器、水或粉末喷嘴、诸如金属线的导向器、或散热部件(热沉)、窗口材料部件等等。
<用于制造金刚石的方法>
将参考图4(A)至图4(D)说明用于制造根据本发明的该实施例的金刚石的方法。
参考图4(A)，首先制备包括金刚石籽晶的衬底。优选切割衬底使得其主表面相对于(001)面具有大于或等于0°且小于或等于15°的偏离角。进一步，优选通过机械抛光等研磨工具对主表面的表面进行平坦化，且通过反应离子蚀刻被蚀刻掉约1μm至50μm。
随后，在衬底的主表面中形成沟槽4以制备在主表面中具有沟槽4的衬底1。例如可通过利用光刻技术图案化金刚石上的掩模、且对金刚石执行反应离子蚀刻(RIE)而形成沟槽4。替选地，可直接通过激光处理沟槽4。前一技术可提供更清洁且更精细的处理，而后一技术较廉价且可以更短时间执行整个工艺。更优选更深且更窄的沟槽，因为它们会致使生长平坦的外延层。
随后，参考图4(B)，通过将离子注入衬底1中而在距衬底1的主表面的表面的恒定深度形成非金刚石层2。因为距衬底的表面的深度以及将要形成的非金刚石层2的厚度主要取决于使用的离子的类型而改变、注入能量、以及照射量，应当在执行离子注入前确定这些条件。可通过蒙特卡罗仿真(诸如TRIM代码)基本上准确地计算并预测离子注入层的设计。
注入能量优选大于或等于100keV且小于或等于3MeV、且进一步优选大于或等于200keV且小于或等于400keV。当注入能量处于上述范围内时，可保持衬底1的主表面的表面中的金刚石晶体结构。照射量(剂量)优选大于或等于1×1015个离子/cm2且小于或等于1×1017个离子/cm2、且进一步优选大于或等于5×1015个离子/cm2且小于或等于5×1016个离子/cm2。当照射量处于上述范围内时，非金刚石层2的金刚石结构被破坏，且非金刚石层2中的石墨化进行到允许通过化学技术蚀刻非金刚石层2的程度。进一步，所照射的主表面具有足以允许通过化学气相合成方法进行外延生长的结晶度。
因为注入离子的目的是破坏金刚石结构并形成其中进行石墨化的层，因此可以将任何能够离子注入的元素(例如碳、硼、氮、氧、磷、氖、氢、氦、铝、硅、硫、氩等)用作将注入的离子的类型。这些元素中，碳、氮、氧、氢或氦是优选的。当这种轻元素用作将要注入的离子时，可在不破坏衬底1的表面的结晶度的情况下使石墨形成在衬底1中。
随后，参考图4(C)，通过化学气相合成方法在衬底1的主表面上生长金刚石层3。例如，将衬底1置于真空腔中，将包括甲烷的烃气、氢气以及附加气体(诸如惰性气体和氮气)引入其中，真空腔中的压力控制为6.6kPa至26.6kPa，其中引入微波功率，且将腔中的温度加热至800至1100℃。在这些条件下，在衬底1的主表面上外延生长金刚石。
随后，参考图4(D)，通过电化学蚀刻非金刚石层2而从衬底1分离金刚石层3。在非金刚石层2中，进行石墨化且电导率增加。因此，通过电化学蚀刻非金刚石层2以将其移除，可从衬底1分离金刚石层3。应当注意的是已经在比非金刚石层2更靠近金刚石层的侧上呈现的衬底的一部分(图4(D)中由1a指示)粘附至金刚石层3。
作为蚀刻溶液，可使用纯水、碱性溶液以及酸性溶液中任一种。虽然没有特别限定碱性溶液的类型，但是例如可使用碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物的水溶液(诸如氢氧化钾、氢氧化钙或氢氧化锂)或氨水等等。特别地，可适当使用廉价且容易获得的碳酸氢钠、碳酸氢三钠、碳酸钠或氢氧化钠的水溶液。此外，也可适当使用脂肪酸钠或脂肪酸钾的水溶液。虽然没有特别限定酸性溶液的类型，但是例如可使用诸如硫酸或硝酸的强酸或诸如碳酸的弱酸。特别地，可适当使用廉价且容易获得的醋酸或柠檬酸。
没有特别限定蚀刻槽，只要其由对蚀刻溶液具有耐腐蚀性的材料制成即可，且可使用由特氟纶(Teflon)(注册商标)等制成的蚀刻槽。没有特别限定电极，只要它们在电解蚀刻溶液时难以劣化即可，且可使用铂电极、或具有镀有铂的液体接触部的金属电极。应当注意在电极之间施加交流电压或优选地直流电压。
通过将金刚石复合体置于蚀刻溶液中的电极之间并在电极之间施加直流电压，非金刚石层2被蚀刻以分离衬底1和金刚石层3。虽然直流电压取决于电极之间的距离，但是优选设定电压以将100V/cm至1000V/cm的电场提供在电极之间。
因此，可制造包括金刚石层3的金刚石。
示例1
以下将基于示例进一步具体说明本发明的实施例。然而，本发明的实施例不限于此。
[样本1至6]
(衬底的制备)
首先，高温高压合成制备具有6mm×6mm的尺寸以及1mm厚度的Ib型单晶金刚石衬底。衬底具有相对于(001)面具有3°的偏离角的主表面。机械抛光衬底的主表面，且随后通过反应离子蚀刻将衬底的表面蚀刻掉1μm至5μm的厚度。随后，通过光刻以及RIE技术在衬底的主表面中形成沟槽以制造在主表面中具有沟槽的衬底。沟槽具有平行于图2中所示的<100>方向的形状。如表1中所示设定宽度W、深度D、D/W值、沟槽之间的间隔、以及距衬底外边缘的距离l。
(非金刚石层的形成)
随后，通过从衬底主表面注入碳离子而形成非金刚石层。以300keV的注入能量以及1×1016离子/cm2的照射量注入碳离子。非金刚石层距衬底主表面的表面的深度是0.31μm，且其厚度是0.07μm。
(金刚石层的形成)
随后，将具有其中形成了非金刚石层的衬底置于微波等离子体CVD的真空腔中，使得其主表面暴露。随后引入氢气、甲烷气以及氮气且将微波功率施加至真空腔中，且真空腔中的压力逐渐控制为13.3kPa。最后，衬底被设定为具有950℃的温度且经历微波等离子体CVD方法。由此在衬底上形成具有500μm厚度的单晶金刚石层，且获得金刚石复合体。这时，设定气体的组成比(体积％)使得氢气：甲烷气：
氮气＝100：15：0.1。
(金刚石层的分离)
随后，制备金刚石分离设备。将具有pH值为6的柠檬酸的水溶液用作蚀刻溶液。由特氟纶(Teflon)(注册商标)制成的烧杯用作蚀刻槽，且将铂电极用作电极。
随后，将具有其上形成金刚石层的衬底(样本1)置于蚀刻溶液中的分离设备的电极之间，且电极之间的间隔设定为1cm。当样本1经历施加在电极之间的600V电压时，在六小时中完全蚀刻非金刚石层，且衬底和金刚石层分离。
通过与样本1相同的方法制备样本2至6。样本2至6与样本1的不同之处在于沟槽形状，如表1中所示。在与样本1相同的蚀刻条件下分别蚀刻这些样本，且测量用于分离衬底和金刚石层的分离时间。表1示出结果。
[样本7]
通过与样本1相同的方法制备样本7的金刚石复合体。在样本7中，未在衬底中形成沟槽。当在与样本1相同的蚀刻条件下蚀刻样本7时，用于分离衬底和金刚石层的分离时间是50小时。
[表1]
Figure BDA0001223383460000251
(评估结果)
在其中每个使用具有沟槽的衬底的样本1至6中，当与使用不具有沟槽的衬底的样本7相比时，用于分离衬底和金刚石层的分离时间缩短为小于或等于八分之一。当在样本2和样本5之间、以及样本3和样本6之间进行比较时，发现沟槽具有格子形时的分离时间短于具有线形的沟槽的分离时间。
示例2
[样本11至21]
通过与样本1相同的方法制备用于样本11至21的衬底。样本11至21与样本1的不同之处在于沟槽的形状，如表2中所示。使用每个衬底，在与样本1相同的条件下执行非金刚石层的形成、金刚石层的形成以及金刚石层的分离。
[表2]
Figure BDA0001223383460000261
在样本11至14中，发现在大体上更短的时间内分离了具有更宽沟槽的样本。当在样本15和16之间比较时，发现在大体上更短的时间内分离了具有更宽沟槽的样本。在具有20μm宽度的样本17、19和21中，分离时间短于具有2μm宽度的样本11、12和13。这表明具有更大总截面积的沟槽的样本是有利的，因为蚀刻溶液更容易渗透。
发现在具有更短的沟槽间间隔的样本中蚀刻速率更快，例如样本14。
当在样本16和样本20之间以及样本17和样本21之间进行比较时，在其中沟槽以锐角与<100>方向相交的样本中蚀刻速率略微更快。应当注意用于蚀刻的电场设定为平行于沟槽的方向。
具有平行于<100>的沟槽、以及与这些沟槽正交的沟槽的样本在衬底强度以及金刚石层强度方面展现出良好趋势。
示例3
对于样本1至7以及样本11至21每一个中的分离的金刚石层来说，评估光学畸变的形状、光学畸变的面积比、相位差、PL强度分布、以及CL强度分布。对于样本11至21每一个中的分离的金刚石层来说，进一步评估SEM中的次级电极强度分布、SEM中的反射电子强度分布以及SEM中的吸收电流强度。
使用由Photonic Lattice公司制造的WPA100或200，利用基本上垂直穿过金刚石层的一组主表面的光，通过从作为生长表面的正面一侧执行观测而说明光学畸变的形状。
使用由Photonic Lattice公司制造的WPA100或200，利用基本上垂直穿过金刚石层的一组主表面的光，通过从作为生长表面的正面一侧执行观测而测量相位差。在大于或等于主表面的表面的90％的区域中测量相位差。应当注意抛光生长表面使得能够评估光学属性。
使用具有微观激光显微镜的能执行映射的光谱设备，从相对于生长表面的主表面侧(背面侧，即分离表面)测量PL强度分布。
使用JEOL制造的SEM的功能，从相对于生长表面的主表面侧(背面侧，即分离表面)测量CL强度分布、SEM中的次级电子强度分布、SEM中的反射电子强度分布以及SEM中的吸收电流强度。
在线扫描(即从周期波峰的端到端以及从包括周期波峰的线扫描的端到端的面积)时，通过金刚石主表面的整个表面积除以周期波峰强度的范围覆盖的面积而计算光学畸变的面积比。这里，周期波峰之间的间隔设定为等于沟槽之间的间隔。
表3和4示出评估结果。
[表3]
Figure BDA0001223383460000281
Figure BDA0001223383460000291
在样本1至6以及样本11至21中，辨识出光学畸变以线形或格子形分布。在这些样本中，在大于或等于主表面的表面的60％的面积中辨识出光学畸变。
作为在样本1至6以及样本11至21每一个中的大于或等于90％的主表面的表面的区域中进行评估的结果，光学畸变的平均相位差小于或等于50nm，且除周期波峰面积之外的部分中的相位差的最大值小于或等于90nm。
在样本1至6以及样本11至21中，在背面的大于或等于40％的面积中辨识出在CL强度中以线形或格子形分布的部分，且在背面的大于或等于20％的面积中辨识出SEM中的吸收电流图像中以线形或格子形分布的部分。
示例4
制备具有1英寸直径的多晶衬底，其在每个衬底的中心(面积的重心)处的0.5平方毫米的面积中通过SEM观测测量的平均粒径分别为30μm(样本4-1)以及50μm(样本4-2)。距每个衬底端部3mm的位置处的平均粒径分别为25μm(样本4-1)以及40μm(样本4-2)。
使用每个多晶衬底，在与示例1中的样本3相同的条件下执行非金刚石层的形成以及金刚石层的分离。在下述条件下，使用与示例1中相同的设备执行金刚石层的形成。真空腔中的压力控制为13.3kPa，衬底温度设定为1100℃，且设定气体的组分比(体积％)使得氢气：甲烷气＝100：5。金刚石层生长了500μm。
在没有提供沟槽的情况下，分离所需的时间是300小时。另一方面，在提供沟槽的情况下，在使用具有30μm的粒径的衬底(样本4-1)时，能在20小时内分离金刚石层，且在使用具有50μm的粒径的衬底(样本4-2)时，能在25小时内分离。包括分离的金刚石层的金刚石的前面和背面具有不同的平均粒径：分离表面一侧上的平均粒径分别是30μm(样本4-1)和50μm(样本4-2)，这与衬底的平均粒径相同，且生长表面(相对于分离表面的表面)一侧上的平均粒径分别是33μm(样本4-1)和54μm(样本4-2)。
示例5
[样本22至26]
通过与样本1相同的方法制备用于样本22至26的衬底。样本22至26与样本1的不同之处在于衬底的偏离角，且分别具有0°(样本22)、1.5°(样本23)、8°(样本24)、15°(样本25)以及20°(样本26)的偏离角。使用每个衬底，在与样本1相同的条件下执行非金刚石层的形成、金刚石层的形成、以及金刚石层的分离。
虽然能在样本22至25的每个中制造本发明的金刚石，但是在样本26中不能分离本发明的金刚石，因为在样本26中的每个沟槽之上的金刚石层的粘合部处发生了较高畸变且也观测到了多晶部，这会导致裂缝。相应样本中的光学畸变的平均值为：样本22中为5nm，样本23中为1nm，样本24中为3nm，且样本25中为12nm。样本23和24中的相位差的平均值小于样本22中的相位差的平均值。
应当理解本文公开的实施例和示例在每一方面都是说明性而非限制性的。本发明的范围由权利要求的范围定义，而不是由上述说明书定义，且旨在涵盖等效于权利要求范围的范围和含义中的任意变型。
工业适用性
本发明的单晶金刚石在用于诸如切割工具、研磨工具、或耐磨工具时是有利的，且可用于各种产品(诸如光学部件、半导体以及电子部件)。
参考符号列表
1：衬底；2：非金刚石层；3：金刚石层；4、4a、4b：沟槽；5：金刚石复合体。

Claims (14)

1.一种通过化学气相合成方法制造金刚石的方法，包括：
制备包括金刚石籽晶并且在主表面中具有沟槽的衬底；
通过将离子注入到所述衬底中，在距所述衬底的所述主表面的表面的恒定深度处形成非金刚石层；
通过化学气相合成方法，在所述衬底的所述主表面上生长单晶金刚石层，所述单晶金刚石层整体存在以覆盖每个沟槽的上表面；以及
通过电化学蚀刻所述非金刚石层，从所述衬底分离所述单晶金刚石层，其中
所述衬底的所述主表面中的所述沟槽具有大于或等于0.1μm且小于或等于30μm的宽度W，
所述非金刚石层的恒定深度是使得所述非金刚石层能够从所述沟槽的侧表面暴露的深度。
2.一种通过化学气相合成方法制造金刚石的方法，包括：
制备包括金刚石籽晶的衬底；
通过将离子注入到所述衬底中，在距所述衬底的主表面的表面的恒定深度处形成非金刚石层；
在所述衬底的所述主表面中形成沟槽；
通过化学气相合成方法，在所述衬底的所述主表面上生长单晶金刚石层，所述单晶金刚石层整体存在以覆盖每个沟槽的上表面；以及
通过电化学蚀刻所述非金刚石层，从所述衬底分离所述单晶金刚石层，其中
所述衬底的所述主表面中的所述沟槽具有大于或等于0.1μm且小于或等于30μm的宽度W，
所述非金刚石层的恒定深度是使得所述非金刚石层能够从所述沟槽的侧表面暴露的深度。
3.一种金刚石复合体，包括：
衬底，所述衬底包括金刚石籽晶并且在主表面中具有沟槽；
单晶金刚石层，所述单晶金刚石层形成在所述衬底的所述主表面上，所述单晶金刚石层整体存在以覆盖每个沟槽的上表面；以及
非金刚石层，所述非金刚石层在距所述衬底和所述单晶金刚石层之间的界面的恒定深度处形成在所述衬底侧，其中
所述衬底的所述主表面中的所述沟槽具有大于或等于0.1μm且小于或等于30μm的宽度W，
所述非金刚石层的恒定深度是使得所述非金刚石层能够从所述沟槽的侧表面暴露的深度。
4.根据权利要求3所述的金刚石复合体，其中，
所述衬底的所述主表面相对于(001)面具有大于或等于0°且小于或等于15°的偏离角，以及
所述衬底的所述主表面中的所述沟槽基本上平行于<100>方向。
5.根据权利要求3所述的金刚石复合体，其中，所述衬底的所述主表面中的所述沟槽的宽度W和深度D之间的比D/W的值大于或等于3且小于或等于50。
6.根据权利要求4所述的金刚石复合体，其中所述衬底的所述主表面还具有与基本上平行于所述<100>方向的所述沟槽交叉的沟槽。
7.一种金刚石，包括：
具有一组主表面的单晶金刚石层；以及
包含注入离子的层，所述包含注入离子的层布置在所述单晶金刚石层的所述主表面的至少一个主表面上，
所述包含注入离子的层具有穿透至所述单晶金刚石层的线形或格子形的沟槽，其中
所述沟槽具有大于或等于0.1μm且小于或等于30μm的宽度W。
8.一种根据权利要求1或2所述的通过化学气相合成方法制造金刚石的方法制造的金刚石，所述金刚石具有一组主表面，并且在使用垂直穿过该组主表面的光来观察时，所述金刚石包括线形或格子形的光学畸变。
9.根据权利要求8所述的金刚石，其中，在大于或等于所述主表面的表面的90％的区域中，所述光学畸变的相位差的平均值小于50nm。
10.根据权利要求8或9所述的金刚石，其中，在大于或等于所述主表面的表面的90％的区域中，除所述光学畸变的周期波峰面积之外的区域中的相位差的最大值小于或等于90nm。
11.根据权利要求8所述的金刚石，其中所述光学畸变基本上平行于<100>方向。
12.根据权利要求8所述的金刚石，其中所述光学畸变占所述主表面的表面的大于或等于20％的区域。
13.一种根据权利要求1或2所述的通过化学气相合成方法制造金刚石的方法制造的金刚石，所述金刚石具有一组主表面，当从所述主表面的任一主表面观察时，所述金刚石包括光致发光(PL)的强度和阴极发光(CL)的强度、或SEM中的次级电子强度、反射电子强度以及吸收电流强度的映射中的线形或格子形的排列。
14.一种包括权利要求7至13中的任一项所述的金刚石的工具。
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