DE69608479T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von frei stehenden Diamanten - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von frei stehenden Diamanten

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Description

    1. Bereich der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Diamantschichten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen freistehender Diamantschichten.
  • 2. Stand der Technik
  • Diamant hat eine außergewöhnliche Härte, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierungs- und Lichtdurchlässigkeitseigenschaften, und ist deshalb für verschiedene Anwendungen verwendbar, wie etwa für Schneidwerkzeuge, Wärmeableiter, Isolatoren, elektronisches Substratmaterial usw. Natürlicher Diamant ist jedoch monokristallin und bezüglich seiner Größe und Geometrie begrenzt. Folglich wurden in jüngerer Zeit zahlreiche Techniken, wie etwa Hochdruck- Hochtemperatur(HPHT) und Chemical-Vapor-Depositionsverfahren (CVD), zur synthetischen Herstellung und Depositionierung von Diamant auf Substraten verschiedener Gestalt, Größe und verschiedenen Materials entwickelt. Die folgende Diskussion bezieht sich auf die CVD Diamant-Schicht-Deposition.
  • Eine synthetische CVD Diamantschicht kann als dünne, permanente Beschichtung auf einem Substrat depositioniert werden, wie etwa auf der Nutzoberfläche eines Werkzeugs oder als eine vor Umwelteinflüssen schützende Beschichtung. Solche Schichten werden im allgemeinen als dünne Schichten bezeichnet. Alternativ kann eine dickere Diamantschicht auf einem Substrat depositioniert und dann, vorzugsweise intakt, als einzelnes "freistehendes" Stück zur Verwendung bei Anwendungen wie etwa als Wärmeableiter, optische Fenster und Schneidwerkzeuge entfernt werden. Diese freistehenden Stücke werden gewöhnlich als dicke Schichten bezeichnet.
  • USP 5 349 922 erwähnt in Spalte 2, Zeilen 10 ff das Problem, Risse zu verhindern. Die in diesem Patent erbrachte Lösung liegt darin, lediglich die Diamanthaltefestigkeit auf dem ganzen Substrat zu erniedrigen, so daß die Diamantschicht leichter gelöst werden kann, wovon angenommen wird, daß es die Risse verhindert.
  • USP 5 130 111 lehrt die CVD Diamantdeposition auf einem lösbaren Substrat. Die Eigenschaft der Lösbarkeit wird durch verschiedene Mittel, wie etwa Chemical-vapor, der die Sekundärkeimbildung optimiert, oder eine ätzbare Zwischenschicht erreicht. Um das intakte Entfernen des Diamanten zu erreichen, wird durch Arbeiten bei hohen Temperaturen ein signifikantes Differential zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (des Substrats) und dem des Diamanten gebildet, um eine große Spannung beim Abkühlen zu erzeugen.
  • Bei der Herstellung dicker Schichten ist es zweckmäßig, den Diamant auf einem Substrat zu depositionieren und thermische Spannungen während des Kühlens zuzulassen, um den Diamanten vom Substrat abzulösen. Dieses Verfahren schließt den Vorgang des Entfernens des Diamanten vom Substrat aus und ermöglicht es, das Substrat nochmals zu verwenden. Im allgemeinen müssen beim Herstellen freistehender Diamantschichten durch Depositionieren von synthetischem Diamant auf einem Substrat verschiedene Gesichtspunkte in Betracht gezogen werden. Eine relativ schwache Bindung zwischen Diamant und Substrat ist wesentlich, um sicherzustellen, daß sich der Diamant leicht vom Substrat löst. Das Substratmaterial und der Diamant haben im allgemeinen verschiedene Ausdehnungskoeffizienten, sowie verschiedene molekulare und chemische Strukturen, wodurch Wachstum, Adhäsion und Glätte der Diamantschicht beeinflußt werden. Auch andere Faktoren, wie etwa die Oberflächenvorbehandlung und Depositionsparameter beeinflussen das Wachstum und das Adhäsionsvermögen des synthetischen Diamanten auf dem Substrat.
  • Mit Titannitrid beschichtetes Molybdän und andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften, wie etwa Titan-Zirkonium-Molybdänlegierungen und Wolfram, werden traditionell als Substrat (Dorn) verwendet, auf dem synthetischer Diamant depositioniert wird. Diese Materialien werden wegen ihrer Temperatureigenschaften, einschließlich Ausdehnungskoeffizienten, und ihrer Bearbeitbarkeit ausgewählt. Eine Schicht aus synthetischem Diamant kann auf einem mit TiN beschichteten Molybdänsubstrat z. B. durch CVD depositioniert werden und dann, nachdem die vorgegebene Dicke des Diamantfilms erreicht wurde, gelöst werden. Der Diamant wird auf dem Substrat bei einer relativ hohen Temperatur depositioniert und er wird, wenn der Diamant und das Substrat nach Abschluß der Diamantdeposition abkühlen, von dem Substrat als Folge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Diamanten und des Substrats abgelöst. Bei diesem Vorgang können verschiedene Probleme auftreten, da die äußeren Kanten des Substrats schneller abkühlen als der innere Bereich des Substrats. Die Diamantschicht kann sich vorzeitig vom Substrat ablösen, was zu einer unvollständigen und beschädigten Diamantschicht führt. Beim Lösen der Diamantschicht von dem Substrat nach der Deposition neigt der Diamantfilm darüber hinaus dazu, an den Kanten zu reißen und/oder zu brechen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Substrat und ein Verfahren zur Herstellung von freistehenden Diamantschichten bereitzustellen.
  • Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, ein Substrat und ein Verfahren zur Herstellung von freistehenden Diamantschichten bereitzustellen, das ein zuverlässigeres und einfacheres Entfernen der Diamantschicht von dem Substrat ermöglicht.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Substrat zur Herstellung einer freistehenden Diamantschicht bereitzustellen, das ein vorzeitiges Ablösen des Diamanten vom Substrat verhindert, während der Diamant noch auf der Vorrichtung depositioniert wird.
  • Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, ein Substrat bereitzustellen, das ein Reißen/Brechen der Diamantschicht, wenn der Diamant sich löst und anschließend vom Substrat entfernt wird, reduziert.
  • In Übereinstimmung mit den Aufgaben der Erfindung, die weiter unten detailliert diskutiert wird, wird ein Dornsubstrat bereitgestellt, das eine Oberfläche mit variierenden Diamantadhäsionseigenschaften aufweist. Im allgemeinen weist das Substrat bevorzugt an oder in der Nähe seiner äußeren Kante ein größeres Diamantadhäsionsvermögen auf, aber es kann auch wünschenswert sein, abhängig vom herzustellenden Diamanttyp, einen Adhäsionsgradienten entlang der Substratoberfläche bereitzustellen.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Bildung einer freistehenden, becherförmigen Diamantschicht ist der Dorn ein mit Titannitrid (TiN) beschichtetes Substrat aus Molybdän (Mo), das eine stufenförmige Vollzylindergestalt mit einer mittigen tafelbergförmigen Erhöhung, die eine Seitenwand oder Seite hat. Auf der Seitenwand um den äußeren Umfang der tafelbergförmigen Erhöhung herum wird in der Nähe der Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung ein Band geätzt oder eingearbeitet, um die unterliegende Molybdänschicht freizulegen und eine zweite Oberfläche zu bilden, die die erste TiN Oberfläche begrenzt. Das freigelegte Molybdän zeigt eine stärkere Adhäsion gegenüber Diamant als das TiN. Wenn das Molybdänband - in Folge des nach einem Diamant-Deposionsvorgangs im Molybdänband verbliebenen Diamant-Materials - an Wirksamkeit verliert, kann ein zweiter Streifen der TiN Beschichtung, der zum ersten Streifen benachbart ist, eingearbeitet werden, um ein zweites Molybdänband freizulegen.
  • In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zur Bildung eines freistehenden Diamantschichtsubstrats kann das Molybdänband direkt auf der Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung des Dorns geätzt werden, was zu einer ersten kreisförmigen Oberfläche aus TiN, umgeben durch einen äußeren Ring aus Molybdän, der die zweite Oberfläche bildet, führt. Wie in der ersten Ausführungsform, können zusätzliche benachbarte Molybdänbänder geätzt werden, wie es nach wiederholtem Gebrauch erforderlich ist.
  • Eine dritte Ausführungsform der Erfindung umfaßt verbindende Aspekte der ersten und zweiten Ausführungsform. Dementsprechend wird ein erstes Molybdänband in ähnlicher Weise zu der zweiten Ausführungsform auf der Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung und ein zweites Molybdänband auf der Seitenwand der tafelbergförmigen Erhöhung geätzt, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben. Falls gewünscht, können die Bänder der Oberseite und der Seitenwand aneinander angrenzen. Wie in den ersten beiden Ausführungsformen, können zusätzliche Molybdänbänder geätzt werden, um bereits benutzte zu ersetzen.
  • Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung werden eine separate, abnehmbare Molybdänfolie, ein separat abnehmbares Molybdänband oder ein separat abnehmbarer Molybdändraht bereitgestellt, die entweder wie ein Ring um die Oberseite der tafelbergförmigen Er höhung des Dorns angebracht sein können oder in einer flachen, kreisförmigen Nut auf der Oberseite oder in der Seitenwand der tafelbergförmigen Erhöhung verlegt sein können. Die Molybdänfolie oder der Molybdändraht können nach jedem Gebrauch durch eine neue und saubere Molybdänfolie oder einen neuen und sauberen Molybdändraht ersetzt werden, wodurch darauf verzichtet werden kann, den Dorn weiter zu bearbeiten, um das unterliegende Molybdänsubstrat freizulegen.
  • Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung umfassen Dorne, die eine Vielzahl an freigelegten Molybdän-Oberflächenbereichen in Form von Streifen oder Flecken auf der Oberseite der tafelbergfdrmigen Erhöhung umfassen, um für das Diamantwachstum eine Oberfläche bereitzustellen, die ein Diamant-Adhäsions-Differential oder einen Diamant-Adhäsions- Gradienten aufweist.
  • Gemäß der Erfindung werden die Diamantadhäsionseigenschaften des Dornsubstrates durch die Beschaffenheit des Materials, auf dem die Diamantschicht depositioniert wird, und durch die relative Rauhigkeit der Dornoberfläche beeinflußt. Wie oben beschrieben, hat Molybdän ein größeres Diamantadhäsionsvermögen als TiN. Es ist auch bekannt, daß rauhe Oberflächen ein größeres Diamantadhäsionsvermögen haben als glatte Oberflächen. Deshalb können die Prinzipien der Erfindung auch durch variierende Rauhigkeit/Glattheit des Dornsubstrats erzielt werden, um ein Diamant-Adhäsions-Differential oder einen Diamant-Adhäsions-Gradienten zu bewirken.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, das eng mit der Vorrichtung zusammenhängt, wird ein tafelbergförmiger Dorn wie oben beschrieben hergestellt, der ein Band aus freigelegtem Molybdän um die Seitenwand herum hat und auf dem erfindungsgemäßen Dorn wird eine Diamantschicht depositioniert, bis die vorgegebene Diamantschichtdicke erreicht ist. Der Dorn und die Diamantschicht werden dann abgekühlt. Wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Diamantschicht und des Dorns neigt der Dorn dazu, sich unter dem Diamant zusammenzuziehen und sich von der Diamantschicht zu trennen. Der Bereich des Dorns, der ein erhöhtes Diamantadhäsionsvermögen aufweist (wie z. B. in einigen Fällen das freigelegte Molybdänband) bewirkt ein kontrolliertes Reißen des Diamanten an den Grenzen der mehr oder weniger adhäsiven Bereiche des Dorns. Dies kann zu einem messersauberen Bruch der Diamantscheibe um ihren äußeren Umfang herum führen.
  • Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik werden unter Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den zur Verfügung gestellten Figuren deutlich.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Fig. 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit einem Molybdän-Seitenwandband;
  • Fig. 2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht der Ausführungsform der Fig. 1 nach dem Gebrauch, mit einem ersten Molybdän-Seitenwandband, das Diamantteilchen umfaßt, und einem zweiten, angrenzenden Molybdän-Seitenwandband;
  • Fig. 3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit einem Molybdän-Oberseitenband;
  • Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform der Fig. 3 nach mehrfachem Gebrauch und Bearbeitung mit einem ersten Molybdän-Oberseitenband, das Diamantteilchen umfaßt, und einem zweiten, angrenzenden Molybdän-Oberseitenband;
  • Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit einem Molybdän-Oberseiten und -Seitenwandband;
  • Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit einem entfernbaren Molybdän-Seitenwandband;
  • Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit einer kreisförmigen oberen Nut und einem entfernbaren Molybdänband;
  • Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Dorns nachdem die Diamantschicht darauf depositioniert wurde;
  • Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht des Dorns der Fig. 8 mit einer teilweise vom Dorn getrennten Diamantschicht;
  • Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Dorns der Fig. 9 mit einer vom Dorn entfernten freistehenden Diamantschicht;
  • Fig. 11 ist eine Aufsicht auf eine sechste Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit Molybdänstreifen auf der tafelbergförmigen Oberseite; und
  • Fig. 12 ist die Aufsicht auf eine siebte Ausführungsform der Erfindung mit einem stufenförmigen, zylindrischen Dorn mit Molybdänflecken auf der tafelbergförmigen Oberseite.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • In den Fig. 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform des Dorns 100 der Erfindung gezeigt. Der Dorn 100 umfaßt im allgemeinen ein mit Titannitrid (TiN) beschichtetes Molybdän (Mo)substrat, das eine stufenförmige Vollzylindergestalt mit einer mittigen tafelbergförmigen Erhöhung 102 und einer Basis 104 hat. Die mittige tafelbergförmige Erhöhung 102 umfaßt des weiteren eine Seitenwand oder Seite 106 mit einer Höhe von näherungsweise 0,250" (6 mm) und eine kreisförmige Oberseite 108 mit einem Durchmesser von näherungsweise 3-4,5" (75-113 mm). Die Dicke der TiN-Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2-2 um. Ein näherungsweise 0,125" (3 mm) breiter Streifen der TiN-Beschichtung wird aus der Seitenwand 106 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 geätzt oder maschinell herausgearbeitet, um das unterliegende Molybdänsubstrat freizulegen. Als Ergebnis wird ein gedomtes Molybdänband 110 auf der Seitenwand 106 und in der Nähe der Oberseite 108 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 gebildet. Das Molybdänband 110 ist vorzugsweise näherungsweise 0,2" (5 mm) von der Oberseite 108 der tafelbergförmigen Erhöhung entfernt und hat dieselbe mittige Achse 112 wie die tafelbergförmige Erhöhung 102. Das Molybdänband 110 bildet eine zweite Oberfläche, um die CVD-Diamantschicht aufzunehmen, während die Oberseite 108 und der Bereich 114 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 zwischen der Oberseite 108 und dem Molybdänband eine erste Oberfläche bildet, um die CVD-Diamantschicht aufzunehmen. Die Basis 104 des Dorns 102 hat einen Durchmesser von näherungsweise 7" (175 mm) und ist vorzugsweise an einer rotierenden Kühlvorrichtung befestigt. Wegen des unterschiedlichen Adhäsionsvermögens auf TiN und Molybdän, haftet beim Depositionieren der Diamantschicht auf dem Dorn 100 der Bereich der Schicht, der auf dem Molybdänband 110 depositioniert ist, stärker auf dem Dorn 100 als der Bereich der Schicht, der auf der TiN- beschichteten Oberfläche des Dorns 100 depositioniert wird. Wie weiter unten detaillierter für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wird, führt dieser Adhäsionsunterschied zu einer allgemein besseren Diamantwachstumsrate auf dem Dorn 100 sowie zu einer besseren Qualität der freistehenden Diamantschichten. Insbesondere werden die mit herkömmlichen Dornen verbundenen Probleme des Abblätterns, des vorzeitigen Ablösens und des Reißens beim Gebrauch des erfindungsgemäßen, beringten Dorns 100 signifikant reduziert.
  • Gemäß einem bevorzugten Aspekt der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns wird der Oberflächenbereich 114 der tafelbergförmigen Erhöhung, der durch das Molybdänband begrenzt ist, größer als nötig gewählt, so daß ein zusätzlicher Streifen aus TiN, der an das Molybdänband 110 angrenzt und näher bei der Oberseite 108 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 liegt, eingearbeitet werden kann, um ein zweites Molybdänband 202 - wie in Fig. 2 dargestellt - zu bilden. Dies ist wünschenswert, wenn das originale Molybdänband 110 dazu neigt, Diamantmaterial nach dem Entfernen der freistehenden Diamantschicht von dem Dorn 100 zurückzubehalten und dabei sein Adhäsionsvermögen zu verlieren. Als Folge müßte das originale Molybdänband 110 zwischen den einzelnen Verwendungen des Dorns 100 in den Diamantdepositionsverfahren gründlich gereinigt werden. In Anbetracht der oben diskutierten Diamanteigenschaften kann diese Reinigung schwierig, zeitraubend und teuer sein. Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung ist es deshalb, ein zweites Molybdänband 202 der im wesentlichen selben Größe wie das erste Molybdänband 110 zu diesem benachbart einzuarbeiten, wenn das erste Band 110 sein Diamantadhäsionsvermögen verloren hat. Das zweite Molybdänband 202 ist näher bei der Oberseite 108 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 als das originale Band 110, so daß die depositionierte (nicht gezeigte) Diamantschicht auf dem begrenzten Bereich der tafelbergförmigen Erhöhung 204 nicht durch das Originalband 110 unterbrochen wird. Man muß sich dessen bewußt sein, daß zusätzliche, innerseits angrenzende Bänder nach Bedarf geätzt werden können, soweit hinreichend durch die Seitenwand begrenzte Oberflächenbereiche vorhanden sind. Wenn ein nicht ausreichender Oberflächenbereich zur Einarbeitung von zusätzlichen Molybdänbändern übrigbleibt, kann die bearbeitete Oberfläche des Dorns 100 mit einer weiteren Schicht aus TiN beschichtet werden und ein neues erstes Molybdänband (nicht gezeigt) eingearbeitet werden. Bei der Herstellung des neuen, ersten Molybdänbandes ist es wichtig, das gesamte Molybdänsubstrat, das Diamantverunreinigungen von vorherigen Verwendungen umfaßt, zu entfernen, zusätzlich zum Entfernen der TiN-Streifen. Zusätzliche Molybdänbänder können aufeinander folgend nach Bedarf in obenbeschriebener Art und Weise eingearbeitet werden und das Verfahren fortgeführt werden.
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Dorns 300 der Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist in Gestalt und Größe im wesentlichen ähnlich zu der ersten Ausführungsform, ausgenommen, daß in der zweiten Ausführungsform das Molybdänband 310 einen planaren Ring bildet, der auf der Oberseite 308 der tafelbergförmigen Erhöhung 302 des Dorns 300 angeordnet ist. Der äußere Radius 316 des Molybdänbandes 310 stimmt mit dem Radius der zylindrischen, tafelbergförmigen Erhöhung 302 überein und der innere Radius 318 ist vorzugsweise näherungsweise 0,0625" (1,5 mm) kleiner als der äußere Radius und bildet ein Band der näherungsweisen Weite von 0,125" (3 mm). Das Molybdänband/der Molybdänring 310 der zweiten Ausführungsform wird in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform durch Entfernen eines TiN-Streifen geätzt, um die unterliegende Molybdänschicht freizulegen.
  • Wie bei der ersten Ausführungsform des Dorns 100, kann ein zusätzliches, angrenzendes und inneres konzentrisches Molybdänband 402 auf der Oberseite 308 der tafelbergförmigen Erhöhung 302 geätzt werden, wie in Fig. 4 gezeigt, wenn das erste Molybdänband 310, wegen der Anwesenheit depositionierter Diamantteilchen, nicht mehr hinreichend adhäsiv ist. Dieses Verfahren kann mehrere Male wiederholt werden, bis der TiN-Bereich der Oberfläche zu klein wird für die vorgegebene Größe der Diamantschicht, wobei dann die gesamte Oberfläche der tafelbergförmigen Erhöhung 302 des Dorns 300 mit einer anderen Schicht aus TiN beschichtet werden kann und ein neues erstes Molybdänband wie oben beschrieben eingearbeitet werden kann.
  • Bezugnehmend auf Fig. 5 wird eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns 500 gezeigt. Die dritte Ausführungsform 500 ähnelt der ersten Ausführungsform des Dorns im wesentlichen darin, daß sie ein mit Titannitrid beschichtetes Molybdänsubstrat umfaßt, das eine stufenförmige Vollzylindergestalt mit einer mittigen tafelbergförmigen Erhöhung 502 und einer Basis 504 hat. Die mittige tafelbergförmige Erhöhung 502 umfaßt des weiteren eine Seitenwand oder Seite 506 und eine kreisförmige Oberseite 508. Die dritte Ausführungsform des Dorns 500 umfaßt jedoch Aspekte sowohl der ersten als auch der zweiten Ausführungs form 100, 300 und ist mit zwei geätzten Molybdänbändern 510, 520 ausgestattet. Ein erstes Molybdänband 510 wird in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform (siehe Fig. 1) auf die Seitenwand 506 der tafelbergförmigen Erhöhung 502 geätzt, nur daß hier der obere Bereich 522 des Bandes 510 bündig mit der Oberseite 508 der tafelbergförmigen Erhöhung 502 ist. Ein zweites Molybdänband 520 wird auf die Oberseite 508 der tafelbergförmigen Erhöhung 502 in einer Art und Weise ähnlich zur zweiten Ausführungsform 300 (siehe Fig. 3) geätzt. Man muß sich bewußt sein, daß sich das zweite Molybdänband 520 von dem oberen Bereich 522 des ersten Bandes 510 erstreckt und eine stufenförmige durchgehende Molybdänregion 524 bildet, auf der die Kanten der Diamantschicht depositioniert werden. Wie in den ersten beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dorns 100, 300 können zusätzliche Molybdänbänder für eine verlängerte Verwendung des Dorns 500 eingearbeitet werden, indem Streifen der TiN-Beschichtung, die angrenzend und innenseitig konzentrisch mit dem zweiten Band 520 sind, entfernt werden und damit eine frische Molybdänoberfläche bereitstellen, an der der Diamant haften kann.
  • In den Fig. 6 und 7 werden zusätzliche, alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns 600, 700 gezeigt. Die vierte und fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns 600, 700 sind ähnlich der vorhergehenden Ausführungsform, nur daß die Molybdänbänder 610, 710 der vierten 600 und fünften 700 Ausführungsform nicht durch Entfernen des TiN von den Dornen 600, 700 gebildet werden, sondern durch separate und entfernbare Folien, Streifen oder Drähte, die an den Dornen 600, 700 angebracht sind. Insbesondere wird in der vierten Ausführungsform 600 ein Ring aus Molybdänfolie 610 verwendet, der um die Oberseite 608 der tafelbergförmigen Erhöhung 602 des Dorns 600 herum befestigt und mit ihr bündig ist. Auf diese Weise kann der Folienring 610 nach jeder Verwendung des Dorns 600 entfernt werden und durch einen sauberen Molybdänring ersetzt werden. In der oberen Seitenwand der tafelbergförmigen Erhöhung 602 kann eine Schulter geformt sein, um den Ring 610 anzunehmen. Es können auch Verschlußvorrichtungen für den Ring 610 vorgesehen werden. Z. B. kann, wie in Fig. 6 gezeigt, der Dorn mit einer Schulter 612 ausgestattet sein, auf der der Ring 610 bündig um die tafelbergförmige Erhöhung herum angepaßt ist. Eine oder mehrere Schrauben 614 können auf dem Dorn bereitgestellt werden, um den Ring 610 auf dem Dorn zu fixieren.
  • Die fünfte Ausführungsform, wie in Fig. 7 gezeigt, umfaßt eine flache, kreisförmige Nut 709 in der Seite der tafelbergförmigen Erhöhung 702 des Dorns 700, in die ein Molybdändraht 710 eingefügt ist. Die Nut 709 ist hinreichend tief, so daß der Draht 710 mehrere Male um die tafelbergförmige Erhöhung herum gewunden werden kann und durch Verdrehen der Enden des Drahtes gegeneinander sicher an der tafelbergförmigen Erhöhung befestigt werden kann. Man muß sich bewußt sein, daß der Ring aus Molybdändraht 710 nach jeder Verwendung des Dorns 700 entfernt werden und durch einen neuen Molybdändraht ersetzt werden kann.
  • In den Fig. 8-10 ist ein Verfahren zur Herstellung von freistehenden Diamantschichten unter Verwendung des erfindungsgemäßen Dorns 100 gezeigt. Insbesondere wird ein Dorn 100 wie oben beschrieben hergestellt. Eine näherungsweise 0,021" (0,5 mm) dicke Schicht aus Diamant 802 wird auf dem Dorn 100 mit irgendeiner bekannten Diamantdepositionstechnik, wie etwa CVD, depositioniert. Um für die vorgegebene Substratgröße eine gleichmäßige Deposition zu erzielen, müssen gleichmäßige Temperaturgradienten aufrechterhalten werden. Die Verwendung einer größeren Substratmasse im Reaktor unterstützt das Erreichen dieser Gleichmäßigkeit. Die überschüssige Diamantschicht, die auf dem größeren Substrat depositioniert wird, kann für andere Anwendungen, wie z. B. als Grobsand, verwendet werden. Die Diamantschicht haftet mit größere Festigkeit auf der Molybdänbandoberfläche des Dorns als auf der TiN-Oberfläche. Man muß sich deshalb bewußt sein, daß der Bereich der Diamantschicht, der auf dem Molybdänband depositioniert ist, als Anker für die äußere Kante der Diamantschicht auf dem angrenzenden Bereich 114 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 fungieren kann. Auf dieser Art und Weise werden verschiedene, traditionell mit der Herstellung freistehender Diamantschichten verbundenen, Probleme gelöst. Wegen der zusätzlichen mechanischen und chemischen Haftung, die das Molybdän für die Diamantschicht bereitstellt, blättert die Diamantschichtbeschichtung nicht ab und löst sich nicht vorzeitig von dem Dorn während der Deposition. Ein Anheben wird zusätzlich reduziert, da das Molybdänband 110 die Übertragung von vertikalem Druck von der Basis 104 zu der angrenzenden Fläche 114 der tafelbergförmigen Erhöhung 102 verhindert.
  • Sobald die Diamantschicht und das Substrat abkühlen, wird der Teil oder die Scheibe 902 der Diamantschicht 802, die die gebundene tafelbergförmige Erhöhung 114 bedeckt, von dem Dorn durch irgendein bekanntes Verfahren entfernt. Die während der Deposition verursachten Spannungen führen typischerweise dazu, daß die Scheibe 902 vom Dorn 100 an der Grenze zwischen der TiN-Oberfläche 108 und dem Molybdänband 110 abplatzt. Die unterschiedlichen Adhäsionsfestigkeiten von Molybdän und TiN führen zu weniger Rissen und Brüchen in der Diamantschicht beim Lösen vom Dorn 100. Der resultierende freistehende Diamant ist becherförmig mit Kanten, die mit dem Molybdänband wie in Fig. 10 gezeigt übereinstimmen. Nach der beschriebenen Verwendung des Dorns umfaßt das Molybdänband nach der Verwendung Diamantteilchen und wird deshalb weniger adhäsiv. Um den Dorn in einem zweiten Depositionsprozeß am effektivsten zu verwenden, kann ein zweites Molybdänband wie oben beschrieben bereitgestellt werden.
  • Bezugnehmend auf die Fig. 11 und 12 werden die sechste und siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns zur Herstellung freistehenden Diamants gezeigt. Fig. 11 ist eine Aufsicht auf die sechste Ausführungsform 1100 des erfindungsgemäßen Dorns, die die Oberseite 1108 der tafelbergförmigen Erhöhung 1102 und die Dornstufe 1104 zeigt. Eine Vielzahl an Molybdänstreifen 1 I 10, die sich von der Mitte der Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung 1108 erstrecken und verschiedene Längen haben, werden auf der Oberseite der tafelbergfbrmigen Erhöhung 1108 durch Entfernen von Streifen der TiN-Beschichtung eingearbeitet. Die TiN-Streifen werden in einer ähnlichen Art und Weise entfernt wie oben für die beringten erfindungsgemäßen Dorne beschrieben. Wie in den vorhergehenden Ausführungsformen haftet wegen des unterschiedlichen Adhäsionsvermögens von TiN und Molybdän beim Depositionieren der Diamantschicht auf dem Dorn 1100 der Bereich der Schicht, der auf dem Molybdänstreifen 1110 depositioniert wird, stärker an dem Dorn 1100, als der Bereich der Schicht, der auf der mit TiN eschichteten Oberfläche des Dorns 1100 depositioniert wird. Im Gegensatz zu vorherigen Ausführungsformen sind die Molybdänstreifen 1110 der sechsten Ausführungsform jedoch dünner und kürzer als die Molybdänbänder, die in den ersten fünf Ausführungsformen offenbart werden, und führen nicht zu einem Brechen/Trennen der Diamantschicht nach dem Abkühlen. Die Streifen 1110 stellen hauptsächlich eine bessere Oberfläche für das Diamantwachstum dar und minimieren die Probleme des Abplatzens, des vorzeitigen Lösens und des Brechens, die mit der Herstellung freistehender Diamanten bei der Diamantdeposition verbunden sind. Die Zahl, Länge und Breite der Streifen kann variiert werden, um ein Adhäsiondifferential oder einen Adhäsionsgradienten entlang der Oberfläche der tafelbergförmigen Erhöhung bereitzustellen. Die siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dorns ist in Fig. 12 veranschaulicht und ist im wesentlichen ähnlich zu Fig. 11, nur das anstatt der länglichen Molybdänstreifen kleine Molybdänflecken 1210 in die Oberseite 1208 der tafelbergförmigen Erhöhung 1202 durch Entfernen von kleinen Scheiben der TiN-Beschichtung eingearbeitet worden sind. Die resultierende Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung 1208 liefert ähnliche Diamantwachstumseigenschaften und Adhäsionseigenschaften zu denen der sechsten Ausführungsform. Die Größe und Zahl der Flecken kann variiert werden, um ein Adhäsionsdifferential oder einen Adhäsionsgradienten entlang der Oberfläche der tafelbergförmigen Erhöhung bereitzustellen.
  • Es wurden vorliegend verschiedene Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung freistehender Diamantschichten beschrieben und veranschaulicht. Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, soll die Erfindung nicht auf diese begrenzt sein, vielmehr soll ihr Umfang so weit reichen wie es die Lehre erlaubt und die Patentschrift entsprechend gelesen werden. Auch wenn spezielle Dornformen offenbart wurden, versteht es sich, daß auch andere Dornen verwendet werden können. Während ein allgemeiner stufenförmiger zylindrischer Dorn offenbart wurde, kann auch ein nicht stufenförmiger zylindrischer Dorn oder ein stufenförmiger kubischer Dorn sowie andere Geometrien, wie etwa hexagonal oder oktal, verwendet werden. Während spezielle Arten des Dornsubstrats und der Substratbeschichtungen offenbart wurden, ist es darüber hinaus klar, daß auch andere Dornsubstrate und Substratbeschichtungen verwendet werden können. Während z. B., und nicht als Einschränkung, mit Titannitrid beschichtetes Molybdändornsubstrat offenbart wurde, kann auch mit Titancarbonitrid beschichtetes Molybdändornsubstrat verwendet werden, sowie Wolfram oder Titan-Zirkonium-Molybdänlegierungen als Dornsubstrat. Auch wenn ein kreisförmiges ringförmiges Molybdänband bevorzugt ist, sei daran erinnert, daß das Molybdän beinahe jede ringförmige Gestalt haben kann. Während Molybdän verwendet wird, um den Dorn zu beringen, können auch andere Materialien wie etwa Wolfram oder andere adhäsive Materialien, auf denen Diamant wachsen kann, verwendet werden. Während in Bezug auf die Dimension des Dorns und des Molybdänbandes sowie auf die Lage des Molybdänbandes auf dem Dorn spezielle Strukturen offenbart wurden, muß man sich bewußt machen, daß auch andere Strukturen verwendet werden können. Während eine offenbarte Ausführungsform das Ätzen oder Einarbeiten des Dorns zum Entfernen des TiN und Freilegen des Mo umfaßt, ist es möglich, einen Mo-Dorn bereitzustellen, der einen Grat hat, der vor dem Beschichten des Dorns mit TiN maskiert ist. Der maskierte Grat wird nicht beschichtet und wenn die Maske entfernt wird, wird die zweite Mo-Oberfläche freigelegt. Darüber hinaus kann das Adhäsionsdifferential oder der Adhäsionsgradient, der auf dem Dorn gemäß der Erfindung bereitgestellt wird, durch Anrauhen der Oberfläche des Dorns geschaffen werden, so daß Teile des Dorns eine mehr oder weniger rauhe Oberfläche haben. Während Verfahren zur Herstellung freistehender Diamantfilme, bei denen ein spezieller Dorn verwendet wird, offenbart wurden, ist es klar, daß andere Verfahren, die verschiedene Dorne verwenden, in gleicher Weise verwendet werden können und andere Endprodukte ergeben.
  • Fachleuten auf diesem Gebiet ist klar, daß andere Modifikationen der bereitgestellten Erfindung durchgeführt werden können ohne von der grundlegenden Lehre und dem Umfang wie beansprucht abzuweichen.

Claims (28)

1. Vorrichtung zur Verwendung beim Herstellen einer Schicht aus freistehendem Diamant, umfassend:
einen Dorn mit einer ersten und zweiten Depositionsoberfläche, auf denen Diamant als Schicht depositioniert wird, wobei die erste Oberfläche eine erste Diamanthaltefestigkeit und die zweite Oberfläche eine zweite Diamanthaltefestigkeit aufweist, die größer als die erste Diamanthaltefestigkeit ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
die zweite Oberfläche eine äußere Begrenzung um die erste Oberfläche bildet.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
die zweite Oberfläche eine Vielzahl radialer Linien auf der ersten Oberfläche umfaßt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
die zweite Oberfläche eine Vielzahl an Flecken auf der ersten Oberfläche umfaßt.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
die erste Oberfläche aus Titannitrid und die zweite Oberfläche aus Molybdän ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
der Dorn kreisförmig mit einem Dorndurchmesser ist, die erste Oberfläche einen Kreis mit einem Durchmesser, der kleiner als der Dorndurchmesser ist, bildet und die zweite Oberfläche ein ringförmiges Band um die erste Oberfläche herum bildet.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
der Dorn zylindrisch ist und eine Seitenwand und eine Oberseite mit einem Dorndurchmesser aufweist, wobei die erste Oberfläche einen Kreis mit einem Durchmesser, der kleiner als der Dorndurchmesser ist, bildet und die zweite Oberfläche ein kreisförmiges Band um die Seitenwand herum bildet.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei
der Dorn ein stufenförmiger Zylinder mit einer tafelbergförmigen Erhöhung und einem Basisbereich ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei
die tafelbergförmige Erhöhung eine Oberseite und eine Seite hat, die zweite Oberfläche ein Band ist, das eine äußere Begrenzung um die besagte Seite bildet, und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter und die Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung einschließender Bereich der tafelbergförmigen Erhöhung ist.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei
die tafelbergförmige Erhöhung eine Oberseite und eine Seite hat, die zweite Oberfläche ein ringförmiges Band ist, das eine äußere Begrenzung um die besagte Oberseite bildet, und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter Bereich der besagten Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei
die tafelbergförmige Erhöhung eine Oberseite und eine Seite hat, die zweite Oberfläche ein stufenförmiges Band ist, das eine äußere Begrenzung um die Oberseite und die Seite herum bildet, und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter Bereich der besagten Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei
der Dorn ein mit Titannitrid beschichtetes Molybdänsubstrat ist, die zweite Oberfläche ein durch Entfernen eines Streifens des Titannitrids freigelegter Bereich der unterliegenden Molybdänschicht ist und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter Bereich des Titannitrids ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden Diamanten, umfassend:
a) Bereitstellen eines Dorns mit einer ersten und zweiten Depositionsoberfläche, auf denen Diamant als Schicht zu depositionieren ist, wobei die erste Oberfläche eine erste Diamanthaltefestigkeit und die zweite Oberfläche eine zweite Diamanthaltefestigkeit aufweist, die größer als die erste Diamanthaltefestigkeit ist;
b) Depositionieren von Diamant auf der ersten und zweiten Oberfläche des Dorns, um eine Diamantschicht zu bilden; und
c) Entfernen der Diamantschicht von dem Dorn.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei
die zweite Oberfläche als äußere Begrenzung um die erste Oberfläche herum gebildet ist.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei
die zweite Oberfläche als Vielzahl radialer Linien in der ersten Oberfläche gebildet ist.
16. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei
die zweite Oberfläche als Vielzahl an Flecken in der ersten Oberfläche gebildet ist.
17. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines Dorns mit einer ersten Oberfläche aus Titannitrid und einer zweiten Oberfläche aus Molybdän einschließt.
18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines kreisförmigen Dorns mit einem Dorndurchmesser einschließt, die erste Oberfläche einen Kreis mit einem Durchmesser, der kleiner als der Dorndurchmesser ist, bildet und wobei die zweite Oberfläche ein ringförmiges Band um die erste Oberfläche herum bildet.
19. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines kreisförmigen Dorns mit einer Seitenwand und einer Oberseite, die einen Dorndurchmesser hat, einschließt, die erste Oberfläche einen Kreis mit einem Durchmesser, der kleiner als der Dorndurchmesser ist, bildet und wobei die zweite Oberfläche ein kreisförmiges Band um die Seitenwand herum bildet.
20. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines stufenförmigen zylindrischen Dorns, der eine tafelbergförmige Erhöhung und einen Basisbereich hat, einschließt.
21. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines Dorns umfaßt, derart, daß die tafelbergförmige Erhöhung eine Oberseite und eine Seite umfaßt, die zweite Oberfläche ein Band ist, das eine äußere Begrenzung um die Seite herum bildet, und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter und die Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung einschließender Bereich der tafelbergförmigen Erhöhung ist.
22. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines Dorns umfaßt, derart, daß die tafelbergförmige Erhöhung eine Oberseite und eine Seite umfaßt, die zweite Oberfläche ein ringförmiges Band ist, das eine äußere Begrenzung um die besagte Oberseite herum bildet, und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter Bereich der besagten Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung ist.
23. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines Dorns umfaßt, derart, daß die tafelbergförmige Erhöhung eine Oberseite und eine Seite umfaßt, die zweite Oberfläche ein stufenförmiges Band ist, das eine äußere Begrenzung um die Oberseite und die Seite herum bildet, und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter Bereich der besagten Oberseite der tafelbergförmigen Erhöhung ist.
24. Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei
der Schritt des Bereitstellens eines Dorns das Bereitstellen eines mit Titannitrid überzogenen Molybdänsubstrat-Dorns umfaßt, die zweite Oberfläche ein durch Entfernen eines Streifens des Titannitrids freigelegter Bereich der unterliegenden Molybdänschicht ist und wobei die erste Oberfläche ein durch die zweite Oberfläche begrenzter Bereich des Titannitrids ist.
25. Verfahren zur Herstellung eines Dorns zur Verwendung beim Herstellen eines freistehenden Diamanten, wobei Diamant als Schicht auf dem Dorn depositioniert wird, umfassend:
a) Bereitstellen einer ersten Depositionsoberfläche auf einem Substrat, wobei die erste Oberfläche eine erste Diamanthaltefestigkeit aufweist; und
b) Bereitstellen einer zweiten Depositionsoberfläche auf dem Substrat, wobei die zweite Oberfläche eine zweite Diamanthaltefestigkeit aufweist.
26. Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei
die zweite Oberfläche um die äußere Begrenzung der ersten Oberfläche herum bereitgestellt wird.
27. Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei
die zweite Oberfläche als Vielzahl radialer Linien auf der ersten Oberfläche vorgesehen ist.
28. Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei
die zweite Oberfläche als Vielzahl an Flecken auf der ersten Oberfläche vorgesehen ist.
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