TWI638900B - 包括鑽石層及鑽石、碳化矽與可選的矽之複合層之基板 - Google Patents

包括鑽石層及鑽石、碳化矽與可選的矽之複合層之基板 Download PDF

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TWI638900B
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許文清
Elgin E. Eissler
艾斯勒艾爾金Ｅ
Chao Liu
劉超
Charles D. Tanner
坦尼爾查爾斯Ｄ
Charles J. Kraisinger
卡萊辛格查爾斯Ｊ
Michael Aghajanian
阿加亞尼安麥可
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Abstract

一種多層基板包括CVD生長在複合層上的鑽石層。該複合層包括鑽石顆粒和碳化矽與可選的矽。該複合層中的鑽石裝載水平(依體積計)可以5%；20%；40%；或

Description

包括鑽石層及鑽石、碳化矽與可選的矽之複合層之基板 【相關申請案的交叉引用】
本專利申請案主張於2014年1月24日提出申請的美國臨時專利申請案第61/931,227號的優先權權益，該申請案以引用方式併入本文中。
本發明為包含鑽石層及含鑽石顆粒和碳化矽與可選的矽顆粒之複合層的多層基板以及製作該多層基板的方法。
鑽石是已知最硬的物質，具有10的莫氏硬度，這使得鑽石對於切割、機械加工、鑽孔、碾磨等應用最有用。鑽石也是已知最導熱的物質，具有每米每凱氏度(K)高達2000至2200瓦的導熱率，這使得鑽石對於苛刻條件下的熱管理中的應用是高度理想的。鑽石也具有極低的摩擦係數，這使得鑽石成為多功能的材料，以用於例如制動器。
鑽石也是用於傳送微波、紅外線、可見光、及其它紫外線電磁波的優異光學材料。當被用作高通量核輻射檢測器時，鑽石還具有高的穩定性。此外，鑽石在可能涉及強酸、強鹼、強氧化劑、或強還原劑的化學環境中、甚至在升溫或 在低溫條件下也是高惰性材料。此外，鑽石是高折射率材料之一，這造成鑽石在珠寶產業中流行且具有最高價值。
有關鑽石的資訊可以在下列參考文獻中找到，(1) 由Institute of Electrical Engineers發行、由M.H.Nazare和A.J.Neves在2001年編著的「鑽石之性質、生長及應用(Properties,Growth and Applications of Diamond)」；(2)由Marcel Dekker發行、由Jes Asmussen和D.K.Reinhard在2002年編著的「鑽石膜手冊(Diamond Films Handbook)」；以及(3)由Elsevier發行、由Koji Kobashi在2005年編著的「用於方向性和異質磊晶生長的鑽石膜、化學氣相沉積(Diamond Films,Chemical Vapor Deposition for Oriented and Heteroepitaxial Growth)」。
雖然鑽石是最多功能的和最高價的材料之一，但鑽 石的可得性在自然界中是非常有限的。此外，從地球開採的鑽石通常是屬於單晶，單晶的幾何尺寸在大小上是非常有限的，大部分的時候會太小而無法用於要求大尺寸的工業用途。許多時候，在自然界中形成的鑽石還含有雜質和晶體缺陷。晶體大小相對較大的、化學含量相對較純的、而且相對完美且無晶體缺陷的鑽石晶體是非常昂貴的，很多時候是無價的。
習知合成鑽石是在化學反應器中、在極高壓和極高 溫下(被稱為高溫高壓(HTHP)製程)工業生產的。由於苛刻的生長條件，反應器的大小往往是受限的，從HTHP製程生產出的鑽石尺寸也是受限的，更不用提在製程、設備、及 安全性上的相關高成本。很多時候，由於催化雜質摻入鑽石晶格中，HTHP製程生產的鑽石具有黃色的色調。
工業上，單晶鑽石也可以在反應器中以稱為化學氣 相沉積(CVD)的製程生長，其中適當的生長條件可以藉由微波增強電漿、鎢熱絲、直流噴射電漿、雷射誘導電漿、乙炔火炬等來實現。本技術領域中眾所周知的是，CVD生長製程也可以成功地在不同基板上生長出多晶鑽石薄膜及/或獨立的鑽石厚膜，雖然獲得低應力膜或大小顯著的無裂紋鑽石是具有挑戰性的。然而，CVD製程通常產生可以比來自自然界或從HTHP製程生長的單晶鑽石之直徑明顯更大的鑽石片。 不過，在CVD製程或任何鑽石生長製程中鑽石的生長速率通常是慢的，在從小於1微米/小時的生長速率到不超過約10至20微米/小時的生長速率的範圍中，雖然有些聲稱能以較高的生長速率生長單晶，但有很多缺陷。
由於鑽石和上面生長鑽石的基板之間非常不同的物 理和化學性質(例如導熱性、導電性、熱膨脹係數、楊氏模數等)導致存在極端應力，故在基板上生長鑽石厚膜以形成一層鑽石膜在基板層上的複合物是具有挑戰性的。在化學上，基板的材料需要能夠形成碳化物，即一種在基板的化學元素原子與碳原子之間必需的鍵結，碳化物形成具有某種親和性的界面，以讓其它含碳鍵材料至少藉由表面的物理相互作用例如凡得瓦力附接，使得鑽石晶體可以在上面種晶，碳化物也填補了鑽石和基板之間的一些化學差異。矽、鎢、鉬、碳化矽、鉭、鈮等是碳化物形成物，來自碳化物的碳提供一 些固定機制讓鑽石黏附。這可能是現有技術已經能夠在某些生長條件下在這種類型的基板上沉積鑽石層中表現出一些成功的原因。然而，鑽石和基板之間的相互作用至多可能是在藉由凡得瓦力的物理相互作用水平，或在一些碳-碳鍵結的化學水平，更不用提到鑽石晶格和金屬碳化物晶格之間有晶格不匹配，對於該晶格不匹配來說，鑽石碳和基板碳之間的碳-碳鍵結將是不完美的，從而在界面處產生導致故障的應力缺陷。
關於物理性能，鑽石和基板材料也有很大的不同。 例如，矽具有149W/m-K的導熱率，鎢173W/m-K，鉬138W/m-K，鉭57.5W/m-K，以及鈮53.7W/m-K等，而鑽石具有2000至2200W/m-K的導熱率。矽具有2.7 x 10-6/m/m-K的熱膨脹係數，鎢4.6 x 10-6/m/m-K，鉬4.8 x 10-6/m/m-K，鉭3.6 x 10-6/m/m-K，鈮4.0 x 10-6/m/m-K等，而鑽石只具有1.0 x 10-6/m/m-K的熱膨脹係數。矽具有103 ~m的電阻率，鎢52.8 x 10-9 ~m，鉬53.4 x 10-9 ~m，鉭131 x 10-9 ~m，鈮152 x 10-9 ~m等，而鑽石具有1011 ~m的電阻率。這裡，當用於表示數值的單位時，「m」=米並且「K」=凱氏度。
除了從鑽石和基板的化學鍵結產生的固有限制之外 (若有的話)，鑽石和這種基板材料之間在物理性質上的極端差異對於在這些基板材料上生長不會剝離的厚鑽石膜或層造成挑戰。可以想像的是，生長在這些基板上的鑽石膜CVD在從基板剝離之前可能具有高應力，其中剝離有時在沉積期間發生，而且剝離有時會在關閉反應之後發生。即使鑽石膜倖 存而無剝離，但這種鑽石膜(大多時候是薄膜)仍處在高應力下，這對於各種應用是高度不良的，因為該膜可能會在獨立時剝離，或在被用於不同用途時剝離。
現有技術利用基板上的鑽石膜之剝離行為來從基板 分離鑽石膜，並產生獨立的鑽石膜，雖然是困難的。剝離製程可能涉及大量的應力。為此目的，獲得無裂紋的鑽石厚膜是困難的，因為厚鑽石膜可能會破碎成許多小片。當鑽石膜或層的直徑或幾何尺寸增加時，保持幾何形狀而不裂開(厚或薄)的問題變得甚至更具挑戰性或不可能。有時鑽石膜部分剝離，並留下一些基板區域具有一些未剝離的鑽石，這會妨礙將此基板再利用於下一次的鑽石膜生長。由於鑽石是地球上最堅硬的材料，從基板研磨除去殘餘的鑽石膜是困難、耗時且昂貴的。即使在倖免於剝離時，鑽石薄膜(即使具有小的尺寸)也是非常脆弱而且難以處理的，這使得將獨立的鑽石薄膜使用於工業上的實際應用是不可能的。
在許多的實際應用中，由基板層上的鑽石層組成 的、在鑽石層和基板層之間具有最小或減小的應力、無裂紋或破碎或在靜止或使用中沒有破裂或被破碎風險的獨特且完整複合物是非常理想的。有時，當被支撐在廉價的基板上時，薄鑽石層是理想的，具有最小或減少的應力使得其成功使用於惡劣的條件下，在機械加工、鑽孔、切割、碾磨等中被發現。有時，在大幾何尺寸的基板層上的厚鑽石層之複合物(具有最小應力或減小的應力、無裂紋或具有最小的裂紋水平)對於像是光學鏡、熱管理、摩擦控制、像是鑽孔、機械加工、 切割、碾磨等機械用途的應用是理想的。
本文揭示的是一種多層基板，該多層基板包含鑽石層及複合層，該複合層包含鑽石顆粒和碳化矽與可選的矽。該多層基板具有在拉曼光譜中證實為低應力或最小應力的鑽石層，而且該鑽石層可以是薄的或厚的，由應用的要求及鑽石的生長方法來指定。鑽石層可以藉由sp3碳-碳鍵結以鑽石晶格的層次黏結於該複合層、鍵結於包含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合物之表面上曝露出的鑽石顆粒，並強力固定在該複合層上，超越鑽石晶種晶體到基板金屬碳化物(在鑽石晶格和金屬碳化物晶格之間、在碳化矽和鑽石晶種之間的界面處具有實質晶格不匹配)的碳-碳鍵結之可能的物理相互作用(例如凡得瓦力)及或可能的化學相互作用(若有的話)。此外，該鑽石層與複合層的物理性質給予另外的優點，例如楊氏模數、導熱率及熱膨脹係數。這些優點(可能來自鑽石層和複合層之間的化學固定機制和物理性質相似性)可允許多層基板被用於諸如、但不限於機械(鑽孔、切割、機械加工、或碾磨等)、熱管理(電子、雷射、光學、半導體、或發光裝置等)、檢測器(高能量輻射粒子、紫外光、及探針等)、光學元件(反射鏡或透鏡等)、摩擦控制(制動系統)、電磁波和聲波管理(聲音傳導等)、化學惰性、磨損控制(如泵的密封墊或地下鑽孔密封墊)等應用或溫度波動可能相對較高並且優質的應力控制是至關重要的區域。然而，本發明的範圍內不受本揭示中提供的說明所限制。
還揭示的是一種製造多層基板的方法，該多層基板 包含鑽石層及由鑽石顆粒和碳化物與可能的矽所組成的複合層。該方法包括製造由鑽石顆粒和碳化矽與可能的矽所組成的複合層。在此製程期間，複合物或其預形體可以被機械加工、研磨、拋光、切割、鑽孔、或任何其它的方法。接著，鑽石層(薄或厚)經由、但不限於化學氣相沉積被形成或沉積在該複合層上。
鑽石層的化學氣相沉積法可以包括、但不限於微波 電漿化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積、直流噴射/熱電漿化學氣相沉積、燃燒噴霧電漿化學氣相沉積、雷射輔助化學氣相沉積等。
該多層基板可以被進一步處理(例如切割、碾磨、 機械加工、鑽孔、研磨、黏結、銅焊、或拋光、塗佈等)以用於諸如機械(鑽孔、切割、機械加工、或碾磨等)、熱管理(電子、雷射、光學、半導體、或發光元件等)、檢測器(高能量輻射粒子、紫外光、及探針等)、光學元件(反射鏡或透鏡等)、摩擦控制(制動系統)、電磁波和聲波管理(聲音傳導等)、化學惰性、磨損控制(如泵的密封墊或地下鑽孔密封墊)等應用、或溫度波動可能相對較高且優質的應力控制是至關重要的、或可能需要大的幾何尺寸、或需要快速移除或輸送熱的、或需要耐磨損性或耐磨蝕性的、或需要鑽石的優良特性但一塊實心鑽石太昂貴等的區域。
現在將在以下編號的條款中描述和提出本發明的各 種較佳與非限制性的實施例或態樣：
條款1：一種多層基板，包含：由鑽石顆粒及碳化矽顆粒所組成的複合層；以及在該複合層上化學氣相沉積(CVD)生長的鑽石層，其中該鑽石層之鑽石係被CVD生長在組成該複合層的該鑽石顆粒及/或碳化矽顆粒之晶體表面上。
條款2：如條款1所述之多層基板，其中該鑽石層包含多晶鑽石。
條款3：如條款1或2所述之多層基板，其中該複合層進一步包含矽顆粒。
條款4：如條款1-3中任一者所述之多層基板，其中該鑽石層為以下中之一者：未摻雜的；摻雜n型元素或化合物的；摻雜p型元素或化合物的；或摻雜硼的。
條款5：如條款1-4中任一者所述之多層基板，其中該鑽石層被圖案化或選擇性蝕刻。
條款6：如條款1-5中任一者所述之多層基板，其中該複合層中的該鑽石顆粒在該複合層中具有介於0%和100%之間的濃度梯度。
條款7：如條款1-6中任一者所述之多層基板，其中該複合層中鑽石顆粒之裝載水平(依體積計)為以下中之一者：5%；20%；40%；或60%。
條款8：如條款1-7中任一者所述之多層基板，其中該鑽石層之厚度為以下中之一者：介於10-9米和10-6米之間；介於5 x 10-6米和20 x 10-3米之間；介於500 x 10-6米和10 x 10-3米之間；介於1 x 10-6米和5 x 10-3米之間；介於3 x 10-6 米和3 x 10-3米之間；介於50 x 10-6米和50 x 10-2米之間；介於100 x 10-6米和10 x 10-2米之間；介於200 x 10-6米和5 x 10-2米之間；或介於500 x 10-6米和2 x 10-2米之間。
條款9：如條款1-8中任一者所述之多層基板，其中該多層基板之厚度為以下中之一者：200 x 10-6米；20 x 10-3米；40 x 10-3米；或75 x 10-3米；50 x 10-6米；500 x 10-6米；或1 x 10-3米。
條款10：如條款1-9中任一者所述之多層基板，其中該多層基板具有以下形狀中之一者或以下形狀中之兩者或更多者之組合：圓形，方形，矩形，多邊形，橢圓形，曲線形，球形，非球形，圓柱形，錐形，凹形，或凸形。
條款11：如條款1-10中任一者所述之多層基板，其中該鑽石層之表面被生長或拋光到所需的粗糙度或平整度值。
條款12：如條款1-11中任一者所述之多層基板，設以用於作為以下中之一者：光學元件；用於檢測高能量輻射顆粒的檢測器；用於檢測電磁波的檢測器；用於切割、鑽孔、機械加工、碾磨、研磨、拋光、塗佈、黏結、或銅焊的裝置；制動裝置；密封墊；導熱器；電磁波傳導元件；設以在升溫或低溫條件下用於高腐蝕性環境、強氧化性環境、或強還原性環境的化學惰性裝置；或用於拋光或平坦化晶圓或膜的半導體元件、墊、晶圓或膜的光學元件、及/或晶圓或膜的電子元件的裝置。
條款13：如條款1-12中任一者所述之多層基板，其 中該光學元件為平面光件或非平面光件。
條款14：如條款1-13中任一者所述之多層基板，其中該平面光件為反射鏡或透鏡。
條款15：如條款1-14中任一者所述之多層基板，其中該非平面光件為球形、或非球形、或錐體或圓柱體。
條款16：如條款1-15中任一者所述之多層基板，其中該光學元件包括用於處理電磁波的光學塗層。
條款17：一種形成如條款1-16中任一者所述之多層基板的方法，包含以下步驟：(a)形成由鑽石和碳化矽組成的複合層；(b)將該複合層定位在反應器之基板固持件上；以及(c)在被定位於該反應器中的該基板固持件上的該複合層上生長鑽石層，其中該鑽石層之鑽石直接生長在組成該複合層的鑽石顆粒之晶體表面上。
條款18：如條款1-17中任一者所述之方法，其中該複合層進一步包括矽。
條款19：如條款1-18中任一者所述之方法，其中步驟(c)包括在該複合層上經由化學氣相沉積生長該鑽石層。
條款20：如條款1-19中任一者所述之方法，其中步驟(a)進一步包括機械加工、研磨、拋光、切割、或鑽孔該複合層。
2‧‧‧多層基板
4、4'‧‧‧鑽石層
6、6'‧‧‧複合層
第1圖為包含鑽石層及含鑽石和碳化矽與可選的矽之複合層的示例性多層基板；第2圖為圖示可被用於製造第1圖的多層基板的各 種步驟之圖；第3圖為可被用於在複合層上沉積鑽石層以形成第1圖的多層基板的示例性微波電漿化學氣相沉積(CVD)系統之示意圖；第4A圖為在上面CVD沉積鑽石之前，複合層(像是第1圖的複合層)的表面之SEM影像；第4B圖為在複合層上CVD沉積鑽石約20小時之後，生長在第4A圖的複合層上的鑽石層之SEM影像；第4C圖為在複合層上CVD生長鑽石層約117小時之後，生長在第4A圖的複合層上的鑽石層之生長表面的SEM影像；第5圖為第4C圖的鑽石層在研磨和拋光之後的UV-Vis-NIR反射光譜圖；第6圖為CVD生長在包含70%鑽石(依體積計)的複合層上的鑽石層之中心的生長表面之SEM影像；第7A-7E圖為在第6圖圖示的CVD鑽石層之5個不同位置的拉曼光譜；第8圖為天然單晶鑽石之示例性拉曼光譜；第9A-9D圖為在中心和邊緣從鑽石窗的生長側和成核側收集的CVD光學鑽石窗之拉曼光譜；第10圖為CVD生長在鎢基板上的鑽石層之生長表面中心的SEM影像；第11A-11C圖為在第10圖圖示的CVD鑽石層之3個不同位置的拉曼光譜； 第12圖為CVD生長在包含40%鑽石(依體積計)的複合層上的鑽石層之中心的生長表面之SEM影像；第13A-13E圖為在第12圖圖示的CVD鑽石層之5個不同位置獲得的拉曼光譜；第14A-14E圖為在CVD生長的鑽石層之5個不同位置獲得的拉曼光譜，該鑽石層被沉積在複合基板上沉積第12圖圖示的CVD鑽石層之相對側上；第15A-15E圖為在CVD生長的鑽石層之5個不同位置的拉曼光譜，該鑽石層被生長在含0%鑽石的複合層上；第15F圖為天然單晶鑽石之參考拉曼光譜；以及第16圖為天然單晶鑽石(天然SCD)、生長的獨立鑽石窗(04A05901)、及生長在各種基板(即鎢、包含40%鑽石顆粒的複合層、包含70%鑽石顆粒的複合層、及不含鑽石顆粒的SiC/Si基板(1A178)、包括本文揭示的複合層)上的鑽石層之拉曼數據圖表。
參照第1圖，本文中揭示的是由至少一鑽石層4和複合層6組成的多層基板2，複合層6包含鑽石和碳化矽與可選的矽。
不論鑽石層4如何製成，鑽石層4包含多晶(包括奈米結晶、微晶、大結晶、及/或單晶)鑽石。不論複合層6如何製成，複合層6包含鑽石和碳化矽的顆粒與可選的矽。
令人驚訝的是，薄或厚的鑽石層4能夠被生長或沉積在複合層6上而不會在鑽石沉積後遭受剝離、裂開、或粉 碎。更出乎意料的是，生長或沉積在複合層6上的鑽石層4具有較低的應力，此可藉由拉曼峰值位移展現，這或許可以解釋多層基板2的獨特性。然而，本發明的範圍不應被解讀為受本文中的解釋所限制。
可以使複合層6中的鑽石顆粒在複合層6的表面曝 露或部分曝露。因此，在複合層6上例如CVD沉積鑽石的過程中形成的鑽石層4生長在複合層6的部分鑽石微粒及/或碳化矽顆粒的晶體表面上，從而造成鑽石晶格的無縫和固有C-C sp3化學鍵結。因此，在新生長的鑽石層4和複合層6中的鑽石微粒之間的鍵結是本質上強固並固定良好的，不像前案是將鑽石晶體種晶到包括金屬碳化物的基板表面上。
可以想像的是，在複合層6表面的鑽石顆粒可能不 具有曝露用於CVD生長鑽石層4的鑽石晶格。更具體來說，在複合層6的製作過程中，可以想像的是，矽可能與複合層6的鑽石顆粒反應，從而在例如、且不限於複合層6之鑽石顆粒的曝露表面上形成碳化矽的界面層。假使在複合層6上CVD沉積鑽石層4之前將複合層6進行處理，例如研磨或拋光，則可以想像的是，碳化矽界面層將不會存在於複合層6之鑽石顆粒的曝露鑽石晶體表面上，並且鑽石層4可以直接生長在這些曝露的鑽石晶體表面上與形成複合層6的碳化矽顆粒上。在另一方面，假使鑽石層4被沉積在未經處理的複合層6上，例如在包括碳化矽界面層的複合層6之鑽石顆粒的鑽石晶體表面上，則可以想像的是，鑽石層4將生長在此碳化矽界面層上與形成複合層6的碳化矽顆粒上。包括金屬 碳化物的前案基板表面可以通過物理性相互作用(例如凡得瓦力)而對鑽石碳原子具有一定程度的親合性，從而提供新成核鑽石顆粒在基板表面上的黏著性，或至多具有單層鍵結的碳-碳鍵，一個碳原子來自金屬碳化物的基板表面，並且一個碳原子來自新種晶的鑽石顆粒，雖然由於鑽石晶格與基板金屬碳化物晶格的不匹配，預期鍵結將具有高度的缺陷。因此，添加任意量的鑽石微粒及可選的矽到形成複合層6(由鑽石和碳化矽所組成)的複合系統中是有利的。
複合層6包括的鑽石裝載(依體積計)理想上5%， 更理想為10%，又更理想為20%，甚至更理想為30%，高度理想為40%，進一步理想為50%或以上，而且最理想為60%。
多層基板2的複合層6可以沿著某些幾何尺寸具有 從低至0%鑽石至高達100%鑽石的鑽石濃度梯度。
鑽石層4可以是未經摻雜的、p型摻雜的、或n型 摻雜的。鑽石層4也可以被圖案化、或被選擇性地蝕刻等，以用於不同的應用。
包含複合層6的鑽石顆粒之尺寸範圍可以從幾奈米 至幾百微米或更大。這樣的鑽石顆粒可以被其它的化學元素(例如硼)摻雜，以實現其它的性能，像是用於一些獨特應用的導電性。
包含複合層6的碳化矽顆粒可以具有範圍從幾奈米 至幾百或幾千微米或更大的尺寸。有時由於經濟上的因素，這樣的碳化矽顆粒可以含有其它的化學雜質。
複合層6中可選的矽可以具有範圍從幾奈米至幾百 微米或更大的尺寸。矽顆粒可以是結晶的或非晶形的。矽可以具有半導體等級的純度，或可以具有工業等級的純度。
多層基板2可以具有任何的厚度、任何的圓形直 徑、任何的正方形尺寸、任何的矩形尺寸、或具有任何幾何形狀的任何大小、或幾何形狀上不規則的形狀。大小、尺寸、及形狀可以由應用、或由用以在複合層6上生長或沉積鑽石層4的CVD法指定。
鑽石層4可以具有任意的厚度。對於薄膜或塗層的 應用來說，厚度可以薄至幾奈米至幾微米。這種薄的塗層在光學透明性、反射性、平滑度、或平坦度等性質上可以是鑽石或類鑽石的碳。對於厚膜的應用來說，厚度可以是幾微米至幾毫米或更厚。理想的是，鑽石層4的厚度範圍在幾奈米和5毫米之間，更理想是在20微米和4毫米之間，又更理想是在50微米和3毫米之間，以及最理想是在100微米和3毫米之間。可以為初生長的鑽石層4或隨後被施加不同表面修整技術(例如一般的拋光製程或電子束拋光製程)的初生長鑽石層4實現所需的光學表面修整參數，例如表面粗糙度和平坦度，上述也適用於薄膜鑽石或厚膜鑽石任一者。
複合層6可以具有任意的厚度。例如，複合層6的 厚度可以在幾微米、幾毫米、幾公分、或更大的等級上，取決於應用。
多層基板2的直徑或最大橫向尺寸可以是幾毫米、 幾十毫米、幾百毫米、或甚至更大，取決於應用及用於在複 合層6上化學氣相沉積鑽石層4的方法和反應器尺寸。
鑑於機械硬度，鑽石層4對於用於機械應用的產品 是高度理想的，因為在給定某個厚度之下，鑽石層4將具有長的壽命和耐久性、及較少的、可能由鑽石層4的應力引起的故障機會。機械應用的實例包括、但不限於鑽孔、切割、研磨、機械加工等。對於較不苛刻的環境來說，可能只需要薄的鑽石層4。對於較苛刻的工作條件來說，可以在複合層6上生長較厚的鑽石層4，此舉可延長多層基板2的壽命，並使多層基板2在那些要求較高的條件下表現更一致。
藉由CVD生長在複合層6上的鑽石層4之導熱率可 允許鑽石層4被用於熱管理的應用，例如不限於光學應用、電子應用(散熱器)、航空應用、化學應用等，此在本技術領域中迄今是未知的。
除了鑽石層4的導熱率之外，當複合層6中的鑽石 裝載在70%時，複合層6具有高達625W/m-K、或更高(遠優於銅的導熱率401W/m-K)的導熱率。在複合層6中鑽石裝載的水平為42%時，複合層6具有450W/m-K的導熱率，仍高於銅的導熱率(401W/m-K)。隨著複合層6的鑽石裝載增加，複合層6的導熱率被從先前技術產品(M-Cubed Technology的SSC-702)的導熱率(碳化矽和矽的複合物170W/m-K)改良到鑽石的導熱率，即2000至2200W/m-K。
假使使用線性模型計算導熱率，則42%鑽石裝載的 複合層6之導熱率將是981W/m-K，而70%鑽石裝載的複合層6之導熱率將是1,521W/m-K，所以這種複合層的導熱率性 能結果是出乎意料的。多層基板2的鑽石層4和複合層6之獨特組合允許鑽石層4從集中的、熱的及/或產生熱的區域沿著鑽石層4橫向或水平地傳導熱能，並使該熱垂直消散進入複合層6的主要部分中，與使用純鑽石層相比，複合層6可以較厚、較便宜、且較容易製作。多層基板2對於雷射光學、電子學、航空、或其它需要快速除熱的使用可能特別有利。 或者，多層基板2可被用於需要快速輸送熱能的應用。
鑽石層4可被可選地研磨和拋光到光學漆、及/或可 選地塗有一個或更多個光學塗層用於控制電磁波(例如微波、紅外光、及可見光)、或其它類型的、用於不同目的的塗層，該等目的可使用本技術領域中眾所周知的研磨、拋光、及塗佈製程來實現。使用多層基板2製作的光學元件可以具有平面的表面或可以具有非平面的表面，例如、但不限於球體、圓錐體、圓柱體、或任何已被用於先前技藝中的光學應用的表面。多層基板2的鑽石層4可以藉由後處理進行拋光或可以被長到滿足實際應用之需求的粗糙度和平坦度值範圍內。可以將其它類型的塗層施加到多層基板2的表面上，不是鑽石層4的表面就是複合層6的表面。
鑽石層4和複合層6的尺寸穩定性對於需要鑽石層 4具有的性質並同時經歷明顯溫度波動的環境中的使用皆給出意想不到的優點。複合層6的熱膨脹係數被意外地從不含鑽石顆粒的標準複合物產品(M-Cubed SSC-702)的2.9x10-6/m/m-K降到包含42%鑽石顆粒的複合層6的1.5 x 10-6/m/m-K(藉由線性模型計算，包含42%鑽石顆粒的複合 層6的熱膨脹係數應已正好減少到2.1 x 10-6/m/m-K)並進一步下降到低至包含70%鑽石顆粒的複合層6的1.2 x 10-6/m/m-K(藉由線性模型計算，熱膨脹係數應已正好減少到1.6 x 10-6/m/m-K)，包含70%鑽石顆粒的複合層6幾乎是類鑽石的材料(鑽石的熱膨脹係數為1.0 x 10-6/m/m-K)。複合層6在需要鑽石的優良耐磨性同時涉及大量的熱產生、並於隨後快速去除熱而不需經歷極端的溫度上升並且可能需要多層基板2的優質尺寸穩定性的應用中是高度理想的，該應用像是涉及摩擦的制動系統。然而，本發明的範圍不應被解讀為僅限於這些應用。
鑽石被稱為高能量粒子輻射的優良檢測器。多層基 板2的獨特組成物較為便宜且更容易製作，而且由於破裂或粉碎，多層基板2沒有尺寸限制。所有這些理想的特性使得多層基板2對於用作高能量輻射、聲音傳導機制、及許多其它應用的檢測器是可行的和經濟的。
由於鑽石的化學惰性，多層基板2的獨特組成物可 被用於涉及化學苛刻的腐蝕環境的高要求應用，甚至可被用於升高的溫度。
另外地或替代地，如第1圖的虛線所示，可以將一 個或更多個附加的鑽石層4'施加於複合層6的一側、或兩側、及/或底部表面，只要用於生長鑽石層4'的化學氣相沉積(CVD)反應器允許即可。可以想像的是，鑽石層4'可以藉由任何可能的方式被鍵結或生長在複合層6的一個或更多個表面上。
由於鑽石的獨特特性，鑽石層4的表面可以為了不同的應用而被圖案化或選擇性地蝕刻等。
由於鑽石層4到複合層6上的獨特固定機制，多層基板2可被用作拋光或平坦化調節器，用於半導體元件晶圓或膜、光學元件晶圓或膜、及/或晶圓或膜的電子元件的化學機械平坦化或拋光。
製造包含鑽石層4和複合層6的多層基板2之製程。
參照第2圖並繼續參照第1圖，第2圖為可被用於製造多層基板2的各個步驟之圖，多層基板2至少包含鑽石層4和複合層6，複合層6包含鑽石和碳化矽及可選的矽。更詳細的製程在下文中揭示。
第一步驟是包含鑽石和碳化矽及可選的矽的複合層6之製備。將鑽石顆粒與碳化矽(SiC)顆粒或形成碳化矽(SiC)的前驅物、可選的矽顆粒、及可選的石墨形式的碳、碳黑、及/或形成碳的前驅物混合。然後藉由澆鑄、擠壓、或等壓擠壓將混合物用於形成固體物件。固體物件被可選地加熱到足以形成碳質物種的溫度。
然後，物件被可選地熱壓燒結、或可選地在高溫高壓下燒結或在正常或大氣壓力下高溫燒結、或在高於正常或大氣壓力的壓力、正常或大氣壓力、或真空下在高溫滲透矽。在燒結、熱壓、或滲透製程的過程中，鑽石顆粒可以部分地與矽反應，以形成碳化矽，而且添加的非鑽石碳，例如石墨、碳黑、碳纖維及/或在中間溫度形成的碳質物種也可以與矽反應以形成碳化矽。非鑽石碳源可能不會與矽完全反應，而且 矽可能不會與鑽石和碳源完全反應。所生成的複合層6可以包含鑽石和碳化矽；可以包含鑽石、碳化矽、及矽；可以包含鑽石、碳化矽、及碳；或者可以包含鑽石、碳化矽、矽、及非鑽石碳。複合物可以在此製程期間或在該製程結束時被機械加工、或藉由任何方法處理成任何形狀或尺寸。
藉由第一步驟製備的複合層6可以在第二步驟(接 下來描述的)之前被可選地研磨、拋光、切割、或藉由任何方法進行處理，該第二步驟即沉積或鍵結鑽石層4於製備的複合層6上。作為第二步驟，鑽石層4可以被鍵結到製備的複合層6上以形成多層基板2。鑽石層4可以藉由化學氣相沉積(CVD)法被沉積到複合層6的表面上以形成多層基板2，化學氣相沉積(CVD)法例如、但不限於微波電漿、熱絲、直流電漿、燃燒火焰、射頻及或極高頻電漿、雷射等，細節在下面的段落中。
鑽石層4可以被鍵結或沉積到複合層6的一側或兩 側、或所有的側面上，以形成多層基板2。
作為第三步驟，製備的多層基板2之後可以可選地 藉由不同的製程進行進一步處理，該等製程包括、但不限於切割、鑽孔、機械加工、研磨、拋光、塗佈、黏結、銅焊等，以用於不同的應用，該等應用包括、但限於機械的(例如、但不限於切割、鑽孔、機械加工、或碾磨等)、光學的(例如、但不限於反射鏡、透鏡等)、熱管理(例如、但不限於電子、半導體、雷射、快速除熱或快速熱輸送、或在升溫或在低溫條件下)、化學惰性的(例如、但不限於強酸、強鹼的腐蝕環 境、強氧化環境、強還原環境、在升高的溫度、或在低溫條件下)、摩擦控制的(例如、但不限於要求適當摩擦和快速熱控制的制動系統)、電磁的或聲波管理的(例如、但不限於聲波傳導)、耐磨元件的(例如、但不限於泵的密封、地下鑽孔密封等)、檢測器的(例如、但不限於高能量放射性粒子、紫外光、電極等)、或任何其它可以使用多層基板2的應用。
製造用於本發明的、包含鑽石和碳化矽、及可選的 矽的複合物之方法。
可以以US 8,474,362(以引用方式併入本文中)揭 示的方式製造複合層2，其中(1)將碳化矽顆粒和鑽石顆粒以預定量稱入容器中，(2)然後將酚醛樹脂添加到該容器中，並將混合物混合，(3)然後在模中將生成的混合物擠壓或澆鑄成預型體，(4)然後將擠壓或澆鑄的預型體放入爐中，並在惰性環境中碳化，以及(5)然後使碳化的預型體在真空下、在升溫下滲入矽金屬持續所需的時段。從爐中回收的預型體為複合層6。
或者，複合層6可以以US 4,171,339及/或US 4,353,963(皆以引用方式併入本文中)揭示的方式製造，其中鑽石和碳化矽複合物係藉由熱壓鑽石、矽、及碳化矽基材或矽-矽-碳基材的等壓擠壓混合物所製成。或者，複合層6可以以US 4,417,906、4,428,755、及4,453,951(全部皆以引用方式併入本文中)揭示的方式製造，其中鑽石-碳化矽複合物是藉由在石蠟中混合鑽石和碳黑以形成第一分散體並在石蠟中混合碳纖維和碳黑以形成第二分散體、隨後將該兩個分散 體壓實在一起並形成雙層複合物、然後在真空下去除石蠟、並於隨後在升高的溫度下滲入矽所製成。
又進一步的是，複合層6可以以US 4,643,741(以 引用方式併入本文中)揭示的方式製造，其中鑽石和碳化矽的複合物是藉由使苛性鈉清洗過的鑽石顆粒與矽的混合物接受高溫高壓處理所形成。
或者，複合層6可以以US 5,010,043(以引用方式 併入本文中)揭示的方式製造，該方式類似於US 4,643,741揭示的方式，不同之處僅在於跳過使用苛性鈉清洗鑽石顆粒的步驟。
又進一步地，複合層6可以以US 6,939,506和US 7,060,641(皆以引用方式併入本文中)揭示的方式製造，其中鑽石和碳化矽的複合層是藉由燒結/滲透微晶鑽石顆粒和非晶矽粉末的球磨混合物所製成，並且一些非晶矽在600℃下被部分轉化成奈米晶體矽，而且在更高的溫度下被轉化成奈米晶體碳化矽。
或者，複合層6可以以US 7,959,841一種製造鑽石 和碳化矽的複合物之方法或US 8,168,115一種製造鑽石和碳化矽的複合物之高強度磨料壓塊的方法(皆以引用方式併入本文中)揭示的方式製造。
或者，複合層6可以以US 2011/0283629(以引用方 式併入本文中)揭示的方式製造，其中具有少於約2%未反應矽和約1%石墨的高強度鑽石-碳化矽壓塊是藉由摻合不同粒徑的鑽石與不同粒徑的矽之混合物、隨後熱壓該混合物所製 成。
在包含鑽石和碳化矽及可選的矽的複合層上沉積鑽 石層用於製造本發明的多層基板的方法。
複合層6上的鑽石層4可以以US 5,250,149、US 5,628,824、或US 5,523,160(全部皆以引用方式併入本文中)中之任一者揭示的方式藉由化學氣相沉積進行沉積，其中在微波電漿的條件下，甲烷和氫氣在真空升溫下被用作反應氣體，並使用受控的微波功率。
鑽石層4可被以US 5,015,494(以引用方式併入本 文中)揭示的方式沉積在複合層6上，其中使用操作於2.45GHz的微波電漿反應器來藉由使用乙炔、乙烯、甲醇、乙醇、或甲烷作為碳源連同氫氣而將鑽石膜沉積到基板上。該專利進一步揭示的是，也可以將氮和含硼的化學品連同含碳和氫的氣體引入反應系統中。
US 4,958,590(以引用方式併入本文中)教示在2.45 GHz微波電漿反應器中使用氫氣、甲烷、及二氧化碳的氣體混合物以約6微米/小時的生長速率將鑽石沉積到基板上。US 5,660,894(以引用方式併入本文中)揭示一種使用微波電漿、使用乙炔和二氧化碳的反應氣體混合物將鑽石沉積到矽基板上的方法。US 5,749,966(以引用方式併入本文中)揭示了在範圍從250℃至950℃的不同生長溫度並具有可選的偏壓下、藉由控制反應氣體組成(氫氣、甲烷、氧氣及氬氣的混合物)來使用微波電漿沉積多晶、奈米晶體鑽石、及類鑽石碳。US 6,110,541(以引用方式併入本文中)揭示使用微波電 漿從含甲烷的氣體混合物沉積鑽石膜到矽基板上並在成核階段期間可選地施加負偏壓。US 7,115,241、US 7,452,420、US 7,713,507、US 7,754,180、及US 2010/0116197(全部皆以引用方式併入本文中)揭示藉由化學氣相沉積使用微波電漿從氮和甲烷的氣體混合物生長單晶鑽石，其中氮的濃度範圍從0.5%至約5%。
US 5,270,114(以引用方式併入本文中)揭示在單晶 矽的表面被鑽石粉末刮傷之後，在兩階段的製程中藉由微波電漿化學氣相沉積(CVD)從氫氣和甲烷的氣體混合物沉積厚度約350微米的鑽石層到單晶矽上。然後藉由化學蝕刻剝離鑽石膜。該專利還揭示了使用CVD法來鞏固和滲透基板的多孔或不規則表面，該基板包括鑽石、氮化矽、鎢、碳化鎢、鉬、及矽的顆粒。更具體來說，基板是藉由從多晶鑽石壓實物化學去除金屬所製備，該壓實物的生產是藉由(1)塗佈金屬的鑽石顆粒，及(2)在較高的高壓和高溫條件下將這些塗佈金屬的鑽石顆粒擠壓在一起，其中金屬塗層熔化並允許底層的鑽石晶粒部分地一起生長。藉由酸蝕刻去除金屬之後，基板包括多孔鑽石基板，其中CVD鑽石沉積進入該多孔鑽石基板中、滲透孔隙並鞏固該多孔鑽石基板而成為固體鑽石片，使得該多孔鑽石基板的物理性能得到改良。US 6,344,149(以引用方式併入本文中)揭示的類似製程使用CVD鑽石滲透藉由從鑽石-金屬複合物去除催化劑所產生的多孔表面。
為了製造多層基板2，可以使用熱絲反應器藉由化 學氣相沉積將鑽石層4沉積在複合層6上，如US 5,479,874、 US 5,445,106、US 5,437,891、US 5,437,728、US 5,424,096、US 5,391,229、US 5,286,524、US 4,970,986、及/或US 5,523,121(全部皆以引用方式併入本文中)所揭示。在這個製程中，氫和烴(例如甲烷)的氣體混合物有時另外加上一些氮氣被用作原料並被加熱到適當的離解溫度(藉由熱絲控制)，在該離解溫度下氫分子被轉化成氫基，而原始的烴被轉化成各種中間烴基，例如CH3、CH2、CH等，其中使用了甲烷。基板被保持在促進鑽石從烴基成核和生長的溫度下。
為了製造多層基板2，也可以使用類似於US 5,270,077(以引用方式併入本文中)揭示的方法藉由化學氣相沉積來沉積鑽石層4，US 5,270,077揭示在剝離期間和之後使用鉬的凸形基板來抵抗鑽石膜的應力的方法。
也可以以US 5,190,823(以引用方式併入本文中) 揭示的方式製造多層基板2，其中矽烷層被施加到鉬基板上，使得在熱絲反應器中沉積的鑽石厚度能夠從10至20微米增加到100微米，甚至厚達300微米，且不會剝離。
也可以以下列美國專利文件中任一者所揭示的方式 製造多層基板2。US 6,414,338(以引用方式併入本文中)揭示一種在作為基板的鉬箔上使用錸熱絲電漿與氫氣和甲烷的反應氣體混合物沉積鑽石的方法。US 6,981,465(以引用方式併入本文中)揭示一種使用熱絲電漿來化學氣相沉積鑽石到矽基板上的方法。US 4,707,384(以引用方式併入本文中)揭示一種使用熱絲CVD製程來將鑽石膜沉積到過渡金屬的碳化物、氮化物、氮碳化物、碳氧化物、及硼化物基板上的方法。 在後面的這項專利中，使鑽石膜黏附於基板上是一個挑戰，而且該專利揭示如何在鑽石膜和基板之間夾置中間層以實現鑽石膜到基板上的更好黏著。這種夾置的中間層主要是碳化鈦，碳化鈦藉由單層鍵結而對鑽石具有良好的親和性，主要是透過凡得瓦力的物理相互作用。US 2005/0064097(以引用方式併入本文中)揭示一種藉由使用硼進行預處理以形成鐵的硼化物來生長幾微米的鑽石膜到鐵系基板上的方法。鑽石膜沒有剝離。然而，鑽石膜具有2GPa的應力，且單晶鑽石具有從1332.54cm-1到1335cm-1的拉曼位移，約2.5cm-1的正移位，這意味著此鑽石膜上有明顯的壓縮應力。該專利公開教示的是，當鑽石厚度僅約80至300nm厚時，應力會減小。約40-50微米的鑽石膜被記述為具有高達8GPa的應力，其中一些為1.4GPa，由拉曼位移所決定。從碳化鎢基板去除鈷金屬讓鑽石膜有較好的黏著，在到碳化鎢的30微米間具有500MPa的應力，藉由熱絲法用於機械的應用，如US 5,952,102(以引用方式併入本文中)所揭示。US 6,042,886(以引用方式併入本文中)揭示粗糙化研磨工具的表面允許熱絲CVD鑽石膜黏附於研磨工具的表面，否則鑽石將無法黏附，最可能是由於大量的鑽石膜應力。此外，US 2005/0276979和US 2005/0025973(皆以引用方式併入本文中)揭示了使用熱絲CVD法在鑽石粗砂(10至75微米)周圍沉積8至200微米的鑽石膜，該鑽石粗砂被置入直徑2英吋的碳化矽和矽複合物之表面上；所揭示的產物被用於CMP(化學機械平坦化)墊修整、散熱器、及磨耗元件。
或者，多晶鑽石層4可以藉由類似於US 5,403,399 和US 5,368,897(皆以引用方式併入本文中)所教示的化學氣相沉積法被沉積在複合層6上，其中氫氣和氣態碳在弧光放電噴射電漿或直流熱電漿的條件下被激發用於將鑽石沉積到矽基板上。鑽石層4可被以美國專利5,314,652(以引用方式併入本文中)揭示的方式沉積在複合基板6上，其中藉由施加由氮化鈦、碳化鈦、氮化鉿、氮化鋯、氮化鋁、或氧化鋁製成的中間層並使用直流電弧電漿來沉積並從鉬製成的基板分離厚度介於200至1000微米的獨立鑽石膜。US 5,507,987(以引用方式併入本文中)揭示一種使用直流噴射電漿沉積鑽石膜並獲得厚度厚達1270微米的獨立鑽石膜的方法。US 5,792,254(以引用方式併入本文中)揭示了使用DC電漿並使用氫氣和甲烷的氣體混合物在表面處理過的石墨基板上生長鑽石膜。US 5,897,924(以引用方式併入本文中)揭示了使用微波電漿來將鑽石生長到玻璃基板上。US 7,306,778、US 7,771,823、及US 7,767,184(全部皆以引用方式併入本文中)揭示了使用DC電漿且使用乙炔作為碳源來沉積次100nm的鑽石層到聚碳酸酯基板上。US 2010/0178730(以引用方式併入本文中)揭示一種用於沉積80微米的鑽石膜到鉬基板上的DC電漿CVD設備。US 7,833,581(以引用方式併入本文中)揭示一種在鑽石膜的整個生長過程中藉由經由多個步驟的沉積溫度增加來形成鑽石膜以塗佈金屬基板(像是鈦)的方法。
US 5,480,686和US 5,418,018(皆以引用方式併入 本文中)揭示藉由化學氣相沉積使用基於水的電漿放電在複 合層上藉由沉積而形成多晶鑽石層。這個製程涉及醇和烴作為碳源及水作為氧源，以利反應性的氧蝕刻掉石墨物種。
US 5,433,977、US 5,505,158及US 5,665,430(全部 皆以引用方式併入本文中)揭示在燃燒火焰的條件下使用由高純度氧和乙炔氣體產生的火炬藉由化學氣相沉積形成多晶鑽石層。這些專利揭示的是典型10微米厚度的鑽石膜被沉積到由碳化鎢和鈷製成的複合物基板及/或氮化矽基板上。US 5,491,028(以引用方式併入本文中)揭示了一種藉由燃燒火焰來將鑽石膜沉積到WC-Co(碳化鎢-鈷)複合物表面上的方法，以藉由添加高溫黏結劑來提高鑽石的黏著性。
US 5,902,563(以引用方式併入本文中)揭示的是多 晶鑽石層可以藉由化學氣相沉積進行沉積，其中在射頻(RF，3kHz至300GHz)電漿、或極高頻(VHF，50至300MHz)電漿的條件下將氫氣和甲烷的氣體混合物激發以將鑽石沉積到矽及或鉬基板上。
US 5,302,231(以引用方式併入本文中)揭示的是多 晶鑽石層可以藉由化學氣相沉積進行沉積，其中氫是不足的，並使用其它的替代化學品，例如使用鹵化碳分子(CCl4、CF4、CBr4、及CI4)取代典型的氫氣和甲烷用於鑽石的生長。 US 5,071,677(以引用方式併入本文中)揭示了一種在升溫下使用能夠供應碳、氫及鹵素的氣體混合物來將鑽石沉積到基板上的方法。
US 5,154,945(以引用方式併入本文中)揭示的是多 晶鑽石層可以藉由使用紅外雷射藉由化學氣相沉積從甲烷和 氫氣的氣體混合物、從碳灰形式的純碳沉積。US 4,948,629(以引用方式併入本文中)揭示使用紫外雷射從有機酸沉積多晶鑽石層。
US 5,474,808(以引用方式併入本文中)揭示的是多 晶鑽石層可以被直接沉積在複合物表面上，該多晶鑽石層藉由施加可選地與水性或非水性液體混合的鑽石顆粒進行種晶。
US 2008/0256850(以引用方式併入本文中)揭示了 一種為了從使用不同厚度的碳化矽塗佈鑽石表面來產生耐氧化性和獨特光學特徵的目的而使用不同厚度的碳化矽塗佈鑽石片的方法。US 2002/0015794(以引用方式併入本文中)揭示一種使用碳化物/延展性金屬膜的薄層塗佈CVD鑽石的方法，該薄層隨後被黏合於黏結碳化物層，該黏結碳化物層包含鎳、鈷、鐵、或含有這些金屬中的一種或更多種的合金。 獨立的CVD鑽石是昂貴的，而且一大片大的CVD鑽石是很難得到的。這個製程似乎是不經濟的。然而，這種處理可適用於本發明包括至少一鑽石層和複合層的多重基板之鑽石層表面，該複合層包含鑽石和碳化矽及可選的矽。
特徵化方法
在配備有能量分散分析X射線(EDAX)檢測器的 Tescan’s Vega掃描電子顯微鏡上收集掃描電子顯微鏡(SEM)影像。
經由共焦拉曼顯微鏡收集拉曼光譜。雷射拉曼光譜 被廣泛用作特徵化鑽石、單晶或多晶的標準。雷射拉曼光譜 提供了可輕易區別每種不同形式(同素異形體)的碳(例如鑽石、石墨、巴克球等)的特徵。與光致發光(PL)技術結合，拉曼光譜提供了非破壞性的方式來研究鑽石的各種性質，包括相純度、晶體大小和方向、缺陷水平和結構、雜質類型和濃度、以及鑽石晶體和膜的應力和應變。具體來說，在1332cm-1的第一階鑽石拉曼峰值之寬度(半高寬，FWHM)以及鑽石峰值和石墨峰值(D帶在1350cm-1而G帶在1600cm-1)之間的拉曼強度比是鑽石品質的直接指標。此外，鑽石晶粒和膜中的應力和應變水平可以從鑽石拉曼峰值偏移進行估計。據報導，在靜水壓力下，鑽石拉曼峰值位移速率為約3.2cm-1/GPa，並且在拉伸應力下峰值偏移到較低的波數，而在壓縮應力下峰值偏移到較高的波數。本文中呈現的拉曼光譜係使用具有514nm激發雷射的共焦顯微鏡收集。有關使用拉曼光譜來特徵化鑽石的更多資訊也可在參考文獻(1)A.M.Zaitsev,Optical Properties of Diamond,2001,Springer及(2)S.Prawer,R.J.Nemanich,Phil.Trans.R.Soc.Lond.A(2004)362,2537-2565中取得。
經由UV/Vis/NIR(紫外/可見/近紅外)光譜儀收集 反射式UV/Vis/NIR光譜。
依據ASTM C135-86藉由水浸泡測定密度。
依據ASTM E494-95藉由超音波速度測定楊氏模數。
依據ASTM E 831藉由膨脹量測術測定熱膨脹係數(CTE)。
依據ASTM E 1461藉由雷射閃光技術量測導熱率。
藉由微波電漿的鑽石化學氣相沉積法。
藉由微波電漿增強的鑽石化學氣相沉積是本技術領 域中習知的，並已在本文中進行了實質的討論。第3圖圖示用於在複合層6上進行鑽石層4沉積的微波電漿CVD系統之示意圖。具體來說，使含有氫氣和甲烷的反應氣體混合物流入微波電漿CVD反應器中，並藉由獨立的質量流量控制器來控制氫氣和甲烷的流速。排出的氣體從CVD反應器流出，通常流到真空泵。微波通常是藉由磁電管產生，並通過石英窗被導引到反應器中。在反應器內部，微波能量被轉換成電漿而將氫分子激發成氫自由基、以及將甲烷分子激發成甲基自由基(CH3)、亞甲基自由基(CH2)、次甲基自由基(CH)、及含有兩個或更多個碳的二級或三級自由基。在反應器的底部設有支撐基板的基板固持件。包含鑽石和碳化矽及可選的矽並作為用於鑽石生長的基板的複合層6位在該基板固持件上。
雖然電漿是開啟的，但含有碳的激發自由基轟擊基 板的表面，從而導致藉由所謂「撞黏」機制的碳固定。然後，氫自由基轟擊仍含有氫原子的、固定的表面碳物種，並從該固定的碳物種抽出氫原子，從而導致表面碳自由基形成，用於形成含有較少氫原子數的C-C鍵，直到所有的氫原子皆被抽出。一些純的碳對碳鍵結本質上可能是sp3，sp3對於鑽石晶格是理想的。一些純的碳對碳鍵結本質上可能是sp2，sp2是不理想的，因為它本質上是石墨。然而，氫自由基能夠比從鑽石晶格去除sp3碳更快地從石墨物種去除sp2碳。
本技術領域中眾所周知的是，假使電漿的尺寸被調 整到足夠大以覆蓋基板表面的尺寸，則除了生長溫度之外，氣體混合物中的氫和甲烷濃度也是鑽石生長的關鍵參數；CVD反應器內的微波功率和壓力是高度基板尺寸相關的。為了種晶、沉積及生長優質鑽石的目的，所屬技術領域中具有通常知識之人士應能夠按照本揭示的程序和指示來將他或她的電漿調整到足夠大以覆蓋不同尺寸的基板的適當大小。
實例1：製備包含鑽石和碳化矽及可選的矽之複合 層6，複合層6係用於製造多層基板2。
製造包含鑽石和碳化矽及可選的矽的複合層4之詳 細製程係揭示於以下的實例4和實例5及US 8,474,362(以引用方式併入本文中)中。基本的製程是(1)混合預定量的鑽石顆粒(直徑76微米的、直徑300微米的、及直徑500微米的)和碳化矽(54號粒度、240號粒度、或500號粒度)與黏結劑(酚樹脂)及試劑等級的醇，接著在振動下混合並澆鑄到橡膠模具中，並從表面週期性地去除液體。(2)然後將模具放入烘箱中，並在140℃下加熱2到3個小時。之後將具有容納內容物(所謂的預型體)的橡膠模具的烘箱冷卻至環境溫度。然後將該預型體從橡膠模具中移出並放到石墨板上，接著將該石墨板放入具有惰性環境的爐中。然後將其中具有該預型體的爐之內部保持在升高的溫度(例如650℃)下持續2小時，隨後冷卻至室溫，之後將該預型體碳化。然後將該預型體浸泡酚樹脂並在相同的條件下進行第二次碳化。(3)之後將該預型體連同矽塊放在石墨舟內，然後將該 石墨舟放在真空燒結爐內部。將該爐抽空，例如抽到低於0.1托的壓力，並使爐的內部溫度升至約1450℃且保持1小時。 然後將該爐的內部溫度降到室溫。結果，矽金屬已熔化並進入該預型體中與可能來自鑽石、石墨、及碳質物種的碳反應而形成碳化矽，從而生成包含鑽石和碳化矽、及可選的矽(假使有一些過量或未反應的矽留下)的複合物。
替代的程序包括跳過添加乙醇和澆鑄到橡膠模具中 的步驟，取而代之的是具有在模具中擠壓碳化矽、鑽石、及酚樹脂之混合物並形成預型體的步驟。然後，在升高的溫度下(例如600℃)、在惰性氛圍存在下將該預型體碳化，接著在真空下在1483℃滲入矽一段時間。此替代程序產生了完全緻密的、也就是無孔隙的複合層6。所生產的複合層6包含鑽石和碳化矽及可選的矽(假使複合層6中有過量或未反應的矽留下)。
下表1顯示與反應黏合的碳化矽(RBSC)複合物標 準產品之物理性質相比，包含鑽石和碳化矽及可選的矽(假使有過量或未反應的矽)的複合層6(依據上述方法製造)之物理性質，包括密度、楊氏模數、熱膨脹係數(CTE)、及導熱率。如表1可以看出的，隨著鑽石含量(或裝載)從0%增加到42%及增加到70%(依體積計)，複合層6的密度分別從2.95g/cm3增加到3.27g/cm3及增加到3.30g/cm3。同時，楊氏模數分別從350GPa增加到630GPa及增加到700Gpa。 注意到的是，密度和楊氏模數兩者的增加與鑽石裝載水平的增加並非絕對線性相關，這是出乎意料的。純鑽石的密度被 記述為約3.52g/cm3，並且純鑽石的楊氏模數被記述為約1,220GPa。然而，隨著複合物中的鑽石裝載水平增加，諸如密度和楊氏模數等物理性質越來越像純鑽石的性質。
表1還顯示的是，隨著鑽石裝載水平(依體積計) 從0%增加到42%及增加到70%，熱膨脹係數(CTE)分別從2.9x10-6/m/m-K減少到1.5x10-6/m/m-K、並到1.2x10-6/m/m-K，而純鑽石的熱膨脹係數為1.0x10-6/m/m-K。 藉由線性模型的計算會預測出的是包含42%鑽石的複合物之熱膨脹係數只會減少到2.1x10-6/m/m-K，並且包含70%鑽石的複合物之熱膨脹係數只會減少到1.6x10-6/m/m-K，這是非常令人驚訝的。然而，這樣的結果進一步指明的是，隨著鑽石裝載的水平(依體積計)增加，包含鑽石和碳化矽及可選的矽的複合層6在物理性質方面(特別是熱膨脹係數)越來越像鑽石。
儘管鑽石的裝載水平(以體積計)增加導致導熱率 從RBSC Std.的170W/m-K增加到包含42%鑽石的複合層6之450W/m-K、以及增加到包含70%鑽石的複合層6之625W/m-K(遠優於純銅的導熱率(401W/m-K))，但這些傳導率仍遠低於理論預測的(經由線性模型計算)導熱率(包含42%鑽石的複合層6為981W/m-K，並且包含70%鑽石的複合層6為1,521W/m-K)，這是非常出乎意料的。然而，結果持續支持的結論是，隨著鑽石的裝載水平增加，包含鑽石和碳化矽及可選的矽的複合層6在物理性質上越來越像純的或天然的鑽石。
使用與上述程序和製程類似的製程，多片包含鑽石 和碳化矽及可選的矽的複合層6被製作成具有不同的幾何尺寸，並被用來作為在微波電漿反應器中化學氣相沉積鑽石層4的基板，這在下文中將有進一步的描述，而且還有藉由先前討論的微波電漿來化學氣相沉積鑽石的方法之描述。
實例2：藉由持續生長鑽石到複合層6的曝露鑽石 顆粒上來將鑽石層4強固定於包含鑽石和碳化矽及可選的矽的複合層6中的鑽石顆粒上。
包含40%(依體積計)鑽石且其餘為碳化矽及可能 的矽的複合層6(直徑68mm且厚度12mm)被用在微波電漿化學氣相沉積(CVD)反應器中作為基板。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器中。啟動電漿之後，調整微波功率和反應器壓力，使得電漿的大小可覆蓋複合層6，並藉由冷卻在微波電漿CVD反應器中支撐複合層6的基板固持件來將複合層6的溫度控制在820℃。在複合層6上化學氣相沉積鑽石層4約20小時之 後，將反應停止，並從微波電漿CVD反應器中移出多層基板2，而且藉由光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡、及拉曼散射光譜法進行分析。拉曼光譜研究的結果證實的是，生長的鑽石膜或層4是完整的，並且新生長的鑽石層4具有高品質的鑽石，而且在約1332cm-1有尖銳的拉曼位移特徵峰。在約20小時的生長之後，估計鑽石層4具有約30微米的厚度。
第4A圖圖示在將複合層6使用於在上面化學氣相 沉積鑽石層4之前，複合層6的表面之SEM背向散射影像。 由於電子密度的差異，第4A圖的鑽石顆粒顯示為暗的影像，碳化矽顯示為灰色的連續相，而矽顯示為填充複合物孔隙的分離亮灰色，這表示包含鑽石、碳化矽及矽的複合層6是高度緻密的。在複合層6的表面露出的複合層6之鑽石顆粒具有介於約10至30微米之間的最大尺寸。
在約20小時生長約30微米的鑽石層4到複合層6 的表面上之後，驚訝地發現，生長的鑽石顆粒長得更大，並且複合層6中碳化矽和矽的區域被播種了小的鑽石晶體，如第4B圖的多層基板所示。
之後第4B圖的多層基板返回微波CVD反應器中， 以在相同的氣流條件下另外沉積鑽石共117小時。然後從CVD反應器中移出多層基板，並發現鑽石層4仍是完整的，這也是令人驚訝的，因為鑽石層4的厚度據估計為約190微米。 在此之前，厚度約190微米的鑽石層4通常會從鉬或鎢基板剝離。進一步驚訝地發現到，原始的鑽石晶體此時為約100微米或更大，而生長20小時之後在大鑽石晶粒之間注意到的 小鑽石晶體已從幾微米生長到約20至30微米，如第4C圖所示。
基於前述的觀察，包含鑽石層4及含鑽石和碳化矽 與可選的矽之複合層6的多層基板2具有許多優點。在化學上，鑽石層4在晶格的層次持續生長到複合層6表面上的曝露鑽石晶體上。可以想像的是，鑽石層4強力地固定於複合層6的基質。這種晶格固定可以造成多層基板2在本質上是堅固的。這個優點可以確保多層基板2具有出色的性能和出色的能力，以承受許多物理和化學上的挑戰，例如在涉及大量外力、應力及溫度波動的機械應用中。這種優點也導致能夠生長任何CVD反應器允許範圍內的厚度的鑽石層4到複合層6上的效益。
從物理性質的觀點來看，隨著鑽石裝載的水平增 加，複合層6越來越像鑽石層4，顯示於上面的實例1。這種在物理性質上的相似之處允許多層基板2的這兩種不同層有更好的互動，從而有助於更有效地承受外部的應力，特別是鑽石層4和複合層6的熱膨脹係數，從而導致產生較低的、由於溫度波動的熱應力之優點。
碳化矽或矽與種晶的鑽石顆粒之間的物理相互作用 面積減小，並且具有通過鑽石晶格黏合的化學相互作用的面積隨著複合物中的鑽石裝載水平增加而增大。據信，從凡得瓦力產生的相互作用在強度上可能比從化學鍵結(特別是鑽石晶格中的sp3 C-C鍵)產生的相互作用更小。所有這些觀察皆暗示，多層基板2具有優於現有技術的優點。然而，本發 明的範圍不被本文提供的說明所限制。
多層基板6包含鑽石層4(約190微米厚)和複合 層6，複合層6含有40%(依體積計)的鑽石，其餘為碳化矽及可能的矽，矽被研磨和拋光到一光學精整度。然後從2500nm的波長到300nm的波長以8°的反射角(基本上只允許從單一表面收集反射光)收集鑽石層6的UV-Vis-NIR反射光譜，如第5圖所示。在此光譜中的單一表面反射率與對應於這些波長的高品質鑽石反射指數具有良好的一致性。
實例3：具有低應力或減低應力的厚鑽石層4被化學固定於複合層6上。
包含70%(依體積計)鑽石顆粒且其餘為碳化矽及可能的矽的複合層6(直徑140mm且厚度10mm)被用來作為基板，用於化學氣相沉積鑽石層4。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器(參見第3圖)中。啟動電漿之後，調整微波功率和反應器壓力，使得電漿的大小可覆蓋複合層6，然後藉由冷卻基板固持件來將基板溫度控制於820℃。在化學氣相沉積鑽石層4約17小時之後，將反應停止，並從微波CVD反應器中移出多層基板2。觀察到約30微米的鑽石層4黏合在複合層6上。然後使在包含約70%鑽石的複合層6上具有約30微米鑽石層4的多層基板2返回到微波CVD反應器，以另外生長鑽石共約130小時的總生長時間。然後再次停止鑽石的微波化學氣相沉積反應，並從微波CVD反應器中移出多層基板2。約200微米的鑽石層4黏合在包含70%鑽石的複合層6上。然後使此多 層基板2再次返回微波反應器中又另外生長鑽石總共約290小時。反應終止後，從微波CVD反應器中移出多層基板2。 令人驚訝的是，約450微米的鑽石層4仍黏合在複合層6上。 典型上，這種約450微米厚度的鑽石層4在直徑140mm的基板(例如鎢)上很難倖免於剝離。這片包含鑽石層4及含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合層6之多層基板2被視為基板1A175。
第6圖圖示在直徑140mm、包含70%鑽石的複合 層6(基板1A175)上的鑽石層4(在微波CVD反應器中沉積約290小時)的中心生長表面之SEM影像。鑽石的粒度顯得大於幾百微米，同時觀察到較小的鑽石晶粒仍在生長過程中。
第7A-7E圖顯示在基板1A175的鑽石層4的5個不同位置(即中心、北緣、東緣、南緣、及西緣)的拉曼光譜。鑽石特徵拉曼峰分別位於1332.75cm-1、1333.27cm-1、1333.52cm-1、1332.45cm-1、1332.89cm-1，平均為1332.98cm-1。拉曼峰寬度(半高寬，FWHM)為3.20cm-1、3.40cm-1、3.82cm-1、3.43cm-1、及4.29cm-1，平均為3.63cm-1。這些拉曼散射光譜的基線是平的，而且本質上與石墨碳關聯的sp2碳-碳鍵之特徵是無法檢測的。因此，基板1A175的鑽石層4的品質是高的，甚至在直徑140mm的多層基板2的整個表面上都是高品質的。將天然單晶鑽石(SCD)、獨立生長的鑽石窗(04A05901)、及生長在各種基板(包括本文揭示的複合層)上的鑽石之拉曼數據顯示於(第16圖)。
為了更好地評估來自多層基板2的鑽石層4之品 質，收集高品質天然單晶鑽石(天然SCD)的拉曼光譜並用作基線。將這些光譜的其中一個圖示於第8圖。此天然單晶鑽石的鑽石特徵拉曼峰位於1332.53cm-1，且其拉曼峰寬度(半高寬，FWHM)為4.04cm-1，而且此單晶拉曼光譜的基線也是非常平坦的，並且本質上與石墨碳關聯的sp2碳-碳鍵之特徵也是無法檢測的。藉由比較第8圖的單晶鑽石之拉曼光譜與多層基板2的鑽石層4之拉曼光譜(基板1A175-第7A-7E圖)可以觀察到，不僅多層基板2的鑽石層4的品質是高品質的，而且多層基板2的鑽石層4之鑽石應力也是低的，可由與單晶鑽石的拉曼峰(1332.53cm-1)相距的極小拉曼峰偏移得到證實，在中心+0.22cm-1，在北緣+0.74cm-1，在東緣+0.99cm-1，在南緣-0.08cm-1，以及在西緣+0.36cm-1，平均為+0.45cm-1。這些結果暗示，已知厚度約450微米且直徑為140mm，多層基板2(基板1A175)的鑽石層4之鑽石應力是異常低的。通常情況下，鑽石膜的鑽石應力會隨著鑽石膜厚度及/或鑽石膜直徑(或尺寸)增加而增加。
為了進一步說明多層基板1A175的品質，考量獨立 的CVD光學鑽石窗(基板04A05901)(兩面都經過拋光和修整以用於光學應用)之拉曼光譜，在中心並在邊緣、且從生長側並從成核側收集該光譜，如第9A-9D圖所示。獨立的CVD鑽石窗04A05901之鑽石特徵拉曼峰為1332.67cm-1、1332.36cm-1、1332.53cm-1、及1332.61cm-1，平均為1332.54cm-1；並且與單晶鑽石的拉曼峰(1332.53cm-1)相距的拉曼峰偏移 分別為+0.14cm-1、-0.17cm-1、0.00cm-1、及+0.08cm-1，且平均為+0.01cm1。這暗示的是，一片高品質的獨立鑽石未承受可觀察到的應力。基板1A175的鑽石膜4之應力是來自於在界面處的兩個不同材料層之間相互作用的結果，也就是鑽石層4及包含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合層6之間相互作用的結果。
參照第10-11C圖，以進一步說明由鑽石層4和複合 層6組成的多層基板2(基板1A175)之品質，將厚度10mm的140mm鎢基板(基板#124)放在微波電漿CVD反應器(參見第3圖)內。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器中。啟動電漿之後，調整微波功率和反應器壓力，使得電漿的大小可覆蓋鎢基板，並且藉由冷卻來將鎢基板的溫度控制於820℃。在鎢基板上化學氣相沉積鑽石層24小時之後，將反應停止，並從微波CVD反應器中移出具有鑽石層的鎢基板。鑽石層仍黏附於鎢基板，並且該鑽石層之厚度經評估為少於30微米。典型上，在鎢基板上生長鑽石層持續24小時或更長的時間會導致鑽石層或膜從鎢基板剝離。
第10圖為生長在(並仍黏附於)具有約20微米或 更小粒徑的鎢基板(即基板#124)上的鑽石層或膜之中心處的生長表面之SEM影像。
第11A-11C圖圖示在整夜的微波CVD鑽石生長之後 來自生長在鎢基板上的鑽石膜之各個中心、邊緣1及邊緣2的3個拉曼光譜。鑽石特徵拉曼峰分別位於1335.85cm-1、 1335.87cm-1、及1335.85cm-1，且平均為1335.86cm-1。與單晶鑽石的拉曼峰(1332.53cm-1)相距的拉曼峰偏移分別為+3.32cm-1、+3.34cm-1、及+3.32cm-1，且平均為+3.33cm-1。 此與單晶鑽石相距的拉曼峰偏移水平表示，即使鑽石層(例如第10圖所示)比30微米更薄，但在此薄鑽石層與鎢基板之間仍存在相當的應力水平。假使鑽石膜的厚度與上述基板1A175的鑽石層4一樣厚(約450微米)，則鎢基板上的鑽石膜之應力將是非常高的。
實例4：對於多層基板2，鑽石層4的應力可能會受包含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合層6中的鑽石裝載影響。
首先藉由拋光漿料研磨包含40%鑽石裝載(依體積計)且其餘為碳化矽與可能的矽的複合層6(直徑140mm並且厚度10mm)。然後，使用鑽石粉末磨擦複合層6的表面並用異丙醇沖洗乾淨。之後使用複合層6作為基板，用於在微波電漿CVD反應器中化學氣相沉積鑽石層4。將複合層6放在基板固持件上之後，使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器(參見第3圖)中。啟動電漿之後，調整微波功率和反應器壓力，使得電漿的大小可覆蓋複合層6，並藉由冷卻基板固持件來將複合層6的溫度控制於820℃。在複合層6上化學氣相沉積鑽石層4以形成多層基板2持續約301小時，之後將反應停止。然後從微波CVD反應器中移出多層基板2。觀察到所沉積的多層基板2之CVD鑽石層4為約480微米厚，並黏合於包含鑽石和碳化矽與可能的矽的複合層6。因此，多層基板2被視為基板 1A177B。
第12圖圖示在直徑140mm、包含40%鑽石的複合 層6(基板1A177B)上的鑽石層4(在微波CVD反應器中沉積約301小時)的中心生長表面之SEM影像。觀察到鑽石的粒度大於幾百微米，同時觀察到較小的鑽石晶粒仍在生長過程中。
第13A-13E圖顯示在基板1A177B的5個不同位置 (即中心、北緣、東緣、南緣、及西緣)的拉曼光譜。鑽石特徵拉曼峰分別位於1333.67cm-1、1334.35cm-1、1333.43cm-1、1333.62cm-1、1333.58cm-1，平均為1333.73cm-1。拉曼峰寬度(半高寬，FWHM)為3.20cm-1、5.82cm-1、3.42cm-1、3.10cm-1、及6.43cm-1，且平均為4.39cm-1(品質接近拉曼峰寬度或半高寬FWHM在4.04cm-1的半高的單晶鑽石)，而且這些拉曼散射光譜的基線是平的，並且本質上與石墨碳關聯的sp2碳-碳鍵之特徵是無法檢測的。因此，在整個表面上此鑽石層4的品質是非常高的。
比較自然單晶鑽石(第8圖)的拉曼散射光譜與來 自基板1A177B之鑽石層4的鑽石之拉曼散射光譜(第13A-13E圖)，注意到的是，不僅多層基板2的鑽石層4之品質是良好的，而且基板1A177B之鑽石層4的鑽石之應力小於生長在鎢基板上的薄鑽石層(<30微米)之應力(基板#124；第11A-11C圖)，可由與單晶鑽石的拉曼峰(1332.53cm-1)相距的拉曼峰偏移得到證實，在中心+1.14cm-1，在北緣+1.82cm-1，在東緣+0.90cm-1，在南緣+1.09cm-1，以及在西緣+1.05 cm-1，平均為+1.20cm-1，而鎢基板(基板#124；第11A-11C圖)上的薄鑽石膜(<30微米)具有+3.33cm-1的平均拉曼峰偏移。這些結果暗示，已知鑽石厚度厚達約450微米且直徑大至140mm，多層基板2(基板1A177B，具有含40%鑽石顆粒的複合層6)的鑽石層4之鑽石應力仍是異常低的。然而，相對於鑽石層4的鑽石應力，事實上基板1A177B(第13A-13E圖)不如基板1A175(第7A-7E圖)，因為基板1A175的複合層6具有70%的鑽石，而1A177B的複合層6只有40%的鑽石。因此，這些結果似乎暗示，複合層6中較多的鑽石裝載(依體積計)是較理想的，這可能是由於(1)含有較多鑽石裝載的複合層6在物理性能上更類似於天然鑽石，及(2)複合層6中更多的鑽石顆粒曝露於與鑽石層4形成CVD本質sp3碳-碳鑽石晶格鍵結的複合層6表面，使得新形成的鑽石層4被以晶格等級的化學相互作用固定於包含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合層6之基質中。
實例5：對於多層基板2，鑽石層4的應力可能會受 包含鑽石層4及包含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合層6之多層基板2的鑽石層4之厚度影響。
將上述實例4中描述的直徑140mm且厚度10mm 的多層基板1A177B上與鑽石層4相對的側面放入微波CVD反應器中，用於沉積鑽石層4'(在第1圖以虛線圖示)到複合層6上與鑽石層4相對的表面上。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器中。啟動電漿之後，調整微波功率和反應器壓力，使得電漿 的大小可覆蓋複合層6上與鑽石層4相對的表面，然後藉由冷卻基板固持件來將複合層6的溫度控制在820℃。鑽石層4'的化學氣相沉積持續約50.5小時，之後將CVD反應停止。 從微波CVD反應器中移出基板1A177B，並且所沉積的CVD鑽石層4'經觀察為約80微米厚，並觀察到黏合於複合層6上與鑽石層4相對的側面。此多層基板2被視為基板1A177A。
第14A-14F圖顯示在基板1A177A之鑽石層4'的5 個不同位置(即中心、北緣、東緣、南緣、及西緣)的拉曼光譜。鑽石特徵拉曼峰分別位於1333.93cm-1、1332.99cm-1、1333.40cm-1、1332.93cm-1、1332.98cm-1，平均為1333.25cm-1；拉曼峰寬度(半高寬，FWHM)為4.68cm-1、6.35cm-1、6.48cm-1、4.42cm-1、及5.31cm-1，且平均為5.45cm-1(品質不如拉曼峰FWHM在4.04cm-1的單晶鑽石，但仍是品質優良的CVD鑽石)。第14A-14F圖顯示的拉曼光譜之基線是平的，並且本質上與石墨碳關聯的sp2碳-碳鍵之特徵是無法檢測的。因此，鑽石層4'的品質是高的，即使基板1A177A的整個表面亦是相對較高的。
藉由比較自然單晶鑽石(第8圖)的拉曼散射光譜 與基板1A177A之鑽石層4'的鑽石之拉曼散射光譜(第14A-14E圖)，注意到的是，不僅鑽石層4'的鑽石之品質是良好的，而且鑽石層4'的鑽石之應力遠小於生長在鎢基板上的薄鑽石層4(<30微米)之應力(第11A-11C圖)，可由與自然單晶鑽石(第8圖)的拉曼峰(1332.53cm-1)相距的峰偏移得到證實，在中心+1.40cm-1，在北緣+0.46cm-1，在東緣 +0.87cm-1，在南緣+0.40cm-1，以及在西緣+0.45cm-1，平均為+0.72cm-1，而鎢基板上的薄鑽石層4(<30微米)具有+3.33cm-1的平均拉曼峰偏移，如第11A-11C圖所示。這些結果暗示，基板1A177A(在此情況下為包含40%鑽石顆粒的複合層6)的鑽石層4'之鑽石應力與鑽石層4'的厚度有關。據觀察，隨著多層基板2的複合層6上的鑽石層4'生長到更厚時，包含鑽石層4'的鑽石之應力會增加，可藉由更正向的鑽石拉曼峰偏移觀察到，這表示更加壓縮的應力。
如第1圖所示，鑽石層4和4'可被沉積或形成在複 合層6的兩側上。同時或二擇其一地，鑽石層4及/或4'可被施加於包含鑽石和碳化矽與可選的矽的複合層6之所有側面上。不同的應用都可能需要這種類型的多層基板2。
實例6：在由反應黏合的碳化矽與可能的矽組成且 無鑽石顆粒的複合層6'上CVD生長高應力的鑽石層4(對照組)。
據信，生長在由反應黏合的碳化矽與可能的矽組成 的複合層6'(未添加鑽石顆粒到複合層6')上的鑽石層4作為對照組應具有高的應力，並且在拉曼光譜研究中應表現出較高的拉曼峰偏移。因此，在對照實驗中使用一片由碳化矽與可能的矽(無鑽石)組成的對照複合層6'。在此對照實驗中，將該片複合層6'放在微波電漿CVD反應器的基板固持件上。使1850mL/min的氫氣和13.7mL/min的甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器中。啟動電漿之後，調整微波功率和反應器壓力，使得電漿的大小可覆蓋對照複合層6'，並藉由 冷卻基板固持件來將複合層6'的溫度控制在820℃。在複合層6'上CVD生長鑽石層4約112小時之後，將CVD反應停止，並從微波電漿CVD反應器中移出上面有鑽石層4的複合層6'，且將複合層6'視為基板1A178(第15A-15E圖)。藉由光學顯微鏡和拉曼散射光譜法在五個不同的位置分析基板1A178的鑽石層4，在複合層6'(由碳化矽與可能的矽所組成且未添加鑽石顆粒)上的鑽石層4具有約180微米的厚度。
第15A-15E圖顯示在基板1A178的5個不同位置(即 中心、北緣、東緣、南緣、及西緣)的拉曼光譜。鑽石特徵拉曼峰分別位於1335.03cm-1、1335.33cm-1、1334.52cm-1、1334.56cm-1、1334.56cm-1，且平均為1334.80cm-1。拉曼峰寬度(半高寬，FWHM)為4.71cm-1、3.64cm-1、3.71cm-1、3.84cm-1、及4.17cm-1，且平均為4.01cm-1(品質與拉曼峰FWHM在4.04cm-1的單晶鑽石一樣良好)，這些拉曼光譜的基線是平的，而且本質上與石墨碳關聯的sp2碳-碳鍵之特徵是無法檢測的。因此，基板1A178的鑽石層4之品質是高的，並且整個表面是均勻的。
藉由比較自然單晶鑽石的拉曼光譜(第15F圖)與 基板1A178之鑽石層4的鑽石之拉曼光譜(第15A-15E圖)，且這些拉曼光譜大致上都在同一時間獲得，可以確認的是，基板1A178之鑽石層4的品質是良好的，但基板1A178之鑽石層4的鑽石應力大致上高於基板1A175、1A177B、及1A177A的鑽石層4之應力(以上討論的)，可由基板1A178的鑽石層4具有較大的、與自然單晶鑽石的拉曼峰(1331.91cm-1)相 距的拉曼峰偏移得到證實，在中心+3.12cm-1，在北緣+3.42cm-1，在東緣+2.61cm-1，在南緣+2.65cm-1，以及在西緣+2.65cm-1，平均為+2.89cm-1，而基板1A175、1A177B、及1A177A的鑽石層4之拉曼峰偏移較少：1A175為+0.45cm-1，1A177B為+1.20cm-1，以及1A177A為0.72cm-1。
觀察到基板1A178的拉曼偏移是令人興奮的，因為 該拉曼偏移證實了包含鑽石層4及由鑽石、碳化矽與可選的矽所組成之複合層6的多層基板2是獨特的、出乎意料的、且對於不同的應用有高度價值的。
已經參照附圖描述了本發明。他人在閱讀並理解前述的實施方式之後將可思及顯而易見的修改和變更。意圖將本發明解讀為包括所有這樣的修改和變更，只要該等修改和變更落入所附申請專利範圍或其均等物之範圍內。

Claims (34)

  1. 一種多層基板，包含：一複合層，包含鑽石顆粒及碳化矽顆粒；以及一在該複合層上化學氣相沉積(CVD)生長的鑽石層，其中該鑽石層之鑽石係被CVD生長在組成該複合層的該鑽石顆粒及/或該碳化矽顆粒之晶體表面上，其中該鑽石層包含多晶鑽石，其中該複合層包含矽顆粒。
  2. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層為以下中之一者：未摻雜的；摻雜一n型元素或化合物的；摻雜一p型元素或化合物的；或摻雜硼的。
  3. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層被圖案化或選擇性蝕刻。
  4. 如請求項1所述之多層基板，其中該複合層中的該鑽石顆粒在該複合層中具有一介於0%和100%之間的濃度梯度。
  5. 如請求項1所述之多層基板，其中該複合層中鑽石顆粒之一裝載水平，依體積計為5%。
  6. 如請求項1所述之多層基板，其中該複合層中鑽石顆粒之一裝載水平，依體積計為20%。
  7. 如請求項1所述之多層基板，其中該複合層中鑽石顆粒之一裝載水平，依體積計為40%。
  8. 如請求項1所述之多層基板，其中該複合層中鑽石顆粒之一裝載水平，依體積計為60%。
  9. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於10-9米和10-6米之間。
  10. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於5 x 10-6米和20 x 10-3米之間。
  11. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於500 x 10-6米和10 x 10-3米之間。
  12. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於1 x 10-6米和5 x 10-3米之間。
  13. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於3 x 10-6米和3 x 10-3米之間。
  14. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於50 x 10-6米和50 x 10-2米之間。
  15. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於100 x 10-6米和10 x 10-2米之間。
  16. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於200 x 10-6米和5 x 10-2米之間。
  17. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一厚度為介於500 x 10-6米和2 x 10-2米之間。
  18. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為200 x 10-6米。
  19. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為20 x 10-3米。
  20. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為40 x 10-3米。
  21. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為75 x 10-3米。
  22. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為50 x 10-6米。
  23. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為500 x 10-6米。
  24. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板之一厚度為1 x 10-3米。
  25. 如請求項1所述之多層基板，其中該多層基板具有以下形狀中之一者或以下形狀中之兩者或更多者之組合：圓形，方形，矩形，多邊形，橢圓形，曲線形，球形，非球形，圓柱形，錐形，凹形，或凸形。
  26. 如請求項1所述之多層基板，其中該鑽石層之一表面被生長或拋光到所需的粗糙度或平整度值。
  27. 如請求項1所述之多層基板，設以用於作為以下中之一者：一光學元件；一用於檢測高能量輻射顆粒的檢測器；一用於檢測電磁波的檢測器；一用於切割、鑽孔、機械加工、碾磨、研磨、拋光、塗佈、黏結、或銅焊的裝置；一制動裝置；一密封墊；一導熱器；一電磁波傳導元件；一化學惰性裝置，設以在一升溫或一低溫條件下用於一高腐蝕性環境、一強氧化性環境、或一強還原性環境；或一裝置，用於拋光或平坦化晶圓或膜的半導體元件、晶圓或膜的一光學元件、及/或晶圓或膜的一電子元件。
  28. 如請求項27所述之多層基板，其中該光學元件為一平面光件或一非平面光件。
  29. 如請求項28所述之多層基板，其中該平面光件為一反射鏡或透鏡。
  30. 如請求項28所述之多層基板，其中該非平面光件為球形、或非球形、或一錐體或一圓柱體。
  31. 如請求項27所述之多層基板，其中該光學元件包括一光學塗層，用於處理電磁波。
  32. 一種形成如請求項1所述之多層基板的方法，包含以下步驟：(a)形成包含鑽石顆粒和碳化矽顆粒和矽顆粒的一複合層；(b)將該複合層定位在一反應器之一基板固持件上；以及(c)在被定位於該反應器中的該基板固持件上的該複合層上生長一鑽石層，其中該鑽石層之鑽石直接生長在組成該複合層的鑽石顆粒之晶體表面上，其中該鑽石層包含多晶鑽石。
  33. 如請求項32所述之方法，其中步驟(c)包括在該複合層上經由化學氣相沉積生長該鑽石層。
  34. 如請求項32所述之方法，其中步驟(a)進一步包括機械加工、研磨、拋光、切割、或鑽孔該複合層。
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