TWI676699B - 有高縱橫比之經光學精加工的薄鑽石基材或窗及其製造方法 - Google Patents

有高縱橫比之經光學精加工的薄鑽石基材或窗及其製造方法 Download PDF

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Abstract

於生成鑽石膜、基材、或窗之一方法中，提供一矽基材及該鑽石膜、基材、或窗係CVD生長於該矽基材的一表面上。所生長的鑽石膜、基材、或窗具有一縱橫比

Description

有高縱橫比之經光學精加工的薄鑽石基材或窗及其製造方法 參考相關申請案
本案請求美國臨時專利申請案第62/148,339號申請日2015年4月16日的優先權，其內容爰引於此並融入本說明書之揭示。
發明領域
本發明係有關於具有至少一個光學精加工表面的薄鑽石膜、基材、或窗。該鑽石膜、基材、或窗具有高縱橫比，界定為厚度為最大維度。本發明也係有關於製造該鑽石膜、基材、或窗之方法。
發明背景
鑽石乃已知之最硬材料，具有10的莫氏硬度，使得鑽石用於諸如切割、切削、鑽孔、銑削等應用上是有用的。鑽石也是已知之最佳導熱材料，具有高達2000至2200瓦/米/凱氏溫標的導熱率，使得鑽石用於要求苛刻的條件下之熱管理應用合乎所需。鑽石也具有低摩擦係數，使得鑽石變成用在諸如煞車用途的通用材料。使用鑽石於鑽石上， 低磨耗係數及於極端條件下的潤滑用途使其為優異。鑽石也是用於發射微波、紅外線、可見光、及其它紫外線電磁波的優異光學材料。鑽石當用作為高通量核子輻射之檢測器時高度穩定。此外，於可能涉及強酸、強鹼、強氧化劑、或強還原劑的化學環境中，即便於升溫或於低溫條件下鑽石也高度惰性。又復，鑽石具有高折射率，導致其用於珠寶的受歡迎。
雖然鑽石是多樣化的優質材料，但其於自然界的供應有限。來自地球的鑽石礦典型地為單晶，其幾何維度的大小受限，對需要大尺寸的工業用途而言經常為過小。許多時候天然形成的鑽石含有雜質及晶體缺陷。晶體大小相當大、化學內容物相當純、及相對完美沒有晶體缺陷的鑽石晶體極其昂貴-經常是無價的。
合成鑽已知係在化學反應器內於極高壓及極高溫(HTHP製程)下以工業方式製造。由於此等苛刻的合成條件，反應器大小受限制，如同鑽石的維度受限制般。此種製程也伴隨著嚴峻的及要求苛刻的鑽石生長條件相關的製程、設備、及安全性的高成本。通常，HTHP製程製造帶有黃染色調的鑽石，原因在於催化雜質摻混入鑽石晶格內部。此外，HTHP製程無法生產大直徑的鑽石晶圓。
工業上，鑽石也在反應器內於稱作化學氣相沈積(CVD)的製程中生長，於該處合宜生長條件可由微波加強電漿、鎢熱纖絲、DC噴射電漿、雷射感應電漿、乙炔炬等達成。技藝界眾所周知CVD生長法也可在不同的基材及/或自 力支撐鑽石厚膜上成功地生長多晶鑽石薄膜，但欲獲得具有相當大小的低應力膜或無裂紋鑽石具有挑戰性。
於許多鑽石應用中，鑽石膜、基材、或窗的表面需為光學光滑用於透射光波或電磁波目的，用作為音波介質，用作為反射光/電磁波的基材，或透過接合機制諸如硬焊或膠黏而將熱能導離電子學、光子學、或光電子學裝置。
因鑽石為全球最硬的材料之一，研磨鑽石可能緩慢、昂貴，且可能產生大量熱。因此，研磨期間藉黏著劑將鑽石固定定位並非好選項，原因在於摩擦產生的熱可能熔解或催毀了黏著劑。再者，鑽石也具脆性容易粉碎。此外，鑽石膜、基材、或窗的CVD生長乃緩慢過程，需要昂貴的資本設備，為了讓鑽石在一極小區內生長即需使用大量電能。因此CVD鑽石昂貴，若能滿足一或多個經光學精加工的鑽石表面的要求，則許多應用只需薄鑽石基材或窗。
當鑽石膜、基材、或窗為極薄(例如，厚度
Figure TWI676699B_D0001
400微米)時，於研磨期間將鑽石膜、基材、或窗固定定位乃一項挑戰，特別當鑽石膜、窗、或基材達
Figure TWI676699B_D0002
400微米之厚度時尤為如此，此點當鑽石膜、基材、或窗具有至少一個大維度(25毫米或以上)例如直徑時特別為真。除了研磨薄鑽石膜、窗、或基材成為經光學精加工的表面的限制之外，也有成功地研磨及製造具有高縱橫比(最大維度，例如非限制性，直徑對厚度之比)的鑽石部件也具挑戰性，特別當鑽石部件的縱橫比為100或以上時尤為如此。
需要生產大面積鑽石膜、窗、或基材其為薄型且有鑽石表面之一側或兩側經光學精加工。也需製造薄的(厚度小於400微米)或厚的(400微米或更厚)具有100或以上之縱橫比的鑽石膜、窗、或基材，特別係用於具有30毫米或以上的最大維度(例如，非限制性，直徑)的鑽石部件。用於光波或電磁波管理上，具有非平面表面，諸如圓頂形、圓錐形、角錐形、或任何非平面幾何形狀，的一塊鑽石也為利用鑽石的獨特性質所需。
發明概要
此處描述之薄鑽石基材或窗包含至少一個經光學精加工的表面及100或以上的縱橫比，或小於400微米或以下的厚度與25毫米或以上的最小幾何維度之組合。
薄鑽石基材或窗之厚度可以是
Figure TWI676699B_D0003
400微米、
Figure TWI676699B_D0004
350微米、
Figure TWI676699B_D0005
300微米、
Figure TWI676699B_D0006
250微米、或
Figure TWI676699B_D0007
200微米。薄鑽石基材或窗的最大維度可以是
Figure TWI676699B_D0008
25毫米、
Figure TWI676699B_D0009
40毫米、
Figure TWI676699B_D0010
50毫米、
Figure TWI676699B_D0011
60毫米、
Figure TWI676699B_D0012
80毫米、或
Figure TWI676699B_D0013
100毫米。薄鑽石基材或窗的縱橫比可以是
Figure TWI676699B_D0014
100、
Figure TWI676699B_D0015
125、
Figure TWI676699B_D0016
150、
Figure TWI676699B_D0017
175或、
Figure TWI676699B_D0018
200。
此處描述之CVD鑽石可生長，於一實例中，於由矽製成的犧牲基材上，其表面可選擇性地經光學精加工。所生長的鑽石表面可透過習知研磨法研磨至具有
Figure TWI676699B_D0019
50奈米、
Figure TWI676699B_D0020
30奈米、
Figure TWI676699B_D0021
20奈米、
Figure TWI676699B_D0022
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0023
10奈米的表面粗度(Ra)之光學精加工程度。然後，於其上生長鑽石的犧牲基材被去除(化學及/或機械方式)而製造具有至少一個經光學精加 工的表面的一塊自力支撐鑽石膜、基材、或窗。
若CVD鑽石生長於經光學精加工(例如，
Figure TWI676699B_D0024
20奈米、
Figure TWI676699B_D0025
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0026
10奈米、
Figure TWI676699B_D0027
5奈米、或
Figure TWI676699B_D0028
2奈米的表面粗度Ra)的犧牲基材之該表面上，則CVD生長鑽石的孕核側將具有密切匹配犧牲基材的表面粗度之一表面粗度Ra。於一實例中，針對具有
Figure TWI676699B_D0029
20奈米、
Figure TWI676699B_D0030
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0031
10奈米、
Figure TWI676699B_D0032
5奈米、或
Figure TWI676699B_D0033
2奈米的基材的Ra，CVD生長鑽石的孕核側將分別具有
Figure TWI676699B_D0034
50奈米、
Figure TWI676699B_D0035
30奈米、
Figure TWI676699B_D0036
20奈米、
Figure TWI676699B_D0037
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0038
10奈米的Ra。在鑽石經CVD生長於犧牲基材的表面之後，面對遠離犧牲基材的CVD生長鑽石該側可透過習知研磨法選擇性地研磨。若此處描述之CVD鑽石生長在未經光學精加工的犧牲基材的表面上(例如，經化學蝕刻及/或機械精加工表面)，則CVD生長鑽石的生長側表面可透過習知研磨法研磨，此處CVD生長鑽石將只有在生長側上的一個表面經光學精加工(
Figure TWI676699B_D0039
50奈米、
Figure TWI676699B_D0040
30奈米、
Figure TWI676699B_D0041
20奈米、
Figure TWI676699B_D0042
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0043
10奈米的表面粗度(Ra))。
相同製程也可應用以製造具有非平面經光學精加工的表面(
Figure TWI676699B_D0044
50奈米、
Figure TWI676699B_D0045
30奈米、
Figure TWI676699B_D0046
20奈米、
Figure TWI676699B_D0047
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0048
10奈米的表面粗度(Ra))的一塊鑽石。於一實例中，非平面表面可包含圓頂形、圓錐形、角錐形、球形、拋物線形、及雙曲線形、或其它非平面幾何形狀。也揭露一種製造此處描述之薄鑽石窗或基材之方法。也揭露用於生長具有至少一個經光學精加工的表面的薄鑽石基材或窗的量身訂製的生長條件。
現在將於下列編號項目中描述及陳述各種本發明之較佳的非限制性實例或面向。
項目1. 一種鑽石膜、基材、或窗包含：至少一個經光學精加工的表面；及
Figure TWI676699B_D0049
100之該鑽石膜、基材、或窗之一最大維度除以該鑽石膜之一厚度的一縱橫比。
項目2. 如項目1之鑽石膜、基材、或窗，其中該鑽石膜、基材、或窗具有
Figure TWI676699B_D0050
400微米(
Figure TWI676699B_D0051
0.4毫米)之一厚度及該最大維度
Figure TWI676699B_D0052
25毫米。
項目3. 如項目1或2之鑽石膜、基材、或窗，其中該鑽石膜、基材、或窗具有帶有表面粗度(Ra)
Figure TWI676699B_D0053
50奈米、或
Figure TWI676699B_D0054
30奈米、或
Figure TWI676699B_D0055
20奈米、或
Figure TWI676699B_D0056
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0057
10奈米的至少一個經光學精加工的表面。
項目4. 如項目1-3中任一項之鑽石膜、基材、或窗，其中該最大維度為
Figure TWI676699B_D0058
25毫米、
Figure TWI676699B_D0059
40毫米、或
Figure TWI676699B_D0060
50毫米、或
Figure TWI676699B_D0061
60毫米、或
Figure TWI676699B_D0062
70毫米、或
Figure TWI676699B_D0063
80毫米、或
Figure TWI676699B_D0064
100毫米。
項目5. 如項目1-4中任一項之鑽石膜、基材、或窗，其中該厚度為
Figure TWI676699B_D0065
400微米、或
Figure TWI676699B_D0066
350微米、或
Figure TWI676699B_D0067
300微米、或
Figure TWI676699B_D0068
250微米、或
Figure TWI676699B_D0069
200微米。
項目6. 如項目1-5中任一項之鑽石膜、基材、或窗，其中該縱橫比為
Figure TWI676699B_D0070
125、或
Figure TWI676699B_D0071
150、或
Figure TWI676699B_D0072
175、或
Figure TWI676699B_D0073
200。
項目7. 如項目1-6中任一項之鑽石膜、基材、或窗，其中該最大維度為為該鑽石膜、基材、或窗的一直徑。
項目8. 如項目1-7中任一項之鑽石膜、基材、或窗，其中於距一阻擋透鏡34厘米之一距離測量得
Figure TWI676699B_D0074
20/厘米、 或
Figure TWI676699B_D0075
15/厘米、或
Figure TWI676699B_D0076
10/厘米、或
Figure TWI676699B_D0077
7/厘米、或
Figure TWI676699B_D0078
5/厘米的該鑽石膜、基材、或窗之一1.06微米光散射係數。
項目9. 如項目1-8中任一項之鑽石膜、基材、或窗，其中該鑽石膜、基材、或窗具有一鑽石孕核密度
Figure TWI676699B_D0079
1.0x105/平方厘米、或
Figure TWI676699B_D0080
1.0x106/平方厘米、或
Figure TWI676699B_D0081
1.0x107/平方厘米、或
Figure TWI676699B_D0082
1.0x108/平方厘米、或
Figure TWI676699B_D0083
1.0x109/平方厘米。
項目10. 一種生成一鑽石膜、基材、或窗之方法包含：(a)提供一矽基材；及(b)在該矽基材之一表面上CVD生長具有一縱橫比
Figure TWI676699B_D0084
100的一鑽石膜、基材、或窗，其中該縱橫比為該鑽石膜、基材、或窗之一最大維度除以該鑽石膜、基材、或窗之一厚度的一比。
項目11. 如項目10之方法，其中該矽基材具有一厚度
Figure TWI676699B_D0085
2毫米、或
Figure TWI676699B_D0086
4毫米、或
Figure TWI676699B_D0087
6毫米、或
Figure TWI676699B_D0088
8毫米。
項目12. 如項目10或11之方法，其進一步包括於步驟(b)之前，研磨該矽基材之該表面至具有一表面粗度(Ra)
Figure TWI676699B_D0089
20奈米、或
Figure TWI676699B_D0090
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0091
10奈米、或
Figure TWI676699B_D0092
5奈米、或
Figure TWI676699B_D0093
2奈米的一光學精加工。
項目13. 如項目10-12中任一項之方法，其中：該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側具有一Ra大於該矽基材之該已研磨表面的該Ra；及針對該矽基材之該已研磨的該表面的一Ra
Figure TWI676699B_D0094
20奈米、或
Figure TWI676699B_D0095
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0096
10奈米、或
Figure TWI676699B_D0097
5奈米、或
Figure TWI676699B_D0098
2奈米，該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側的該Ra分別地為
Figure TWI676699B_D0099
50奈米、或
Figure TWI676699B_D0100
30奈米、或
Figure TWI676699B_D0101
20奈米、或
Figure TWI676699B_D0102
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0103
10奈米。
項目14. 如項目10-13中任一項之方法，其中該矽基材之該表面及該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側各自具有一表面粗度(Ra)
Figure TWI676699B_D0104
750奈米。
項目15. 如項目10-14中任一項之方法，其進一步包括當該鑽石膜、基材、或窗係仍然在矽基材上時，研磨該鑽石膜、基材、或窗之一生長表面至一表面粗度(Ra)
Figure TWI676699B_D0105
50奈米、或
Figure TWI676699B_D0106
30奈米、或
Figure TWI676699B_D0107
20奈米、或
Figure TWI676699B_D0108
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0109
10奈米。
項目16. 如項目10-15中任一項之方法，其中：該矽基材之該表面及該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側為非平面；及該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側的一形狀為該矽基材之該表面的該形狀之一順形負像(conformal negative)。
項目17. 如項目10-16中任一項之方法，其中該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側具有下列形狀中之一者：圓頂形、圓錐形、角錐形、球形、拋物線形、及雙曲線形。
項目18. 如項目10-17中任一項之方法，進一步包括自該已生長的鑽石膜、基材、或窗化學地或機械地去除該矽基材。
項目19. 如項目10-18中任一項之方法，其中該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一生長側具有比該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側更大的一導熱率。
項目20. 如項目10-19中任一項之方法，進一步 包括：施加一光管理塗覆層至該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一生長側；及/或自該已生長的鑽石膜、基材、或窗移除該矽基材，施加該光管理塗覆層至該已生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側。
項目21. 如項目10-20中任一項之方法，進一步包括將具有該鑽石膜、基材、或窗生長於其上的該矽基材切割成一或多塊。
項目22. 如項目10-21中任一項之方法，其中步驟(b)包括於一氣氛中CVD生長該鑽石膜、基材、或窗，該氣氛包括下列中之至少一者：氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、及硼。
項目23. 如項目10-22中任一項之方法，其中於步驟(b)之前，該矽基材之該表面係以鑽石粒子播晶種。
項目24. 如項目10-23中任一項之方法，其中該矽基材係透過下列方法中之至少一者以鑽石粒子播晶種：(1)該矽基材於水性鑽石料漿或有機鑽石料漿的一浴內的超音波處理，或(2)使用鑽石粉末摩擦該矽基材，或(3)鑽石鏇削該矽基材。
項目25. 如項目10-24中任一項之方法，其中該矽基材係透過下列方法中之至少一者以鑽石粒子播晶種：(1)該矽基材於包含一次微米或微米尺寸的鑽石粉末於一液體懸浮溶液的一超音波浴內的超音波處理；及(2)該矽基材於包含具有一平均粒子大小小於100奈米的奈米晶體鑽石粉末於一液體懸浮溶液的一超音波浴內的超音波處理。該 液體懸浮溶液可包含下列中之一或多者：水、醇、烴、及有機溶劑。
項目26. 如項目10-25中任一項之方法，其中該矽基材之該最大維度為
Figure TWI676699B_D0110
25毫米、或
Figure TWI676699B_D0111
50.8毫米、或
Figure TWI676699B_D0112
66毫米、或
Figure TWI676699B_D0113
76毫米、或
Figure TWI676699B_D0114
101毫米、或
Figure TWI676699B_D0115
127毫米。
項目27. 如項目10-26中任一項之方法，其中該矽基材之該最大維度為該矽基材的一直徑。
項目28. 一種包含CVD生長於一矽基材上的一鑽石膜、基材、或窗之鑽石-矽複合體基材，其中該鑽石-矽複合體基材具有一總厚度
Figure TWI676699B_D0116
200微米、或
Figure TWI676699B_D0117
300微米、或
Figure TWI676699B_D0118
500微米、或
Figure TWI676699B_D0119
1毫米、或
Figure TWI676699B_D0120
2毫米、或
Figure TWI676699B_D0121
5毫米，及該鑽石-矽複合體基材之一直徑為
Figure TWI676699B_D0122
20毫米、或
Figure TWI676699B_D0123
30毫米、或
Figure TWI676699B_D0124
40毫米、或
Figure TWI676699B_D0125
50毫米、或
Figure TWI676699B_D0126
75毫米、或
Figure TWI676699B_D0127
100毫米、或
Figure TWI676699B_D0128
125毫米、或
Figure TWI676699B_D0129
150毫米。
1‧‧‧表面
2‧‧‧微波電漿CVD系統
4‧‧‧鑽石膜
6‧‧‧反應性氣體
8‧‧‧質量流量控制器
10‧‧‧廢氣
12‧‧‧真空泵浦
14‧‧‧磁控管
16‧‧‧CVD反應器
18‧‧‧石英窗
20‧‧‧電漿
22‧‧‧基材固定座
24‧‧‧基材、矽基材
26‧‧‧光學高溫計
100-114、200-216‧‧‧步驟
圖1A為於一犧牲基材上CVD生長鑽石膜、窗、或基材之一方法實例的流程圖，其中，於該方法的一個路徑中，只有已生長的鑽石膜、窗、或基材之孕核側或表面將具有一經光學精加工的表面；及於該方法的另一個路徑中，已生長的鑽石膜、窗、或基材之孕核側或表面及生長側或表面兩者將具有經光學精加工的表面；圖1B為於一犧牲基材上CVD生長鑽石膜、窗、或基材之一方法實例的流程圖，其中該已生長的鑽石膜、窗、或基材之孕核側或表面將不具有一經光學精加工的表面，及已生長的鑽石膜、窗、或基材之生長側或表面將具 有一經光學精加工的表面；圖2為可用以在一犧牲基材(諸如矽)上生長鑽石膜、窗、或基材之一微波電漿CVD反應器實例；圖3A為順形地生長於一犧牲基材上的鑽石膜、窗、或基材之相片，在該犧牲基材的該生長表面形成一圖樣「II-VI」；圖3B及3C為圖3A中顯示的鑽石膜、窗、或基材之孕核側及生長側的特寫視圖；圖4為拉曼強度相較於波長的線圖，顯示圖3A中顯示的鑽石膜、窗、或基材的生長側中心、生長側邊緣、孕核側中心、及孕核側邊緣之拉曼線圖；圖5A-5F為根據此處描述之原理，可於圖2之微波電漿CVD反應器內順形地生長於一「負像」犧牲基材的表面上的各種形狀的鑽石膜、窗、或基材；圖6A-6B為根據此處描述之實例3生長的經研光之鑽石於矽上複合體的放大剖面圖(視野=分別為4.33毫米及649.6微米)；圖7為根據此處描述之實例6生長的一自力支撐鑽石膜4置放於一托盤內的相片；圖8為圖7中顯示的自力支撐鑽石膜4之孕核側/表面的一掃描電子顯微術(SEM)視圖；及圖9為分別根據此處描述之實例8-10生長的自力支撐鑽石膜4之光散射係數的三幅線圖。
較佳實施例之詳細說明
將參考附圖描述下列實例，於該處相似的元件符號對應於相似的或功能上相當的元件。
於一實例中，鑽石膜、窗、或基材可包含至少一個經光學精加工的表面及100或以上的縱橫比。於另一個實例中，鑽石膜、窗、或基材可包含400微米或以下的厚度與25毫米或以上的幾何維度(最大維度)的組合。該經光學精加工的表面可具有
Figure TWI676699B_D0130
50奈米、
Figure TWI676699B_D0131
30奈米、
Figure TWI676699B_D0132
20奈米、
Figure TWI676699B_D0133
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0134
10奈米的表面粗度Ra。
該鑽石膜、窗、或基材可具有
Figure TWI676699B_D0135
25毫米、
Figure TWI676699B_D0136
40毫米、
Figure TWI676699B_D0137
50毫米、
Figure TWI676699B_D0138
60毫米、
Figure TWI676699B_D0139
70毫米、
Figure TWI676699B_D0140
80毫米、或
Figure TWI676699B_D0141
100毫米的最大幾何維度。
該鑽石膜、窗、或基材可以是
Figure TWI676699B_D0142
400微米、
Figure TWI676699B_D0143
350微米、
Figure TWI676699B_D0144
300微米、
Figure TWI676699B_D0145
250微米、或
Figure TWI676699B_D0146
200微米。
鑽石膜、基材、或窗之縱橫比(此處定義為鑽石膜、基材、或窗之最大維度對鑽石膜、基材、或窗之厚度之比)可以是
Figure TWI676699B_D0147
100、
Figure TWI676699B_D0148
125、
Figure TWI676699B_D0149
150、
Figure TWI676699B_D0150
175或、
Figure TWI676699B_D0151
200。
為了透射光學光波或電磁波，鑽石膜、窗、或基材的一側或兩側可經光學精加工。期望具有光能之低吸收的高品質鑽石。確實，可能期望小量光吸收。根據比爾-朗伯特定律(Beer-Lambert Law)，
Figure TWI676699B_D0152
於該處A為光之吸收；I為透射光強度；I0為入射光強度； ελ為消光係數；l為光徑之長度；及c為光吸收分子之濃度。
減少通過鑽石膜、窗、或基材的光吸收之一種方式係縮短光徑的長度l，於一實例中，假設鑽石品質不變，可縮小光透射性鑽石膜、窗、或基材的厚度。當透射通過鑽石膜、窗、或基材的光散射也可與光徑的長度有直接相關性(其針對垂直鑽石膜、基材、或窗的厚度行進之光，係與鑽石膜、基材、或窗的厚度相同)。於一實例中，薄鑽石膜、基材、或窗可具有兩個側表面經光學精加工為了達成最小量的光被吸收及/或被散射的目的。
用於反射光學光波或電磁波之應用，或接合至電子學、光子學、及光電子學的裝置(諸如，但非限制性，雷射二極體、雷射二極體陣列(條)、垂直腔表面發射雷射、垂直腔表面發射雷射之陣列、發光裝置等)等、用於熱管理，鑽石膜、窗、或基材的至少一個表面可經光學精加工。用於反射電磁波的鑽石膜、窗、或基材之厚度可以是數微米(1-9)、數十微米例如10-99微米、或數百(100-999)微米。於一實例中，鑽石膜、窗、或基材愈薄則成本愈低。於一實例中，用於熱管理，於許多應用中，150微米至200微米厚度的鑽石膜、窗、或基材可足夠將熱能導離熱源。於一應用中，諸如反射電磁波或熱管理，比較要求的厚度更厚的鑽石膜、窗、或基材單純表示成本的增高而非必要。
此處，當指稱此處描述之鑽石膜、窗、或基材時，膜、窗、或基材等字眼可個別地或組合地互換使用。
鑽石為硬質材料且同時極為脆性。當鑽石膜為薄 型(例如，
Figure TWI676699B_D0153
400x10-6米)時，及當最大幾何維度為大時，一塊鑽石膜變成極為易碎。例如，透過CVD生長一塊鑽石膜，其厚度為薄型及其最大維度本身為大時具有挑戰性。
多晶鑽石膜生長程序之一先前技術實例包括於升溫在金屬基材上生長鑽石膜直到鑽石膜到達某個厚度，此時，因鑽石膜的熱膨脹係數(CTE)(1x10-6米/米-K)與金屬基材的CTE(針對鎢為4.6x10-6米/米-K，鋼對鉬為5.0x10-6米/米-K等)間之差異所致鑽石膜非期望地從金屬基材離層。當金屬基材上的鑽石膜之厚度為1毫米或更厚時，鑽石膜可倖存不會離層，但常有非期望的裂紋，其減低了從鑽石膜切割出(收穫)鑽石部件的可能。當鑽石膜厚度比500微米更薄時，鑽石膜粉碎或裂開變成典型問題。當鑽石膜厚度為300-400微米或更薄時，變成難以從金屬基材(例如，鎢或鉬)收穫相當大一塊未裂開的或未粉碎的鑽石膜。因此，於先前技術中，假設使用習知減薄/研磨製程，製造具有一或多個經光學精加工的表面且具有顯著最大維度，於一實例中直徑，的薄型(例如，
Figure TWI676699B_D0154
400x10-6米)鑽石膜、窗、或基材將必須始於厚的所生長的鑽石膜。如此導致昂貴的生長及製造程序。
如前述鑽石為硬質且脆性。當鑽石膜的厚度薄且具有大尺寸，例如大直徑時鑽石膜變易碎。鑽石也是惰性。研磨鑽石主要係以涉及鑽石粒子的機械力進行。因此，於研磨期間維持一塊薄鑽石定位變成具有挑戰性，特別當鑽石厚度
Figure TWI676699B_D0155
400微米而最大維度，例如直徑係
Figure TWI676699B_D0156
40毫米時尤為如 此。當鑽石膜的厚度變更薄，例如
Figure TWI676699B_D0157
300微米時，研磨最大維度為25毫米或以上的一塊鑽石變成幾乎不可能。因此，不僅昂貴同時也難以使用一塊所生長的鑽石晶圓來以習知方式製造，其最大維度相當大且具有至少一個經光學精加工的表面的，一塊薄鑽石膜、窗、或基材。
根據此處描述之原理製造薄鑽石膜、基材、或窗之方法的實例係例示於圖1A及1B之流程圖。此處描述之實例使用於一個維度，例如直徑，為大的犧牲基材(諸如矽)。
參考圖1A，現在將參考圖1A的流程圖描述帶有一或二個表面具有光學精加工的鑽石膜之製造實例。
於步驟100，提出一種具有至少一個經光學精加工表面的基材。於步驟102，經光學精加工表面係以鑽石粒子播晶種或藉鑽石鏇削。於步驟104，具有經光學精加工表面的基材(播晶種或未播晶種)係置於CVD生長器(例如，圖2中顯示的CVD反應器16)內部。於步驟106，鑽石膜係CVD生長於基材上。
於其中期望鑽石膜只有一個表面(孕核表面)具有光學精加工之實例中，於步驟106之後，執行步驟116其中該基體材料係藉化學及/或機械方式移除。因鑽石膜的孕核表面係CVD生長於具有光學精加工的基材的表面上，故於步驟116中基材的移除於步驟118產生了一自力支撐鑽石膜，其具有一側(孕核側)帶有經光學精加工的表面。
於其中期望鑽石膜的生長側表面具有光學精加工之實例中，於步驟106之後，執行步驟108其中當鑽石膜 仍在基材上時鑽石膜的生長表面接受研磨。於其中期望製造一複合基材包含經研磨的鑽石生長表面及一層基體材料之實例中，於步驟108之後，執行步驟114其中該基材層係經減薄用以製造複合基材，其包含經研磨至光學精加工的該鑽石膜之生長表面黏合至該基材。
另外，於其中期望鑽石膜具有光學精加工的二表面之實例中，於步驟108之後，執行步驟110其中該基體材料係藉化學及/或機械方式移除。因鑽石膜的孕核表面係CVD生長於具有光學精加工的基材之表面上，且因於步驟108中鑽石膜的生長表面係經研磨，故於步驟110中基材的移除於步驟112產生了一自力支撐鑽石膜具有兩側(生長側及孕核側)具有經光學精加工的表面。
現在參考圖1B，現在描述於生長側上具有經光學精加工的表面的鑽石膜之一製造實例。於步驟200，提供沒有經光學精加工的表面之一基材。於步驟202，於其上欲CVD生長鑽石膜的基材表面係經以鑽石粒子播晶種及/或藉鑽石鏇削。其次，於步驟204，該基材(播晶種或未播晶種)係置於CVD生長器(例如，圖2中顯示的CVD反應器16)內部。於步驟206，鑽石膜係CVD生長於基材上。
於步驟208，當仍在基材上時鑽石膜的生長表面經研磨。於其中期望製造一複合基材包含經研磨的鑽石膜之生長表面黏合至基材之實例中，方法前進至步驟210，其中該基材係經減薄以製造複合基材。
當期望製造具有單一經光學精加工的表面之一 自力支撐鑽石膜時，方法從步驟208前進至步驟212，其中該基材係藉化學及/或機械方式移除而於步驟214製造一自力支撐鑽石膜，帶著具有經光學精加工的表面的鑽石膜之生長表面，及帶著具有未經光學精加工的表面的鑽石膜之孕核側，原因在於該孕核側生長在不具有經光學精加工表面的基材之該側上。
矽之熱膨脹係數(CTE)係約為3.0x10-6米/米-凱氏溫標，而鑽石的CTE係約為1.0x10-6米/米-凱氏溫標。鑽石膜典型地係於升溫生長。當鑽石膜於基材(犧牲或持久)上生長完成時，溫度實質上從鑽石生長溫度降至室溫，於是生長鑽石膜與基材(諸如矽)間之CTE不匹配通常導致鑽石膜及/或基材的裂化。此點在基材諸如矽於一維或多維的尺寸大時尤為如此。此外，不似金屬基材，諸如鎢及鉬，矽為脆性，無法倖存通過CVD鑽石生長製程期間的CVD電漿起動。
於後文比較例1章節中，矽晶圓(直徑6吋及厚度625微米)用作為鑽石膜生長的犧牲基材。不幸地，此等矽晶圓中之各者於電漿鏇削製程期間破碎。
出乎意外地發現只有一塊厚的(
Figure TWI676699B_D0158
2毫米)犧牲基材，諸如矽碟，能夠倖存通過電漿鏇削製程。於一實例中，矽碟可以是
Figure TWI676699B_D0159
2毫米厚度，
Figure TWI676699B_D0160
4毫米厚度，
Figure TWI676699B_D0161
6毫米厚度，或
Figure TWI676699B_D0162
8毫米厚度。
另一個實例係使用帶有經光學精加工的表面用於CVD鑽石生長的犧牲基材，諸如矽。於此犧牲基材上的 CVD鑽石生長之後，犧牲基材可以化學(藉苛性物或藉氟化氫)及/或藉機械(藉磨削及/或研光)方式移除，其導致(於孕核側上的)經光學精加工的鑽石表面而未涉及習知研磨製程。如此導致有效且經濟地製造一薄塊自力支撐鑽石膜其在孕核側上具有經光學精加工的表面。
另一個實例係用以研磨所生長的鑽石(生長)表面(孕核側的對面)而鑽石膜係仍在犧牲基材(例如，矽)上。於此種情況下，鑽石膜與犧牲基材的組合總厚度可以夠厚而允許習知研磨製程固定且研磨該組合，而沒有鑽石膜於研磨製程期間破碎的顯著風險。在所生長的鑽石膜之生長側上達成光學等級的精加工之後，鑽石膜與犧牲基材的組合可採化學及/或機械方式通過犧牲基材移除製程。於此製程結束時，鑽石膜薄塊包含具有經光學精加工的兩個表面(生長及孕核)。
已知多晶鑽石膜的生長側可具有比鑽石膜的孕核側更佳的導電率。於此種情況下，只有鑽石的生長側表面需被光學精加工。因此於另一個實例中，沒有光學精加工的犧牲基材諸如矽(例如，化學蝕刻及/或機械研光表面)可被用作為犧牲基材。
於一實例中，比較其它習知熱管理材料諸如銅，生長於犧牲基材上的一塊鑽石膜的孕核側的導熱率可能更優異。因此，具有鑽石膜的孕核側的光學精加工即足。於此種情況下，另一個實例係使用帶有經光學精加工的表面用於鑽石膜的孕核側之犧牲基材諸如矽。於鑽石膜生長之 後，生長表面(孕核側的對側)可經光學研光平坦，接著藉化學蝕刻及/或藉機械研光/磨削而去除犧牲基材。此項製程可導致薄(例如，
Figure TWI676699B_D0163
400x10-6米)鑽石膜其在孕核側上具有經光學精加工的表面而未訴諸習知精加工處理，避免了鑽石膜之精加工期間破碎或斷裂的風險。
於另一個實例中，在具有至少一個經光學精加工的表面之犧牲基材上CVD生長一鑽石膜之後，鑽石膜的經光學精加工的(孕核)表面(在犧牲基材去除之後)可被塗覆以一光管理塗覆層諸如，抗反射塗覆層、分束器塗覆層、全反射塗覆層等。此種鑽石膜也可經雷射切割成用於特定應用的不同幾何維度。雷射切割可於鑽石層仍在犧牲基材(諸如矽)上時進行，其中於雷射切割之前，所生長的鑽石表面可經光學研光及/或研磨。
於一實例中，鑽石膜可具有光學品質(具有電磁波諸如紅外光、近紅外光、可見光、或紫外光的低吸收，具有0.5/厘米或以下的吸收比)。於一實例中，鑽石膜也可具有微波應用的低的耗損正切(具有1x10-2或以下的耗損正切)。於一實例中，鑽石膜也可具有機械及/或熱等級鑽石(其可能顏色深，且可具有800瓦/米-K或以上的導熱率)。於一實例中，鑽石膜也可以是檢測器級的鑽石(具有100微米或以上的電荷收集距離)及/或電化學級鑽石。
於一實例中，鑽石可透過微波輔助電漿CVD法、熱纖絲CVD法、熱噴灑CVD法、電弧放電電漿CVD法、直流電熱電漿CVD法、射頻電漿CVD法、以水為基的電漿CVD 法、乙炔接觸電漿CVD法、極高頻電漿CVD法等生長。
於一實例中，鑽石膜之生長溫度可於600℃至1300℃或更高的範圍。於一實例中，鑽石膜的生長速率可以是每小時次微米至每小時20微米或以上。用於CVD生長鑽石膜的甲烷濃度可自低於1%氫至高達5%氫之範圍。於一實例中，其它添加劑諸如氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、硼等也可添加入CVD生長環境中用於鑽石生長速率控制及/或鑽石品質控制。
於一實例中，無論經光學精加工與否，犧牲基材諸如矽之表面可藉超音波處理；使用水性鑽石料漿或有機鑽石料漿；藉使用鑽石粉末或料漿摩擦；或藉鑽石鏇削而以鑽石粒子播晶種。
於一實例中，用於鑽石生長的犧牲基材諸如矽可以是直徑
Figure TWI676699B_D0164
25毫米，直徑
Figure TWI676699B_D0165
2吋(50.8毫米)，直徑
Figure TWI676699B_D0166
66毫米，直徑
Figure TWI676699B_D0167
3吋(76.2毫米)，直徑
Figure TWI676699B_D0168
4吋(101.6毫米)，或直徑
Figure TWI676699B_D0169
5吋(127毫米)。
於一實例中，犧牲基材諸如矽的厚度可以是
Figure TWI676699B_D0170
2毫米，
Figure TWI676699B_D0171
4毫米，
Figure TWI676699B_D0172
6毫米，或
Figure TWI676699B_D0173
8毫米。
於一實例中，犧牲基材(於矽實例中)的表面，諸如透過研光及/或研磨，可經光學精加工、化學蝕刻、及/或機械精加工。於一實例中，犧牲基材(於矽實例中)的經光學精加工的表面之表面粗度Ra可以是
Figure TWI676699B_D0174
20奈米，
Figure TWI676699B_D0175
15奈米，
Figure TWI676699B_D0176
10奈米，
Figure TWI676699B_D0177
5奈米，或
Figure TWI676699B_D0178
2奈米。
於一實例中，針對非平面形狀的鑽石結構，諸如， 圓頂形(圖5A)、圓錐形(圖5B)、角錐形(圖5C)、球形(圖5D)、拋物線形(圖5E)、雙曲線形(圖5F)、及任何其它要求鑽石結構的經光學精加工的表面之非平面幾何形狀，難以研磨鑽石表面。即便可能，將一塊又厚又大尺寸的鑽石塊研磨成此種非平面形狀將需過長時間且浪費的鑽石成本及量為極大。因此，於一實例中，CVD鑽石可生長於一犧牲基材(諸如矽)上，該犧牲基材具有最終鑽石基材的期望輪廓或形狀的負像之經光學精加工的表面輪廓。於鑽石生長之後，犧牲基材(諸如矽)可藉蝕刻(例如，使用KOH或HF)而以化學方式去除及/或藉磨削及研光而以機械方式去除。於一實例中，鑽石膜欲CVD生長於其上的該犧牲基材之非平坦表面的輪廓可藉鑽石鏇削法或藉典型光學製法製造。該犧牲基材之非平坦表面可製作成任何合宜的及/或期望的形狀，此等形狀包含例如圓頂形(圖5A)、圓錐形(圖5B)、角錐形(圖5C)、球形(圖5D)、拋物線形(圖5E)、雙曲線形(圖5F)、及任何其它非平面幾何形狀。
此處描述之鑽石膜實例可用作為光/電磁波管理的光學窗；用於電子學、光子學、及光電子學的熱管理之基材；針對涉及化學惰性、聲波管理、電磁波管理、摩擦控制、及檢測器的用途之基材；及用於機械應用用於諸如銑削、切削、鑽孔、繫緊等的材料。
於另一個實例中，鑽石膜、基材、或窗可具有於距遮光透鏡34厘米距離的1.06微米波長光散射係數
Figure TWI676699B_D0179
20/厘米，或
Figure TWI676699B_D0180
15/厘米，或
Figure TWI676699B_D0181
10/厘米，或
Figure TWI676699B_D0182
7/厘米，或
Figure TWI676699B_D0183
5/厘米。此 種光散射係數可以是針對光學應用、熱管理應用、聲學管理應用等所需。
於另一個實例中，鑽石膜、基材、或窗可具有鑽石孕核密度
Figure TWI676699B_D0184
1.0x105/平方厘米，或
Figure TWI676699B_D0185
1.0x106/平方厘米，或
Figure TWI676699B_D0186
1.0x107/平方厘米，或
Figure TWI676699B_D0187
1.0x108/平方厘米，或
Figure TWI676699B_D0188
1.0x109/平方厘米。此種鑽石孕核密度可能為傳送下列所需：用於聲學管理的聲波；用於熱管理的聲子；及用於光管理的光子。此種鑽石孕核密度也可以是針對下列所需：機械應用；當期望低孔隙度時用於化學惰性；用於表面摩擦控制等。
下列實例及比較例係用於例示性目的而非限制性。
掃描電子顯微術(SEM)的影像係於裝配有能散分析X光(EDAX)檢測器的掃描電子顯微鏡上收集。
拉曼光譜係藉拉曼顯微鏡(共焦)收集。拉曼光譜術廣用作為單晶或多晶鑽石的特性標準。其提供了不同形式(同素異形體)的碳(例如，鑽石、石墨、巴克球(buckyball)等)各自的容易區別的特徵標記。組合光致發光(PL)技術，其提供予非破壞性方式用來研究鑽石的各種性質，包括晶相純度、晶體大小及配向、缺陷程度及結構、雜質類型及濃度、及應力與應變。更明確言之，於1332cm-1的第一級鑽石拉曼峰的寬度(半峰全寬度，FWHM)以及鑽石峰與石墨峰(於1350cm-1的D帶及於1600cm-1的G帶)間之拉曼強度比乃鑽石品質的直接指標。又復，鑽石晶粒及膜中的應力與應變位準可從鑽石拉曼峰的移位估計。已報告於流體靜力 應力下的鑽石拉曼峰移位率約為3.2cm-1/GPa，伴以於抗拉應力下峰移位到較低波數及於抗壓縮應力下峰移位到較高波數。後文呈現的拉曼光譜係使用帶有514奈米準分子雷射的拉曼分光鏡收集。
一塊經研磨的鑽石膜或一塊矽的表面之表面粗度(Ra)或峰至谷(PV)測量值係透過具有20倍物鏡的干涉計獲得。測量面積為200微米x350微米。
鑽石的藉微波電漿加強的化學氣相沈積為技藝界眾所周知。圖2顯示可用以此處描述之方式生長多晶鑽石4之微波電漿CVD系統2之實例的示意圖。於圖2顯示的CVD系統2之使用中，包含氫及甲烷之反應性氣體6之混合物流入微波電漿CVD反應器16內。反應性氣體6之混合物之流速係由質量流量控制器8控制。廢氣10流出CVD反應器16，典型地流到真空泵浦12。微波能典型地係由磁控管14產生及通過石英窗18導引至CVD反應器16。於反應器16內部，微波能轉變成電漿20，其激化反應性氣體6的氫分子成氫自由基，以及激化反應性氣體6的甲烷分子成甲基自由基、伸甲基自由基、亞甲基自由基、及含有兩個或多個碳的第二或第三自由基。在CVD反應器16底部，置放一個基材固定座22或支持座，其支持於其上生長多晶鑽石膜4的基材24。矽、鈦、鈮、鉬、鎢、鉭、或任何合宜碳陰離子生成劑的基材24可位在基材固定座22上。
當電漿20起動時，含有碳種類的激化自由基碰撞基材24表面，結果導致碳種類藉稱作「命中與沾黏」的機 轉而固定。由電漿20所產生的氫自由基碰撞仍然含有氫原子之固定於表面的碳種類，及從固定的碳種類莘取出氫原子，結果導致表面碳自由基的生成，用以形成含有較少數氫原子的C-C鍵直到全部氫原子皆經萃取為止。有些純碳對碳鍵結可以是sp3性質，其乃鑽石晶格所需。有些純碳對碳鍵結可以是sp2性質，其乃不合所需，原因在於其本質為石墨。但比較將sp3碳從鑽石晶格剝除，氫自由基能夠更快將sp2碳從石墨種類剝除。
技藝界眾所周知若電漿20大小調整到夠大而覆蓋基材24表面，則除了生長溫度之外，反應性氣體6之混合物中之氫及甲烷之濃度乃鑽石生長的關鍵參數。反應器16內部的微波功率及壓力具有高度基材大小相依性。熟諳技藝人士必須能夠遵照此處揭示的程序及指令以將電漿20調整至適當大小，該大小為夠大而覆蓋不同尺寸的基材24用於某種品質的鑽石膜、窗、或基材的播晶種、沈積及生長的目的。
於下列實例及比較例中之各者，圖2中顯示的元件符號將用於相似的或功能上相當的元件。
實例1：製造帶著一個表面具有光學精加工的鑽石膜
參考圖3A-3C及繼續參考圖2，於一實例中，使用典型矽製法製造66毫米直徑及11.5毫米厚度的一塊單晶矽及用作為矽基材24。基材24的表面1經鑽石鏇削至具有6至7奈米Ra的光學精加工表面。藉鑽石鏇削「II-VI」圖案的溝槽至矽基材24的表面1而以凹陷方式切削標章「II-VI」。 然後，矽基材24置於CVD反應器16，經鑽石鏇削的經光學精加工的表面(表面1)面對石英窗18。包含氫及甲烷，例如，1,850毫升/分鐘氫及13.6毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物於質量流量控制器8的控制之下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成800℃。經168小時的鑽石生長之後，停止生長反應，厚度285微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的表面1上。然後矽基材使用KOH溶液於升溫剝除鑽石膜4，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有66毫米直徑，285微米厚度，及231之縱橫比的自力支撐鑽石膜4。生長於矽基材24的表面1上的自力支撐鑽石膜4之孕核表面經測量具有9.1奈米表面粗度(Ra)，被視為光學精加工。
圖3A為光學透明的自力支撐鑽石膜4之孕核表面或孕核側的影像。如於圖3A中可知，順形地生長入基材24的表面1之經鑽石鏇削溝槽內的II-VI標章驗證了藉將鑽石順形地生長入犧牲基材(諸如矽)的「負像」表面，方便地藉一或多個習知製法製造，能達成一塊鑽石的非平面表面，例如鑽石膜4。要緊地，圖3A中顯示的鑽石膜4之非平面(孕核)表面具有光學精加工。圖3B及3C為圖3A中顯示的鑽石膜4之孕核側(Ra=9.1奈米)及生長側的顯微相片。
於另一個實例中，使用典型矽製程製造66毫米直徑及11.5毫米厚度的第二塊單晶矽及用作為矽基材24。矽基 材24的表面1經鑽石鏇削至具有6至7奈米Ra的光學精加工表面。然後，整個矽基材24，包括表面1，使用鑽石-乙醇懸浮液料漿進行超音波處理。然後此一矽基材24置於CVD反應器16內，經鑽石鏇削的經光學精加工的表面(表面1)面對石英窗18。包含氫及甲烷，例如，1,850毫升/分鐘氫及13.6毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物於質量流量控制器8的控制之下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成800℃。經148小時的鑽石生長之後(停止鑽石生長反應)，厚度233微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的面對石英窗18之該表面上。然後矽基材24使用KOH溶液於升溫剝除鑽石膜4，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有66毫米直徑，233微米厚度，及283之縱橫比的自力支撐鑽石膜4。生長於矽基材24的表面1上的自力支撐鑽石膜4之孕核表面經測量具有11.5奈米表面粗度(Ra)，被視為光學精加工。
本後述實例鑽石膜4的品質係透過拉曼光譜術研究，如圖4中顯示，顯示於生長側上的鑽石晶體具有優異品質，如由約2.8cm-1的窄FWHM可證(比較參考單晶鑽石塊的3.5cm-1的FWHM)，而拉曼峰取中於1331.9cm-1至1332.1cm-1間，提示在生長側上的鑽石膜4不存在有應力。孕核側上的鑽石晶體也具有良好品質，由約3.8至4.1cm-1的FWHM可證，拉曼峰取中於1331.6cm-1，提示在孕核側上的鑽石 膜4的低應力。
實例2：製造帶著一或二個表面具有光學精加工的鑽石膜
於另一個實例中，使用典型矽製法製造2吋(50.8毫米)直徑及10毫米厚度的一塊單晶矽及用作為矽基材24。此一矽基材24的兩個表面透過典型化學機械研磨法經光學精加工至小於1奈米的Ra。然後，整個矽基材24使用鑽石(0.25微米)-乙醇懸浮液料漿接受超音波處理。然後此一矽基材24置於CVD反應器16內，經光學精加工的表面中之一者面對石英窗18。例如，1,850毫升/分鐘氫及13.6毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的面對石英窗18之該表面。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成800℃。經140小時的鑽石生長之後停止生長反應，導致厚度200微米至220微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的面對石英窗18之該表面上。然後當鑽石膜24仍在矽基材24上時，鑽石膜24的生長表面經研光及研磨至Ra 5.0奈米的表面粗度。經經研光及研磨之後，矽基材24上的鑽石膜4之厚度約為125微米。然後矽基材24使用KOH溶液於升溫剝除鑽石膜4，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有2吋(50.8毫米)直徑，125微米厚度，及406之縱橫比的自力支撐鑽石膜4。自力支撐鑽石膜24的兩個表面皆具有光學精加工品質，可應用作為光學窗或其它用途的基材。
於另一個實例中，2吋(50.8毫米)直徑及10毫米厚度的第二塊單晶矽於典型矽製法製造及用作為矽基材24。此一矽基材24的兩個表面透過典型化學機械研磨法經光學精加工至小於1奈米的Ra。然後，整個矽基材24使用鑽石-甲醇懸浮液料漿接受超音波處理。然後此一矽基材24置於CVD反應器16內(圖2)，經光學精加工的表面中之一者面對石英窗18。例如，2,700毫升/分鐘氫及16.2毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物於質量流量控制器8的控制之下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的面對石英窗18之該表面。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成832℃至866℃間。經72小時的鑽石生長之後停止生長反應，導致厚度110微米至130微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的面對石英窗18之該表面上。然後當鑽石膜4仍在矽基材24上時，鑽石膜4的生長表面經研光及研磨至5.8奈米的表面粗度(Ra)。經經研光及研磨之後，矽基材24上的鑽石膜4之厚度約為60微米至70微米。然後矽基材24使用KOH溶液於升溫剝除鑽石膜4，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有2吋(50.8毫米)直徑，60微米至70微米厚度，及781之縱橫比的自力支撐鑽石膜4。自力支撐鑽石膜4的兩個表面皆具有光學精加工品質，可應用作為光學窗或基材等其它用途。
於又另一個實例中，使用典型矽製法製造2吋(50.8毫米)直徑及10毫米厚度的第三塊單晶矽及用作為矽 基材24。此一矽基材24的兩個表面透過典型化學機械研磨法經光學精加工至小於1奈米的Ra。然後，整個矽基材24使用0.25微米鑽石料漿摩擦接著為典型的清潔。然後此一矽基材24置於CVD反應器16內(圖2)，經光學精加工的表面中之一者面對石英窗18。例如，2,700毫升/分鐘氫及16.2毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物於質量流量控制器8的控制之下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的面對石英窗18之該表面。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成794℃至835℃間。經95小時的鑽石生長之後停止生長反應，導致直徑2吋(50.8毫米)及厚度156微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的面對石英窗18之該表面上。鑽石膜具有326的縱橫比。自鑽石膜4剝除矽基材24之後，鑽石膜4之孕核側的表面粗度測得為7.7奈米，及鑽石膜4的生長側之該表面經判定具有所生長鑽石表面的典型粗度。
實例3：鑽石膜生長於具有二表面皆經化學蝕刻的單晶矽基材(166毫米直徑x10毫米厚度)上-製造帶著一個表面具有光學精加工的鑽石膜
於另一個實例中，166毫米直徑及10毫米厚度的一塊單晶矽使用典型矽製法製造及用作為矽基材24。此一矽基材24的兩個表面透過典型化學機械研磨法經精加工至918奈米的表面粗度(Ra)。然後，整個矽基材24使用鑽石粉末摩擦及置於CVD反應器16內(圖2)。例如，2,800毫升/分 鐘氫及84毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物於質量流量控制器8的控制之下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的面對石英窗18之該表面。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成1120℃。經44小時的鑽石生長之後停止生長反應，導致厚度350微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的面對石英窗18之該表面上，因而形成鑽石於矽上複合體。然後當鑽石膜4仍在矽基材24上時，鑽石膜4的生長表面經研光平坦。研光之後，鑽石膜4之厚度為300微米。然後，此一鑽石於矽上複合體再度於矽表面上研光至約1.7-1.8毫米的複合厚度。圖6A及6B顯示本實例之經研光的鑽石於矽上複合體的特寫剖面圖(視野=分別為4.33毫米及649.6微米)。
經研光的鑽石膜4表面然後進一步研磨至光學精加工，製造於166毫米直徑的矽基材24上之薄鑽石膜4(亦即比300微米厚度更薄)，該膜可用作為光學鏡，或用作為電子學、光子學、及光電子學的基材。
其次，一塊50毫米直徑及數塊1吋(25.4毫米)直徑從鑽石於矽上複合體雷射切割用於研磨已暴露的鑽石生長表面。直徑50毫米鑽石於矽上複合體的已暴露的鑽石生長表面研磨至1奈米的Ra，及精加工鑽石厚度為170-180微米。然後矽基材使用KOH溶液於升溫剝除50毫米直徑塊，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有50毫米直徑，133微米中心厚度，環繞邊緣144-176微米厚度，及376之中心縱橫比的 自力支撐鑽石膜。50毫米直徑的自力支撐鑽石膜之經光學精加工的生長表面可應用作為光學鏡或用於其它應用諸如熱管理的基材。50毫米直徑的鑽石膜之孕核側具有約799奈米之表面粗度(Ra)，其係類似經化學蝕刻的矽表面之表面粗度(約918奈米)。替代從50毫米塊的鑽石於矽上複合體去除矽基材，矽基材可經減薄及研磨，因而獲得至少鑽石表面係經光學精加工的50毫米塊之鑽石於矽上複合體。
實例4：鑽石膜生長於具有二表面皆經化學蝕刻的多晶矽基材(166毫米直徑x10毫米厚度)上-製造帶著一個表面具有光學精加工的鑽石膜
於另一個實例中，166毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽使用典型矽製法製造及用作為矽基材24。此一矽基材24的兩個表面透過典型化學機械研磨法經精加工至816奈米的表面粗度(Ra)。然後，整個矽基材24使用鑽石粉末摩擦及置於CVD反應器16內(圖2)。例如，2,800毫升/分鐘氫及84毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物於質量流量控制器8的控制之下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的面對石英窗18之該表面。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成1120℃。經24小時的鑽石生長之後停止生長反應，導致厚度175微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24的面對石英窗18之該表面上。然後當鑽石膜4仍在矽基材24上時，鑽石膜4的生長表面經研光平坦及然後研磨至光學精加工。 然後矽基材24使用KOH溶液於升溫剝除鑽石膜4，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有166毫米直徑，小於175微米厚度，及948之縱橫比的自力支撐鑽石膜4。經光學精加工的鑽石生長表面可應用作為光學鏡或用於其它應用諸如熱管理的基材。替代去除矽基材24，矽基材24可經減薄及研磨，因而獲得至少鑽石生長表面係經精加工至光學精加工的鑽石-矽複合體基材，其可用作為光學鏡，或用作為電子學、光子學、及光電子學的基材。
實例5：鑽石膜生長於具有一個表面藉化學機械研磨而經光學精加工(例如，Ra 1.3奈米)的多晶矽基材(166毫米直徑x10毫米厚度)上-製造帶著一個或兩個表面具有光學精加工的鑽石膜
於另一個實例中，使用典型矽製程製造166毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽及用作為矽基材24。矽基材24的二表面透過典型化學機械研磨法經精加工至816奈米的表面粗度(Ra)。然後，矽基材24之表面1透過化學機械研磨處理而研磨至光學精加工(Ra約1.3奈米)。然後整個矽基材24使用水性鑽石料漿接受超音波處理及置於用於鑽石生長的CVD反應器16(圖2)內，經光學精加工的表面(表面1)面對石英窗18。例如，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的反應性氣體6之混合物在質量流量控制器8的控制下流進微波電漿CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的該表面1。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光 學高溫計26而控制成846℃至868℃。經164小時的鑽石生長之後停止生長反應，導致直徑166毫米及厚度295微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24之表面1上，因而生成鑽石-矽複合體。然後當鑽石膜4仍在矽基材24上時，鑽石生長表面經研光平坦。經研光的鑽石生長表面進一步經研磨至光學精加工，導致具有563之縱橫比的鑽石膜4。於此一實施例中，此一鑽石-矽複合體的矽基材24經研磨直到鑽石-矽複合體具有1.7-2.0毫米的總厚度為止。然後鑽石-矽複合體經雷射切割成一塊直徑75毫米、兩塊直徑38.5毫米、及兩塊直徑1吋(25.4毫米)，接著為各塊的暴露出的鑽石生長表面之光學研磨，用以針對各塊獲得具有
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150-200微米的鑽石厚度之一經光學精加工的表面。於一實例中，75毫米塊的經研磨之鑽石生長表面的表面粗度(Ra)測得為2.75毫米(3.59、2.35、2.43、2.57、及2.89奈米的平均)。然後各塊矽基材使用KOH溶液於升溫剝除，接著為HF-HNO3剝除，結果獲得具有1吋(25.4毫米)、38.5毫米、及75毫米直徑的自力支撐鑽石膜4。各個自力支撐鑽石膜4分別具有150微米之厚度及169、256、及500的縱橫比。各塊經光學精加工的鑽石生長表面例如可應用作為光學窗，或作為光學鏡，或用於其它用途諸如熱管理的基材。
在雷射切割之後剩餘的該塊經研光的鑽石-矽複合體使用KOH溶液於升溫處理而剝除矽基材來形成一塊自力支撐鑽石膜4。本塊自力支撐鑽石膜4具有鏡面精加工帶有15.3奈米之表面粗度(Ra)及平均晶粒大小約20微米。藉由 微調孕核密度，相信孕核表面的表面粗度可減至低於10奈米。替代去除矽基材24，矽基材24(趁著鑽石膜4仍在其上)可經減薄及研磨而生成具有至少經光學精加工的鑽石表面的一塊鑽石-矽複合體，其例如可用作為光學鏡，或用作為電子學、光子學、及光電子學的基材。
實例6：鑽石膜生長於具有一個表面藉化學機械研磨而經光學精加工(Ra<1奈米)的多晶矽基材(166毫米直徑x10毫米厚度)上-製造帶著一個或兩個表面具有光學精加工的鑽石薄膜
於另一個實例中，使用典型矽製程製造166毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽及用作為矽基材24。矽基材24的二表面透過典型化學機械研磨法經精加工。本矽基材24之表面1經化學機械研磨至具有粗度Ra<1奈米的鏡面精加工。為了實現矽基材24之表面1上的高鑽石孕核密度，良好鑽石對矽的黏著性，及為了避免生長在表面1上的鑽石膜從表面1離層，採用二步驟式播晶種程序。
首先，整個矽基材24於包含0.25微米平均大小鑽石粉末/甲醇懸浮溶液的超音波浴內接受超音波處理，及然後置於CVD反應器16(圖2)內，表面1面對石英窗18，使用後文連結本實例6描述的針對第二鑽石孕核生長步驟描述的相同生長條件，在表面1上進行第一鑽石孕核生長步驟歷時1小時。第一鑽石孕核步驟導致矽基材24之表面1上的低密度鑽石孕核(<105/平方厘米)。然後包括第一步驟鑽石孕核的此一矽基材24自CVD反應器16去除及於超音波浴於奈米 晶體鑽石粉末(典型粒徑小於20奈米)/甲醇懸浮溶液內接受超音波處理。
於奈米晶體鑽石粉末/甲醇懸浮溶液內接受超音波處理之後，包括第一步驟鑽石孕核的此一矽基材24重新載入CVD反應器16內，伴隨用於該第二鑽石孕核生長步驟之面對石英窗18之表面1及於第一步驟鑽石孕核上的接續鑽石生長。於此第二步驟中，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的混合物於質量流量控制器8的控制之下流進CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1，尤其於矽基材24之表面1上的第一步驟鑽石孕核。在基材中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成800℃。
鑽石生長(於第二步驟鑽石孕核期間)140小時後，鑽石生長反應停止，結果導致鑽石-矽複合體具有厚度為280微米的多晶鑽石膜4順形地沈積於矽基材24之表面1上-593之縱橫比。趁鑽石膜4仍在矽基材24上，鑽石生長表面鑽石膜4經研磨至210微米厚度，具有在鑽石膜4的經研磨鑽石生長表面的不同位置測得的表面粗度(Ra)=3.28、6.75、15.4、11.4、12.2、及6.97奈米，及790的縱橫比。
在雷射切割鑽石-矽複合體成為五吋(12.7毫米)直徑的一塊之後，使用KOH溶液於升溫自此塊剝除矽基材24，結果導致具有5吋(127毫米)直徑、210微米之厚度、及605之縱橫比的自力支撐鑽石膜4。此一自力支撐鑽石膜4配 置於托盤的照片顯示於圖7。
自力支撐鑽石膜4之孕核側的表面粗度經測量在鑽石膜4之孕核側的不同位置具有表面粗度(Ra)=2.08、2.46、2.38、2.07、1.98、及1.90奈米。在第二孕核步驟之後，鑽石膜4之孕核側/表面的鑽石孕核密度透過SEM觀察(圖8)估計為>109/平方厘米。
具有生長表面及孕核表面兩者皆經光學精加工的此一自力支撐鑽石膜4可用作為光學窗、鏡、或基材用於諸如光學、熱管理、聲波管理、檢測器、微波/電磁波管理、機械、化學惰性、摩擦控制等應用。
另外，矽基材24(仍然附接有鑽石膜4)可經減薄與研磨，因而獲得該塊鑽石-矽複合體帶有至少鑽石生長表面經光學精加工，其可用作為光學鏡，或用作為電子學、光子學、及光電子學的基材。
實例7：使用奈米鑽石播晶種生長於經光學精加工的多晶矽基材(166毫米直徑x10毫米厚度)上的鑽石膜未能達成良好黏著性
於另一個實例中，使用典型矽製程製造166毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽及用作為矽基材24。矽基材24的二表面透過典型化學機械研磨法經精加工。本矽基材24之表面1經化學機械研磨至具有粗度Ra<1奈米的鏡面精加工。然後整個矽基材24於超音波浴中於奈米晶體鑽石粉末(典型粒徑<20奈米)/甲醇懸浮溶液內超音波處理(播晶種)。
於奈米晶體鑽石粉末/甲醇懸浮溶液內接受超音波處理之後，此一矽基材24載入CVD反應器16內，表面1面對石英窗18。然後，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的混合物於質量流量控制器8的控制之下流進CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1。在基材中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成821℃至840℃。
經189小時之鑽石生長之後，停止鑽石生長反應，結果導致具有厚度320微米的多晶鑽石膜4順形沈積於矽基材24之表面1上的鑽石-矽複合體。但此種鑽石膜4出現自矽基材24部分(但實質上地)離層，其並不允許進行鑽石膜4的生長表面之隨後研磨，結果導致達成經光學精加工生長表面的失敗，但已離層的鑽石膜4之孕核表面判定具有2奈米至4奈米的平均表面粗度(Ra)。
實例8：藉0.25毫米鑽石粒子播晶種而於經光學精加工的多晶矽基材(166毫米直徑x10毫米厚度)上的鑽石生長
於另一個實例中，使用典型矽製程製造166毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽及用作為矽基材24。矽基材24的二表面透過典型化學機械研磨法經精加工。本矽基材24之表面1經化學機械研磨至具有粗度Ra<1.5奈米的鏡面精加工。然後整個矽基材24於超音波浴中於0.25微米平均尺寸鑽石粉末/甲醇懸浮溶液內超音波處理(播晶種)，及然後置於CVD反應器16(圖2)內，表面1面對石英窗18。
然後，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的混合物於質量流量控制器8的控制之下流進CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1。在基材中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成845℃至868℃。
經163小時之鑽石生長之後，停止鑽石生長反應，結果導致具有厚度295微米-563之縱橫比的多晶鑽石膜4順形沈積於矽基材24之表面1上的鑽石-矽複合體。
當鑽石膜黏附至矽基材時，鑽石膜4的生長表面經研磨成光學精加工(Ra為3-5奈米間)及99微米的(鑽石膜4的)厚度-168的縱橫比。趁鑽石膜4仍然黏合至矽基材24，鑽石-矽複合體經雷射切割成具有不同直徑的多個不同塊，接著去除各塊的矽基材24(藉KOH溶液溶解)藉此形成自力支撐鑽石膜4塊。此等自力支撐鑽石膜4塊的孕核表面具有5奈米至9奈米的平均表面粗度(Ra)，及
Figure TWI676699B_D0190
105/平方厘米的孕核密度。此等自力支撐鑽石膜4塊中之一者具有99微米之厚度，及如圖9之曲線(a)顯示，係針對距散射光收集透鏡34.0毫米距離，以8.22/厘米光散射係數散射的1.06微米波長光予以特徵化。
實例9：藉第一步驟播晶種(0.25毫米鑽石粒子播晶種)及接著第二步驟播晶種(奈米鑽石粒子播晶種)於經光學精加工的多晶矽基材(2吋(50.8毫米)直徑x10毫米厚度)上的鑽石生長
於另一個實例中，使用典型矽製程製造50.8毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽及用作為矽基材24。矽基材24的二表面經化學機械研磨至具有粗度Ra<1.5奈米的鏡面精加工。然後整個矽基材24於0.25微米平均尺寸鑽石粉末/甲醇懸浮溶液內超音波處理(播晶種)，及然後置於CVD反應器16(圖2)內。
然後，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的混合物於質量流量控制器8的控制之下流進CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的面對石英窗18的表面1。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成780℃。經1小時之鑽石生長之後，停止鑽石生長反應，觀察得經鑽石播晶種的矽基材24具有鑽石粒子沈積於矽基材24的表面1上。
然後自CVD反應器16移出經鑽石播晶種的矽基材24於超音波浴中於奈米晶體鑽石粉末(典型粒徑<20奈米)/甲醇懸浮溶液內超音波處理。然後經奈米鑽石處理的鑽石播晶種的矽基材重新載入CVD反應器16內，表面1再度面對石英窗18。然後，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的混合物於質量流量控制器8的控制之下流進CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成790℃至821℃。
又經143小時之鑽石生長之後，停止鑽石生長反應，結果導致具有厚度245微米-207之縱橫比的多晶鑽石膜4的鑽石-矽複合體。趁鑽石膜4仍然黏合至矽基材24上，鑽石生長表面係經研磨至光學精加工(Ra為3-5奈米間)及197微米的(鑽石膜4的)厚度-258的縱橫比。
然後矽基材24自此鑽石-矽複合體移出(使用KOH溶液溶解)留下自力支撐鑽石膜4。自力支撐鑽石膜4的孕核表面具有平均表面粗度(Ra)=2.73奈米，孕核密度
Figure TWI676699B_D0191
109/平方厘米，及光滑的表面精加工，其中後述二者為諸如熱管理、光管理、半導體裝置、摩擦控制等應用高度所需。如圖9之曲線(b)顯示，此種自力支撐鑽石膜4也係針對距散射光收集透鏡34毫米距離，以2.69/厘米光散射係數散射的1.06微米波長光予以特徵化。1.06微米波長光散射於技藝界被視為低微米光散射，且為光學、熱學、聲學應用等高度所需。
實例10：藉一步驟式播晶種(奈米鑽石粒子播晶種)於經光學精加工的多晶矽基材(2吋(50.8毫米)直徑x10毫米厚度)上的鑽石生長
於另一個實例中，使用典型矽製程製造50.8毫米直徑及10毫米厚度的一塊多晶矽及用作為矽基材24。本矽基材24之表面1經化學機械研磨至具有粗度Ra<1.5奈米的鏡面精加工，而另一個表面係透過典型化學機械研磨法蝕刻。其次，此一矽基材24於超音波浴中於奈米晶體鑽石粉末(典型粒徑<20奈米)/甲醇懸浮溶液內超音波處理。
然後此種矽基材載入CVD反應器16內，表面1再度面對石英窗18。然後，2,800毫升/分鐘氫及16.8毫升/分鐘甲烷的混合物於質量流量控制器8的控制之下流進CVD反應器16內。在電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整使得電漿20大小覆蓋矽基材24的表面1。在矽基材24中心的鑽石生長溫度例如透過光學高溫計26而控制成800℃。
經118小時的鑽石生長之後，中止鑽石生長反應結果導致帶有190微米厚度的鑽石膜4順形地沈積於矽基材24之表面1上的鑽石-矽複合體。趁鑽石膜4仍然黏合至矽基材24上，鑽石生長表面係經研磨至光學精加工及140微米的(鑽石膜4之)厚度。
然後矽基材24自此鑽石-矽複合體移出(使用KOH溶液溶解)留下自力支撐鑽石膜4。自力支撐鑽石膜4的孕核表面具有平均表面粗度(Ra)為2至3奈米，孕核密度
Figure TWI676699B_D0192
109/平方厘米，及光滑的表面精加工，其中後述二者為諸如熱管理、光管理、半導體裝置、摩擦控制等應用高度所需。
如圖9之曲線(c)顯示，此種自力支撐鑽石膜4也係針對距散射光收集透鏡34毫米距離，以2.09/厘米光散射係數散射的1.06微米波長光予以特徵化。
於相同鑽石生長條件下，根據本實例10之原理在不同的矽基材24上額外跑數個回合遭逢問題。於一個實例中，鑽石膜4從矽基材24離層，其不允許在已離層的鑽石膜 之生長表面上進一步進行研磨。此等實例提示單獨奈米鑽石播晶種可能並非用於製造具有至少一個經光學精加工的表面之薄鑽石基材的可靠製法。
比較例1：矽晶圓(6吋(15.24毫米)直徑x625微米厚度)上的鑽石膜生長失敗
於一實例中，提供三個矽晶圓24(n型，6吋(152.4毫米)直徑x625微米厚度)。各個矽晶圓24之表面1係經化學機械研磨至光學表面精加工，又各個矽晶圓24的另一側表面係以化學蝕刻精加工。然後各個矽晶圓24之表面1(經光學精加工)係以鑽石粉末摩擦。
然後矽晶圓24中之一者置放於微波電漿CVD反應器16內部用於鑽石生長，經光學精加工的表面1面對石英窗18。反應性氣體6例如2,500毫升/分鐘氫及75毫升/分鐘甲烷之混合物流入微波電漿CVD反應器16內。於電漿20點火之後，磁控管14功率及反應器16壓力經調整用於電漿20覆蓋矽晶圓24之表面1之目的。在此電漿調整過程中，此種矽晶圓24破碎成多小塊。
以另兩個矽晶圓重複本實驗，改變功率及壓力的變化速率而獲得相同結果，換言之，另兩個矽晶圓24也破碎成多小塊。
比較例2：未能達成厚度比400微米更薄的經光學精加工的鑽石
於一實例中，具有50毫米、75毫米、85毫米、及100毫米直徑的多塊經CVD生長的鑽石係從具有大於550微 米厚度的所生長鑽石晶圓雷射切割。然後，各個鑽石塊的所生長表面經研光平坦。然後，此等鑽石塊的各表面亦即生長表面或孕核表面中之一側係藉習知研磨技術研磨至光學精加工。當翻轉且試圖減薄與研磨另一側時，此等鑽石塊在趨近於400微米厚度之前破碎，提示使用習知鑽石研磨法難以達成125的縱橫比。
如圖可知，此處揭示者為鑽石膜、基材、或窗其包含(1)至少一個經光學精加工的表面及100或以上的縱橫比；或(2)
Figure TWI676699B_D0193
400的厚度及
Figure TWI676699B_D0194
25毫米的最大或最長幾何維度之組合。
該經光學精加工的表面可具有
Figure TWI676699B_D0195
50奈米、
Figure TWI676699B_D0196
30奈米、
Figure TWI676699B_D0197
20奈米、
Figure TWI676699B_D0198
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0199
10奈米的表面粗度(Ra)。
該最大或最長幾何維度可以是
Figure TWI676699B_D0200
40毫米、
Figure TWI676699B_D0201
50毫米、60毫米、
Figure TWI676699B_D0202
70毫米、
Figure TWI676699B_D0203
80毫米、或
Figure TWI676699B_D0204
100毫米。
鑽石膜、基材、或窗之厚度可以是
Figure TWI676699B_D0205
400微米、
Figure TWI676699B_D0206
350微米、
Figure TWI676699B_D0207
300微米、
Figure TWI676699B_D0208
250微米、或
Figure TWI676699B_D0209
200微米。
界定為鑽石膜、基材、或窗之最大或最長幾何維度對鑽石膜、基材、或窗之厚度的該比值的縱橫比可以是
Figure TWI676699B_D0210
100、
Figure TWI676699B_D0211
125、
Figure TWI676699B_D0212
150、
Figure TWI676699B_D0213
175、或
Figure TWI676699B_D0214
200。
鑽石膜、基材、或窗可具有距遮光透鏡34厘米距離的1.06微米光散射係數為
Figure TWI676699B_D0215
20/厘米，或
Figure TWI676699B_D0216
15/厘米，或
Figure TWI676699B_D0217
10/厘米，或
Figure TWI676699B_D0218
7/厘米，或
Figure TWI676699B_D0219
5/厘米。
一塊犧牲基材(諸如矽)可用來生長鑽石膜、基材、或窗。犧牲基材可具有
Figure TWI676699B_D0220
2毫米、
Figure TWI676699B_D0221
4毫米、
Figure TWI676699B_D0222
6毫米、或
Figure TWI676699B_D0223
8毫 米的厚度。
犧牲基材可具有一經光學精加工的表面，亦即具有表面粗度(Ra)
Figure TWI676699B_D0224
20奈米、
Figure TWI676699B_D0225
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0226
10奈米、
Figure TWI676699B_D0227
5奈米、或
Figure TWI676699B_D0228
2奈米。
在犧牲基材上經CVD鑽石生長之後，犧牲基材例如藉化學方式(藉苛性物、氟化氫、或離子蝕刻)及/或機械方式(研碎或研光)去除。鑽石膜、基材、或窗的該至少一個經光學精加工的表面可以是生長表面、孕核表面、或兩者。
當鑽石膜、基材、或窗仍然附接到矽基材，鑽石膜、基材、或窗的生長表面可透過習知研磨法經光學精加工，其中該鑽石膜、基材、或窗加犧牲基材的總厚度係夠厚而足以允許習知研磨法於研磨過程固定且研磨鑽石膜、基材、或窗而未粉碎。在鑽石膜、基材、或窗的生長表面上達到光學等級的精加工之後，犧牲基材可例如藉化學及/或機械方式被去除。此項處理結果為具有至少一個表面(例如，生長表面)經光學精加工的薄的例如
Figure TWI676699B_D0229
400微米厚度之鑽石膜、基材、或窗。
一塊多晶鑽石膜、基材、或窗的生長側能夠具有比該鑽石膜、基材、或窗的孕核側更大的導熱率。於一實例中，只有鑽石膜、基材、或窗的生長側可被經光學精加工，而鑽石膜、基材、或窗的孕核側無需被經光學精加工。因此犧牲基材的鑽石生長側無需被經光學精加工。於一實例中，犧牲基材的鑽石生長側可經化學蝕刻及/或機械研光，而生長於犧牲基材的此一表面上的鑽石膜、基材、或窗的 孕核側無需具有光學精加工。
於一實例中，比較其它習知熱管理材料，諸如銅，具有光學精加工的鑽石膜、基材、或窗的孕核側能具有較大的導熱率。
於一實例中，帶有至少一個經光學精加工的表面供鑽石生長的犧牲基材(諸如矽)能夠輔助在孕核側上經光學精加工的鑽石膜、基材、或窗之CVD生長。於鑽石生長之後，鑽石膜、基材、或窗之生長表面可藉光學方式研光平坦及/或研磨，接著為例如藉化學蝕刻及/或機械研光/磨碎而選擇性地去除犧牲基材。此項處理結果導致成功製造一塊鑽石膜、基材、或窗其具有經光學精加工的表面(在孕核側上)而無需使用習知鑽石研磨法，避免了研磨期間破碎或斷裂鑽石膜、基材、或窗的風險。
一光管理塗覆層諸如，抗反射塗覆層、分束器塗覆層、全反射塗覆層等可施加至鑽石膜、窗、或基材的生長及/或孕核表面。此處描述之鑽石膜、基材、或窗也可經雷射切割成用於不同應用的不同幾何維度。雷射切割可於鑽石膜、基材、或窗仍在矽基材(於其上鑽石膜、基材、或窗係就上生長)上時進行且經研光及/或研磨。
鑽石膜、基材、或窗可具有光學品質(電磁波諸如紅外光、近紅外光、可見光、或紫外光的低吸收)且也可或另可於微波波長具有低耗損正切。也可或另可以是機械及/或熱等級鑽石(後者典型顏色深)。
鑽石膜、基材、或窗能透過微波輔助電漿CVD 法、熱纖絲CVD法、熱噴灑CVD法、電弧放電電漿CVD法、直流電熱電漿CVD法、射頻電漿CVD法、以水為基的電漿CVD法、乙炔接觸電漿CVD法、或高頻電漿CVD法生長。
用於鑽石膜、基材、或窗之生長的生長溫度可於600℃至1300℃之範圍。可預期使用更高的生長溫度。
鑽石膜、基材、或窗之生長速率可以是每小時次微米至每小時20微米。可預期更高的生長速率。
用於生長鑽石基材膜、基材、或窗的甲烷濃度可於低於1%至高達5%氫之範圍。
其它添加劑包括例如氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、及/或硼也可添加入生長環境中用於控制鑽石生長速率及/或所生長的鑽石品質。
犧牲基材(諸如矽)的一或兩個表面例如可藉使用水性鑽石料漿或有機鑽石料漿之超音波處理、藉使用鑽石粉末摩擦、或藉鑽石鏇削而選擇性地經光學精加工及/或選擇性地經鑽石播晶種。
用於鑽石生長的犧牲基材(諸如矽)可以是直徑
Figure TWI676699B_D0230
30毫米，或直徑
Figure TWI676699B_D0231
2吋，或直徑
Figure TWI676699B_D0232
66毫米，或直徑
Figure TWI676699B_D0233
3吋，或直徑
Figure TWI676699B_D0234
4吋，或直徑
Figure TWI676699B_D0235
5吋。
犧牲基材(諸如矽)之鑽石生長表面可經光學精加工或經化學蝕刻。犧牲基材(諸如矽)之經光學精加工的表面的表面粗度(Ra)可以是
Figure TWI676699B_D0236
20奈米、
Figure TWI676699B_D0237
15奈米、或
Figure TWI676699B_D0238
10奈米、
Figure TWI676699B_D0239
5奈米、或
Figure TWI676699B_D0240
2奈米。
已生長的鑽石膜、基材、或窗能具有一或多個非 平坦表面。於一個非限制性實例中，非平坦表面的孕核側可具有下列中之一種形狀：圓頂形、圓錐形、角錐形、球形、拋物線形、及雙曲線形、或任何其它非平面幾何形狀其可具有一經光學精加工的表面，其能夠順形地生長於經光學精加工的一犧牲基材(諸如矽)的一經光學精加工的表面輪廓上。此種犧牲基材的經光學精加工的表面輪廓可以是最後鑽石部件的期望表面輪廓之負像。於鑽石生長之後，例如可藉蝕刻(諸如KOH或HF)以化學方式及/或藉研磨及研光以機械方式去除犧牲基材(諸如矽)。犧牲基材(諸如矽)的非平面表面之期望輪廓可藉鑽石鏇削法或藉典型光學製法製造。
鑽石膜、基材、或窗可用作為光學窗；用於電子學、光子學、及光電子學的熱管理之基材；針對涉及化學惰性的用途之基材；聲波管理；電磁波管理；摩擦控制；及檢測器；及用於機械應用用於諸如銑削、切削、鑽孔、繫緊等的材料。
於一實例中，鑽石-矽複合體基材包括CVD生長於矽層上的一層鑽石。至少鑽石層的生長表面可被光學精加工至表面粗度(Ra)
Figure TWI676699B_D0241
50奈米、
Figure TWI676699B_D0242
30奈米、
Figure TWI676699B_D0243
20奈米、
Figure TWI676699B_D0244
15奈米、或10奈米。複合體的總厚度可以是
Figure TWI676699B_D0245
300微米、
Figure TWI676699B_D0246
500微米、
Figure TWI676699B_D0247
1毫米、
Figure TWI676699B_D0248
2毫米、或
Figure TWI676699B_D0249
5毫米。鑽石-矽複合體基材之直徑可以是
Figure TWI676699B_D0250
20毫米、
Figure TWI676699B_D0251
30毫米、
Figure TWI676699B_D0252
40毫米、
Figure TWI676699B_D0253
50毫米、
Figure TWI676699B_D0254
75毫米、
Figure TWI676699B_D0255
100毫米、
Figure TWI676699B_D0256
125毫米、或
Figure TWI676699B_D0257
150毫米。
於前述實例中之任一者中描述的鑽石膜、基材、 或窗可使用於下列應用，諸如，用於透光的光學窗、用於反射光的光學鏡、分光鏡、微波窗、檢測器、用於電子學、光子學、及/或光電子學的熱管理之基材(諸如但非僅限於雷射二極體、雷射二極體陣列例如二極體雷射條、垂直腔表面發射雷射(VCSEL)、垂直腔表面發射雷射之陣列、發光裝置等)。
已經參考附圖描述實例。其它人當研讀及瞭解前述實例時修改及變化將更為彰顯。據此，前述實例並不解譯為限制該揭示內容。

Claims (29)

  1. 一種自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其包含：至少一個經光學精加工的表面；一大於或等於()100的縱橫比，係該自力支撐之鑽石膜、基材、或窗之一最大維度除以該自力支撐之鑽石膜、基材、或窗之一厚度；及其中該自力支撐之鑽石膜、基材、或窗係由移除一犧牲基材而獲得。
  2. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其中該自力支撐之鑽石膜、基材、或窗具有小於或等於()400微米(0.4毫米)之一厚度及該最大維度25毫米。
  3. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其中該自力支撐之鑽石膜、基材、或窗具有帶有表面粗度(Ra)50奈米的至少一個經光學精加工的表面。
  4. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其中該最大維度為40毫米。
  5. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其中該厚度為400微米。
  6. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其中該縱橫比為125。
  7. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其中該最大維度為該自力支撐之鑽石膜、基材、或窗的一直徑。
  8. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，於距一阻擋透鏡34厘米之一距離測量下，其具有20/厘米的一1.06微米之光散射係數。
  9. 如請求項1之自力支撐之鑽石膜、基材、或窗，其具有一鑽石孕核密度1.0x105/平方厘米。
  10. 一種生成一鑽石膜、基材、或窗之方法，其包含：(a)提供一矽基材；及(b)在該矽基材之一表面上以CVD生長具有一縱橫比100的一鑽石膜、基材、或窗，其中該縱橫比為該鑽石膜、基材、或窗之一最大維度除以該鑽石膜、基材、或窗之一厚度的一比；其中該矽基材具有一厚度2毫米。
  11. 如請求項10之方法，其中該矽基材具有一厚度4毫米。
  12. 如請求項10之方法，其進一步包括於步驟(b)之前，研磨該矽基材之該表面至具有一表面粗度(Ra)20奈米的一光學精加工。
  13. 如請求項12之方法，其中：該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側具有一Ra大於該矽基材之該已研磨表面的該Ra；及對於該矽基材之該已研磨的該表面的一Ra20奈米，該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側的該Ra分別地為50。
  14. 如請求項10之方法，其中該矽基材之該表面及該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側，各自具有一表面粗度(Ra)750奈米。
  15. 如請求項10之方法，其進一步包括當該鑽石膜、基材、或窗係仍然在矽基材上時，研磨該鑽石膜、基材、或窗之一生長表面至一表面粗度(Ra)50奈米。
  16. 如請求項10之方法，其中：該矽基材之該表面及該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側為非平面；及該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側的一形狀為該矽基材之該表面的該形狀之一順形負像(conformal negative)。
  17. 如請求項16之方法，其中該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側具有下列形狀中之一者：圓頂形、圓錐形、角錐形、球形、拋物線形、及雙曲線形。
  18. 如請求項10之方法，其進一步包括自該已生長的鑽石膜、基材、或窗化學地或機械地去除該矽基材。
  19. 如請求項10之方法，其中該所生長的鑽石膜、基材、或窗之一生長側具有比該所生長的鑽石膜、基材、或窗之該孕核側更大的一導熱率。
  20. 如請求項10之方法，其進一步包括下列中之至少一者：施加一光管理塗覆層至該已生長的鑽石膜、基材、或窗之一生長側；及在自該已生長的鑽石膜、基材、或窗移除該矽基材之後，施加該光管理塗覆層至該已生長的鑽石膜、基材、或窗之一孕核側。
  21. 如請求項10之方法，其進一步包括將具有該鑽石膜、基材、或窗生長於其上的該矽基材切割成一或多塊。
  22. 如請求項10之方法，其中步驟(b)包括於一氣氛中以CVD生長該鑽石膜、基材、或窗，該氣氛包括下列中之至少一者：氧、一氧化碳、二氧化碳、氮、及硼。
  23. 如請求項10之方法，其中於步驟(b)之前，該矽基材之該表面係以鑽石粒子播晶種。
  24. 如請求項23之方法，其中該矽基材係透過下列方法中之至少一者以鑽石粒子播晶種：(1)在包含一液體懸浮溶液中的次微米或微米尺寸的鑽石粉末之一超音波浴內，該矽基材的超音波處理；及(2)在包含一液體懸浮溶液中的一具有平均粒子大小小於100奈米的奈米晶體鑽石粉末之一超音波浴內，該矽基材的超音波處理。
  25. 如請求項24之方法，其中該液體懸浮溶液包含下列中之一或多者：水、醇、烴、及有機溶劑。
  26. 如請求項23之方法，其中該矽基材係透過下列方法中之至少一者以鑽石粒子播晶種：(1)在水性鑽石料漿或有機鑽石料漿的一浴內，該矽基材的超音波處理，或(2)以鑽石粉末摩擦該矽基材，或(3)鑽石鏇削該矽基材。
  27. 如請求項10之方法，其中該矽基材之該最大維度為30毫米。
  28. 如請求項27之方法，其中該矽基材之該最大維度為該矽基材的一直徑。
  29. 一種包含以CVD生長於一矽基材上的一鑽石膜、基材、或窗之鑽石-矽複合體基材，其中該鑽石-矽複合體基材具有一總厚度2毫米，及該鑽石-矽複合體基材之一直徑為20毫米。
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