TWI686265B - 研磨盤及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供研磨盤及其製造方法。研磨盤具備石墨基底以及碳化矽膜層。碳化矽膜層覆蓋石墨基底,且碳化矽膜層的表面晶粒尺寸為5μm~80μm。利用熱壁式化學氣相沉積系統於石墨基底表面形成高緻密碳化矽膜層。以此研磨盤取代傳統使用金相研磨拋光盤,能夠提升研磨盤疏水性與耐磨耗等功效。
Description
本發明是有關於一種研磨製程,且特別是有關於一種研磨盤及其製造方法。
近年來,隨著半導體積體電路(LSI)的高積體化、高性能化而開發新的微細加工技術。研磨製程經常被採用於生產各種元件的製程中。
研磨製程是將研磨物件吸附於研磨系統之研磨頭,並施加壓力以將其壓置於研磨盤上,且讓研磨物件與研磨盤彼此進行相對運動,而使其表面逐漸平坦,來達到平坦化的目的。此外,亦可選擇於研磨過程中,供應具有化學品混合物之研磨液於研磨盤上,在機械效應與化學效應共同作用下平坦化研磨物件的表面。
當研磨物件以按壓的方式於研磨盤上轉動時,研磨物件與研磨盤彼此接觸而產生摩擦,在進行一段長時間的研磨製程之後,如此會使得研磨盤表面產生耗損,而影響研磨的研磨速率與穩定度。因此,研磨盤的材料被要求具有熱穩定性、耐磨耗與耐腐蝕性等優異物理化學性質,藉由使研磨盤具有高疏水性、耐磨耗等特性,可增加研磨盤的使用壽命。
本發明提供一種研磨盤,具有高耐磨耗性、高疏水性等特性,且使用壽命長。
本發明提供一種研磨盤的製造方法,使用化學氣相沉積系統於石墨基底表面沉積高緻密碳化矽膜層,藉製程參數調控,可控制碳化矽膜層表面晶粒大小,可以得到高耐磨耗性、高疏水性、使用壽命長的研磨盤。
本發明的研磨盤,包括石墨基底以及碳化矽膜層。碳化矽膜層覆蓋石墨基底,其中所述碳化矽膜層的表面晶粒尺寸為5μm~80μm。
在本發明的一實施例中,上述石墨基底的表面為平整面或者石墨基底的表面具有溝槽。
在本發明的一實施例中,上述溝槽深度為0.1mm~10mm,且寬度為0.05mm~20mm。
在本發明的一實施例中,上述碳化矽膜層具有立方碳化矽晶型。
在本發明的一實施例中,上述碳化矽膜層的碳含量為30原子%~70原子%、矽含量為30原子%~70原子%。
在本發明的一實施例中,上述碳化矽膜層的厚度為30μm~1000μm。
在本發明的一實施例中,上述的碳化矽膜層的表面粗糙度為1.0μm~10.0μm。
本發明的研磨盤的製造方法,提供石墨基底,並於石墨基底表面形成碳化矽膜層,其中於石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,使用碳前驅物、矽前驅物及氫氣作為反應氣體,利用化學氣相沉積法形成碳化矽膜層。
在本發明的一實施例中,上述於石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,反應壓力為1 Pa~106
Pa。
在本發明的一實施例中,上述於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,反應溫度為900℃~1600℃。
在本發明的一實施例中,上述研磨盤的製造方法,更包括在石墨基底的表面形成至少一溝槽。
在本發明的一實施例中,上述碳前驅物為選自甲烷、乙烷、乙炔及乙烯所組成的群組中的至少其中一種。
在本發明的一實施例中,上述矽前驅物為選自二氯矽烷(SiH2
Cl2
)、三氯氫矽(SiHCl3
)及四氯化矽(SiCl4
)所組成的群組中的至少其中一種。
在本發明的一實施例中,上述碳化矽膜層具有立方碳化矽晶型。
在本發明的一實施例中,上述於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,使用熱壁式化學氣相沉積系統。
基於上述,本發明的研磨盤具有高耐磨耗特性、高疏水性。藉由使研磨盤具有較高疏水特性,故能得到較佳排屑功能,可減少刮痕的產生使工件表面達到鏡面的拋光功效。而且,藉由使研磨盤具有耐磨耗之碳化矽膜層,故能使用壽命相對較長。
本發明的研磨盤的製造方法,使用熱壁式化學氣相沉積系統直接在石墨基底上形成碳化矽膜層,透過製程參數調控碳化矽膜層的晶粒尺寸,來得到高疏水特性、高耐磨耗特性的碳化矽膜層,故可延長研磨盤的使用壽命。本發明的研磨盤的製造方法可應用於製作金相研磨盤。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明的研磨盤及其製造方法,主要利用熱壁式化學氣相沉積系統於石墨基底表面形成高緻密碳化矽膜層。在形成高緻密碳化矽膜層時,利用階段式製程調控,可控制碳化矽膜層表面的晶粒尺寸。以此研磨盤取代傳統使用金相研磨拋光盤,能夠提升研磨盤疏水性與耐磨耗等功效。
圖1A是依照本發明的實施例的一種研磨盤的示意圖。
如圖1A所述,研磨盤100包括石墨基底102以及碳化矽膜層104。碳化矽膜層104覆蓋石墨基底102。
石墨基底102例如具有高純度,雜質含量為400 ppm以下,以降低雜質汙染製程之發生率。石墨基底102的表面例如為平整面。
碳化矽(SiC)屬硬脆材料,具有純度高、韌性值高、抗破碎性能好等特性。由於碳化矽(SiC)硬度較脆且研磨力好,適合製造半導體材料的切割磨料,而廣泛的應用於工業上。碳化矽亦具有熱穩定性、耐磨耗與耐腐蝕性等優異物理化學性質。因此碳化矽可延伸應用在半導體用關鍵零組件、耐高溫熱衝擊及化學腐蝕等零組件表面處理,增加工件材料使用壽命。碳化矽典型結構可分為兩類,一類六角型或菱形結構的6H-SiC、4H-SiC…等,統稱為α-SiC;另一種是是立方碳化矽晶型,稱為3C-SiC或β-SiC。
SiC膜層的製備方法例如為物理氣相沉積法(Physical vapor deposition,PVD)與化學氣相沉積法(Chemical vapor deposition, CVD)。然而,使用物理氣相沉積法所開發出來的大都以非晶SiC膜、多晶SiC膜為主。而且,物理氣相沉積法與化學氣相沉積法相比,物理氣相沉積法所形成的膜層均勻性(uniformity)及階梯覆蓋率(step coverage)皆較差。化學氣相沉積法為成熟的厚膜成長技術,具有大面積沉積、高階梯披覆率(step coverage)、高膜層均勻性等特點。
在本實施例中,碳化矽膜層104例如具有立方碳化矽晶型(3C-SiC)。碳化矽膜層104中,碳含量例如為30原子%-70原子%、矽含量例如為30原子%~70原子%。在另一實施例中,碳化矽膜層104中,碳含量例如為45原子%~55原子%、矽含量例如為45原子%~55原子%。碳化矽膜層104的厚度例如為30μm~1000μm。碳化矽膜層104的表面晶粒尺寸例如為5μm~80μm。碳化矽膜層104的表面粗糙度為1.0μm~10.0μm。
圖1B是依照本發明的另一實施例的一種研磨盤的示意圖。在此只針對與圖1A的研磨盤100不同之處做說明。
如圖1B所述,研磨盤100a包括石墨基底102a以及碳化矽膜層104a。碳化矽膜層104a覆蓋石墨基底102a。石墨基底102a的表面具有溝槽106a。溝槽106a的深度例如為0.1mm~10mm,且溝槽106a的寬度為0.05mm~20mm。在本實施例中,溝槽106a的剖面例如是呈「V」字型。
圖1C是依照本發明的另一實施例的一種研磨盤的示意圖。在此只針對與圖1A的研磨盤100不同之處做說明。
如圖1C所述,研磨盤100b包括石墨基底102b以及碳化矽膜層104b。碳化矽膜層104b覆蓋石墨基底102b。石墨基底102b的表面具有溝槽106b,而使石墨基底102b的表面呈現凹凸狀態。
在圖1A至圖1C中,以碳化矽膜層104(104a、104b)覆蓋整個石墨基底102(102a、102b)表面為例做說明,當然碳化矽膜層104可以只設置在石墨基底102的單一表面(研磨面)上。碳化矽膜層104a可以只設置在石墨基底102a的形成有溝槽106a的表面(研磨面)上。碳化矽膜層104b可以只設置在石墨基底102b的呈現凹凸狀態(形成有溝槽106b)的表面(研磨面)上。
此外,石墨基底102a(102b)表面的溝槽106a(106b)的圖案例如為棋盤狀、蜂巢狀、螺旋狀、同心圓狀等。
接著,說明本發明之研磨盤的製造方法。首先,提供石墨基底102,然後於石墨基底102表面形成碳化矽膜層104。於石墨基底102表面形成碳化矽膜層104的步驟中,使用碳前驅物、矽前驅物及氫氣(H2
)作為反應氣體,利用化學氣相沉積法形成碳化矽膜層。於石墨基底102表面形成碳化矽膜層104的步驟中,使用熱壁式化學氣相沉積系統。碳化矽膜層104例如具有立方碳化矽晶型。於石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,反應壓力例如為1 Pa~106
Pa,反應溫度為900℃~1600℃。
碳前驅物例如選自甲烷、乙烷、乙炔及乙烯所組成的群組中的至少其中一種。矽前驅物可包括有機矽化合物,例如氯矽烷化合物(SiH2
Cl2
、SiHCl3
、SiCl4
、CH3
SiCl3
、Si(CH3
)2
Cl2
等)。在一實施例中,矽前驅物例如選自二氯矽烷、三氯氫矽及四氯化矽所組成的群組中的至少其中一種。
在一實施例中,當要製作圖1B、圖1C的研磨盤時,可預先石墨基底102a(102b)的表面形成至少一個溝槽106a(106b)。
圖2為熱壁式化學氣相沉積系統的示意圖。在圖2中,以甲烷(CH4
)作為碳前驅物,以四氯化矽(SiCl4
)作為矽前驅物為例做說明。如圖2所示,熱壁式化學氣相沉積系統包含反應腔體200、氫供給部202、甲烷供給部204、四氯化矽供給部206、四氯化矽汽化器208、壓力控制器210、抽氣泵212以及溫度控制器214等,石墨基底216放置於反應腔體200中。在一實施例中,利用壓力控制器210將製程壓力控制在1 Pa~106
Pa下,利用溫度控制器214調整溫度為900℃~1600℃,將前驅物進氣量流量比設定為0.1-1%,且沉積時間為10~100分鐘,即於石墨基底表面形成3C-SiC層。此外,為了降低雜質汙染製程之發生率,使用的石墨基底則要求雜質含量需10-400 ppm的高純度石墨,來進行碳化矽沉積。
在碳化矽沉積製程中,若控制製程壓力與前驅物進氣流量比,則當反應溫度較高,碳化矽沉積速率較快,故可以獲得較大晶粒。反之則當反應溫度較低,碳化矽沉積速率較慢,故可以獲得較小晶粒。藉由調控製程壓力、前驅物進氣流量比與反應溫度能成功地控制碳化矽膜層表面晶粒的尺寸。
圖3是SiC成長機制示意圖。如圖3所示,四氯化矽302、甲烷304等先吸附於石墨基底300上,然後進行化學反應後,打開矽二聚體的鍵結,而形成碳化矽並沉積在石墨基底300上。
圖4是沉積碳化矽的階段性製程示意圖。如圖4所示,在大氣壓下進行第一階段昇溫400(時間t0至t1),從室溫升溫至溫度T1。於溫度T1維持一段時間(時間t1至t2)後,在大氣壓下進行第二階段昇溫402,從溫度T1升溫至溫度T2。然後在溫度T2以及設定的製程壓力下進行SiC成長404,上述條件維持一段時間(時間t3至t4)以完成SiC成長。然後,在大氣壓下進行降溫406,從溫度T2降溫至室溫。而在石墨基底表面形成了碳化矽膜層,製作出研磨盤試片(碳化矽研磨盤)。對此研磨盤試片,進行材料結構分析。
圖5是研磨盤試片的掃描式電子顯微鏡照片圖。將研磨盤試片經由切片處理後,透過掃描式電子顯微鏡(SEM)的觀察做剖面分析。如圖5所示,碳化矽膜層厚度為55.92μm。
圖6是研磨盤試片的能量色散X射線光譜(EDS)圖。如圖6所示,透過EDS進行碳化矽膜層的組成分析,其碳原子與矽原子百方比分別為52.37%及47.63%。圖7是研磨盤試片的X射線繞射分析(XRD)圖。根據XRD繞射分析,結果比對JCPDS資料庫,分別是(111)、(200)、(220)、(311)的繞射峰。另外主要繞射峰(111)在角度上也沒有明顯的偏移,故證實此膜層為3C-SiC結構。
研磨盤試片與砂紙-表面晶粒觀察 根據上述揭示的製造方法,於不同製程參數下製備碳化矽膜層表面晶粒大小不同的研磨盤試片,將其利用掃描式電子顯微鏡做表面晶粒觀察,並將碳化矽膜層表面晶粒大小不同的研磨盤試片與不同號數之研磨砂紙間做表面晶粒比較。
根據發明上述揭示的製造方法,在製程溫度分別為1380℃、1330℃、1280℃的條件下,製備出研磨盤試片A、研磨盤試片B、研磨盤試片C。
圖8A及圖8B分別為本發明的研磨盤試片A與號數#500砂紙的SEM表面晶粒觀察照片圖。在製程溫度於1380℃條件下製備出的研磨盤試片A,碳化矽膜層的表面晶粒為20μm~40μm。圖9A及圖9B分別為本發明的研磨盤試片B與號數#1200研磨砂紙的SEM表面晶粒觀察照片圖。在製程溫度1330℃條件下製備出研磨盤試片B,碳化矽膜層的表面晶粒為10-25μm。圖10A及圖10B分別為本發明的研磨盤試片C與號數#2400研磨砂紙的SEM表面晶粒觀察照片圖。將製程溫度降低至1280℃條件下,製備出研磨盤試片C,碳化矽膜層的表面晶粒為5~15μm。研磨盤試片ABC的碳化矽膜層的表面晶粒與各號數之研磨砂紙表面晶粒相同。
特殊結構加工後之石墨基底-碳化矽膜層的表面披覆 圖11A及圖11B分別是未披覆及已披覆碳化矽膜層之特殊結構加工基材的光學顯微鏡照片圖。若將石墨基底先經由加工,而在石墨基底表面形成特殊結構(例如溝槽)。藉此特殊結構加工,使其碳化矽具有一致性方向,並藉此溝槽促進磨漿或刮屑的流動,減少工件表面被刮傷機會,來達到研磨最佳化。
研磨盤試片的疏水性測試 將製備好的研磨盤試片與市售研磨砂紙,進行水接觸實驗,測定水接觸角。圖12A及圖12B分別是研磨盤試片與研磨砂紙之接觸角實驗照片圖。如圖12A及圖12B所示,本發明之研磨盤試片的水接觸角約為108.6°,市售研磨砂紙的水接觸角約為74.1°。根據上述結果,證實經由化學氣沉積法製備之碳化矽膜層具有較大的水接觸接角,即具有較高疏水特性,故有較佳排屑功能,可減少刮痕的產生使工件表面達到鏡面的拋光功效。
綜上所述,本發明的研磨盤,提供更具耐磨耗、疏水性之研磨工具。本發明的研磨盤的製造方法,直接在石墨基底透過製程參數調控晶粒尺寸,來得到高疏水特性。本發明的研磨盤具有較高疏水特性,故有較佳排屑功能,可減少刮痕的產生使工件表面達到鏡面的拋光功效。而且,本發明的研磨盤具有耐磨耗之碳化矽膜層,因故使用壽命相對較長。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、100a、100b‧‧‧研磨盤102、102a、102b、216、300‧‧‧石墨基底104、104a、104b‧‧‧碳化矽膜層106a、106b‧‧‧溝槽200‧‧‧反應腔體202‧‧‧氫供給部204‧‧‧甲烷供給部206‧‧‧四氯化矽供給部208‧‧‧四氯化矽汽化器210‧‧‧壓力控制器212‧‧‧抽氣泵302‧‧‧四氯化矽304‧‧‧甲烷400‧‧‧第一階段昇溫402‧‧‧第二階段昇溫404‧‧‧SiC成長406‧‧‧降溫
圖1A是依照本發明的一實施例的一種研磨盤的示意圖。 圖1B是依照本發明的另一實施例的一種研磨盤的示意圖。 圖1C是依照本發明的又一實施例的一種研磨盤的示意圖。 圖2是熱壁式化學氣相沉積系統的示意圖。 圖3是SiC成長機制示意圖。 圖4是沉積碳化矽的階段性製程示意圖。 圖5是研磨盤試片的掃描式電子顯微鏡剖面圖。 圖6是研磨盤試片的能量色散X射線光譜(EDS)圖。 圖7是研磨盤試片的X射線繞射分析(XRD)圖。 圖8A及圖8B分別為本發明的研磨盤試片A與號數#500砂紙的SEM表面晶粒觀察照片圖。 圖9A及圖9B分別為本發明的研磨盤試片B與號數#1200研磨砂紙的SEM表面晶粒觀察照片圖。 圖10A及圖10B分別為本發明的研磨盤試片C與號數#2400研磨砂紙的SEM表面晶粒觀察照片圖。 圖11A及圖11B分別是未披覆及已披覆碳化矽膜層之特殊結構加工基材的光學顯微鏡照片圖。 圖12A及圖12B分別是研磨盤試片與研磨砂紙之接觸角實驗照片圖。
100‧‧‧研磨盤
102‧‧‧石墨基底
104‧‧‧碳化矽膜層
Claims (15)
- 一種研磨盤,包括:石墨基底;以及碳化矽膜層,覆蓋所述石墨基底,其中所述碳化矽膜層的表面晶粒尺寸為5μm~80μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的研磨盤,其中所述石墨基底的表面為平整面或者所述石墨基底的表面具有溝槽。
- 如申請專利範圍第2項所述的研磨盤,其中所述溝槽深度為0.1mm~10mm,且寬度為0.05mm~20mm。
- 如申請專利範圍第1項所述的研磨盤,其中所述碳化矽膜層具有立方碳化矽晶型。
- 如申請專利範圍第4項所述的研磨盤,其中所述碳化矽膜層的碳含量為30原子%~70原子%、矽含量為30原子%~70原子%。
- 如申請專利範圍第4項所述的研磨盤,其中所述碳化矽膜層的厚度為30μm~1000μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的研磨盤,其中所述碳化矽膜層的表面粗糙度為1.0μm~10.0μm。
- 一種研磨盤的製造方法,包括:提供石墨基底;以及於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層,其中於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,使用碳前驅物、矽前驅物及氫氣作為反應氣體,利用化學氣相沉積法形 成所述碳化矽膜層,所述碳化矽膜層的表面晶粒尺寸為5μm~80μm。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,其中於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,反應壓力為1Pa~106Pa。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,其中於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,反應溫度為900℃~1600℃。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,更包括在所述石墨基底的表面形成至少一溝槽。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,其中所述碳前驅物為選自甲烷、乙烷、乙炔及乙烯所組成的群組中的至少其中一種。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,其中所述矽前驅物為選自二氯矽烷、三氯氫矽及四氯化矽所組成的群組中的至少其中一種。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,其中所述碳化矽膜層具有立方碳化矽晶型。
- 如申請專利範圍第8項之研磨盤的製造方法,其中於所述石墨基底表面形成碳化矽膜層的步驟中,使用熱壁式化學氣相沉積系統。
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