通过cvd制作金刚石层的方法
【专利说明】通过CVD制作金刚石层的方法发明领域
[0001]本发明的某些实施方案涉及使用微波等离子体化学气相沉积(CVD)合成技术采用合成金刚石材料共形涂覆非平面和/或非耐火的基材的方法。本发明的某些另外的实施方案涉及非平面和/或非耐火的聚晶CVD合成金刚石部件，包括共形涂覆有高品质聚晶CVD合成金刚石材料的非平面和/或非耐火的部件。
[0002]发明背景
[0003]可使用各种方法生长合成CVD金刚石膜，包括热丝、微波等离子体和DC电弧喷射反应器。这些方法中的每种具有其优点。DC电弧喷射沉积系统倾向于具有高的局部生长速率，但是经受电极/喷嘴侵蚀、高气体消耗和相对差的面积覆盖。热丝反应器可涂覆大面积和三维形状，但是具有有限的膜厚度并且具有相对差品质的金刚石材料。相比之下，微波等离子体CVD合成金刚石已被确立为用于制备平面的独立的聚晶晶片形式的高品质、块状金刚石材料的主要方法。遗憾的是，由于微波电场与被涂覆的非平面基材或工件之间不利的相互作用，微波等离子体方法仅具有涂覆非平面基材的有限能力。受外部拐角处的电场集中或相反地内部拐角处的电场的薄弱的影响，难以制备甚至简单的三维形状例如工具插入件或扬声器圆顶芯的涂层。电场的这种变化不利地影响了金刚石膜的品质和厚度两者的均匀性。例如，迄今为止还没有成功使用微波等离子体CVD反应器来共形涂覆切割工具插入件。在这样的切割工具插入件的拐角处，高电场导致临界切割边缘的增厚和倒圆，从而使它们不适合它们预期的目的。
[0004]在熔点或热冲击方面为热敏感的非耐火材料例如硅也在向在微波等离子体反应器中均匀涂覆发起挑战，因为微波等离子体倾向于损坏非耐火的基材材料。
[0005]鉴于上述内容，所需要的是使用微波等离子体CVD金刚石合成技术来共形涂覆非耐火的基材和/或三维(即非平面)形状例如切割工具插入件和扬声器圆顶芯的方法，其将导致在基材材料表面上方均匀涂覆的高品质聚晶CVD金刚石材料而没有在边缘和拐角处的过度倒圆和增厚和/或没有过度地损坏基材材料。
[0006]本发明的某些实施方案的目的是解决前述问题。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一方面，提供了使用微波等离子体化学气相沉积(CVD)合成技术采用合成金刚石材料涂覆非耐火和/或非平面的基材的方法，该方法包括:
[0008]形成复合基材组件，该组件包含:
[0009]包含上表面的支撑基材；
[0010]布置在该支撑基材的上表面上方并且延伸至高于该支撑基材的上表面的高度hg的一个或多个导电耐火防护物；和
[0011]布置在该支撑基材的上表面上方并且延伸至高于该支撑基材的上表面的高度hs的一个或多个非耐火的和/或非平面的基材，其中高度h/j、于高度h g，其中高度差hg— h s处于0.2mm至10mm范围内；
[0012]将复合基材组件置于微波等离子体CVD反应器的等离子体室内；
[0013]将工艺气体供给到等离子体室中，包括含碳气体和含氢气体；
[0014]在等离子体室中供给微波以在该复合基材组件上方的位置处形成微波等离子体；和
[0015]在该一个或多个非耐火和/或非平面的基材上生长合成金刚石材料。
[0016]根据本发明的第二方面，提供了复合部件，其包含:
[0017]非平面基底:
[0018]和该非平面基底表面上的聚晶CVD合成金刚石涂层，
[0019]其中该非平面基底具有在投影到平面上时不小于5_的最长线性尺寸，
[0020]其中该聚晶CVD合成金刚石涂层具有5至100 μ m范围内的厚度，
[0021]其中该聚晶CVD合成金刚石涂层的厚度变化不大于该聚晶CVD合成金刚石涂层的平均厚度的75%，排除在该聚晶CVD合成金刚石涂层的外围边缘处的任何逐渐变细，
[0022]其中该聚晶CVD合成金刚石涂层包含表明微波等离子体CVD合成技术的低sp2碳含量和微米级的共生的金刚石晶粒，和
[0023]其中该聚晶CVD合成金刚石涂层没有长度延伸大于2mm的裂纹。
[0024]附图简要说明
[0025]为了更好地理解本发明并且显示可如何实施本发明，现在将仅参考附图通过举例来描述本发明的实施方案，其中:
[0026]图1说明了用于本发明的复合基材组件的横截面视图；
[0027]图2说明了在图1中显示的复合基材组件的俯视图；
[0028]图3说明了根据本发明的另一个实施方案的复合基材组件的横截面视图；
[0029]图4说明了在图3中显示的复合基材组件的俯视图；
[0030]图5说明了包含如在图3和4中说明的复合基材组件的微波等离子体CVD反应室;
[0031]图6说明了包含在其上共形涂覆的均匀的高品质聚晶CVD合成金刚石材料层的圆顶-M
[0032]图7说明了包含围绕其切割边缘共形涂覆的均匀的高品质聚晶CVD合成金刚石材料层的切割工具插入件。
[0033]某些实施方案的详细描述
[0034]本发明的实施方案利用本文中描述的作为“间接等离子体生长”的CVD合成金刚石合成方法用于涂覆三维/非平面的基材和/或非耐火的基材例如硅。该方法使用导电耐火防护物，该防护物延伸到微波等离子体与将用金刚石材料对其进行涂覆的基材之间的区域中。该导电耐火防护物提供了用于微波电场的限定焦点，使得可以在其中可布置一个或多个基材的区域上方以稳定的方式维持合适强度的等离子体。基材正好位于导电耐火防护物的表面下方，使得基材表面处的电场低于对于例如在尖锐的外部拐角处引起局部故障所需要的电场。以这种方式，认为基材被屏蔽免于微波等离子体而不是被直接暴露，因此术语“间接等离子体生长”。然而，将注意到的是，基材仍然物理暴露于微波腔体用以在其上实现金刚石生长。该屏蔽具有电属性并且通过导电耐火防护物提供，可将该导电耐火防护物配置为位于待涂覆的一个或多个基材的外围附近。例如，导电耐火防护物可为以等离子体室的中心旋转轴为中心的环或一系列同心环的形式。或者，导电耐火防护物可为从围绕待涂覆的基材的外围区域的支撑基材向上延伸并且在待涂覆的基材的上表面之上延伸的多个柱状物或凸出物的形式。
[0035]本发明的实施方案的间接等离子体生长方法包括复合基材组件的形成，在图1和2中说明了其一个实例，图1显示了横截面视图并且图2显示了俯视图。该复合基材组件I包括:包含上表面4的支撑基材2 ;布置在支撑基材2的上表面4上方并且延伸到高于支撑基材2的上表面4的高度\的多个导电耐火防护环6 ;和布置在支撑基材2的上表面4上方并且延伸至高于支撑基材2的上表面4的高度hs的多个非平面基材8，其中高度h s小于高度hg。所说明的实施方案包含三个导电耐火防护环6，这三个导电耐火防护环6同心布置并且以支撑基材2的中心旋转轴为中心。该非平面的基材包含布置在由导电耐火防护环6限定的环形区域中的多个金属切割插入件8。
[0036]图3和4说明了适合用于制造弯曲的金刚石隔膜或圆顶的复合基材组件的替代性实施方案的横截面视图和俯视图。这样的圆顶可用于各种应用，包括涉及静态或动态压差的应用。例如，在需要极大的静态压差但是需要材料对电磁辐射为透明的地方，那么弯曲的金刚石隔膜可为合适的，弯