专利名称：自立式钻石结构及方法
技术领域：
本发明涉及到具有在实验室中生成的钻石表面的自立式物体及用于制造这种物体的方法。具体而言，本发明涉及到这样的物体和方法该物体的外表面包括多个具有一钻石层的相交刻面。
背景技术：
钻石由于对热冲击具有良好的耐受性、极佳的硬度、良好的红外线透过性和良好的半导体特性而成为一种可以在自然界中找到并在技术和科学方面最具价值的材料。
众所周知，钻石具有最佳的无向导热性和较低的膨胀系数，这样就使其对热冲击具有最佳的耐受性。由于具有这些特性，因此已经发现在某些部件的电子封装中，钻石已经越来越多地被用作热学管理材料，所述的部件例如可以是高能激光二极管、多芯片模块和其它微电子部件。
钻石还是已知的最坚硬的材料，而且具有良好的耐磨性。因此，已经发现在各种不同的机械设备中，在切割和研磨工具中，钻石部件和涂层越来越多地被用作耐磨元件。钻石还具有极高的耐腐蚀性。
钻石还是一种良好的绝缘体，但也可以通过将某些元素例如硼添加到生长氛围中而将其合成为一种具有导体性的材料。钻石还可应用到许多半导体部件上，包括大功率晶体管、电阻器、电容器、FET(场效应晶体管)和集成电路。
天然钻石的稀缺性和昂贵的价格限制了它的广泛商业应用。但是，对合成钻石的方法进行不断的研发使得钻石的广泛商业应用成为可能。用于合成钻石的最有商业前途的方法包括通过化学蒸汽淀积(CVD)形成钻石的方法。
通过CVD合成钻石的方法已经成为公知的技术。我们知道设置在不同物体及自立式物体上的钻石涂层已经可以进行合成。一般情况下，自立式物体已经可以通过将钻石沉积在一个或多个设置有简单腔体的平面状基片上而得以制成。例如，美国专利6,132,278公开了一种利用等离子加强CVD法通过使钻石长大、从而将设置在硅基片上的空腔填满的方式制成实心(一般为金字塔形或锥形)钻石微晶片发射器的方法。但是，目前仍然需要提供能够制成自立内撑式三维物体的方法，其中该三维物体具有一个外表面，而该外表面又包括多个相交的刻面(平面状或非平面状)，其中至少一个分组的相交刻面具有钻石层。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于克服现有技术中存在的诸多缺陷并提供用于制造具有多个钻石表面的自立式结构的新方法。
本发明的另一目的在于提供多种利用钻石CVD工艺制造多种结构的新方法。
本发明的又一目的在于提供多种由钻石CVD工艺制成的新型结构。
本发明的再一目的在于提供多种用于制造自立式结构的新方法，其中所述自立式结构具有一个暴露的钻石表面。
本发明的另一目的在于提供多种用于制造内撑式结构的新方法，其中内撑式结构具有一个暴露的钻石表面。
本领域技术人员通过阅读权利要求书、附图和下面对优选实施例的详细说明，可以清楚地理解本发明的上述目的、优点及其它的目的和优点。
图1为一个示意图，图中示出了本发明之优选实施例的工艺步骤。
具体实施例方式
本发明的一个方面涉及到多种用于制造自立内撑式三维物体的方法，其中该三维物体至少在其局部外表面上具有一个钻石层。该钻石层可通过任何合成方法制成，例如高压高温(HPHT)法或CVD法。根据本发明的优选实施例，钻石是通过CVD法合成的。
在根据本发明的钻石CVD法中，氢气和含碳气体的混合物被激活，从而在邻近基片的位置上形成了一个气相的不平衡区域，其中钻石将在该基片上生长。含碳气体可从下述多种气体中选取，这些气体包括甲烷、脂肪族和芳香族碳氢化合物、醇类、酮类、胺类、酯类、一氧化碳、二氧化碳和卤素。根据本发明的优选实施例采用了甲烷。
气体混合物被激活，从而在邻近基片的位置上形成了一个气相的不平衡区域，其中钻石将在基片上生长。可以采用多种气相激活技术，而且这些技术可以被划分成热丝CVD、等离子辅助CVD或火焰CVD。在等离子辅助CVD法中，等离子可由多种能量源产生，包括微波、射频或直流电场。
基片可以是任何适合于使钻石成核和长大的材料，例如半导体、金属和绝缘材料。一般情况下，在构成基片(例如硅、钼和钨)的碳化物上的成核速度远高于在未构成碳化物的基片上的成核速度。根据本发明的优选实施例，出于对最佳成核速度和公知的硅加工技术的考虑，而采用了硅基片。
将会长有钻石的基片的表面可以利用多种技术进行预处理，目的是提高钻石的成核率并提高钻石在该表面上的成核密度。这样的方法可包括(i)利用钻石颗粒或膏体对该表面进行擦拭、磨光或喷砂；(ii)利用亚微细粒粉末例如钻石、硅或cBN在该表面上播种；(iii)对基片进行偏压；(iv)渗碳处理；(v)脉冲激光辐射；(vi)离子注入技术。
根据本发明的优选实施例，提供一种具有一外表面的自立内撑式三维物体，该外表面包括多个相交的刻面，其中至少一个分组的相交刻面设置有一个厚度基本均匀的钻石层。在本文中所采用的术语“刻面”包括平面状或非平面状的表面或面。
图1示出了本发明优选实施例的各个步骤。参照图1，硅基片10是利用传统的制造技术制成的，这样就形成了一个具有暴露表面12的模具，而该暴露表面又限定了那个分组的相交刻面。厚度基本均匀的钻石层14可以提供合适的方法例如热丝CVD法或等离子辅助CVD法在基片10的暴露表面12上成长起来。
为了提高钻石在暴露表面上的成核率和成核密度，可以利用合适的技术对暴露表面12进行预处理。一般情况下，可以利用碳原子16对该表面进行播种的方式来对该暴露表面进行预处理。对暴露表面的处理非常重要，其目的在于确保钻石能够按照相对复杂的分组刻面的形状进行成长。
在某些情况下，在新生钻石层之暴露表面的至少某些部分上可以形成一个衬层18，目的是当将基片除掉时，为钻石提供结构支撑。所有能够附着到暴露钻石上并能够提高钻石层14之刚度的材料均适合于作为衬层18(例如，环氧树脂、塑料、能够硬化的粘性聚合物、玻璃等)。该衬层可以根据需要具有导电性或不具有导电性。
一旦根据需要将衬层18制造成形，那么就可以将基片10除掉，从而将已经在基片附近长大的钻石层14的表面20露出，其中表面20是由模具限定而成的，而模具又由基片构成。可利用合适的手段例如化学腐蚀法将基片10除掉。这样，就可以根据需要对钻石层14进行处理。
根据本发明制成的自立式物体可应用到许多领域内，例如回波振荡器、燃料电池的双极板、行波管、微通道板和许多其它具有下述表面的部件该表面包括多个相交刻面，其中一个分组(sub-set)的相交刻面具有一个厚度基本均匀的钻石层。
尽管已经对本发明的优选实施例作出了说明，但是，应该理解上述的实施例仅仅是示例性的，本发明的保护范围仅由包括等同替换在内的所附权利要求书来限定，而且本领域的技术人员通过阅读可以很自然地得出多种变型和修改。
权利要求
1.一种用于制造自立内撑式三维物体的方法，该物体的外表面包括多个相交的刻面，至少一个分组的相交刻面具有一个厚度基本均匀的钻石层，所述方法包括下述步骤(a)提供一个具有暴露表面的模具，其中该暴露表面限定了所述分组的相交刻面；(b)在暴露表面上生长出一个厚度基本均匀的钻石层；(c)将一个衬层沉积到至少部分钻石层上；和(d)将模具移开，以将恰好在模具附近长出的钻石层表面露出。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述模具为一种硅基片，该硅基片被制造成能够限定所述分组相交刻面。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述模具可通过化学蚀刻法被除掉。
4.根据权利要求1的方法，还包括对模具的暴露表面进行预处理以促进钻石层生长的步骤。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于碳原子被沉积在模具的暴露表面上以促进钻石层的生长。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于通过将所述表面暴露在含有等离子碳的作用下而使所述碳原子沉积在模具的暴露表面上。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于所述分组的相交刻面包括多个平面状刻面。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于所述分组的相交刻面包括多个非平面状的刻面。
9.一种用于制造自立式物体的方法，该物体包括一个三维结构，该三维结构被具有一个暴露表面的钻石薄膜所覆盖，所述方法包括下述步骤在基片的一个预定暴露表面上生长出一层钻石薄膜；在已经长出的至少局部钻石薄膜上形成一衬层；以及将基片除掉，以将由基片的预定表面限定而成的钻石表面露出，其中所述的预定表面上生长有钻石。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于所述基片为硅。
11.根据权利要求9的方法，还包括对所述预定的暴露表面进行预处理以促进钻石在该暴露表面上生长的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于一个碳播种层形成于所述基片的预定暴露表面上。
13.根据权利要求9的方法，其特征在于所述基片的预定表面包括两个相交的刻面。
14.一种用于制造自立内撑式三维物体的方法，该物体的外表面包括多个相交的刻面，所述相交的刻面中的至少一个分组的相交刻面具有一个暴露的钻石层，所述方法包括下述步骤在基片的一个预定暴露表面上生长出一个钻石薄膜；形成一个衬层，该衬层至少将已经长出的局部钻石薄膜覆盖起来；将基片除掉，以使暴露的钻石表面就是恰好在基片附近长出的所述表面。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于所述基片为硅。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于所述基片可通过化学蚀刻法除掉。
17.根据权利要求14的方法，其特征在于所述衬层将整个钻石薄膜覆盖起来。
18.根据权利要求14的方法，其特征在于所述衬层是导电的。
19.根据权利要求14的方法，其特征在于所述衬层是不导电的。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于所述衬层为环氧树脂。
21.根据权利要求14的方法，还包括在基片的预定暴露表面上形成一个碳播种层以利于钻石薄膜在上面生长的步骤。
22.根据权利要求21的方法，其特征在于所述钻石播种层是通过将基片的预定暴露表面暴露在含有活性气体的碳的作用下而形成的。
23.根据权利要求22的方法，其特征在于所述钻石播种层是通过下述方式形成的对基片进行研磨；提供电离的碳原子；以及将基片的预定暴露表面暴露在已电离碳原子的作用下。
24.根据权利要求22的方法，其特征在于所述活性气体为等离子。
25.根据权利要求24的方法，其特征在于所述等离子是通过对氢气和碳氢化合物气体施加能量的方式形成的。
26.根据权利要求22的方法，其特征在于所述钻石播种层是通过化学蒸汽沉积法形成的。
27.根据权利要求14的方法，其特征在于所述钻石是通过化学蒸汽沉积法生长的。
28.根据权利要求14的方法，其特征在于所述相交的刻面包括多个平面状刻面。
29.根据权利要求14的方法，其特征在于所述相交的刻面包括多个非平面状的刻面。
30.根据权利要求14的方法，其特征在于所述暴露的钻石表面构成了波导表面。
31.根据权利要求14的方法，其特征在于所述物体为燃料电池的双极板。
32.一种用于制造自立内撑式三维物体的方法，该物体的外表面包括多个相交的刻面，至少一个分组的相交刻面具有一个厚度基本均匀的钻石层，所述方法包括下述步骤(a)制造出一个硅基片以提供一个模压表面，该模压表面限定了所述分组的相交刻面；(b)利用碳在基片的模压表面上播种；(c)在基片的整个模压表面上生长出一个厚度基本均匀的钻石层；(d)在钻石层上形成一个内撑式的衬层；以及(e)对基片进行化学蚀刻，以将在基片的模压表面附近生长出来的钻石层表面露出。
33.根据权利要求32的方法，其特征在于所述模压表面通过化学蒸汽沉积法播种。
34.根据权利要求32的方法，其特征在于所述钻石层通过化学蒸汽沉积法生长出来。
全文摘要
本发明的一个方面涉及到一种用于制造自立内撑式三维物体的方法，该物体具有一个外表面，该外表面包括多个相交的刻面，其中至少一个分组的相交刻面具有一个厚度基本均匀的钻石层。该钻石层可通过在一个基片的表面上进行化学蒸汽沉(CVD)积处理而形成，其中该表面被制造成能够形成一个模具的结构形式，其中该模具限定了所述分组的相交刻面。在至少局部暴露的钻石层上形成一个衬层，从而当将基片除掉时，提高该层的刚度。
文档编号C30B25/12GK1906334SQ200480005731
公开日2007年1月31日 申请日期2004年2月6日 优先权日2003年2月6日
发明者G·T·米尔里尼, 小J·A·戴顿 申请人:曼哈顿技术有限责任公司