通過cvd制作金剛石層的方法
【專利說明】通過CVD制作金剛石層的方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的某些實施方案涉及使用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(CVD)合成技術(shù)采用合成金剛石材料共形涂覆非平面和/或非耐火的基材的方法。本發(fā)明的某些另外的實施方案涉及非平面和/或非耐火的聚晶CVD合成金剛石部件，包括共形涂覆有高品質(zhì)聚晶CVD合成金剛石材料的非平面和/或非耐火的部件。
[0002]發(fā)明背景
[0003]可使用各種方法生長合成CVD金剛石膜，包括熱絲、微波等離子體和DC電弧噴射反應(yīng)器。這些方法中的每種具有其優(yōu)點。DC電弧噴射沉積系統(tǒng)傾向于具有高的局部生長速率，但是經(jīng)受電極/噴嘴侵蝕、高氣體消耗和相對差的面積覆蓋。熱絲反應(yīng)器可涂覆大面積和三維形狀，但是具有有限的膜厚度并且具有相對差品質(zhì)的金剛石材料。相比之下，微波等離子體CVD合成金剛石已被確立為用于制備平面的獨立的聚晶晶片形式的高品質(zhì)、塊狀金剛石材料的主要方法。遺憾的是，由于微波電場與被涂覆的非平面基材或工件之間不利的相互作用，微波等離子體方法僅具有涂覆非平面基材的有限能力。受外部拐角處的電場集中或相反地內(nèi)部拐角處的電場的薄弱的影響，難以制備甚至簡單的三維形狀例如工具插入件或揚聲器圓頂芯的涂層。電場的這種變化不利地影響了金剛石膜的品質(zhì)和厚度兩者的均勻性。例如，迄今為止還沒有成功使用微波等離子體CVD反應(yīng)器來共形涂覆切割工具插入件。在這樣的切割工具插入件的拐角處，高電場導(dǎo)致臨界切割邊緣的增厚和倒圓，從而使它們不適合它們預(yù)期的目的。
[0004]在熔點或熱沖擊方面為熱敏感的非耐火材料例如硅也在向在微波等離子體反應(yīng)器中均勻涂覆發(fā)起挑戰(zhàn)，因為微波等離子體傾向于損壞非耐火的基材材料。
[0005]鑒于上述內(nèi)容，所需要的是使用微波等離子體CVD金剛石合成技術(shù)來共形涂覆非耐火的基材和/或三維(即非平面)形狀例如切割工具插入件和揚聲器圓頂芯的方法，其將導(dǎo)致在基材材料表面上方均勻涂覆的高品質(zhì)聚晶CVD金剛石材料而沒有在邊緣和拐角處的過度倒圓和增厚和/或沒有過度地損壞基材材料。
[0006]本發(fā)明的某些實施方案的目的是解決前述問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了使用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(CVD)合成技術(shù)采用合成金剛石材料涂覆非耐火和/或非平面的基材的方法，該方法包括:
[0008]形成復(fù)合基材組件，該組件包含:
[0009]包含上表面的支撐基材；
[0010]布置在該支撐基材的上表面上方并且延伸至高于該支撐基材的上表面的高度hg的一個或多個導(dǎo)電耐火防護物；和
[0011]布置在該支撐基材的上表面上方并且延伸至高于該支撐基材的上表面的高度hs的一個或多個非耐火的和/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處于0.2mm至10mm范圍內(nèi)；
[0012]將復(fù)合基材組件置于微波等離子體CVD反應(yīng)器的等離子體室內(nèi)；
[0013]將工藝氣體供給到等離子體室中，包括含碳氣體和含氫氣體；
[0014]在等離子體室中供給微波以在該復(fù)合基材組件上方的位置處形成微波等離子體；和
[0015]在該一個或多個非耐火和/或非平面的基材上生長合成金剛石材料。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了復(fù)合部件，其包含:
[0017]非平面基底:
[0018]和該非平面基底表面上的聚晶CVD合成金剛石涂層，
[0019]其中該非平面基底具有在投影到平面上時不小于5_的最長線性尺寸，
[0020]其中該聚晶CVD合成金剛石涂層具有5至100 μ m范圍內(nèi)的厚度，
[0021]其中該聚晶CVD合成金剛石涂層的厚度變化不大于該聚晶CVD合成金剛石涂層的平均厚度的75%，排除在該聚晶CVD合成金剛石涂層的外圍邊緣處的任何逐漸變細，
[0022]其中該聚晶CVD合成金剛石涂層包含表明微波等離子體CVD合成技術(shù)的低sp2碳含量和微米級的共生的金剛石晶粒，和
[0023]其中該聚晶CVD合成金剛石涂層沒有長度延伸大于2mm的裂紋。
[0024]附圖簡要說明
[0025]為了更好地理解本發(fā)明并且顯示可如何實施本發(fā)明，現(xiàn)在將僅參考附圖通過舉例來描述本發(fā)明的實施方案，其中:
[0026]圖1說明了用于本發(fā)明的復(fù)合基材組件的橫截面視圖；
[0027]圖2說明了在圖1中顯示的復(fù)合基材組件的俯視圖；
[0028]圖3說明了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的復(fù)合基材組件的橫截面視圖；
[0029]圖4說明了在圖3中顯示的復(fù)合基材組件的俯視圖；
[0030]圖5說明了包含如在圖3和4中說明的復(fù)合基材組件的微波等離子體CVD反應(yīng)室;
[0031]圖6說明了包含在其上共形涂覆的均勻的高品質(zhì)聚晶CVD合成金剛石材料層的圓頂-M
[0032]圖7說明了包含圍繞其切割邊緣共形涂覆的均勻的高品質(zhì)聚晶CVD合成金剛石材料層的切割工具插入件。
[0033]某些實施方案的詳細描述
[0034]本發(fā)明的實施方案利用本文中描述的作為“間接等離子體生長”的CVD合成金剛石合成方法用于涂覆三維/非平面的基材和/或非耐火的基材例如硅。該方法使用導(dǎo)電耐火防護物，該防護物延伸到微波等離子體與將用金剛石材料對其進行涂覆的基材之間的區(qū)域中。該導(dǎo)電耐火防護物提供了用于微波電場的限定焦點，使得可以在其中可布置一個或多個基材的區(qū)域上方以穩(wěn)定的方式維持合適強度的等離子體?；恼梦挥趯?dǎo)電耐火防護物的表面下方，使得基材表面處的電場低于對于例如在尖銳的外部拐角處引起局部故障所需要的電場。以這種方式，認為基材被屏蔽免于微波等離子體而不是被直接暴露，因此術(shù)語“間接等離子體生長”。然而，將注意到的是，基材仍然物理暴露于微波腔體用以在其上實現(xiàn)金剛石生長。該屏蔽具有電屬性并且通過導(dǎo)電耐火防護物提供，可將該導(dǎo)電耐火防護物配置為位于待涂覆的一個或多個基材的外圍附近。例如，導(dǎo)電耐火防護物可為以等離子體室的中心旋轉(zhuǎn)軸為中心的環(huán)或一系列同心環(huán)的形式?；蛘?，導(dǎo)電耐火防護物可為從圍繞待涂覆的基材的外圍區(qū)域的支撐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個柱狀物或凸出物的形式。
[0035]本發(fā)明的實施方案的間接等離子體生長方法包括復(fù)合基材組件的形成，在圖1和2中說明了其一個實例，圖1顯示了橫截面視圖并且圖2顯示了俯視圖。該復(fù)合基材組件I包括:包含上表面4的支撐基材2 ;布置在支撐基材2的上表面4上方并且延伸到高于支撐基材2的上表面4的高度\的多個導(dǎo)電耐火防護環(huán)6 ;和布置在支撐基材2的上表面4上方并且延伸至高于支撐基材2的上表面4的高度hs的多個非平面基材8，其中高度h s小于高度hg。所說明的實施方案包含三個導(dǎo)電耐火防護環(huán)6，這三個導(dǎo)電耐火防護環(huán)6同心布置并且以支撐基材2的中心旋轉(zhuǎn)軸為中心。該非平面的基材包含布置在由導(dǎo)電耐火防護環(huán)6限定的環(huán)形區(qū)域中的多個金屬切割插入件8。
[0036]圖3和4說明了適合用于制造彎曲的金剛石隔膜或圓頂?shù)膹?fù)合基材組件的替代性實施方案的橫截面視圖和俯視圖。這樣的圓頂可用于各種應(yīng)用，包括涉及靜態(tài)或動態(tài)壓差的應(yīng)用。例如，在需要極大的靜態(tài)壓差但是需要材料對電磁輻射為透明的地方，那么彎曲的金剛石隔膜可為合適的，彎