本發(fā)明涉及制造金剛石的方法;金剛石;金剛石復合基板;金剛石接合基板;和工具。
背景技術:
金剛石具有許多突出的性能,如高硬度和高導熱性,以及另外的高透光率和寬禁帶。因此,金剛石被廣泛用作如下所用的材料:各種工具,包括諸如鉆頭、端銑刀、銑床、刀具和刀頭的切削工具,以及諸如模具、水或其它流體用射流噴嘴和stichel(ステイツチエル)的耐磨工具;光學部件如窗口和透鏡;半導體;以及諸如散熱基板的電子部件。據認為,未來金剛石將變得更加重要。
近年來,氣相合成法(下文中也稱作CVD(化學氣相沉積)法)已經能夠形成具有相對大的面積的合成金剛石,例如在微波輔助等離子體CVD法的情況下形成直徑約6英寸的面積的合成金剛石,且在熱絲CVD法的情況下形成約30cm×30cm的面積的合成金剛石。然而,氣相合成法在基板上生長合成金剛石,因此,對于僅需要金剛石的應用,必須除去基板從而僅提取金剛石。在使用由不同于金剛石的材料制成的不同種類的基板的情況下,可以通過以下方法除去金剛石。即,使用與所述不同種類的基板發(fā)生化學反應的溶液來溶解所述基板從而僅提取金剛石。該方法利用了金剛石不與大多數(shù)溶液反應且因此不溶于其中的事實。相比之下,在將單晶金剛石或多晶金剛石用于基板的情況下,需要如下所述的特殊方法。
日本特開平6-234595號公報(專利文獻1)公開了如下方法,根據該方法,使用氣相合成法交替沉積具有高透光性的第一金剛石層和具有低透光性的第二金剛石層從而形成多層堆疊體,并且對多層堆疊體施加激光以使第二金剛石層吸收激光從而使得第一金剛石層作為金剛石薄板被分離。
日本特開2007-112637號公報(專利文獻2)公開了如下方法,根據該方法,使用氣相合成法在基板上生長具有低透光性的第一金剛石層和具有高透光性的第二金剛石層從而獲得多層堆疊體,從多層堆疊體的上側或下側施加激光以轉變第一金剛石層,并且對轉變的第一金剛石層進行諸如熱處理、電化學腐蝕或酸腐蝕的處理且因此除去轉變的第一金剛石層,從而分離第二金剛石層。
美國5587210號說明書(專利文獻3)公開了如下方法,根據該方法,將離子注入金剛石基板中以在基板中形成非金剛石碳的損傷層,之后通過氣相合成法在基板上生長金剛石,并且之后對損傷層進行電化學腐蝕以將生長的金剛石與基板分離。
日本特開2011-060860號公報(專利文獻4)公開了如下對基板進行切片的方法,根據該方法,對基板的表面施加激光以在基板中形成改性層,之后對改性層進行腐蝕以將基板切片。
日本特開2012-169363號公報(專利文獻5)公開了如下處理基板的方法,根據該方法,對基板的表面施加激光以在基板中形成改性層,之后在改性層處或在改性層附近分割基板。
日本特開2011-060862號公報(專利文獻6)公開了如下對基板進行切片的方法,根據該方法,對基板的表面施加激光以在基板中形成改性層,之后在改性層中形成凹槽,并且沿該凹槽將基板除去。
現(xiàn)有技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本特開平6-234595號公報
專利文獻2:日本特開2007-112637號公報
專利文獻3:美國5587210號說明書
專利文獻4:日本特開2011-060860號公報
專利文獻5:日本特開2012-169363號公報
專利文獻6:日本特開2011-060862號公報
技術實現(xiàn)要素:
技術問題
關于專利文獻1的方法,為了通過激光使吸收激光的第二金剛石層充分裂開,需要作為材料中最硬的金剛石的鍵斷裂。對于這種裂開,必須保持激光的強度足夠強。此時,在本來用于透過激光的第一金剛石層的表面處,由于表面上的灰塵或表面凹凸的影響,激光的強度可能部分地超過處理閾值,從而造成第一金剛石層也被處理。此外,由于第二金剛石層突然裂開,因此裂開的力可能造成裂開的邊界延伸到第一金剛石層中,導致分離的層的表面粗糙的問題。此外,處理的沖擊可能造成整體金剛石被破壞。
需要專利文獻2的方法以在金剛石中形成轉變層。然而,由于與專利文獻1的原因相同的原因,整體金剛石被高頻率地破壞,并且由于與如下所述的專利文獻3和專利文獻4相同的原因,轉變層的腐蝕變得困難。關于專利文獻3和專利文獻4,待腐蝕層(下文中也稱作損傷層)的厚度相當小,因此腐蝕溶液滲入損傷層的速度相當?shù)?。因此,在基板具有較大尺寸的情況下,金剛石與基板分離的速度顯著較低,導致生產成本增加的問題。在某些情況下,溶液不能滲入損傷層中,這使得不可能分離金剛石。
關于專利文獻5和專利文獻6,對改性層施加物理力以分離基板,因此存在所得基板的表面有可能粗糙的問題。此外,如果基板的厚度相對于其尺寸不足夠大,則存在基板破碎的問題。
鑒于上述情況,本發(fā)明的目的是提供制造金剛石的方法,所述方法能夠在短時間內將基板與通過氣相合成法在基板上生長的金剛石分離,此外即使當基板或生長的金剛石薄或即使當基板的尺寸大時仍能夠實現(xiàn)這種分離,并且提供彼此分離的基板和金剛石的各自的平坦表面。另外,本發(fā)明的目的是提供作為工具用材料優(yōu)異的金剛石、包含所述金剛石的金剛石復合基板、金剛石接合基板和使用所述金剛石的工具。
解決技術問題的技術方案
本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法是通過氣相合成法制造金剛石的方法。所述方法包括如下步驟:準備包含金剛石籽晶的基板;通過對所述基板實施離子注入而在自所述基板的主表面起算的預定深度處形成透光性比所述基板低的光吸收層;通過所述氣相合成法在所述基板的所述主表面上生長金剛石層;和通過從所述金剛石層和所述基板中的至少一者的主表面施加光以使所述光吸收層吸收光并造成所述光吸收層破碎,從而將所述金剛石層與所述基板分離。根據本方面,在其中在將所述金剛石層與所述基板分離的步驟中從所述金剛石層的主表面施加光的情況下,所述金剛石層的透光性比所述光吸收層高。相比之下,在從基板的主表面施加光的情況下,所述金剛石層的透光性可以比所述光吸收層高或者低。
本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法是通過氣相合成法制造金剛石的方法。所述方法包括如下步驟:準備包含金剛石籽晶的基板;通過氣相合成法在所述基板的主表面上形成光吸收層,所述光吸收層的透光性比所述基板低、原子空位密度的最大峰值在0.01%以上且20%以下的范圍內、或不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度為0.1ppm以上且10%以下;通過氣相合成法在所述光吸收層的主表面上生長金剛石層;和通過從所述金剛石層和所述基板中的至少一者的主表面施加光以使所述光吸收層吸收光并造成所述光吸收層破碎,從而將所述金剛石層與所述基板分離。根據本方面,在其中在將所述金剛石層與所述基板分離的步驟中從所述金剛石層的主表面施加光的情況下,所述金剛石層的透光性比所述光吸收層高。相比之下,在從所述基板的主表面施加光的情況下,所述金剛石層的透光性可以比所述光吸收層高或者低。
本發(fā)明的一個方面的金剛石包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的表面包含如下中的至少一者:長度為100μm以下的金剛石裂紋、最大直徑為100μm以下的石墨層、和長度為200μm以上的石墨層。
本發(fā)明的一個方面的金剛石包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的表面包含如下中的至少一者:凹坑、露出所述金剛石層的近似圓形的區(qū)域和近似圓形的石墨層。
本發(fā)明的一個方面的金剛石包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的晶體應變被轉移至所述金剛石層的一部分。
本發(fā)明的一個方面的金剛石復合基板包含:如上所述的金剛石;和與所述金剛石接合的不同種類的基板,所述不同種類的基板為不同于金剛石的材料的基板。
本發(fā)明的一個方面的金剛石接合基板包含:基板,所述基板具有光吸收層并且包含金剛石籽晶;和配置在所述基板的主表面上的金剛石層。所述光吸收層包含不與金剛石晶格的碳鍵合的不同種類的原子,并且所述不同種類的原子為選自由如下元素構成的組中的至少一種元素的原子:氫、氮、氧、氦、氖和氬。
本發(fā)明的一個方面的工具是使用上述金剛石的工具。
發(fā)明的有益效果
根據上述方面,能夠提供制造金剛石的方法,所述方法能夠在短時間內將基板與金剛石彼此分離,并且使基板和金剛石的各自的分離表面平坦。與通過施加光直接使高強度金剛石鍵斷裂的方法不同,上述方面的方法通過在施加光之前以層的形式注入離子來預先使金剛石鍵斷裂,或者產生在合成金剛石時金剛石鍵以層的形式斷裂的條件。此后,使光僅作用于具有許多原子空位和低透光性的光吸收層,由此通過存在于光吸收層中的不同元素而僅使光吸收層擴展,從而能夠在非常低的功率下使得基板與金剛石彼此分離。
與通過離子注入形成石墨層且之后通過電化學腐蝕使其與基板分離的方法相比,上述方面的方法使得可以分離具有12mm、25mm、50mm或大于75mm的直徑的大基板。此外,由于離子注入劑量低,因此在離子注入之后形成的外延層具有優(yōu)異的結晶性。此外,還可以分離導電基板或分離與導電材料接合的金剛石,這是通過電化學腐蝕所不可能實現(xiàn)的。例如,從工具(金剛石接合到工具的柄部)的分離也是可能的。
根據上述方面,能夠在室溫下將基板與金剛石彼此分離并且以層或板的形式分離的金剛石幾乎不受熱的影響,因此所述方法可應用于在超過100℃的溫度下出現(xiàn)問題的情況。例如,能夠分離具有通常在這樣的溫度下不能得到保持的接合部或接合基板的金剛石、或者焊接到基板或接合到工具等的柄部的金剛石。此外,能夠防止在1000℃以上的高溫下金剛石自身的性質略有改變的缺點。
根據上述方面,能夠提供用作工具材料優(yōu)異的金剛石、包含所述金剛石的金剛石復合基板、金剛石接合基板和使用所述金剛石的工具。
附圖說明
圖1(A)~圖1(E)是示意性顯示本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法的圖。
圖2(A)~圖2(E)是示意性顯示本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法的圖。
具體實施方式
[本發(fā)明實施方案的說明]
首先,將對本發(fā)明的方面進行逐一說明。
本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法是:
(1)通過氣相合成法制造金剛石的方法,其包括如下步驟:準備包含金剛石籽晶的基板;通過對所述基板實施離子注入而在自所述基板的主表面起算的預定深度處形成透光性比所述基板低的光吸收層;通過所述氣相合成法在所述基板的所述主表面上生長金剛石層;和通過從所述金剛石層和所述基板中的至少一者的主表面施加光以使所述光吸收層吸收光并造成所述光吸收層破碎,從而將所述金剛石層與所述基板分離。在其中在將所述金剛石層與所述基板分離的步驟中從所述金剛石層的主表面施加光的情況下,通過氣相合成法生長的金剛石層的透光性比所述光吸收層高。相比之下,在從所述基板的主表面施加光的情況下,所述金剛石層的透光性可以比所述光吸收層高或者低。這是因為如下原因:只要籽晶基板由透光性比光吸收層高的金剛石制成,則在將金剛石層與基板分離的步驟中,籽晶基板使從基板施加的光能夠到達光吸收層。
本方面的本質在于,通過離子注入預先使金剛石鍵斷裂,而不是通過施加的諸如激光的光使金剛石鍵斷裂,或者通過施加諸如激光的光預先在金剛石中形成改性層或轉變層。盡管通過離子注入而注入的各個原子都具有高能量,但是單個原子小,因此通過離子注入而施加到金剛石的總能量小。即,盡管單個原子的能量足以使形成金剛石的碳-碳鍵斷裂,但單個原子的能量顯著小于造成整體金剛石破壞的能量。在這種狀況下,通過向通過離子注入而引入到金剛石中的原子施加諸如激光的光來提供能量,從而使原子蒸發(fā)和膨脹或單純膨脹以便僅破壞碳-碳鍵弱化的離子注入界面。根據本方面,與僅通過激光使金剛石鍵斷裂的常規(guī)方法相比,能夠用顯著較小的能量將基板與在其上生長的金剛石彼此分離。
本方面的制造金剛石的方法與常規(guī)技術的完全不同之處在于:不使用諸如通過施加光(包括激光)而造成金剛石直接轉變或裂開的作用。在金剛石中形成不同層(透光性較低的層)的手段是離子注入而不是施加光。在從金剛石層和基板中的至少一者的主表面施加光之前,預先在金剛石內形成具有較低透光性的層。
通過離子注入,將不同于碳的元素的原子引入包含金剛石籽晶的基板中,或者將弱化金剛石的鍵的缺陷引入基板中,或者將基板轉變?yōu)槭?。引入到包含金剛石籽晶的基板中的原子可以是有效的碳、硼或磷的原子,只要它們能夠使金剛石鍵斷裂即可。優(yōu)選地,使用容易氣化的不同于碳的元素的原子。由于離子注入造成不同元素的原子或缺陷被引入到基板中,因此基板的表面保持金剛石結構。因此,在通過離子注入形成具有較低透光性的層之后,能夠在基板上形成金剛石層。
作為要施加的光,可以使用僅作用于金剛石中的不同元素或金剛石中的石墨并且不直接使金剛石裂開的低功率光。因此,所施加的光將不會破壞除了具有相對較低透光性的層之外的金剛石。
所施加的光作用于金剛石中的某一定量的不同元素或石墨層,以提高所述元素或石墨層的能量,從而造成所述不同元素或石墨碳中的至少一者膨脹并作用于金剛石。因此,由于金剛石中空位的存在而弱化的層部分被迫擴展。只要存在某一定量的不同元素,就不需要石墨層。
所施加的光可以像激光一樣掃描。如果能量足夠,則可以用光一次照射整個表面。盡管可以在具有較低透光性的層處聚光,但是由于預先產生吸收程度的差異,因此可能不會聚光。在這種情況下,即使當聚光的位置在一定程度上偏離時,光也發(fā)揮相同的作用。在任何情況下,能量僅在光聚集點或光吸收層中在短時間內局部地被吸收并且不影響整體的溫度。這些特性使得能夠在室溫下或在具有低熔點的液體中施加光。這并不意味著不應使用室溫以外的任何溫度下的熱。例如,對于預先設定在諸如-50℃、100℃、200℃的任何溫度下的基板,都可以適用于本發(fā)明。
關于本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法,使光吸收層吸收光從而使光吸收層破碎。這不是通過用光使金剛石鍵斷裂的方法(裂開方法)實現(xiàn)的,而是通過使光吸收層中的不同元素的原子或石墨中的碳氣化從而膨脹以將金剛石層與基板分離而實現(xiàn)的。因此,與使金剛石裂開的方法相比,由于能夠以較低的功率將光施加到較大的區(qū)域(光束尺寸),因此能夠在較短時間內將金剛石層與基板分離。
此外,由于通過離子注入形成光吸收層,因此由于在光吸收層中產生的原子空位而導致光吸收層比其它區(qū)域弱,并且力被均勻地施加到空位的平面。因此,在光吸收層破碎后,基板和金剛石層的各自的分離表面是平坦的。較小厚度的光吸收層和較大量的原子空位是優(yōu)選的,因為它們可增加平坦度。然而,光吸收層的厚度過小會妨礙產生足夠的分離力,并且過大量的原子空位使基板最外表面中的金剛石結構劣化,這使得不可能在基板上形成金剛石。因此,離子注入的劑量應該在適當?shù)姆秶鷥取?/p>
(2)光吸收層的厚度優(yōu)選為20nm以上且10μm以下,更優(yōu)選為50nm以上且5μm以下,并且原子空位密度的最大峰值在0.01%以上且100%以下的范圍內。更優(yōu)選地,光吸收層具有100nm以上且1μm以下的厚度,并且原子空位密度在0.1%以上且80%以下的范圍內。因此,相對于直接使金剛石裂開的方法或電化學腐蝕石墨層的方法,用于將基板與金剛石彼此分離的時間縮短。光吸收層的厚度及其原子空位可以通過通常的離子注入的模擬來設計。如果原子空位密度高于10%,則石墨為層狀,即形成石墨層。如果原子空位密度高于50%,則透射率小于1%并且光吸收層基本上不透射光。原子空位密度是指通過將蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬中產生的原子密度除以理想的金剛石碳密度而確定的值。因此,原子空位密度在數(shù)值上可能為100%,這表示石墨層。石墨不是指結晶石墨,而是廣義地指基于拉曼光譜在1500cm-1~1600cm-1附近具有寬峰的層。
(3)優(yōu)選使用選自由如下元素構成的組中的至少一種元素的離子實施所述離子注入:氫、氧、氮、氦、氖和氬。作為這樣的離子,例如可以使用氫離子、氫分子離子、氧離子、氧分子離子、氮離子、氮分子離子、氦離子、氖離子和氬離子等。這些離子易于通過間接或直接吸收光能而氣化。因為大多數(shù)入射能量被轉換成膨脹能量,所以通過離子注入而注入的元素優(yōu)選是要氣化的元素。不與光吸收層中的金剛石晶格的碳原子鍵合的原子對構成注入的離子的原子之比為1ppm以上,優(yōu)選為10ppm以上且更優(yōu)選為100ppm以上,并且為80%以下,優(yōu)選為30%以下,且更優(yōu)選為10%以下。注入的原子不容易與碳鍵合或注入的原子處于不容易使注入的原子與碳鍵合的狀態(tài)的事實是重要的。盡管其他離子可吸收能量以蒸發(fā)成氣體,但能量效率低。因此,當光吸收層包含上述離子時,在光吸收層吸收光時這些離子氣化而膨脹,這進一步促進光吸收層的破碎。
當硼、氮、硅和磷與金剛石中的碳形成四個配位鍵時,需要與用于使金剛石鍵斷裂的能量相當?shù)哪芰俊R虼诉@是無效的。然而,如碳離子注入一樣,當上述元素僅用于使金剛石晶體的鍵斷裂時這是有效的。根據是否形成石墨層(原子空位密度是否為10%以上或透射率是否為40%以下)能夠確定金剛石晶體鍵是否已斷裂。不形成四個配位鍵的凝聚氮或晶格間氮容易氣化且是有效的。通過將對于取代型所檢測的ESR(電子自旋共振)的量與基于SIMS(二次離子質譜)的總氮量進行比較,能夠確定晶格中的碳是否被氮取代。當通過離子注入引入與氮原子的種類不同的不同種類的原子時,晶格的結晶性被大大破壞且因此50%以上的注入的原子不與晶格中的碳原子鍵合。這是由緊接著離子注入之后的注入的原子的分布與離子注入之后去除無定形成分的氫等離子體處理之后的原子的分布之間的比較確定的,即基于注入的原子已經減少50%以上的事實確定的。當離子注入將易于氣化并且不形成四個配位鍵的原子或分子引入金剛石晶格中時,這些離子被氣化而膨脹,這有利于光吸收層的破碎。
(4)光吸收層優(yōu)選包含通過離子注入而注入的原子,所述原子的原子濃度為0.1ppm以上且30%以下。因此,光吸收層中的碳-碳鍵已經充分弱化,這有利于通過施加光來使光吸收層破碎。
(5)本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法是通過氣相合成法制造金剛石的方法,其包括如下步驟:準備包含金剛石籽晶的基板;通過氣相合成法在所述基板的主表面上形成光吸收層,所述光吸收層的透光性比所述基板低、原子空位密度的最大峰值在0.01%以上且20%以下的范圍內、或不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度為0.1ppm以上且10%以下;通過氣相合成法在所述光吸收層的主表面上生長金剛石層;和通過從所述金剛石層和所述基板中的至少一者的主表面施加光以使所述光吸收層吸收光并造成所述光吸收層破碎,從而將所述金剛石層與所述基板分離。在其中在將所述金剛石層與所述基板分離的步驟中從所述金剛石層的主表面施加光的情況下,通過氣相合成法生長的所述金剛石層的透光性比所述光吸收層高。相比之下,在從所述基板的主表面施加光的情況下,所述金剛石層的透光性可以比所述光吸收層高或者低。這是因為如下原因:只要籽晶基板由透光性比光吸收層高的金剛石制成,則在將金剛石層與基板分離的步驟中,籽晶基板使得從基板施加的光能夠到達光吸收層。
氣相合成法能夠通過控制合成條件或在合成期間引入不同的元素,將氫原子或另一種不同元素的原子或缺陷引入在籽晶基板上合成的層中。然而,通常的氣相合成法不形成原子空位密度的最大峰值在0.01%以上且20%以下的范圍內、或不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度為0.1ppm以上且10%以下的光吸收層,即本實施方案中的光吸收層。用于本實施方案的方法與常規(guī)方法不同。
在引入硼、氮、鋁、硅、磷等的情況下,基本上常規(guī)方法用引入的元素代替碳原子從而將所述元素引入晶格位置。因此,基本上不產生原子空位。在這種方法的情況下,引入的原子與碳原子形成強固的鍵。
相比之下,在本實施方案中,在生長期間,甚至不同種類的原子與原子空位一起被引入到具有短的鍵的金剛石晶格中。即,已經發(fā)現(xiàn)有意引入至少為原子水平五倍大的扭折(キンク)或臺階(ステツプ)從而一起引入相對大量的不同種類的原子和原子空位的方法。本方法用于形成本實施方案中的光吸收層。光吸收層的原子空位密度的最大峰值為0.01%以上,優(yōu)選為0.1%以上,并且為20%以下,優(yōu)選為10%以下。或者,光吸收層的不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度為0.1ppm以上,優(yōu)選為1ppm以上,更優(yōu)選為10ppm以上,并且為10%以下,優(yōu)選為5%以下,更優(yōu)選為1%以下。
當存在不與金剛石晶格中的碳鍵合的不同種類的原子時,原子空位密度由于不同種類的原子的影響而增加。對于氦、氖和氬,因為這些元素沒有可用的鍵,所以它們不與碳鍵合。對于氫、氮和氧,通過將ESR法的分析結果或紅外吸收組合振動的分析結果與得到總原子濃度的SIMS分析結果進行比較,能夠確定這樣的元素是否與碳鍵合。通過ESR法分析的取代型氮或基于紅外吸收(C-H、C-O或C-N振動)分析的原子與碳鍵合。相比之下,SIMS分析能夠檢測所有原子,包括不與碳鍵合的原子。因此,能夠將各個分析結果彼此進行比較,以確認金剛石晶格中是否存在與碳鍵合的原子。
光吸收層中非金剛石相的增加伴隨著sp2鍵的增加及由此導致的導電性的增加。在這種狀態(tài)下,不同種類的原子不與晶格的碳鍵合。如果不與晶格的碳鍵合的不同種類的原子小于0.1ppm,則不可能通過由光的吸收造成的膨脹而與籽晶基板分離。與離子注入法不同,氣相合成法不能在基板中形成由100%的石墨層制成的光吸收層。這是因為在形成石墨層之后,不能在石墨層上形成金剛石層。在離子注入法的情況下,將原子空位引入晶體中。因此,離子注入法能夠產生如下條件:存在許多原子空位以及不與晶格中的碳鍵合的許多碳原子和不同種類的原子。相比之下,當通過氣相合成法形成光吸收層時,需要在光吸收層上合成結晶金剛石,因此需要在光吸收層中提供適當量的原子空位以及在光吸收層中提供適當量的不與晶格中的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子。因此,通過離子注入法形成光吸收層與通過氣相合成法形成光吸收層的不同之處在于,光吸收層中的原子空位的量的最佳值以及不與晶格中的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的量的最佳值。
本發(fā)明的一個方面的制造金剛石的方法如上所述使得光吸收層吸收光從而僅使光吸收層破碎,以便將金剛石層與基板分離。因此,能夠在短時間內有效地將金剛石層與基板分離。此外,本方法能夠使得到的金剛石層的表面平坦。
(6)優(yōu)選地,不與所述光吸收層中的金剛石晶格的碳鍵合的所述不同種類的原子為選自由如下元素構成的組中的至少一種元素的原子:氫、氮、氧、氦、氖和氬。由于這些元素的原子通過施加的光而氣化膨脹,因此這對通過由于存在空位而被弱化的金剛石中的層區(qū)域被迫擴展以使得光吸收層破碎是有利的。
(7)所述光為脈沖光,并且在用光照射的金剛石層和基板中的至少一者的主表面上的每個脈沖的照射積分通量優(yōu)選為0.001J/mm2以上且800J/mm2以下,更優(yōu)選為0.01J/mm2以上且800J/mm2以下,進一步優(yōu)選為0.1J/mm2以上且800J/mm2以下。脈沖寬度優(yōu)選為0.01皮秒~10毫秒,更優(yōu)選為0.1納秒~1毫秒。脈沖間隔的下限優(yōu)選為1納秒,更優(yōu)選為1微秒,進一步優(yōu)選為10微秒。脈沖間隔的上限優(yōu)選為1秒,更優(yōu)選為10毫秒,進一步優(yōu)選為1毫秒。重復頻率的下限優(yōu)選為1Hz,更優(yōu)選為100Hz,進一步優(yōu)選為1kHz。重復頻率的上限優(yōu)選為1000MHz,更優(yōu)選為1000kHz,進一步優(yōu)選為100kHz。脈沖寬度與脈沖間隔之比,即間隔/寬度的比例優(yōu)選為10~109,更優(yōu)選為10~106,進一步優(yōu)選為10~1000。在上述條件下,脈沖光將不會使金剛石層的主表面和基板的主表面破壞。此外,在基板和金剛石層中不產生裂紋,并且只能使光吸收層破碎。
(8)優(yōu)選地,所述光為脈沖光,并且在用所述光照射的所述金剛石層和所述基板中的至少一者的主表面上的脈沖能量為0.05mJ以上且100mJ以下。脈沖光能夠用于在整體金剛石的溫度升高之前停止施加光,并且在金剛石冷卻后重新開始施加光,因此能夠僅升高光吸收層的溫度。當脈沖能量小于0.05mJ時,所施加的光不能使光吸收層破碎。相比之下,當脈沖能量大于100mJ時,存在施加的光使除光吸收層之外的金剛石層或基板破壞的可能性。脈沖能量更優(yōu)選為0.1mJ以上且20mJ以下,進一步優(yōu)選為0.3mJ以上且3mJ以下。
(9)優(yōu)選地,所述光為激光,并且所述光掃描用所述光照射的金剛石層和基板中的至少一者的主表面。當使用激光時,能夠通過一個脈沖產生強光,并且能夠容易地控制例如一個脈沖的強度和脈沖寬度。此外,光的會聚和擴展容易并且能夠調節(jié)功率密度。此外,能夠選擇激光的波長,并且能夠選擇難以被具有較高透光性的金剛石吸收但容易被具有較低透光性的金剛石或被缺陷吸收的光的波長。
(10)優(yōu)選地,在液體中實施將所述金剛石層與所述基板分離的步驟。因此,能夠減少由于施加光而對基板和金剛石層的沖擊,并且能夠抑制在基板和金剛石層中產生裂紋和/或破壞。
(11)本發(fā)明的一個方面的金剛石是如下的金剛石,其包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的表面包含如下中的至少一者:長度為100μm以下的金剛石裂紋、最大直徑為100μm以下的石墨層、和長度為200μm以上的石墨層。光吸收層是指5nm以上的層。石墨層不一定是石墨的結晶層,并且廣義上是指具有在通過拉曼光譜法給出的1500cm-1~1600cm-1的拉曼位移附近出現(xiàn)的被稱為G帶的峰的石墨層。長度為200μm以上的石墨層是指連續(xù)形成的且在其中能夠畫出200μm的直線的石墨層。
對于金剛石,當金剛石的表面被平坦化時,容易除去光吸收層的表面中的金剛石裂紋和/或石墨。因此,這樣的金剛石的表面易于平坦化并且該金剛石易于加工以用于各種用途。此外,上述金剛石能夠通過上述(1)~(10)所述的制造金剛石的方法來制造。在這種情況下,能夠縮短與基板分離的時間并由此降低制造成本。在制造步驟中形成的用于完成分離的光吸收層在本制造步驟之后不消失,而是在籽晶基板與金剛石層彼此分離時部分分散在除分離表面之外的任何空間中,并由此殘留。殘留的光吸收層作為本實施方案中的金剛石的光吸收層存在。此外,由于在該光吸收層中金剛石鍵的強度顯著減弱,因此光吸收層容易加工。即使當光吸收層殘留時,當金剛石與另一種材料接合時,光吸收層也作為緩沖材料。相比之下,在像以往方法一樣通過電化學腐蝕分離金剛石層的情況下,主要成分為金剛石并且石墨成分已被除去因而不存在。然后,為了除去作為分離表面的損傷部位的隨機劃痕,需要對周圍的金剛石進行拋光,這是困難的。因此,分離表面的面積越大,去除的難度越高。
(12)本發(fā)明的一個方面的金剛石是如下的金剛石,其包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的表面包含如下中的至少一者:凹坑、露出所述金剛石層的近似圓形的區(qū)域、和近似圓形的石墨層。凹坑、露出金剛石層的近似圓形的區(qū)域和近似圓形的石墨層可以各自是一排基本上成直線狀的凹坑、圓形區(qū)域或圓形石墨層。在光吸收層的表面中,凹坑的開口或露出金剛石層的近似圓形的區(qū)域具有1μm~100μm的直徑和25nm~10μm的深度,并且近似圓形的石墨層具有1μm~100μm的直徑和25mn~10μm的厚度。在凹坑、露出金剛石層的近似圓形的區(qū)域或近似圓形的石墨層基本上以比凹坑、圓形區(qū)域或石墨層的半徑短的間隔排列的情況下或直徑超過200μm的情況下,圓形形狀難以識別,并且其可以為包絡線的形狀或近似的直線。凹坑、露出金剛石層的近似圓形的區(qū)域和近似圓形的石墨層能夠例如用掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡或微分干涉顯微鏡進行觀察。當通過例如上述(1)~(10)的制造金剛石的方法使光吸收層吸收光時,由于光吸收層的膨脹而分別產生凹坑、露出金剛石層的近似圓形的區(qū)域和近似圓形的石墨層,并且因諸如激光的脈沖光的掃描而以基本上成直線狀的凹坑、圓形區(qū)域或圓形石墨層的形狀產生。因此,盡管近似圓形的形狀不是正圓,但是其能夠被清楚地識別為圓形形狀,而不是三角形或四邊形形狀。此外,盡管線形不是直線的形式,但是考慮到位置波動,其能夠被平均地識別為直線。對于金剛石,當對金剛石的表面進行平坦化時,光吸收層表面中的金剛石裂紋和/或石墨容易除去。因此,這樣的金剛石的表面易于平坦化并且該金剛石易于加工以用于各種用途。此外,上述金剛石能夠通過上述(1)~(10)所述的制造金剛石的方法制造。在這種情況下,能夠縮短與基板分離的時間并由此降低制造成本。
(13)本發(fā)明的一個方面的金剛石是如下的金剛石,其包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的晶體應變被轉移至所述金剛石層的一部分。以下述方式評價光吸收層的晶體應變是否轉移。在本實施方案的光吸收層中,許多金剛石鍵斷裂,因此金剛石的結晶性顯著劣化。相比之下,在金剛石層的最外表面中,以能夠外延生長金剛石的方式留有金剛石的最小周期性結構。該最外表面的結晶性能夠通過RHEED(反射高能電子衍射法)或RBS(盧瑟福背散射光譜法)的溝道法以單晶進行評價。
RHEED以具有良好結晶性的高壓合成單晶金剛石為基準來評價結晶性。對于其中形成光吸收層的單晶金剛石,RHEED的一個衍射斑點處的強度的半值寬度(當表面平坦時,衍射斑點是稱作條紋圖案的垂直線。在這種情況下,強度的半值寬度在垂直于線的方向上)是高壓合成單晶金剛石的相同點(相同位置)處的值的1.0倍以上,優(yōu)選1.3倍以上,且更優(yōu)選1.5倍以上。
對于優(yōu)異的單晶,當應用RBS的溝道法時,在溝道狀態(tài)(晶軸和施加的離子的各自取向確切相同的狀態(tài))下的取向產率(アラインイ一ルド)(溝道狀態(tài)下的背散射量)與隨機產率(ランダムイ一ルド)(在顯著偏離溝道狀態(tài)的狀態(tài)下的背散射量)之比即(取向產率)/(隨機產率)的比例X最小(chi最小)值為5%以下。對于光吸收層,其為6%以上,優(yōu)選為8%以上且更優(yōu)選為10%以上,并且為98%以下。
上述評價方法可以用于檢查金剛石層的一個表面。然后,可發(fā)現(xiàn)晶體應變是否轉移。轉移的晶體應變不是位錯而是波動(搖らぎ),因此隨著金剛石的生長而愈合。因此,生長的金剛石的最外表面的結晶性優(yōu)于轉移光吸收層的結晶性的表面的結晶性。優(yōu)選地,金剛石層保持如下狀態(tài):在生長的金剛石(生長溫度以下,1300℃以下)中保持雜質組成或應變,并且外延膜中的雜質或應變的凝聚等不會由于在1000℃以上或1300℃以上的溫度下的退火等而改變。這是因為如下原因:優(yōu)選為了用作工具用材料而進行優(yōu)化從而不容易缺損的金剛石材料不發(fā)生變化,或者期望為了用作散熱器或窗口用材料而進行優(yōu)化的翹曲量或裂紋減少比例不因退火而改變。因為電場不通過導電層傳遞,所以導電層的電化學分離是困難的,并且僅可通過上述(1)~(10)的制造金剛石的方法實現(xiàn)分離。通過其注入了離子的分離表面未被拋光或退火的事實對于保持基板沒有翹曲的狀態(tài)是有用的。
(14)金剛石優(yōu)選包含電阻率為10-4Ω·cm以上且小于109Ω·cm并且厚度為1μm以上的層。電阻率更優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于106Ω·cm,進一步優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于103Ω·cm,且尤其優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于50Ω·cm。當金剛石包含能夠賦予導電性的程度的雜質時,該金剛石比絕對高純度材料的“彎曲”能力高,因此該金剛石裂紋的可能性減小。這種金剛石是不易缺損的材料,并且適合用于工具。
(15)優(yōu)選地,所述金剛石為厚度為50μm以上并且僅由電阻率為10-4Ω·cm以上且小于109Ω·cm的層形成的自立的單體。電阻率更優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于106Ω·cm,進一步優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于103Ω·cm,且尤其優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于50Ω·cm。當金剛石包含能夠賦予導電性的程度的雜質時,該金剛石比絕對高純度材料的“彎曲”能力高,因此該金剛石裂紋的可能性減小。這種金剛石是不易缺損的材料,并且適合用于工具。
(16)優(yōu)選地,所述金剛石每10mm的垂直位移為100μm以下,并且具有直徑為12mm以上的主表面尺寸。每10mm的垂直位移更優(yōu)選為50μm以下、25μm以下和10μm以下。主表面的直徑的尺寸更優(yōu)選為50mm以上、75mm以上、100mm以上和150mm以上。每10mm的垂直位移的值越大,意味著金剛石的翹曲越大。此外,50mm以上的直徑的主表面尺寸的事實意味著能夠在主表面中繪制具有50mm以上的直徑的圓。因此,金剛石翹曲程度較小或沒有翹曲并且具有大的尺寸,這使得金剛石能夠適用于各種工具。
(17)在作為所述自立的單體的金剛石中,所述金剛石的一個主表面中的金剛石晶體的平均粒徑與所述金剛石的另一個主表面中的金剛石晶體的平均粒徑之差優(yōu)選不大于所述一個主表面中的所述金剛石晶體的平均粒徑和所述另一個主表面中的所述金剛石晶體的平均粒徑中較大的一者的50%。平均粒徑是通過用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察金剛石表面而獲得的粒徑的平均值,且觀察的區(qū)域的每一邊的尺寸是金剛石中心(表面重心)部分的粒徑的10倍大。因此,在晶界的比例方面,前表面與后表面基本相同。因此,前表面和后表面在內部應力和熱膨脹系數(shù)方面基本上彼此相同。因此,在不同使用溫度下的翹曲量方面基本上沒有差別,并且具有能夠在不同使用溫度下制作沒有翹曲的基板的效果。
(18)本發(fā)明的一個方面的金剛石復合基板是如下的金剛石復合基板,其包含:上述(11)~(17)中任一項的金剛石;和與所述金剛石接合的不同種類的基板,所述不同種類的基板為不同于金剛石的材料的基板。所述金剛石復合基板可應用于如下用途:包含離子注入層并且與諸如切削刀具的工具接合的材料能夠以安裝狀態(tài)沿著離子注入層分離。在這種情況下,切削刀具的柄部等對應于不同種類的基板。
(19)本發(fā)明的一個方面的金剛石接合基板是如下的金剛石接合基板,其包含:基板,所述基板具有光吸收層并且包含金剛石籽晶;和配置在所述基板的主表面上的金剛石層,所述光吸收層包含不與金剛石晶格的碳鍵合的不同種類的原子,并且所述不同種類的原子為選自由如下元素構成的組中的至少一種元素的原子:氫、氮、氧、氦、氖和氬。光吸收層中的不同種類的原子的含量的下限優(yōu)選為0.1ppm,更優(yōu)選為1ppm且進一步優(yōu)選為10ppm。其上限優(yōu)選為80%,更優(yōu)選為30%且進一步優(yōu)選為10%。光吸收層的厚度優(yōu)選為20nm以上且10μm以下,并且優(yōu)選等于或大于金剛石層的厚度50μm。從這樣的接合基板,能夠通過脈沖光分離金剛石層從而制造本發(fā)明的金剛石。該金剛石接合基板可以直接用于工具或散熱器。即使在作為工具或散熱器的金剛石與不同種類的基板接合的狀態(tài)下,也能夠沿著光吸收層將與基板接合的金剛石分離。
(20)本發(fā)明的一個方面的工具是使用上述(11)~(17)中任一項的金剛石的工具。因此,能夠獲得具有較少缺損或翹曲的優(yōu)異工具。
[本發(fā)明的實施方案的詳情]
下文中將參考附圖對本發(fā)明實施方案中的制造金剛石的方法、金剛石、金剛石復合基板、金剛石接合基板和工具的具體實例進行說明。需要說明的是,本發(fā)明不限于所示的實例,而是由權利要求限定,并且意在使本發(fā)明包括與權利要求等價的意義和范圍內的所有變體。
[第一實施方案]
<制造金剛石的方法>
圖1(A)~圖1(E)是示意性顯示本發(fā)明實施方案的制造金剛石的方法的圖。本發(fā)明實施方案中的制造金剛石的方法是通過氣相合成法制造金剛石的方法,且包括如下步驟:準備包含金剛石籽晶的基板1(圖1(A));通過對基板1實施離子注入而在自基板1的主表面起算的預定深度處形成透光性比基板1低的光吸收層2(圖1(B));通過氣相合成法在基板1的主表面上生長金剛石層3(圖1(C));和通過從金剛石層3和基板1中的至少一者的主表面施加光(圖1(D-1)、圖1(D-1))以使光吸收層2吸收光并造成光吸收層2破碎,從而將金剛石層3與基板1分離(圖1(E))。在從金剛石層3側施加光的情況下,金剛石層3的透光性比光吸收層2高。相比之下,在從基板1側施加光的情況下,金剛石層3的透光性沒有特別限制,即其透光性可以比光吸收層2高或者低。在此,透光性和光吸收分別是指對用于分離的光的波長的透光性和光吸收。
(準備基板的步驟)
首先,參考圖1(A),準備包含金剛石籽晶的基板1。
基板1可以是單晶金剛石或多晶金剛石。或者,基板1可以是在基本相同的方向上鍵合的鑲嵌單晶(モザイクの単結晶),或者在硅基板或銥基板上生長的異質外延金剛石??紤]到單晶金剛石更昂貴和有助于增強本實施方案的效果的事實,優(yōu)選單晶金剛石。在任何情況下,與通過電化學腐蝕分離的方法相比,基板的尺寸越大對于縮短時間越有效,因此優(yōu)選基板的尺寸大。此外,在基板沒有翹曲的情況下,雖然如果基板的尺寸大則通過電化學腐蝕不能分離基板,但是在本實施方案中能夠分離這樣的基板。優(yōu)選地,基板1具有高結晶性。具有高結晶性的基板1使得在基板1上形成的金剛石層3也具有高結晶性?;?優(yōu)選為通過高溫高壓合成法制造的單晶金剛石。通過高溫高壓合成法制造的單晶金剛石具有結晶性高的均質晶體結構。然而,基板可以是通過氣相合成法制造的單晶金剛石。此外,可以通過對通過本實施方案中的制造金剛石的方法獲得的金剛石進行加工來獲得基板。即,可以再次使用已經分離過一次的基板1作為基板1,或者可以將已經分離過一次的金剛石層3平坦化以用作基板1,或者可以重復它們。
為了有效地增加金剛石層3的厚度(在圖1(C)中的上下方向),基板1的主表面優(yōu)選為(001)面。此外,為了增強金剛石層3的晶體的均質性,基板1的主表面對(001)面的偏角可以優(yōu)選為0°以上且15°以下、更優(yōu)選為1.5°以上且10°以下。
基板1的厚度優(yōu)選為100μm以上且1000μm以下,更優(yōu)選為300μm以上且800μm以下。由此,在形成光吸收層的步驟中,能夠在自基板1的表面起算的預定深度的位置處在基板1中形成具有預定厚度的光吸收層2。在此,將基板1的厚度定義為在基板1的主表面的中心附近測定的厚度。盡管基板1的主表面的形狀沒有特別限制,但是主表面可以是例如四邊形、多邊形或圓形。基板1的主表面可以是平坦的、或者是凹透鏡或凸透鏡的形狀,或者可以是具有矩形形狀、梯形形狀、棱錐形狀等的突起和凹坑的表面。
(形成光吸收層的步驟)
接下來,參考圖1(B),通過對基板1實施離子注入(圖中箭頭所示的向下方向)而在自基板1的主表面起算的預定深度處形成透光性比基板1低的光吸收層2。
通過主要使用的離子的種類、注入能量和注入劑量,可以調節(jié)要形成的光吸收層2的自基板的表面起算的深度以及光吸收層2的厚度。離子注入層的設計能夠通過如TRIM的蒙特卡羅模擬的基本精確的計算進行預測。
注入能量優(yōu)選為80keV以上且10000keV以下,更優(yōu)選為180keV以上且350keV以下。注入劑量優(yōu)選為3×1015個離子/cm2以上且5×1017個離子/cm2以下,更優(yōu)選為1×1016個離子/cm2以上且1×1017個離子/cm2以下。當注入能量和注入劑量各自落在上述范圍內時,能夠破壞在基板1中形成光吸收層2的區(qū)域中的金剛石結構,以形成具有較低透光性的光吸收層2,而基板1的主表面的結晶性保持在能夠通過氣相合成法進行外延生長的程度。過低的注入能量或過高的注入劑量可能造成最表面中的金剛石的晶體結構被破壞。在這種情況下,可能不能在離子注入之后在最表面上合成金剛石。即使能夠在其上合成金剛石,由于離子注入層上的合成氣氛的影響仍可能難以分離金剛石。過高的注入能量使得注入層太厚,這使得難以獲得基板和金剛石層的平坦的分離表面。過低的注入劑量使得難以在本發(fā)明的光照射條件下完成分離。
光吸收層2的透光率優(yōu)選比基板1的透光率低1%以上,更優(yōu)選低5%以上,進一步優(yōu)選低20%以上?!暗?%以上”是指例如相對于沒有光吸收層的基板1的65%的透光率,形成有光吸收層2的基板1的透光率為64%以下。在此,透光率Ta是由考慮了多重內部反射的如下表達式(1)表示的值。
Ta=ltl0 表達式(1)
此外,考慮了多重反射的反射率Ra和單反射率R分別由如下表達式(2)和(3)表示。
Ra=lr/l0 表達式(2)
R=(n0-nf)2/(n0+nf)2 表達式(3)
(在表達式(1)中,l0是入射光的強度,lt是透過介質后的發(fā)射光的強度,lr是插入介質后的反射光的強度,n0是空氣的折射率,nf是金剛石的折射率,且x是介質的厚度)。
透光率能夠用普通分光光度計進行測定。光吸收層的透射率是相對于具有較高透光性的層的值,并且不減去反射率而得到,即該值仍包括反射率。因此,因為反射率為28%以上,所以即使當對紫外線、可見光、近紅外線輻射的透光率為100%時,透射率也不會超過72%。由于光吸收層的厚度非常小,因此即使當透光率改變1%時,吸收系數(shù)也在很大程度上變化,這是非常有效的。
對于在將金剛石層與基板分離的步驟中使用的光的波長,光吸收層2的吸收系數(shù)優(yōu)選為基板1的吸收系數(shù)的5倍以上大且更優(yōu)選為30倍以上大。在此,光吸收系數(shù)是由考慮了多重內部反射的如下表達式(4)表示的值。
μ=(loge((lt/l0)/((lr/l0)/R-1)))/x 表達式(4)
(在表達式(4)中,μ是光吸收系數(shù),l0是入射光的強度,lt是透過介質后的發(fā)射光的強度,lr是插入介質后的反射光的強度,R是由表達式(3)表示的單反射率R,且x是介質的厚度)。
當使用包含多個波長的光源時,透光率和吸收系數(shù)是指對于包含在光源中的波長和波長范圍中的表示最大吸收能量的波長的透光率和吸收系數(shù)。
當基板1與光吸收層2之間的透光率或光吸收系數(shù)的關系落在上述范圍內并且對基板1施加光時,施加到基板1的光透過用光照射的基板1并且被光吸收層2有效吸收。因此,能夠縮短使光吸收層2破碎所需的時間。
對于要注入的離子的種類,可以使用能夠降低光吸收層2的透光率的任意元素的離子。例如,可以使用能夠注入的所有元素的離子,例如碳、硼、氮、氧、磷、氖、氫、氦、鋁、硅、硫和氬的離子。金剛石中的碳、硼、氮和磷的配位數(shù)為四,因此這些元素不適合作為用于本發(fā)明的元素。然而,在離子注入的情況下,為了使注入的離子以配位數(shù)為四的方式配位,需要排開其它原子,導致生成除4之外的配位數(shù),這使得所述元素對于本發(fā)明是有效的。特別地,優(yōu)選使用選自由如下離子構成的組中的至少一種離子:氫離子、氫分子離子、氧離子、氧分子離子、氮離子、氮分子離子、氦離子、氖離子和氬離子。這些離子容易被光能氣化。因此,在光吸收層包含這些離子的情況下,當使光吸收層吸收光時,所述離子氣化膨脹,這促進光吸收層的破碎。
光吸收層2自基板1的主表面起算的深度優(yōu)選為0.05μm以上且10μm以下,且更優(yōu)選為0.1μm以上且1μm以下。因此,因施加的光而破碎的層的厚度足夠小并且能夠防止分離的失敗?;?的主表面在此是指通過其實施離子注入的表面。自基板1的主表面起算的深度是指基板1的主表面與最接近基板1的主表面的光吸收層2的中心之間的距離(該中心是最大吸收的位置)。
光吸收層2的厚度優(yōu)選為20nm以上且10μm以下,更優(yōu)選為50nm以上且5μm以下,且進一步優(yōu)選為100nm以上且1μm以下。因此,因施加的光而破碎的層(分離所需的層)的厚度足夠小,并且能夠確保金剛石層和基板的分離表面的足夠的平坦度。
光吸收層2的原子空位密度的最大峰值優(yōu)選在0.01%以上且100%以下的范圍內,更優(yōu)選在0.1%以上且100%以下的范圍內,且還更優(yōu)選在0.1%以上且80%以下的范圍內,或光吸收層2的不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度優(yōu)選為1ppm以上,更優(yōu)選為10ppm以上,進一步優(yōu)選為100ppm以上,優(yōu)選為30%以下,更優(yōu)選為5%以下且進一步優(yōu)選為1%以下。當不與形成金剛石晶格的碳鍵合的原子是碳原子時,似乎難以確定這樣的原子是否與金剛石晶格的碳鍵合。然而,當額外的碳原子進入金剛石晶格時,通常至少90%的注入的碳原子不能與晶格中的碳鍵合。在碳原子以及除碳原子之外的不同種類的原子的情況下,施加到光吸收層的機械沖擊或剝離試驗造成以50%以上的概率(面積比率)在光吸收層與金剛石層之間的界面處分離。這也能夠用于確定原子是否與金剛石晶格中的碳鍵合。由于在原子空位的位置處不存在原子,因此空位周圍的原子的鍵的強度降低。因此,當光吸收層2吸收光時,光吸收層從作為破碎起點的原子空位破碎。原子空位密度在上述范圍內能夠促進光吸收層2的破碎。如果原子空位密度的最大峰值小于0.01%,則光吸收層的破碎的起點較少,導致光吸收層破碎所需的功率和/或時間增加。在這種情況下,具有高透光性的金剛石也被損壞。當離子劑量大于5×1017cm-3并且在原子空位密度達到100%之后的注入時間過長時,將不會合成要在頂部表面上形成的金剛石或者即使當合成金剛石時也不能分離。原子空位密度的值通過可見光或近紅外透射率的測定獲得。由通過利用恒定注入能量的離子注入的模擬獲得的原子密度和透射率的標準曲線,能夠計算原子密度。原子密度由相對于在室溫下的理想碳原子密度的百分比表示。因此,當確定用于離子注入的條件時,能夠在不進行測定的條件下確定原子空位密度。
盡管能夠通過不包含石墨但包含原子空位的集合的光吸收層2實現(xiàn)分離,但光吸收層2可以還包含石墨層。石墨層優(yōu)選是基于拉曼光譜具有許多sp2鍵的層,而不是具有結晶π鍵的石墨。在這種情況下,光吸收層2的光吸收造成光吸收層從起點即石墨層的界面破碎。具有許多π鍵的石墨層使分離相當困難,因為在通過其注入離子的頂部表面上合成金剛石是困難的。因此,空位的密度具有上限。關于通過如上所述的離子注入形成光吸收層2,能夠通過在隨后形成金剛石層3之后再次實施離子注入并對金剛石層3的表面進行拋光以使表面平坦或不對其進行拋光來形成光吸收層2。此外,可以重復上述操作以形成多個光吸收層2。
(生長金剛石層的步驟)
接下來,參考圖1(C),通過氣相合成法在基板1的主表面上生長金剛石層3。氣相合成法沒有特別限制。作為氣相合成法,可以使用熱絲CVD法、微波等離子體CVD法、燃燒火焰法、直流等離子體CVD法、直流電弧放電等離子體法等。特別地,因為可混入較少非期望的雜質,所以微波等離子體CVD法是優(yōu)選的。具體地,例如將基板1放置在真空室中,將真空室中的壓力設定為2.66kPa~53.2kPa,將室內的溫度升高至800℃~1200℃,然后引入諸如甲烷的烴類氣體、氫氣以及諸如惰性氣體或氮氣的添加氣體以在基板1的主表面上外延生長金剛石層3。盡管可根據需要添加添加氣體,但可以不添加添加氣體。金剛石層3生長的方向是圖1(C)中向上的方向?;?的主表面的面取向被轉移至金剛石層3的頂部表面。
當在將金剛石層與基板分離的步驟中從金剛石層的主表面施加光時,通過氣相合成法生長的金剛石層的透光性比光吸收層高。相比之下,當從基板的主表面施加光時,金剛石層的透光性可以比光吸收層高或者低。這是由于如下原因。只要籽晶基板是透光性比光吸收層高的金剛石,則在將金剛石層與基板分離的步驟中,就允許光通過籽晶基板到達光吸收層。
關于金剛石層3與光吸收層2之間的透光率的關系,光吸收層2的透光率優(yōu)選比金剛石層3的透光率低1%以上,更優(yōu)選低5%以上,進一步優(yōu)選低20%以上。透光率在此是由上述表達式(1)表示的值。
關于金剛石層3與光吸收層2之間對施加的光的波長的吸收系數(shù)的關系,光吸收層2的吸收系數(shù)優(yōu)選比金剛石層3的吸收系數(shù)大5倍以上,且更優(yōu)選30倍以上。光吸收系數(shù)在此是由上述表達式(4)表示的值。
當光吸收層2與金剛石層3之間的透光率或光吸收系數(shù)的關系落在上述范圍內時,施加到金剛石層3的光透過金剛石層3并且被光吸收層2有效吸收。因此,能夠縮短使光吸收層2破碎所需的時間。
為了使金剛石層3的透光率比光吸收層2高,優(yōu)選使添加氣體的量充分小于甲烷氣體的量(0.1%以下),或者將添加氣體的量設定為零?;蛘撸瑑?yōu)選降低甲烷的濃度(相對于氫氣為5%以下)。或者,優(yōu)選升高基板溫度(至1100℃以上)。當以上述方式控制添加氣體和甲烷的濃度以形成具有高結晶性的金剛石層時,即使當在基板上留有原子級的扭折或臺階時,也能夠形成具有相對高的透光率的金剛石層。合成金剛石的條件不限于上述條件,并且可以使用本領域技術人員用于合成透明金剛石的通常已知的條件而不會有問題。
在用于合成透明金剛石的通常條件下,可以充分形成具有低透光性的層,特別是透光性比高壓Ib型金剛石低的層。在其中在通常的合成條件下合成的金剛石不具有足夠的透光性的情況下,能夠從籽晶基板側(從高壓Ib金剛石側)施加用于分離的光,從而將基板與金剛石彼此分離。需要說明的是,需要將光的焦點設置在光吸收層。
金剛石層3可以是單晶或多晶。單晶更昂貴并且有助于增強本實施方案的效果,因此是優(yōu)選的。金剛石層3可以是導電的或電絕緣的。由于大多數(shù)用于工業(yè)用途的金剛石是電絕緣的,因此金剛石層3優(yōu)選是電絕緣的。需要說明的是,在需要通過添加雜質來將柔軟性控制為“翹曲”或“彎曲”的情況下,優(yōu)選將雜質添加到金剛石層3中。在這種情況下,當需要通過添加硼或磷來控制柔軟性時,優(yōu)選同時賦予導電性。這是因為如下原因:當賦予金剛石層導電性時,導電性的大小能夠用作控制要添加的雜質的量的指標。在將金剛石用于特殊用途用電極等的情況下,優(yōu)選金剛石層3是導電的。在這種情況下,金剛石層3阻礙電場進入光吸收層2,由此基于電化學腐蝕的常規(guī)方法是不適用的并且金剛石層3不能與基板分離。導電金剛石層能夠通過將用于置換的硼或磷添加到金剛石晶體中而獲得。在獲得添加有硼或磷的金剛石層3的情況下,盡管金剛石層3的透光性可以比光吸收層2低,但能夠根據摻雜濃度通過如上所述的從基板側施加光來解決所述問題。
對于要自立的金剛石層3,金剛石層3的厚度優(yōu)選為50μm以上,更優(yōu)選為100μm以上。對于不易于破碎的金剛石層3,金剛石層3的厚度優(yōu)選為300μm以上,且更優(yōu)選為500μm以上。當將不同種類的基板接合到金剛石層3上時,金剛石層3的厚度優(yōu)選為1μm以上,且更優(yōu)選為5μm以上。即使在接合部分處存在光散射或由于導電性而存在光的反射,或者耐熱性不足,但因為能夠從基板1側施加光,所以本實施方案仍然能夠將金剛石層3與基板1分離而不損壞基板1或金剛石層3。
(將金剛石層與基板分離的步驟)
接下來,參考圖1(D-1)和圖1(D-2),從金剛石層3和基板1中的至少一者的主表面施加光4。參考圖1(E),使光吸收層2吸收光4且因此使光吸收層2破碎,從而將金剛石層3與基板1分離。由于光吸收層2通過離子注入形成,因此光吸收層2包含原子空位或石墨。石墨不是結晶的,而是在拉曼光譜下含有大量sp2的層。即,石墨不是在π鍵處容易分離的材料。光吸收層2吸收光4造成光吸收層2的溫度升高,造成金剛石中的不同種類的原子或不與金剛石晶格的碳鍵合的原子(包括碳原子)膨脹,從而造成光吸收層2從弱的部分即原子空位或石墨的界面破碎。此時,光吸收層2能夠被迫擴展而不影響金剛石層3。光吸收層2通過經由預先形成的光滑或平坦表面的離子注入形成。因此,基板1與金剛石層3之間的界面凹凸較少。因此,在光吸收層2吸收光而破碎之后,基板1和金剛石層3各自的分離表面具有小的表面粗糙度。分離表面的表面粗糙度在光吸收層的厚度的數(shù)量級上,因此表面粗糙度能夠小于10μm且甚至小于1μm。
如圖1(D-1)所示,可以從金剛石層3的主表面施加光4。如圖1(D-2)所示,也可以從基板1的其上形成有金剛石層3的主表面相反側的主表面施加光4。用光照射的最外層可以是在一定程度上粗糙的表面。這與即使當CD的表面霧化時也能夠提取CD中的信息的原理是相同的。因此,即使當用光照射的最表面是粗糙的時,光也能夠被光吸收層適當?shù)匚铡?/p>
作為施加的光的光源,可以使用脈沖激光器、CW激光(連續(xù)波激光)器、閃光燈、脈沖燈等。特別地,當使用發(fā)射脈沖光的光源如脈沖激光器、閃光燈、脈沖燈等時,能夠在整體金剛石的溫度升高之前停止施加光并且能夠在金剛石冷卻之后重新開始施加光,因此能夠僅升高光吸收層的溫度。因此優(yōu)選使用發(fā)射脈沖光的光源。脈沖燈是指可以是連續(xù)照射型但是仍然通過使用屏蔽板以物理地阻擋光或改變光路而基本上發(fā)射脈沖光的燈。
在使用脈沖光作為從光源發(fā)射的光的情況下,在用光照射的金剛石層3和基板1中的至少一者的主表面上的每個脈沖的照射積分通量優(yōu)選為0.001J/mm2以上且800J/mm2以下,更優(yōu)選為0.01J/mm2以上且800J/mm2以下,進一步優(yōu)選為0.1J/mm2以上且800J/mm2以下,且尤其優(yōu)選為0.1J/mm2以上且10J/mm2以下。脈沖寬度優(yōu)選為0.01皮秒以上且10毫秒以下,更優(yōu)選為0.1納秒以上且10毫秒以下,進一步優(yōu)選為0.1納秒以上且1毫秒以下,且尤其優(yōu)選為1納秒以上且1毫秒以下。脈沖間隔優(yōu)選為1納秒以上,更優(yōu)選為1微秒以上,更優(yōu)選為10微秒以上,優(yōu)選為1秒以下,更優(yōu)選為10毫秒以下且進一步優(yōu)選為1毫秒以下。重復頻率優(yōu)選為1Hz以上,更優(yōu)選為100Hz以上,進一步優(yōu)選為1kHz以上,優(yōu)選為1000MHz以下,更優(yōu)選為1000kHz以下,且進一步優(yōu)選為100kHz以下。脈沖間隔對脈沖寬度之比,即間隔/寬度的比例優(yōu)選為10~109,更優(yōu)選為10~106且進一步優(yōu)選為10~1000。因此,光能造成只有光吸收層的溫度升高而不造成金剛石層和基板的溫度升高。因此,在不破壞金剛石層和基板的各自表面并且在基板和金剛石層中不產生裂紋的情況下,能夠僅使光吸收層破碎。如果脈沖光的每個脈沖的照射積分通量小于0.1J/mm2,則使光吸收層破碎所需的脈沖數(shù)變多,或者脈沖光不能使光吸收層破碎。相比之下,如果脈沖光的每個脈沖的照射積分通量大于800J/mm2,則能夠損壞基板或金剛石層的表面或內部晶體結構。如果脈沖寬度小于0.1納秒,則能量處于使金剛石鍵斷裂的水平,因此這會影響金剛石層3而使表面粗糙或破壞表面。為了消除這些缺點,需要將施加的光的功率設定為低功率,以便不使金剛石的鍵斷裂,并且減小脈沖間隔,以便增加對氣體施加的能量并防止整體基板的溫度升高。通過設計諸如組合具有較短脈沖間隔的光和具有較長脈沖間隔的光、或者將焦點移出光吸收層、或者在液體中施加光的方案,例如,能夠防止金剛石層和基板的分離表面粗糙化或被破壞。如果脈沖寬度小于0.01皮秒,則金剛石鍵斷裂,這使得難以防止表面粗糙化或被破壞。
脈沖光的脈沖寬度優(yōu)選為0.01皮秒以上且10毫秒以下,更優(yōu)選為0.1納秒以上且10毫秒以下,進一步優(yōu)選為0.1納秒以上且1毫秒以下,且尤其優(yōu)選為1納秒以上且1毫秒以下。如果脈沖寬度小于0.01皮秒,則金剛石的鍵直接斷裂并且出現(xiàn)諸如裂紋的問題。因為有助于不與晶格的碳鍵合的碳、硼和磷的氣化,所以脈沖寬度為0.01皮秒以上且小于0.1納秒是有效的。因為有助于氫、氧、氮和惰性元素的氣化,所以脈沖寬度為0.1納秒以上是有效的。相比之下,大于10毫秒的脈沖寬度不僅影響光吸收層,而且影響整體基板的溫度升高。
施加的光優(yōu)選為激光。激光的使用使得能夠實現(xiàn)容易地改變脈沖寬度和強度的效果和能夠選擇適合于吸收的波長的效果。作為激光器,根據光吸收層的吸收波長,可以使用固體激光器、液體激光器、氣體激光器等。具體地,可以使用玻璃激光器、YAG激光器(YAG:釔鋁石榴石)、YLF激光器(YLF:氟化釔鋰)、CO2激光器、準分子激光器、Yb摻雜的光纖激光器等。此外,可以通過SHG(二次諧波生成)等獲得諸如波長是它們的兩倍或三倍長的波長并加以使用。
能夠根據光吸收層的吸收波長適當?shù)剡x擇激光的波長。例如,激光波長優(yōu)選為250nm以上且400nm以下,且更優(yōu)選為450nm以上且550nm以下。此外,波長更優(yōu)選為1μm以上且2μm以下。即,由于形成的光吸收層與透光層之間的吸收系數(shù)之差較大,因此較長的激光波長是優(yōu)選的。
優(yōu)選地,激光掃描金剛石層3或基板1的主表面。掃描速度由脈沖間隔(頻率)和光的尺寸(激光束尺寸)確定。操作速率優(yōu)選為(脈沖頻率)×(光束尺寸)的2倍以上且(脈沖頻率)×(光束尺寸)的30倍以下,且更優(yōu)選為5倍以上且20倍以下。因此,能夠提高加工表面的平坦度并且能夠在短時間內有效地完成分離而不浪費。
優(yōu)選在液體中實施將金剛石層3與基板1分離的步驟。因此,能夠減小施加的光對基板1和金剛石層3的沖擊并且因此能夠抑制在基板1和金剛石層3中產生裂紋。液體沒有特別限制,只要所述液體能夠減少激光的沖擊即可。例如,可以使用純水、各種水溶液、各種油等作為液體。
優(yōu)選在降低環(huán)境溫度的同時實施將金剛石層3與基板1分離的步驟。因此,能夠減少由于施加的光而造成的基板1或金剛石層3的熱膨脹并且因此能夠抑制在基板1或金剛石層3中產生裂紋。能夠通過引入例如制冷劑氣氛、或使用冷卻的純水、各種水溶液、各種油等來降低溫度。
分離的基板1和金剛石層3各自的分離表面具有小的表面粗糙度。在將分離的金剛石層3用作工具的情況下,可能需要使表面平坦。由于金剛石層3的分離表面具有小的表面粗糙度,因此金剛石層3能夠容易地被加工成工具。此外,為了再次使用分離的基板1作為基板用于外延生長,需要使表面平坦。由于基板1的分離表面具有小的表面粗糙度,因此基板1能夠容易地被加工成基板。最終,在不對基板進行再加工的條件下,能夠通過相同的工藝實施離子注入且然后能夠在CVD外延生長之后使用激光器來完成分離。
分離的基板1和金剛石層3的表面粗糙度(Ra)優(yōu)選為3μm以下,更優(yōu)選為小于0.3μm。因此,所述表面能夠容易地被加工成平坦表面。在此表面粗糙度(Ra)是指以下述方式確定的算術平均粗糙度。從粗糙度曲線中,提取在粗糙度的平均線的方向上具有基準長度的粗糙度曲線的一部分。將X軸定義為提取部分的平均線的方向,并將Y軸定義為垂直放大的方向。然后,用y=f(x)表示粗糙度曲線。然后,將由下面的表達式(3)確定并以微米(μm)表示的值用作表面粗糙度Ra。
對于分離的金剛石層3的分離表面,可以粘附基板的一部分1a。在這種情況下,金剛石層3的分離表面的表面粗糙度是指包括基板的一部分1a的分離表面的表面粗糙度。
基板1能夠通過普通機械拋光進行平坦化,并且能夠獲得0.1nm的Ra。當通過基板的表面注入離子以形成光吸收層時,光吸收層的表面具有與基板1相等的Ra。通過光進行的分離造成平坦度降低。然而,例如通過設計減小要分離的光吸收層的厚度、降低光掃描速率、或使用最小可能的功率的方案,能夠改善平坦度。
關于在本實施方案中沿著光吸收層2的分離,即使當存在多個光吸收層時,也可以從最上層的光吸收層依次設置照射的焦點且因此可以施加光從而將層逐個分離。此外,光吸收層2的表面可能不是完全平坦的。即,基板1或金剛石層3中的碳-碳鍵的量顯著大于光吸收層2中的碳-碳鍵的量。因此,即使當照射的焦點稍微偏離光吸收層2時,也可適當完成分離,只要將光功率閾值設定在光吸收層2與基板1之間或設定在光吸收層2與金剛石層3之間即可。
[第二實施方案]
圖2(A)~圖2(E)是示意性顯示本發(fā)明實施方案中的制造金剛石的方法的圖。本發(fā)明實施方案中的制造金剛石的方法是通過氣相合成法制造金剛石的方法,且包括如下步驟:準備包含金剛石籽晶的基板21(圖2(A));通過氣相合成法在基板21的主表面上形成光吸收層22,所述光吸收層的透光性比基板21低、原子空位密度的最大峰值在0.01%以上且20%以下的范圍內、或不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度為0.1ppm以上且10%以下(圖2(B));通過氣相合成法在光吸收層22的主表面上生長金剛石層23(圖2(C));和通過從金剛石層23和基板21中的至少一者的主表面施加光(圖2(D-1)、圖2(D-2))以使光吸收層22吸收光并造成光吸收層破碎,從而將金剛石層23與基板21分離(圖2(E))。當在將金剛石層與基板分離的步驟中從金剛石層的主表面施加光時,通過氣相合成法生長的金剛石層的透光性比光吸收層高。相比之下,當從基板的主表面施加光時,金剛石層的透光性可以比光吸收層高或者低。這是因為如下原因。如果籽晶基板是透光性比光吸收層高的金剛石,則在將金剛石層與基板分離的步驟中,能夠從籽晶基板側施加光并通過籽晶基板到達光吸收層。
本方面的本質是在合成金剛石期間預先形成弱的金剛石鍵,而不是通過施加諸如激光的光使金剛石鍵斷裂或不是通過施加諸如激光的光在金剛石中形成改性層或轉變層。對于常規(guī)的金剛石生長,各個層均產生強的金剛石鍵。對于本方面的光吸收層,生長含有原子空位并且碳-碳鍵部分斷裂的金剛石。在形成某一定程度的層之后,再次形成具有較少原子空位的僅含有金剛石鍵的層。此后,施加諸如激光的光以向光吸收層提供能量從而僅使弱的碳-碳鍵斷裂。此時,例如,以包含除碳原子之外的原子如氦原子、氬原子、氫原子和氮原子的方式合成光吸收層更有效。然后,所述除碳原子之外的原子位于空位或晶格間的位置,這有助于將所施加的光的能量轉換成用于這些原子的膨脹的能量。該方法還能夠通過光能量將基板與在基板上生長的金剛石層分離,與僅通過激光使鍵斷裂的常規(guī)方法相比,所述光能量明顯更小。通常難以生長其中碳-碳鍵部分地斷裂至能夠用諸如激光的小能量進行分離的程度的金剛石。關于這一方面,生長其中鍵部分斷裂并且還包含原子空位的金剛石的光吸收層,因此即使通過具有較小能量的光,也能夠將基板與在基板上生長的金剛石層分離。
第二實施方案中的制造金剛石的方法與第一實施方案中的制造金剛石的方法的不同之處在于,形成光吸收層的步驟和生長金剛石層的步驟,而準備基板的步驟和將金剛石層與基板分離的步驟在這些方法中是相同的。因此,結合第二實施方案,將對形成光吸收層的步驟和生長金剛石層的步驟進行說明,并且將不重復其他步驟的說明。
(形成光吸收層的步驟)
參考圖2(B),通過氣相合成法在基板21上形成光吸收層22。在如下條件下實施氣相合成法:使光吸收層22的原子空位密度的最大峰值在0.01%以上且20%以下的范圍內、或使不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度為0.1ppm以上且10%以下。或者,在如下條件下實施氣相合成法:使光吸收層22在8ppm以上且80000ppm以下的范圍內包含氫原子或惰性原子、具有在0.01%以上且100%以下的范圍內的原子空位密度的最大峰值、且透光性比基板21低。原子空位密度優(yōu)選為0.1%以上且優(yōu)選為10%以下。不與形成金剛石晶格的碳鍵合的碳原子和不同種類的原子的總原子濃度優(yōu)選為1ppm以上,更優(yōu)選為10ppm以上,且優(yōu)選為5%以下,更優(yōu)選為1%以下。例如,在引入其中實施氣相合成的室中的氣體中,甲烷氣體相對于氫氣的濃度為10%以上,優(yōu)選為20%以上。然后,光吸收層22中的氫原子或惰性原子能夠為8ppm以上且80000ppm以下,且原子空位密度的最大峰值能夠落在0.01%以上且100%以下的范圍內。此時,在基板的偏角方向與具有5nm以上的Ra的周期性拋光劃痕的方向一致的基板上生長光吸收層,使得在基板上形成大臺階聚并(マクロステツプバンチング)(原子水平的五倍以上大的臺階)。
此外,優(yōu)選在上述條件以及使光吸收層22包含氫原子、氮原子、硅原子、離子原子或磷原子中的至少任一種的雜質的條件下實施氣相合成。因此,雜質被引入到除金剛石中的用碳置換的位置之外的位置,因此能夠提高原子空位密度并且能夠降低光吸收層22的透光性。
在光吸收層22的表面上,優(yōu)選人工生成的臺階或臺階聚并的臺階的數(shù)目為100個臺階/mm2以上且1000000個臺階/mm2以下。因此,有助于元素引入合成氣氛中并且也有助于引入原子空位使得滿足上述值。能夠通過在具有2°以上的偏角的單晶中僅形成寬度為5μm以上的凹槽來人工形成臺階,且臺階的數(shù)目等于凹槽的數(shù)目。能夠通過掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡等觀察臺階或臺階聚并。
光吸收層22可以一并包含石墨相和金剛石相。光吸收層22中的金剛石相的含量優(yōu)選為50體積%以上,且更優(yōu)選為體積%。金剛石相的含量為50體積%以上使得能夠保持光吸收層22的結晶性。因此,能夠在光吸收層22的表面上形成具有優(yōu)異結晶性的金剛石層23。
(生長金剛石層的步驟)
接下來參考圖2(C),通過氣相合成法在光吸收層22的主表面上生長透光性比光吸收層22高的金剛石層23。作為生長的條件,能夠使用與第一實施方案的條件類似的條件。
[第三實施方案]
本發(fā)明實施方案中的金剛石是如下的金剛石,其包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的表面包含如下中的至少一者:長度為100μm以下的金剛石裂紋、最大直徑為100μm以下的石墨層和長度為200μm以上的石墨層。光吸收層是指5nm以上的層。石墨層不一定是石墨的結晶層,并且廣義上是指具有在通過拉曼光譜法給出的1500cm-1~1600cm-1的拉曼位移附近出現(xiàn)的被稱為G帶的峰的石墨層。長度為200μm以上的石墨層是指連續(xù)形成的且在其中能夠畫出200μm的直線的石墨層。對于金剛石,當金剛石的表面被平坦化時,由于光吸收層是金剛石鍵的強度弱的層,因此容易除去光吸收層的表面中的金剛石裂紋和/或石墨。因此,這樣的金剛石的表面易于平坦化并且金剛石易于加工以用于各種用途。此外,上述金剛石能夠通過第一和第二實施方案中的制造金剛石的方法制造。在這種情況下,能夠縮短與基板分離的時間并由此降低制造成本。具有弱的鍵的光吸收層可以殘留,因為當將金剛石與另一種材料接合時光吸收層作為緩沖材料,因此是有效的。
此外,本發(fā)明的一個方面的金剛石包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同。光吸收層的表面包含如下中的至少一者:凹坑、露出所述金剛石層的近似圓形的區(qū)域和近似圓形的石墨層。凹坑、露出金剛石層的近似圓形的區(qū)域和近似圓形的石墨層各自由于當使光吸收層吸收光時的光吸收層的膨脹而產生,并且因諸如激光的脈沖光的掃描而以一排凹坑、圓形區(qū)域或圓形石墨層的形狀產生。需要說明的是,所有脈沖都產生這樣的特征形狀,并且只有滿足特定條件的一部分脈沖才產生這樣的特征形狀。對于金剛石,當金剛石的表面被平坦化時,如上所述,容易除去光吸收層的表面中的金剛石裂紋和/或石墨。這是由于同樣如上所述的光吸收層。因此,這樣的金剛石的表面易于平坦化,并且金剛石易于加工以用于各種用途。此外,金剛石能夠通過第一和第二實施方案中的制造金剛石的方法制造。在這種情況下,能夠縮短與基板分離的時間并由此降低制造成本。此外,如上所述,具有弱的鍵的光吸收層可以殘留,因為當將金剛石與另一種材料接合時,光吸收層作為緩沖材料。特征形狀表現(xiàn)出增加接合強度的效果。
本發(fā)明的一個方面的金剛石是如下的金剛石,其包含:金剛石層;和光吸收層,所述光吸收層配置在所述金剛石層的一個表面上并且透光性與所述金剛石層不同,并且所述光吸收層的晶體應變被轉移至所述金剛石層的一部分。在光吸收層中,金剛石鍵斷裂且因此鍵的強度變弱,導致結晶性劣化。需要說明的是,因為需要在最外層上外延生長單晶,所以最表面保持單晶的規(guī)則性是重要的。晶體應變不是諸如位錯的晶體缺陷,而是對應晶軸或晶面的波動。隨著晶體在最表面上的連續(xù)生長,相關應變愈合。除應變之外,優(yōu)選外延生長的金剛石層保持使金剛石中的雜質組成或應變(包括位錯和光學應變)保持受控(生長溫度以下,例如1300℃以下)的狀態(tài),且外延膜中的雜質或應變的凝聚不會由于在1000℃以上或1300℃以上的溫度下的退火等而改變。這是因為如下原因,優(yōu)選為了用作工具用材料而進行優(yōu)化從而不容易缺損的金剛石材料不發(fā)生變化,或者期望為了用作散熱器或窗口用材料而優(yōu)化的翹曲量或裂紋減少比例不因退火而改變。需要說明的是,本發(fā)明的一個方面的金剛石的表面不具有隨機彎曲的具有1μm以上的深度的劃痕,所述劃痕可能是由于電化學腐蝕而產生并且當在金剛石中包含不同種類的元素時容易出現(xiàn)所述劃痕。
金剛石優(yōu)選包含電阻率為10-4Ω·cm以上且小于109Ω·cm并且厚度為1μm以上的層。電阻率更優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于106Ω·cm,進一步優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于103Ω·cm,且尤其優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于50Ω·cm。當金剛石含有能夠賦予導電性的程度的雜質時,金剛石相對于絕對高純度材料的“彎曲”能力更高且因此金剛石裂紋的可能性減少。這種金剛石是不易缺損的材料,并且適合用于工具。
優(yōu)選地,金剛石為厚度為50μm以上并且僅由電阻率為10-4Ω·cm以上且小于109Ω·cm的層形成的自立的單體。電阻率更優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于106Ω·cm,進一步優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于103Ω·cm,且尤其優(yōu)選為10-4Ω·cm以上且小于50Ω·cm。當金剛石含有能夠賦予導電性的程度的雜質時,金剛石相對于絕對高純度材料的“彎曲”能力更高且因此金剛石裂紋的可能性減少。這種金剛石是不易缺損的材料,并且適合用于工具。
優(yōu)選地,金剛石每10mm的垂直位移為100μm以下,并且具有直徑為12mm以上的主表面尺寸。每10mm的垂直位移更優(yōu)選為50μm以下、25μm以下和10μm以下。主表面的直徑尺寸更優(yōu)選為50mm以上、75mm以上、100mm以上和150mm以上。因此,金剛石翹曲程度較小或沒有翹曲并且具有大的尺寸,這使得金剛石能夠適用于各種工具。
當通過氣相合成法在不同種類的基板上合成多晶金剛石且然后除去所述不同種類的基板時,基板的前側的粒徑總是其后側的粒徑的至少10倍大或是其后側的粒徑的至少1/10大。如果以使基板的前側的粒徑與其后側的粒徑相同的方式實施拋光,則基板翹曲為200μm/10mm以上。對于本實施方案中的金剛石,金剛石的翹曲落在上述范圍內且因此能夠解決這個問題。在此200μm/10mm的翹曲是指在離表面重心點向內10mm的點處的200μm的垂直位移,并且該垂直位移是從重心點的位移。即,每10mm的垂直位移為200μm。當翹曲大時,垂直位移不嚴格地與向內的距離成比例。然而,當由Tanθ=(垂直位移)/(向內的距離)表示的角度θ為若干度以下時,可以認為在簡單的數(shù)學方面基本上成比例(即,對于尺寸小于10mm的基板,其對應20μm/1mm等)。
較大尺寸的金剛石更有可能出現(xiàn)翹曲和裂紋。然而,在本實施方案中,即使當尺寸大時,也可在低溫(室溫)下在短時間內完成分離,而不會受到熱膨脹的影響并且使用低功率的光照射。此外,因為液體不進入窄間隙且因此不能進行電化學腐蝕,所以具有較小翹曲的12mmφ以上的金剛石層難以電化學分離,并且直徑為25mm以上的金剛石層不能進行分離。關于翹曲的優(yōu)選范圍,每10mm的垂直位移優(yōu)選為100μm以下。基板尺寸優(yōu)選直徑為12mm以上。此外,進一步優(yōu)選直徑為25mm以上、直徑為50mm以上、直徑為75mm以上、直徑為100mm以上和直徑為150mm以上。不受熱影響、具有大尺寸且具有較小翹曲的基板不能通過其它手段進行分離,并且這樣的基板只能通過在此公開的方法進行分離。
在作為自立的單體的金剛石中,金剛石的一個主表面中的金剛石晶體的平均粒徑與金剛石的另一個主表面中的金剛石晶體的平均粒徑之差優(yōu)選不大于所述一個主表面中的所述金剛石晶體的平均粒徑和所述另一個主表面中的所述金剛石晶體的平均粒徑中較大的一者的50%?!安淮笥?0%”是指(較大的平均粒徑)×0.5≤(較小的平均粒徑)。平均粒徑是通過用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察金剛石表面而獲得的粒徑的平均值,且觀察區(qū)域的每一邊的尺寸是金剛石中心(表面重心)部分的粒徑的10倍大。因此,在晶界的比例方面,前表面與后表面基本相同。因此,前表面和后表面在內部應力和熱膨脹系數(shù)方面基本上彼此相同。因此,在不同使用溫度下的翹曲量方面基本上沒有差別,并且具有能夠在不同使用溫度下制作沒有翹曲的基板的效果。此外,平均粒徑可以為30μm以上,優(yōu)選為100μm以上。這是因為當在光吸收層的膨脹部分中存在許多晶界時,強度降低。
[第四實施方案]
本發(fā)明實施方案的金剛石復合基板是如下的金剛石復合基板,其包含:第三實施方案中的金剛石;和與所述金剛石接合的不同種類的基板,所述不同種類的基板為不同于金剛石的材料的基板。所述金剛石復合基板可應用于如下用途:包含離子注入層并且與諸如切削刀具的工具接合的材料能夠以安裝狀態(tài)沿著離子注入層分離。在這種情況下,切削刀具的柄部等對應于不同種類的基板。
不同種類的基板優(yōu)選是電阻率小于109Ω·cm的導電基板。電阻率是當在室溫下將100V的直流電壓施加到厚度為100μm的板上時由直流電流值算出的平均電阻率。當正數(shù)和負數(shù)彼此不同時,具有較大絕對值的數(shù)字是電阻率。在實施方案中的制造金剛石的方法能夠在室溫下分離金剛石層。因此,當彼此接合的層的熱膨脹系數(shù)不同或者需要接合構件以將層彼此接合時,能夠在不受接合構件的熔點影響的情況下選擇要組合的不同種類的基板。因此,對于在某種程度上發(fā)生沖擊的實施方案中的分離方法,優(yōu)選存在導電基板。
[第五實施方案]
本發(fā)明實施方案中的金剛石接合基板是如下的金剛石接合基板,其包含:基板,所述基板具有光吸收層并且包含金剛石籽晶;和配置在所述基板的主表面上的金剛石層,并且所述光吸收層包含不與金剛石晶格的碳鍵合的不同種類的原子,并且所述不同種類的原子為選自由如下元素構成的組中的至少一種元素的原子:氫、氮、氧、氦、氖和氬。從這樣的接合基板,能夠通過脈沖光分離金剛石層從而制造本發(fā)明的金剛石。金剛石接合基板可以直接用于工具或散熱器。即使在作為工具或散熱器的金剛石與不同種類的基板接合的狀態(tài)下,也能夠沿著光吸收層將與基板接合的金剛石分離。
[第六實施方案]
本發(fā)明實施方案中的工具是使用第三實施方案中的金剛石的工具。因此,能夠獲得具有較少缺損或翹曲的優(yōu)異工具。關于金剛石,與基板分離所花費的時間縮短,因此制造成本降低。
所述工具具體是切削工具如金剛石刀具、鉆頭、端銑刀、用于鉆頭的可轉位刀片、用于端銑刀的可轉位刀片、用于銑削的可轉位刀片、用于切削的可轉位刀片、金屬鋸、齒輪切削工具、鉸刀、絲錐(タツプ)等。工具不限于切削工具,并且可以是磨削工具、耐磨工具、部件等。磨削工具可以是修整器等。耐磨工具和部件可以是模具、劃線器、水射流噴嘴或粉末射流噴嘴或諸如線的引導件。
實施例1
下文中,將參考實施例對本發(fā)明的實施方案進行更詳細地說明。然而,本發(fā)明的實施方案不限于此。
[試樣1]
(基板的準備)
首先,準備通過高溫高壓合成制造的尺寸為6mm×6mm并且厚度為1mm的IIa型單晶金剛石基板。在對基板表面進行機械拋光之后,實施反應離子腐蝕以將基板的表面腐蝕1μm~2μm的厚度。
(光吸收層的形成)
接著,從基板的主表面注入氫離子以形成光吸收層。注入能量為75keV且注入劑量為1×1017個離子/cm2。光吸收層的深度,即自基板的主表面起算的深度為約0.34μm,且光吸收層的厚度為約0.06μm。目視確認了光吸收層的透光率低于基板的透光率的事實。
以對于800nm波長的透射率測定光吸收層中的原子空位密度,并且估計密度為6%。所述密度可以不進行實測,例如能夠通過確定諸如離子注入要注入的材料、注入能量、注入的原子和劑量的條件,通過模擬來確定所述密度。
(金剛石層的形成)
接著,以光吸收層側的主表面露出的方式將其中形成有光吸收層的基板放置在微波等離子體CVD裝置的真空室內。然后,將基板加熱至800℃的溫度,將真空室內的壓力調節(jié)為13.3kPa,之后將氫氣、甲烷氣體和氮氣引入真空室中并實施微波等離子體CVD法從而在基板上形成厚度為500μm的單晶金剛石層。此時氣體的比例(體積%)為:
氫氣∶甲烷氣體∶氮氣=92∶8∶0.005。
用普通的紫外可見近紅外區(qū)域的分光光度計測定基板的透光率(T1)、光吸收層的透光率(T2)和金剛石層的透光率(T3)。對于波長為800nm的光,基板的透光率(T1)與光吸收層的透光率(T2)之比(T2/T1)為70%。對于波長為800nm的光,光吸收層的透光率(T2)與金剛石層的透光率(T3)之比(T2/T3)為70%。
(金剛石層的分離)
接著,從金剛石層的主表面施加波長為1.06μm的YAG激光。以40微秒的脈沖間隔和10納秒的脈沖寬度施加激光,并以在主表面上的光的直徑為30μm的方式會聚激光。此時,激光的焦點位于光吸收層的內部。激光的掃描速度為25mm/秒。激光的脈沖輸出(A)在1μJ以上且小于1mJ的范圍內變化。即,金剛石層的主表面上的每個脈沖的照射積分通量為1J/mm2以上且1100J/mm2以下。在從室溫空氣(25℃)、冷卻空氣(-5℃)、純水(25℃)和市售機器潤滑油(25℃)中選擇的一種物質中施加激光。結果,將基板與金剛石層彼此分離。將在室溫空氣中實施分離所花費的時間示于表1中。
(評價)
對于這樣獲得的基板和金剛石層,基于如下標準進行評價。
A:作為用普通光學顯微鏡以20倍的放大倍率觀察的結果,在基板和金剛石層兩者中都沒有產生裂紋,且分離表面的表面粗糙度(Ra)為Ra≤0.1μm。
B:在基板和金剛石層兩者中都沒有產生裂紋,并且分離表面的表面粗糙度(Ra)為0.1μm<Ra<1μm。
C:在基板和金剛石層中的至少一者中產生裂紋,或者分離表面的表面粗糙度(Ra)為Ra≥1μm。
用普通光學顯微鏡以20倍的放大倍率觀察裂紋的產生。使用基于白光干涉法的原理的光學顯微鏡的三維輪廓儀測定表面粗糙度。
將在室溫空氣中用激光照射的試樣評定為B等級,并且將在冷卻空氣、純水和油中用激光照射的試樣評定為A等級。將結果示于表2中。
[試樣2~35]
對于試樣2至35,除了通過離子注入注入的離子的種類和用于施加激光的條件為表1和表2中所示的之外,通過與試樣1類似的方法將基板與金剛石層彼此分離。對于試樣11、25和32,從基板的主表面而不是金剛石層的主表面施加激光。
基于與試樣1類似的標準對這樣獲得的基板和金剛石層進行評價。將結果示于表2中。
將在室溫空氣中用激光照射的試樣評定為B或C等級,并且將在冷卻空氣、水溶液和油中用激光照射的試樣評定為A等級或B等級。將結果示于表2中。
實施例2
[試樣36]
準備與試樣1類似的基板,并且通過與試樣1類似的方法形成光吸收層和金剛石層。
(金剛石層的分離)
接著,從金剛石層的主表面施加閃光燈光。閃光燈光為氙閃光燈光,氙閃光燈光被會聚至直徑為5mm,將波長小于500nm的光和波長大于1.25μm的光截斷以選擇性使用具有500nm以上且1.25μm以下的波長的光。以使得脈沖間隔為8毫秒、脈沖寬度為1微秒且在主表面上的直徑為1mm的方式將閃光燈光物理截斷。此外,施加會聚至0.1mm的光。此時,閃光燈光的焦點位于光吸收層的內部。閃光燈光的掃描速度(實際上移動了試樣)為10mm/秒。閃光燈光的脈沖輸出(A)在250mJ以上且小于10J的范圍內變化。即,在金剛石層的主表面上每1毫秒脈沖寬度的照射積分通量為100mJ/mm2以上且1000mJ/mm2以下。在從室溫空氣(25℃)、冷卻空氣(-5℃)、純水(25℃)和市售機器潤滑油(25℃)中選擇的一種物質中施加閃光燈光。結果,將基板與金剛石層彼此分離。將在室溫空氣中實施分離所花費的時間示于表3中。
(評價)
對于這樣獲得的基板和金剛石層,基于與試樣1類似的標準進行評價。將結果示于表4中。
表4
將在室溫空氣中用激光照射的試樣評定為B等級,并且將在冷卻空氣、純水和油中用激光照射的試樣評定為A等級。
[試樣37~49]
對于試樣37~49,除了通過離子注入注入的離子的種類和用于施加閃光燈光的條件為表3和表4中所示的之外,通過與試樣36類似的方法將基板與金剛石層彼此分離。
基于與試樣36類似的標準對這樣獲得的基板和金剛石層進行評價。將結果示于表4中。
將在室溫空氣中用激光照射的試樣評定為B等級或C等級,將在冷卻空氣中用其照射的試樣評定為A等級、B等級或C等級,并且將在純水和油中用激光照射的試樣評定為A等級。
實施例3
[試樣51~64]
對于試樣51~55和試樣58~62,通過與實施例1中的試樣1~5各自類似的方法在基板上形成光吸收層和金剛石層。對于試樣56、57,除了注入的離子的種類之外,通過與實施例1類似的方法在基板上形成光吸收層和金剛石層。
對于上述試樣,在表5中所示的激光照射條件下進行分離實驗。激光的脈沖寬度為12皮秒或0.01皮秒,并且僅在純水中實施激光照射。
與實施例1相比,所有試樣需要較長的分離時間。然而,對于所有試樣,使用表5中所示的注入離子的種類完成分離。在注入硼離子或磷離子的情況下,如本實施例中一樣用較短的脈沖寬度充分地完成分離。在如試樣58~64的較短脈沖間隔的情況下,用較小的照射積分通量更充分地完成分離。對于相同的試樣,脈沖間隔為0.006皮秒的脈沖不能防止裂紋。
實施例4
[試樣65~72]
(基板的準備)
使用通過高溫高壓合成制造的Ib型基板(市售產品),表面的粗糙度Ra為約7nm,且基板的偏角3°的方向與表面粗糙度的周期方向在20°內一致。
(光吸收層的形成)
在本實施例中,通過微波等離子體CVD法形成光吸收層。將基板放置在微波等離子體CVD裝置的真空室中。然后,將基板加熱至1000℃的溫度,將真空室中的壓力調節(jié)至90托,之后將氫氣和甲烷氣體引入真空室中并實施微波等離子體CVD法從而在基板上形成厚度為10μm以下的光吸收層。此時氣體之間的比例(體積%)為:
氫氣∶甲烷氣體=100∶18。
在添加不同種類的原子的情況下,將相對于甲烷氣體為0.01%以上的不同種類的原子的氣體添加至所述氣體。
(金剛石層的形成)
接著,將在其上形成有光吸收層的基板的溫度加熱至1100℃以上,將甲烷氣體的濃度調節(jié)為8%以下,并且在基板上形成具有高透光率的500μm厚的金剛石層。通過與在沒有光吸收層的基板上進行生長形成的金剛石層進行比較,確認了在該條件下實現(xiàn)了較高透光率的事實。
(金剛石層的分離)
進行如下實驗,其中從制作的試樣的金剛石層的表面施加激光從而分離金剛石層。將用激光照射的條件示于表6中。
(結果)
在通過微波等離子體CVD法形成光吸收層的情況下,能夠通過激光來完成分離?;陔x子注入的結果校準原子空位并且基于帶正電荷的電子的消失評價原子空位。在光吸收層中的原子空位小于0.01%的情況下或在不與晶格中的碳鍵合的不同種類的原子小于0.1ppm的情況下,在本條件下不可能進行分離。此外,在脈沖的照射積分通量增加到大于800J/mm2的情況下,存在金剛石層或基板在分離之前破碎的問題,即不能以合適的狀態(tài)分離。
實施例5
[試樣73~82]
(基板的準備和光吸收層的形成)
通過與試樣1類似的方法,在基板上形成光吸收層。對于試樣80,使用(111)面取向的基板。對于其他試樣,使用(100)面取向的基板。對于試樣76,使用鑲嵌單晶基板。將基板的尺寸示于表7中。
(金剛石層的形成)
接著,以使光吸收層的主表面露出的方式將在其上形成有光吸收層的基板放置在微波等離子體CVD裝置的真空室內。然后,將基板的溫度加熱至800℃,將真空室內的壓力調節(jié)為13.3kPa,之后將由氫氣、甲烷氣體和氮氣構成的氣體混合物以及作為摻雜劑的雜質氣體引入真空室中并實施微波等離子體CVD法從而在基板上形成具有表7中所示的厚度的單晶金剛石層。
通過使用包含甲烷濃度為8%的氣體混合物和相對于甲烷氣體濃度為100ppm的乙硼烷氣體的氣體來合成試樣73、74的硼摻雜單晶金剛石層(表7中表示為“硼摻雜層”)。盡管有些藍黑色,但是形成了具有導電性(若干Ω·cm)的金剛石層。
對于試樣75、76,通過與實施例1類似的方法形成具有高透光性的金剛石層。對于試樣76,形成鑲嵌單晶。
對于試樣77,除了將0.01%的氮添加到甲烷氣體中之外,在與實施例1的高透光率的金剛石層相同的條件下制作金剛石層。盡管稍微著色,但獲得了在室溫下具有1010Ω·cm以上的電導率的金剛石層。翹曲相當小。
對于試樣78、79,通過與實施例1類似的方法形成高透光率的金剛石層,并且將金屬接合到金剛石層上。在金剛石層上氣相沉積Ti,改善金屬潤濕性,之后將通常使用的焊料材料在電熱板上熔融并進行接合。
對于試樣80,在磷摻雜條件下形成金剛石層。電阻率為約103Ω·cm。在金剛石層的表面上涂布常用的SOG,在其上鋪設石英,并且將它們進行烘焙以便接合。
對于試樣81,在與試樣78相同的未摻雜金剛石層(表7中表示為“未摻雜層”)上氣相沉積100nm的Ti,通過CVD法形成約5μm的SiO2,實施用于平坦化的拋光,并將其與平坦化的石英基板物理接合。
對于試樣82,將石英基板接合到與試樣78相同的未摻雜金剛石層上,它們之間具有雙組分固化型樹脂。
(金剛石層的分離)
對于所有試樣,從基板側施加光,并且在純水中進行分離。
(結果)
對于所有試樣,在30分鐘內完成分離。
對于所有試樣,在金剛石層的分離表面中確認了如下中的任意一者:(a)長度為1μm~10μm的金剛石裂紋、(b)最大直徑為5μm~50μm的石墨層、和(c)長度為200μm~4mm的不定形的石墨層。盡管沒有出現(xiàn)(a)和(c)的組合或(b)和(c)的組合,但存在(a)和(b)的組合。(b)或(c)的石墨層在某些情況下為圓形,并且在許多情況下,三個或四個這樣的石墨層成一排。相比之下,在(c)的石墨層中,在某些情況下,缺少露出金剛石層的直徑為100μm的圓形區(qū)域,并且同樣地在許多情況下這樣的區(qū)域也成一排。檢查基本上不存在石墨層的區(qū)域的表面凹凸,發(fā)現(xiàn)表面凹坑成圓形并且這樣的圓形凹坑成一排。凹坑的深度在50nm~200nm的范圍內。在將Ti氣相沉積在分離表面上之后,通過AuSn焊料等將其與不同種類的金屬連接。在這種情況下,保持了良好的連接強度,并且與普通金剛石的接合相比,斷開的頻率較低。
檢查分離表面的RHEED圖案和RBS溝道特性。然后,發(fā)現(xiàn)圖案寬度為高壓Ib型單晶的1.5倍大,并且溝道特性的chi最小值為10%,即晶體波動大。當實施約1μm~2μm的氫/氧等離子體腐蝕時,圖案寬度為1.4倍并且chi最小值為9%,因此不發(fā)生顯著變化。即,光吸收層的晶體應變被轉移至分離表面。
[參考試樣]
作為參考試樣,準備除了注入碳離子并通過電化學腐蝕進行分離之外分別與試樣73~82相同的試樣。
對于所有參考試樣,甚至在兩周后也不可能進行分離??雌饋硎且驗?,導電試樣不允許電化學腐蝕的電場滲透,因此不可能進行分離。看起來是因為,具有小的翹曲和大的尺寸的試樣不允許液體滲透,因此不可能進行分離。在易受電場或酸或堿影響的接合材料的情況下,接合材料被腐蝕并脫落。
實施例6
(基板的準備)
在本實施例中,準備表面中的平均粒徑為30μm~300μm的多晶金剛石以用作基板。準備尺寸為25mmφ、50mmφ、75mmφ、100mmφ和150mmφ的基板。
(光吸收層的形成)
通過與試樣1類似的方法,注入離子以形成光吸收層。
(金剛石層的形成)
在基板上,在多晶合成條件下形成金剛石層。在50mmφ以下的基板上,通過微波等離子體CVD法生長厚度為400μm的金剛石層。在75mmφ以上的基板上,通過熱絲法生長厚度為30μm的金剛石層。氣體混合物中甲烷的濃度為5%,壓力為110托,且基板溫度為950℃。由于75mmφ以上的基板薄并且當分離時易于破碎,因此為了補強而在涂布SOG之后接合石英。由于基板的平均粒徑足夠大,因此即使當形成具有高透光率的金剛石層時,金剛石層的平均粒徑也不顯著增加,并且平均粒徑僅為約1.1倍~1.2倍。
(金剛石層的分離)
在與試樣1類似的激光照射條件下進行分離。對于任何試樣,均可在兩小時內完成分離?;宓那皞扰c后側之間的粒徑基本上沒有差別,基本上沒有翹曲,且每10mm的垂直位移為100μm/10mm以下。
實施例7
在分離金剛石層之前,將試樣1加工成切削刀具。在將試樣用作切削刀具之后,在刀具與工具(柄部)接合的狀態(tài)下從表面向離子注入層施加光,并且可以分離該表面。分離露出新的面并且能夠將試樣再次用作刀具。能夠形成多個離子注入層從而通過移動光的焦點而重復地露出新的面。
實施例8
將試樣1的分離的單晶金剛石層用于制造拉絲模具(線引きダイス)。甚至在離子注入之后通過激光照射而分離的金剛石層也能夠用于拉絲模具。
實施例9
將具有結構為實施例5中所制造的結構的金剛石層的復合體用作散熱器。將半導體激光器芯片與金剛石層接合并對激光器通電。然后,能夠在比沒有金剛石的情況低的溫度下完成操作。
應當理解,在此公開的實施方案和實施例在所有方面都是以說明的方式而非限制性的方式給出的。意在使本發(fā)明的范圍由權利要求書限定,而不是由上述說明限定,并且包括與權利要求等價的含義和范圍內的所有變體和變化。
產業(yè)實用性
本發(fā)明的金剛石在應用于諸如切削工具、磨削工具和耐磨工具的工具以及另外的諸如光學、半導體和電子部件的各種產品時是有用的。
標號說明
1、21:基板;1a:基板的一部分;2、22:光吸收層;3、23:金剛石層;4、24:光。