獨立式非平面聚晶合成金剛石部件及其制造方法
【專利說明】獨立式非平面聚晶合成金剛石部件及其制造方法發明領域
[0001]本發明的某些實施方案涉及非平面聚晶CVD合成金剛石部件，特別但不專門地，涉及高端音頻設備的揚聲器球頂(dome)。
[0002]發明背景
[0003]金剛石由于其長壽命和美學吸引力而已被長期用于珠寶首飾中。金剛石材料對于許多不同技術應用還具有一系列期望的性質。例如，金剛石材料重量輕，而且非常堅硬/剛硬。這些性質導致金剛石成為一種用于形成高端音頻設備中的揚聲器球頂的優異材料。此類揚聲器球頂可以形成具有極高破音頻率(break-up frequency)的高頻揚聲器(t w e e t e r )，所述極高破音頻率超出人類的音頻范圍從而產生在人類音頻范圍內的極高品質的聲音。
[0004]例如，W02005/101900公開了這樣這樣的金剛石揚聲器球頂。如W02005/101900中所述，諧聲可以延伸至低于基本的破音頻率，因此期望從人類音頻范圍的末端良好地去除破音頻率，以確保揚聲器球頂在高頻振蕩中的彎曲不損害聲音的復制。W02005/101900描述了可通過具有特定尺寸的整體外圓周裙邊的合成金剛石揚聲器球頂來提供具有極高破音頻率的揚聲器球頂。該文獻中沒有提及制造這樣的揚聲器球頂的具體制造方法的細節。
[0005]GB2429367也公開了一種金剛石揚聲器球頂，并且描述了可以通過如下方式制造這樣的球頂:在凸曲面基底上CVD合成金剛石材料以便在其上形成合成金剛石膜，隨后使合成金剛石膜從基底分離以產生金剛石揚聲器球頂。沒有給出關于用作在其上沉積合成金剛石材料的基底的材料的細節，也沒有給出關于將合成金剛石膜從基底分離以產生金剛石揚聲器球頂的分離技術的細節。
[0006]US5556464和JP59143498也公開了金剛石揚聲器球頂，并描述了可以通過如下方式制造這樣的揚聲器球頂:在凸曲面的基底上化學氣相沉積合成金剛石材料以便在其上形成合成金剛石膜，隨后使合成金剛石膜從基底分離以產生金剛石揚聲器球頂。這些文獻給出了關于制造工藝的較多細節并且描述了在凸曲面硅基底上沉積合成金剛石材料并通過在酸中溶解硅基底以實現合成金剛石膜從基底的分離從而產生金剛石揚聲器球頂。
[0007]本發明人利用了前述硅基底-酸溶解方法來制造金剛石揚聲器球頂，并且證實這種方法能用于成功地、高產量地制造金剛石揚聲器球頂，不會在合成和基底去除步驟期間引起相對柔弱、易碎的金剛石揚聲器球頂的開裂。因此，如果適當地控制合成條件，這種方法為制造金剛石揚聲器球頂提供了一種可行的商業途徑。然而，這種用于金剛石揚聲器球頂生產的方法中最主要的費用在于合適的凸曲面硅基底的費用，該基底被溶解在酸中因此只能使用一次。此外，硅基底酸溶解的實際過程是耗時的、昂貴的并且危險的。由于金剛石與硅的粘附性質，該基底不允許保持硅基底完好以再次用于制造另外的金剛石揚聲器球頂的釋放工藝。相反地，在生長以后，需要通過例如HF/硝酸將硅酸蝕。
[0008]使用硅作為CVD金剛石生長工藝(特別是微波驅動的CVD生長工藝)中的CVD金剛石生長基底的額外問題是硅在高溫下的功率吸收，導致熱失控并斷裂。此外，在生長期間硅易于進入CVD金剛石，特別是可表現為737nm S1-V缺陷。因此，硅基底的使用會對CVD金剛石產品的純度產生有害影響。
[0009]鑒于上述，本發明人已經認識到:尋找硅基底-酸蝕工藝的替代方案用以制造金剛石揚聲器球頂是有利的。特別地，有利的是提供一種能夠將可重復使用的基底用于金剛石揚聲器球頂生長的方法，其中所述基底保持基本上不受生長過程影響。這將允許基底被重復用于多個生長操作，并將顯著減少生產的相關費用。另外，這種方法還將避免昂貴且危險的酸蝕方法。
[0010]本發明人因此研宄了可能的替代方法并且特別是使用凸曲面難熔金屬基底的可能性。在這方面，已知可以在平面難熔金屬基底(如鉬、鎢、鈮、或它們的合金)上生長平面CVD合成金剛石膜。例如，US5261959中建議難熔金屬基底材料，如平面圓盤形式的鉬。作為替代，Whitfield 等人建議使用鶴基底(參見“Nucleat1n and growth of diamond filmson single crystal and polycrystalline tungsten substrates”, Diamond and RelatedMaterials,第 9 卷，第 3-6 期，2000 年 4-5 月，第 262-268 頁)。具體而言，Whitfield 等人公開了在2.45GHz的微波等離子體反應器中使用6.3mm厚且直徑50mm的平面聚晶鎢盤和6.3mm厚且直徑8mm的單晶鎢盤。其教導使基底進行包括如下的制備步驟:使用1_3微米的金剛石磨料拋光至鏡面光潔度，和通過超聲波清洗及原位等離子體蝕刻進行清潔。在CVD金剛石生長期間使用光學高溫測量計和嵌入式熱電偶監測基底溫度。還公開了由于CVD金剛石晶片與鎢基底之間的熱膨脹系數差異，在生長之后冷卻時CVD金剛石晶片從鎢基底的自然脫離，從而產生獨立式金剛石晶片。Whitfield等人指出，在他們的實驗中通常并不重復使用基底，但是在進行重復使用的少數情形中，將基底研磨和拋光至少24小時以去除在先前的生長操作期間形成的薄碳化物層。
[0011]鑒于上述，顯然形成難熔金屬的碳化物可以提供硅基底的引人關注的替代。盡管如此，即使在平面構造中，本發明人在使用這些基底時也經歷了很多問題。這些問題包括:基底上的不均勻CVD金剛石生長；在CVD金剛石生長期間，CVD金剛石晶片與基底的分離；以及在CVD金剛石晶片生長之后冷卻期間的裂紋萌生和蔓延。當使用較大的基底來生長大面積的聚晶金剛石盤時(如，直徑80_或更大)，這些問題往往加劇。如果提供非平面基底，如凸曲面難熔金屬基底，發現該問題會進一步加劇。此外，當在后續的生產操作中重復使用所述基底時，這些問題趨于加劇。當基底是昂貴的并且在經濟上具有競爭力的工業過程中期望重復使用時，這特別成問題。
[0012]本領域中已經提出了使用硅基底-酸溶解方法制造金剛石揚聲器球頂的替代方案。例如，GB2427878討論了可以在金屬或非金屬基底上生長金剛石揚聲器球頂，但是確認了與這兩種方法相關的潛在問題。關于金屬基底，確認了生長在其上的金剛石膜在合成期間或冷卻時易于開裂。關于非金屬基底，確認了此類基底難以與生長在其上的金剛石膜分離。因此，GB2427878似乎認識到一些如上文所述本發明人也已確定的問題。為了解決這些問題，GB2427878建議可以在包含緩沖層的凸曲面聚合物基底上生長聚晶CVD合成金剛石揚聲器球頂。其建議這種緩沖層可以由類金剛石碳(DLC)、無定形碳或納米晶體金剛石(NCD)、或金屬或陶瓷膜形成。它描述了在金剛石生長期間聚合物基底被熱分解，從而產生復合揚聲器球頂，該復合揚聲器球頂包含與緩沖材料層粘合的聚晶CVD金剛石材料層。提出這種方法用以避免開裂的問題(如使用固體金屬基底時)和用以避免生長后基底移除的問題(如使用硅基底時)。然而，GB2427878中描述的方法不允許基底的重復使用，因為在金剛石生長過程期間每個基底被熱分解。此外，得到的金剛石揚聲器球頂產品包含附著于金剛石球頂的緩沖材料層。該緩沖層將往往對揚聲器球頂的聲學特性產生不利影響，例如因降低破音頻率。
[0013]JP4161000建議在凸曲面鎢基底上生長聚晶CVD金剛石揚聲器球頂，隨后通過酸溶去除鎢。這種方法在很多方面與先前描述的硅基底-酸溶方法相同，并具有相同的問題，即基底不能被重復使用，以及仍然需要昂貴且有害的酸蝕步驟以便將金剛石揚聲器球頂從其基底釋放。
[0014]JP60141697似乎解決了一些上述問題。該文件公開了一種在具有高耐熱性和低熱導率的材料制成的凸曲面基底(如鉬和硅)上制造金剛石揚聲器球頂的方法。其提到可以通過CVD技術在此類基底上生長金剛石膜。在金剛石合成并冷卻之后，照射來自紅外線燈或加熱器的加熱光束并且使其傳遞通過所述金剛石薄膜以便加熱基底的表面。它暗示:由于基底材料的低熱導率因而不使基底溫度升高到金剛石膜那么多，以及金剛石膜由于溫差而發生熱膨脹并且從基底上釋放從而獲得獨立式金剛石揚聲器球頂。
[0015]原則上，JP60141697中所述的方法似乎能夠提供一種制造金剛石揚聲器球頂的途徑，該途徑允許基底的重復使用并且還避免昂貴且有害的酸蝕步驟。JP60141697建議熱誘發的釋放過程可以用于金屬(鉬)基底和硅基底兩者。然而，如前所述，本發明人已經發現，鑒于金剛石對娃的粘附性質，娃基底的使用不允許可保持娃基底完好以便在制造另外的金剛石揚聲器球頂中重復使用的熱誘發釋放過程。考慮在該過程中使用金屬基底例如鉬時，如前所述，本發明人在使用此類金屬基底時經歷了很多問題，包括:基底上的不均勻CVD金剛石生長；在CVD金剛石生長期間，CVD金剛石晶片與基底的分離；以及在CVD金剛石晶片生長之后冷卻期間的裂紋萌生和蔓延。如前所述，對于平面難熔金屬基底已經存在這些問題，并且如果提供非平面基底如凸曲面難熔金屬基底則會加劇這些問題。此外，當在后續生長操作中重復使用基底時，這些問題往往加劇。GB2427878中也提到了這些問題，其確認了在金屬基底上生長的金剛石膜易于在合成期間或冷卻時開裂。JP60141697似乎沒有解決這些問題。事實上，JP60141697教導，從生長條件冷卻下來之后并且在施用加熱束之前，金剛石揚聲器球頂保持附著在金屬基底上。在CVD金剛石生長之后冷卻時，由于與下方的基底(金剛石膜與其結合)的熱膨脹系數失配，金剛石膜與金屬基底之間的熱膨脹系數失配將導致在金剛石揚聲器球頂上的大量熱應力。因此最終的揚聲器球頂可能含有裂紋。此外，JP60141697仍然需要生長后的處理步驟以除去球頂，這將增加制造過程的時間和成本。
[0016]本發明的某些實施方案的目的是解決前述問題。特別，本發明的實施方案旨在提供一種制造金剛石揚聲器球頂的方法，其允許金剛石揚聲器球頂從可重復使用的基底受控分離而不引起金剛石揚聲器球頂開裂，不會損壞基底使得其可被重復使用，并且不需要生長后的處理步驟來實現分離。
[0017]發明概述
[0018]根據本發明的第一方面，提供了一種獨立式非平面聚晶CVD合成金剛石部件，該部件包含成核面和生長面，所述成核面包含比所述生長面更小的晶粒，所述成核面具有不大于50nm的表面粗糙度Ra，其中所述獨立式非平面聚晶CVD合成金剛石部件在投影到平面上時具有不小于5mm的最長線性尺寸，并且在其至少中心區域上基本無裂紋，其中所述中心區域是所述獨立式非平面聚晶CVD合成金剛石部件總面積的至少70%，其中所述中心區域沒有與所述獨立式非平面聚晶CVD合成金剛石部件的兩個外部主要面相交并且延伸大于2mm長度的裂紋。
[0019]根據本發明的第二方面，提供了一種制造獨立式非平面聚晶CVD合成金剛石部件的方法，所述方法包括:
[0020]對形成碳化物的難熔金屬基底的非平面表面進行處理，從而在所述非平面表面上形成具有不大于50nm表面粗糙度1^的金屬碳化物層；
[0021]在700°C-1300°C范圍的生長溫度下，在CVD反應器中在所述非平面表面上生長聚晶CVD合成金剛石材料的膜；以及
[0022]以受控的速率冷卻所述形成碳化物的難熔金屬基底的和聚晶CVD合成金剛石材料的膜，由此所述聚晶CVD合成金剛石材料的膜在冷卻期間從所述形成碳化物的難熔金屬基