[發(fā)明專利]一種金剛石膜的等離子體電弧沉積裝置與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010015166.6
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111005065B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李成明;鄭宇亭;歐陽曉平;魏俊俊;陳良賢;劉金龍;張建軍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;C30B29/04;C23C16/27;C23C16/513
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種金剛石膜的等離子體電弧沉積裝置與方法，屬金剛石材料制備技術(shù)領(lǐng)域。采用具有多級磁場控制的直流電弧等離子體裝置沉積大面積共形金剛石膜：通過穩(wěn)弧磁場線圈產(chǎn)生的磁場實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)等離子體電弧的穩(wěn)定控制；擴(kuò)展弧線圈在進(jìn)一步穩(wěn)定電弧的同時，擴(kuò)展旋轉(zhuǎn)電弧與襯底尺寸相適應(yīng)，實現(xiàn)電弧的大面積穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向襯底；同時襯底底部的引導(dǎo)磁場線圈實現(xiàn)等離子電弧向襯底凹陷部分移動，實現(xiàn)共形襯底表面的金剛石均勻沉積。三個磁場線圈在實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧的產(chǎn)生和穩(wěn)定的同時擴(kuò)展并引導(dǎo)電弧來擴(kuò)大金剛石沉積面積，避免陽極積碳對電弧的干擾，實現(xiàn)厚度均勻的金剛石膜長期穩(wěn)定生長。所得共形金剛石膜可作為高熱流密度快速散熱的熱沉或窗口材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金剛石材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金剛石膜的等離子體電弧沉積裝置與方法。采用具有多級磁場控制的直流電弧等離子體裝置沉積大面積共形金剛石膜：通過穩(wěn)弧磁場線圈，擴(kuò)展弧磁場線圈及引導(dǎo)磁場線圈實現(xiàn)直流電弧等離子體沉積金剛石過程中旋轉(zhuǎn)電弧的產(chǎn)生和穩(wěn)定，同時擴(kuò)展并引導(dǎo)電弧使得金剛石沉積面積擴(kuò)大，避免了陽極積碳所帶來對電弧的干擾，實現(xiàn)厚度均勻的大尺寸共形金剛石膜的長期穩(wěn)定生長。所得共形金剛石膜可進(jìn)行相應(yīng)成型加工以制備高導(dǎo)熱器件，實現(xiàn)高熱流密度器件或窗口的快速散熱。

技術(shù)背景

優(yōu)異的熱學(xué)性能，尤其是超高的熱導(dǎo)率是金剛石眾多的優(yōu)異性能之一。天然的單晶金剛石室溫?zé)釋?dǎo)率一般都大于2000W/m·K，甚至能夠達(dá)到2200W/m·K以上，相當(dāng)于銅熱導(dǎo)率的5倍之多。高質(zhì)量人工化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)多晶金剛石膜的導(dǎo)熱率也能夠接近甚至達(dá)到天然金剛石的水平。于此同時，金剛石的熱膨脹系數(shù)極低，室溫下僅為1.0×10^-6K^-1。這些優(yōu)異的熱學(xué)性能使得金剛石在半導(dǎo)體光電子器件、精密機(jī)械加工等高技術(shù)領(lǐng)域甚至特殊服役環(huán)境下的熱管理方面取得了其他功能材料無法比擬的重要的實際應(yīng)用。例如，中子發(fā)生器現(xiàn)有氚靶襯底普遍采用鉻鋯銅或無氧銅材料，冷卻方式主要采用直噴水冷卻、溝槽水冷卻和夾層水冷卻。國際上以美國RTNS-Ⅱ和俄羅斯SNEG-13為代表的先進(jìn)中子發(fā)生器，氚靶片基底材料選用銅材質(zhì)，靶片上鍍一層很薄的鈦膜作為吸氚材質(zhì)，采用溝槽水冷卻的旋轉(zhuǎn)靶方案，中子產(chǎn)額約為10¹³ns^-1量級。國內(nèi)當(dāng)前最先進(jìn)的中子發(fā)生器中子產(chǎn)額約為10¹²ns^-1量級(HINEG-Ⅰ)，靶片采用直噴水冷卻加旋轉(zhuǎn)設(shè)計，鉻鋯銅為基底材料。當(dāng)束斑功率密度為12kW·cm^-2時，靶片表面溫度已達(dá)上限200℃，因此HINEG-Ⅰ中子發(fā)生器熱流密度只能控制在10kW·cm^-2以內(nèi)。正在開發(fā)中的HINEG-Ⅱ型中子發(fā)生器，設(shè)計中子產(chǎn)額將達(dá)到10¹⁴-10¹⁵ns^-1，此時靶片熱流密度將高達(dá)到50kW·cm^-2，遠(yuǎn)高于目前HINEG-Ⅰ型中子發(fā)生器。因此，采用高導(dǎo)熱的金剛石進(jìn)行靶襯底設(shè)計，將有可能極大提高散熱效率。此外，高功率激光器的研制和航空傳感系統(tǒng)的發(fā)展，對窗口的耐高溫和寬波段高透過的要求不斷提高，CVD金剛石膜成為重要的高性能窗口材料。激光穿過窗口時，部分激光被窗口吸收，從而產(chǎn)生熱源。較大的激光功率密度可使窗口材料產(chǎn)生高達(dá)幾百攝氏度的溫度和極高的溫度梯度，從而不得不通過降低激光功率而保證安全運(yùn)行。而金剛石窗口由于其具有的超高導(dǎo)熱率而能夠快速降低窗口溫度，大大降低熱應(yīng)力，將窗口對激光傳輸質(zhì)量的影響降到最低。另外，金剛石膜也被用作大功率半導(dǎo)體激光器、集成電路、微波器件的散熱襯底材料，高密度集成電路封裝材料等將器件工作時產(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)出，降低溫度，提高工作穩(wěn)定性。其應(yīng)用前景和應(yīng)用價值是其他眾多材料都無法比擬的。