[发明专利]一种金刚石膜的等离子体电弧沉积装置与方法

说明书

一种金刚石膜的等离子体电弧沉积装置与方法，属金刚石材料制备技术领域。采用具有多级磁场控制的直流电弧等离子体装置沉积大面积共形金刚石膜：通过稳弧磁场线圈产生的磁场实现对旋转等离子体电弧的稳定控制；扩展弧线圈在进一步稳定电弧的同时，扩展旋转电弧与衬底尺寸相适应，实现电弧的大面积稳定旋转导向衬底；同时衬底底部的引导磁场线圈实现等离子电弧向衬底凹陷部分移动，实现共形衬底表面的金刚石均匀沉积。三个磁场线圈在实现旋转电弧的产生和稳定的同时扩展并引导电弧来扩大金刚石沉积面积，避免阳极积碳对电弧的干扰，实现厚度均匀的金刚石膜长期稳定生长。所得共形金刚石膜可作为高热流密度快速散热的热沉或窗口材料。

技术领域

本发明属于金刚石材料制备技术领域，涉及一种金刚石膜的等离子体电弧沉积装置与方法。采用具有多级磁场控制的直流电弧等离子体装置沉积大面积共形金刚石膜：通过稳弧磁场线圈，扩展弧磁场线圈及引导磁场线圈实现直流电弧等离子体沉积金刚石过程中旋转电弧的产生和稳定，同时扩展并引导电弧使得金刚石沉积面积扩大，避免了阳极积碳所带来对电弧的干扰，实现厚度均匀的大尺寸共形金刚石膜的长期稳定生长。所得共形金刚石膜可进行相应成型加工以制备高导热器件，实现高热流密度器件或窗口的快速散热。

技术背景

优异的热学性能，尤其是超高的热导率是金刚石众多的优异性能之一。天然的单晶金刚石室温热导率一般都大于2000W/m·K，甚至能够达到2200W/m·K以上，相当于铜热导率的5倍之多。高质量人工化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)多晶金刚石膜的导热率也能够接近甚至达到天然金刚石的水平。于此同时，金刚石的热膨胀系数极低，室温下仅为1.0×10^-6K^-1。这些优异的热学性能使得金刚石在半导体光电子器件、精密机械加工等高技术领域甚至特殊服役环境下的热管理方面取得了其他功能材料无法比拟的重要的实际应用。例如，中子发生器现有氚靶衬底普遍采用铬锆铜或无氧铜材料，冷却方式主要采用直喷水冷却、沟槽水冷却和夹层水冷却。国际上以美国RTNS-Ⅱ和俄罗斯SNEG-13为代表的先进中子发生器，氚靶片基底材料选用铜材质，靶片上镀一层很薄的钛膜作为吸氚材质，采用沟槽水冷却的旋转靶方案，中子产额约为10¹³ns^-1量级。国内当前最先进的中子发生器中子产额约为10¹²ns^-1量级(HINEG-Ⅰ)，靶片采用直喷水冷却加旋转设计，铬锆铜为基底材料。当束斑功率密度为12kW·cm^-2时，靶片表面温度已达上限200℃，因此HINEG-Ⅰ中子发生器热流密度只能控制在10kW·cm^-2以内。正在开发中的HINEG-Ⅱ型中子发生器，设计中子产额将达到10¹⁴-10¹⁵ns^-1，此时靶片热流密度将高达到50kW·cm^-2，远高于目前HINEG-Ⅰ型中子发生器。因此，采用高导热的金刚石进行靶衬底设计，将有可能极大提高散热效率。此外，高功率激光器的研制和航空传感系统的发展，对窗口的耐高温和宽波段高透过的要求不断提高，CVD金刚石膜成为重要的高性能窗口材料。激光穿过窗口时，部分激光被窗口吸收，从而产生热源。较大的激光功率密度可使窗口材料产生高达几百摄氏度的温度和极高的温度梯度，从而不得不通过降低激光功率而保证安全运行。而金刚石窗口由于其具有的超高导热率而能够快速降低窗口温度，大大降低热应力，将窗口对激光传输质量的影响降到最低。另外，金刚石膜也被用作大功率半导体激光器、集成电路、微波器件的散热衬底材料，高密度集成电路封装材料等将器件工作时产生的热量迅速导出，降低温度，提高工作稳定性。其应用前景和应用价值是其他众多材料都无法比拟的。