太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片及其制备方法技术

技术编号:19217711 阅读:209 留言:0更新日期:2018-10-20 07:26
本发明专利技术为一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,解决了现有氧化铍、蓝宝石和电子级多晶金刚石等微波输能窗材料存在毒性大、介电常数偏高、可焊性差等问题。本发明专利技术包括电子级CVD金刚石单晶圆片,电子级CVD金刚石单晶圆片的上、下两个面上沿周缘一圈分别设置有环状的可焊接区域,可焊接区域内的部分为能量传输区域,可焊接区域依次经过金属离子注入、退火和金属化处理而形成。本发明专利技术采用离子注入、退火加表面金属化处理的方式对金刚石输能窗片待焊接区域进行处理,赋予边缘金属特性,提高了金刚石的可焊性,这使得制备的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片更容易与窗架连接,且能够实现更高的封接气密性和封接强度。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片及其制备方法
本专利技术属于真空电子器件领域,具体是一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片及其制备方法。
技术介绍
太赫兹(THz)真空器件具有功率大、频带宽等优点,在雷达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感、辐射测量等方面得到了广泛应用。输能窗是THz真空器件的关键部件,为了使器件能稳定工作,并提供良好的电性能参数,输能窗必须同时具有驻波低、传输损耗小、结构强度高、导热系数高和真空密封好等性能。目前,国内外常采用氧化铍和蓝宝石作为微波输能窗口材料。但是氧化铍具有毒性,存在较大的环境污染隐患;而蓝宝石的介电常数相对偏高,无法满足高功率微波窗的使用需求。相比之下,化学气相沉积法(CVD)制备的电子级金刚石具有优异的物理化学性质,包括低介电常数、低微波损耗、高硬度和高导热率等,其抗压强度是一般输能窗材料的数十倍,使输能窗厚度可以比其他材质减少数倍,能进一步降低微波传输损耗,因此是微波真空器件理想的输能窗材料。电子级CVD金刚石包括单晶和多晶金刚石,其中单晶金刚石比多晶金刚石具有更高的断裂强度,同时其封接气密性更高,更适合作为微波输能窗口使用。但是,CVD金刚石单晶作为微波输能窗口也存在问题,由于金刚石与异质材料间具有较高的界面能,很难被大部分熔融金属、合金所浸润,可焊性极差,导致其金属化封接较为困难,使得这种材料在微波窗口材料上的应用受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有氧化铍、蓝宝石和电子级多晶金刚石等微波输能窗材料存在的问题,而提供一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片及其制备方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的:一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,包括电子级CVD金刚石单晶圆片,电子级CVD金刚石单晶圆片的上、下两个面上沿周缘一圈分别设置有环状的可焊接区域,可焊接区域内的部分为能量传输区域,可焊接区域依次经过金属离子注入、退火和金属化处理而形成。作为优选的技术方案,电子级CVD金刚石单晶圆片的厚度为0.1~0.5mm,直径为2~8mm;电子级CVD金刚石单晶圆片上可焊接区域的宽度为0.5~2mm。作为优选的技术方案,电子级CVD金刚石单晶圆片的介电常数为5.5~5.7,氮含量<1.0ppm,热导率为1800~2100W/(m·K),断裂强度为2000~3500Mpa。作为优选的技术方案,可焊接区域内注入的金属离子为强碳化物金属元素或石墨化元素。作为优选的技术方案,强碳化物金属元素为Ti、W、Mo、Cr、Zr、Hf;石墨化元素为Ni、Co、Fe。上述太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片的制备方法,包括如下步骤:1)将电子级CVD金刚石单晶切割并抛光成所需尺寸的电子级CVD金刚石单晶圆片,其中,电子级CVD金刚石单晶的介电常数为5.5~5.7,氮含量<1.0ppm,热导率为1800~2100W/(m·K),断裂强度为2000~3500Mpa;切割成的电子级CVD金刚石单晶圆片的厚度为0.1~0.5mm,直径为2~8mm;电子级CVD金刚石单晶圆片上可焊接区域的宽度为0.5~2mm,;2)将电子级CVD金刚石单晶圆片上下两个面上的能量传输区域覆盖保护,并对可焊接区域进行金属离子注入处理,将金属离子注入到电子级CVD金刚石单晶圆片上的可焊接区域内,注入的金属离子为强碳化物金属元素或石墨化元素,强碳化物金属元素为Ti、W、Mo、Cr、Zr、Hf,石墨化元素为Ni、Co、Fe,金属离子注入剂量为100~500keV、1×1015~1×1017离子/cm2;3)将注入金属离子的电子级CVD金刚石单晶圆片在N2、Ar或H2保护气氛中退火1~2小时,温度为400~700℃;4)再将电子级CVD金刚石单晶圆片上下两个面上的能量传输区域覆盖保护,然后对可焊接区域再进行渗、镀金属涂层的金属化处理即可,渗、镀金属涂层的金属化处理方法为磁控溅射、双辉等离子体表面渗金属或电镀,金属涂层的元素为与所注入的金属离子元素相同或能够与之有良好固溶度的元素。本专利技术采用电子级CVD金刚石单晶做微波输能窗口材料,具有更高的电性能、断裂强度和气密性,同时本专利技术借助表面处理技术改善了金刚石金属化封装困难的问题。本专利技术制备的单晶金刚石太赫兹窗口具有以下优点:1)本专利技术采用CVD法合成的单晶金刚石作为输能窗材料,既可以避免氧化铍的毒性,又具有比蓝宝石更低的介电常数,即电性能更加优良。2)单晶金刚石中不存在晶界缺陷,使得单晶金刚石输能窗具有比多晶金刚石更高的断裂强度和封接气密性。3)本方法采用离子注入、退火加表面金属化处理的方式对金刚石输能窗片待焊接区域进行处理,赋予边缘金属特性,提高了金刚石的可焊性,这使得制备的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片更容易与窗架连接,且能够实现更高的封接气密性和封接强度。4)本专利技术在金属化处理之前,采用离子注入加退火对电子级金刚石单晶表面进行处理,该处理能够使注入的金属与金刚石单晶在近表面区域形成梯度分布的扩散层,从而提高随后表面金属化处理获得的金属层与金刚石间的结合强度。附图说明图1为本专利技术太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片的结构示意图。图2为图1的俯视图。图中:1-电子级CVD金刚石单晶圆片、2-可焊接区域、3-能量传输区域。具体实施方式实施例1如图1、2所示,一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,包括电子级CVD金刚石单晶圆片1,电子级CVD金刚石单晶圆片1的上、下两个面上沿周缘一圈分别设置有环状的可焊接区域2,可焊接区域2内的部分为能量传输区域3,可焊接区域2依次经过金属离子注入、退火和金属化处理而形成,其中,金属离子注入的为金属Ti,金属化处理时也是采用金属Ti。上述太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片的制备方法,包括如下步骤:1)将电子级CVD金刚石单晶切割并抛光成所需尺寸的电子级CVD金刚石单晶圆片1;电子级CVD金刚石单晶的介电常数为5.5~5.7,氮含量<1.0ppm,热导率为1800~2100W/(m·K),断裂强度为2000~3500Mpa;切割成的电子级CVD金刚石单晶圆片1的厚度为0.1mm,直径为8mm,电子级CVD金刚石单晶圆片1上可焊接区域2的宽度为2mm。2)将电子级CVD金刚石单晶圆片1上下两个面上的能量传输区域3覆盖保护,并对上下两个面上的可焊接区域2进行金属离子注入处理,将金属离子注入到电子级CVD金刚石单晶圆片1上的可焊接区域2内;注入的金属离子为金属Ti,注入剂量为200keV、1×1015离子/cm2。3)将注入金属Ti的电子级CVD金刚石单晶圆片1在Ar保护气氛中退火1小时,温度为700℃;4)再将电子级CVD金刚石单晶圆片1上下两个面上的能量传输区域3覆盖保护,然后对可焊接区域2再进行渗金属Ti涂层的金属化处理;采用双辉等离子体渗金属技术对已注入金属Ti的可焊接区域2进行金属化渗Ti处理:将注入金属Ti的电子级CVD金刚石单晶圆片1用去离子水和酒精分别进行超声清洗30min,用热风吹干;将清洗后的电子级CVD金刚石单晶圆片1置于双辉等离子体渗金属设备的真空炉内的基片台上,选用Ti靶,并控制电子级CVD金刚石单晶圆片1与靶材之间的距离为15mm;待双辉等离子体渗金属设备的真空炉抽真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,其特征在于:包括电子级CVD金刚石单晶圆片(1),电子级CVD金刚石单晶圆片(1)的上、下两个面上沿周缘一圈分别设置有环状的可焊接区域(2),可焊接区域(2)内的部分为能量传输区域(3),可焊接区域(2)依次经过金属离子注入、退火和金属化处理而形成。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,其特征在于:包括电子级CVD金刚石单晶圆片(1),电子级CVD金刚石单晶圆片(1)的上、下两个面上沿周缘一圈分别设置有环状的可焊接区域(2),可焊接区域(2)内的部分为能量传输区域(3),可焊接区域(2)依次经过金属离子注入、退火和金属化处理而形成。2.根据权利要求1所述的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,其特征在于:电子级CVD金刚石单晶圆片(1)的厚度为0.1~0.5mm,直径为2~8mm;电子级CVD金刚石单晶圆片(1)上可焊接区域(2)的宽度为0.5~2mm。3.根据权利要求1或2所述的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,其特征在于:电子级CVD金刚石单晶圆片(1)的介电常数为5.5~5.7,氮含量<1.0ppm,热导率为1800~2100W/(m·K),断裂强度为2000~3500Mpa。4.根据权利要求1或2所述的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,其特征在于:可焊接区域(2)内注入的金属离子为强碳化物金属元素或石墨化元素。5.根据权利要求4所述的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片,其特征在于:强碳化物金属元素为Ti、W、Mo、Cr、Zr、Hf;石墨化元素为Ni、Co、Fe。6.如权利要求1或2所述的太赫兹频段真空器件用金刚石单晶输能窗片的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:1)将电子级CVD金刚石单晶切割并抛光成所需尺寸的电子级CVD金刚石单晶圆片(1);2)将电子级CVD金刚石单晶圆片(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员:于盛旺郑可王洪孔高洁黑鸿君马丹丹任咪娜申艳艳贺志勇
申请(专利权)人:太原理工大学
类型:发明
国别省市:山西,14

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