CN110416039B - 一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片及其制备方法 - Google Patents
一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片，包括复合金刚石膜，以及在其形核面上依次生长的微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜；其中，所述复合金刚石膜的形核面经过了去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理。该金刚石输能窗片的形核面重新生长的超纳米晶具有高的抗断裂强度，并降低了THz波的损耗；而重新生长的微米晶金刚石可适当提高形核面的表面粗造度，从而增加形核面与后续金属化层之间的结合力，防止金属化层的起皮或脱落，提高输能窗的密封性能和封接的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子器件领域。更具体地，涉及一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片及其制备方法。
背景技术
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。由于这种真空器件的频率相对较高，零部件的尺寸较小，给研制带来种种困难，特别是THz行波管中采用的慢波结构、衰减器和微波输能窗的加工制造更是如此。输能窗是THz行波管中的重要部件之一。为了使行波管能正常工作，并提供良好的电性能参数，输能窗必须具有驻波低、传输损耗小等特点，而且应该具有足够的结构强度和真空密封性能。
对于短毫米波，例如W波段行波管，发明人已于2013年初研制了短毫米波段行波管用多晶(微米晶)金刚石窗满足使用需求，并获得了发明专利(专利号：ZL201310131910.9.)。然而，对于THz真空器件，随着频率的增加，器件尺寸进一步减小，输能窗的厚度下降到0.1mm以下，甚至几十微米。用于短毫米波行波管输能窗的微米晶金刚石也出现一系列问题。例如机械强度不够和真空密封性能达不到要求。所以，发明人于2014年进一步研制了THz 波段行波管用厚度在0.1mm以下、多层微米晶与超纳米晶交替结构的复合金刚石窗片，并获得了发明专利(专利号：ZL 201410011479.9)。
虽然微米晶与超纳米晶交替结构的复合金刚石材料已基本上能满足THz 波段行波管的需求，但也存在两个主要问题。一个问题是形核面的机械强度要比生长面低达500MPa，约为50％。另一个问题是形核面通常为超纳米晶或纳米晶金刚石，表面的光洁度相对较高(平均粗糙度≤20nm)，使得后续金属化层的结合力较差，容易造成起皮，或脱落，影响钎焊的密封性能和强度，甚至出现输能窗的漏气，以致失效。
因此，需要提供一种具有较高形核面机械强度和可以降低THz波传输损耗的输能窗片。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片，该输能窗片可以提高复合金刚石膜形核面的机械强度、降低THz波传输损耗，并可以增加形核面与金属化层之间的结合力，提高输能窗钎焊封接的密封性能和封接的成品率。
本发明的另一个目的在于提供一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片，包括复合金刚石膜，以及在其形核面上依次生长的微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜；其中，所述复合金刚石膜的形核面经过了去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理。
需要说明的是，本发明所述的包含缺陷和非金刚石相表层指的是形核面表面上富集了大量缺陷和杂质的表面层，包含结晶不完全的碳的sp2相。
优选地，所述复合金刚石膜包括有多层交替的微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜；
优选地，所述复合金刚石膜的生长面为超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
需要说明的是，本发明提供的太赫兹波段真空器件用的输能窗片具有两种结构，一种从低往上依次包括有复合金刚石膜、微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜，另一种从低往上依次包括有复合金刚石膜、微米晶金刚石膜和纳米晶金刚石膜，其中复合金刚石膜的形核面经过了去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理。此外，复合金刚石膜有不同的组分类型，一种是由微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜组成，一种是由微米晶金刚石膜和纳米晶金刚石膜组成。在本发明中，复合金刚石的形核面侧最外层金刚石膜可以为超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
现有技术中的包括有微米晶和超纳米晶交替排列的复合金刚石输能窗片在使用过程中存在形核面的机械强度要比生长面低达500MPa，约为50％，且该形核面与金属化层直接的结合力较弱，会影响钎焊的密封性能和强度，甚至出现输能窗的漏气。发明人针对现有技术中的这一缺陷，提出对复合金刚石膜的形核面进行去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理，并在该处理后的形核面上重新生长微米晶金刚石膜，最后再生长一层超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
在本发明中，通过对复合金刚石膜的形核面进行去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理，有效的去掉了形核面表面上富集了大量缺陷和杂质的表面层，包含结晶不完全的碳的sp2相。且通过拉曼光谱比对测试，可以发现其形核面表面的非金刚石相的含量下降。接着在处理后的形核面上生长高品质的微米晶金刚石和一层超纳米晶金刚石或纳米晶金刚石，可以有效的提高其形核面的机械强度，并降低THz波的传输损耗。另外，重新生长的适当厚度的微米晶金刚石，提高了形核面的表面粗糙度，从而增加形核面与后续金属化层之间的结合力，防止金属化层的起皮或脱落，提高输能窗的密封性能和封接的成品率。
本发明提供的具有多层的金刚石膜结构的输能窗片，其最上层和最下层均为晶粒小于20nm，结构致密的超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜，断裂强度均能达到1450±150MPa,既能承受大气压力，也能确保真空密封性能。
本发明中所述输能窗片的厚度根据其使用频率确定的，如850GHz的输能窗片的厚度为60微米。优选地，所述复合金刚石膜的形核面去除包含缺陷和非金刚石相表层的厚度为0.5-5μm。
优选地，所述微米晶金刚石膜的厚度为2-20μm。
优选地，所述超纳米晶金刚石膜的厚度为1-5μm，所述纳米晶金刚石膜的厚度为1-5μm。
本发明第二个方面提供了一种上述输能窗片的制备方法，制备过程包括去除复合金刚石膜形核面上包含缺陷和非金刚石相表层，然后在除形核面表层的复合金刚石膜上依次生长微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
在本发明提供的制备过程中，采用的是微波等离子化学气相沉积设备，首先使用金刚石粉将硅片表面进行抛光形核处理，然后进行包括有微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜的复合金刚石膜的生长，接着去除形核面上的包含缺陷和非金刚石相表层，然后再进行微米晶金刚石的生长，最后进行超纳米晶金刚石或纳米晶金刚石的生长；提高了金刚石输能窗材料形核面的断裂强度，降低了太赫兹波的损耗；此外，增加了形核面的粗糙度，提高了形核面与后续金属化层之间的结合力，防止金属化层的起皮或脱落，提高输能窗的密封性能和封接的成品率。
优选地，在本发明中，采用微波H2/O2混合气体等离子体刻蚀技术去除复合金刚石膜形核面上的包含缺陷和非金刚石相表层；
优选地，等离子刻蚀过程中，氧气流量为1-10sccm，氢气流量为 90-99sccm，气压为5-15KPa，微波功率为1-3KW，基片温度为750-950℃。
在具体的实施方式中，去除包含缺陷和非金刚石相表层的厚度为 0.5-5μm。
优选地，在所述微米晶金刚石膜的生长过程中，控制甲烷流量为1-3sccm，氢气流量为100-600sccm，气压为5-20KPa，微波功率为1-5KW，基片温度为800-950℃。
在具体的实施方式中，微米晶金刚石膜的生长厚度至2-20μm。
优选地，在所述超纳米晶金刚石膜的生长过程中，控制甲烷流量为 1-3sccm，氢气流量为1-10sccm，氩气流量为100-500sccm，气压为5-15KPa，微波功率为1-2KW，基片温度为700-850℃。
在具体的实施方式中，超纳米晶金刚石膜的生长厚度至1-5μm。
优选地，在所述纳米晶金刚石膜的生长过程中，控制甲烷流量为 3-10sccm，氢气流量为100-600sccm，气压为5-18KPa，微波功率为2-4KW，基片温度为700-850℃。
在具体的实施方式中，纳米晶金刚石膜的生长厚度至1-5μm。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的输能窗片中复合金刚石膜的形核面经过了去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理，消除了形核面表面富集的缺陷，然后重新生长了高质量的微米晶和超纳米晶金刚石或纳米晶金刚石，将金刚石输能窗材料形核面的抗断裂强度从原来的950±150MPa提高到1450±150MPa，并降低了THz 波的损耗。
另一方面，重新生长的微米晶金刚石可适当提高形核面的表面粗造度，从而增加形核面与后续金属化层之间的结合力，防止金属化层的起皮或脱落，提高输能窗的密封性能，将封接的成品率从原来的30-40％提高到85％以上，使THz真空器件获得更稳定和可靠的工作性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出太赫兹波段真空器件用的输能窗片的制备过程。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在具体的实施方式中，本发明提供的输能窗片的制备过程如图1所示，其中1-微波H2/O2混合气氛等离子体，2-形核面包含缺陷和非金刚石相的表层，3-复合金刚石膜，4-微米晶金刚石膜，5-超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
将已制备的复合金刚石放在微波等离子化学气相沉积设备的样品台上，并使其形核面向上，如图1(a)所示，采用微波H2/O2混合气氛等离子体1 去刻蚀形核面包含缺陷和非金刚石相的表层2，使其复合金刚石膜3露出高质量的表面；如图1(b)所示，然后在复合金刚石膜3上生长微米晶金刚石膜4，接着再生长超纳米晶金刚石膜5或纳米晶金刚石膜5。
实施例1
将复合金刚石放在微波等离子化学气相沉积设备的样品台上，并使其形核面向上；
对形核面进行微波H2/O2混合气氛等离子体刻蚀，控制氧气流量为5 sccm，氢气流量为95sccm，气压为13KPa，微波功率为2.2KW，基片温度为850℃，除去形核面包含缺陷和非金刚石相的表层4μm；
然后再进行微米晶金刚石膜的生长，控制甲烷流量为3sccm，氢气流量为300sccm，气压为18.6KPa，微波功率为2.4KW，基片温度为900℃，生长厚度为10μm。
接着在微米晶金刚石膜上进行超纳米晶金刚石膜的生长，控制甲烷气流为1.5sccm，氩气气流为240sccm，氢气流量为6sccm，气压为13KPa，微波功率为1.6KW，基片温度为800℃，生长厚度为4μm。
对得到的多个输能窗片进行测试，发现其形核面的断裂强度均位于 1450±150MPa；将其封接成输能窗并进行真空检漏试验，可以发现成品率达到85％以上。
实施例2
将复合金刚石放在微波等离子化学气相沉积设备的样品台上，并使其形核面向上；
对形核面进行微波H2/O2混合气氛等离子体刻蚀，控制氧气流量为5 sccm，氢气流量为95sccm，气压为13KPa，微波功率为2.2KW，基片温度为850℃，除去形核面包含缺陷和非金刚石相的表层4μm；
然后再进行微米晶金刚石膜的生长，控制甲烷流量为3sccm，氢气流量为300sccm，气压为18.6KPa，微波功率为2.4KW，基片温度为900℃，生长厚度为10μm。
接着在微米晶金刚石膜上进行纳米晶金刚石膜的生长，控制甲烷气流为 6sccm，氢气流量为200sccm，气压为17.3KPa，微波功率为2.2KW，基片温度为850℃，生长厚度为4μm。
对得到的多个输能窗片进行测试，发现其形核面的断裂强度均位于 1450±150MPa；将其封接成输能窗并进行真空检漏试验，可以发现成品率达到85％以上。
对比例1
对实施例1和2所用的复合金刚石进行测试，发现形核面的断裂强度均位于950±150MPa，要比本发明提供的输能窗片的断裂强度小500MPa。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (12)
1.一种太赫兹波段真空器件用的输能窗片，其特征在于，包括复合金刚石膜，以及在其形核面上依次生长的微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜；其中，所述复合金刚石膜的形核面经过了去除包含缺陷和非金刚石相表层的处理。
2.根据权利要求1所述的输能窗片，其特征在于，所述复合金刚石膜包括有多层交替的微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
3.根据权利要求2所述的输能窗片，其特征在于，所述复合金刚石膜的生长面为超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
4.根据权利要求1所述的输能窗片，其特征在于，所述复合金刚石膜的形核面去除的包含缺陷和非金刚石相表层的厚度为0.5-5μm。
5.根据权利要求1所述的输能窗片，其特征在于，所述微米晶金刚石膜的厚度为2-20μm。
6.根据权利要求1所述的输能窗片，其特征在于，所述超纳米晶金刚石膜的厚度为1-5μm，所述纳米晶金刚石膜的厚度为1-5μm。
7.一种如权利要求1-6任一所述的输能窗片的制备方法，其特征在于，所述制备过程包括有去除复合金刚石膜形核面上包含缺陷和非金刚石相的表层，然后在去除形核面表层的复合金刚石膜上依次生长微米晶金刚石膜和超纳米晶金刚石膜或纳米晶金刚石膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用微波H2/O2混合气体等离子体刻蚀技术去除复合金刚石膜形核面上的包含缺陷和非金刚石相表层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，等离子刻蚀过程中氧气流量为1-10sccm，氢气流量为90-99sccm，气压为5-15KPa，微波功率为1-3KW，基片温度为750-950℃。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述微米晶金刚石膜的生长过程中，控制甲烷流量为1-3sccm，氢气流量为100-600sccm，气压为5-20KPa，微波功率为1-5KW，基片温度为800-950℃。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述超纳米晶金刚石膜的生长过程中，控制甲烷流量为1-3sccm，氢气流量为1-10sccm，氩气流量为100-500sccm，气压为5-15KPa，微波功率为1-2KW，基片温度为700-850℃。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述纳米晶金刚石膜的生长过程中，控制甲烷流量为3-10sccm，氢气流量为100-600sccm，气压为5-18KPa，微波功率为2-4KW，基片温度为700-850℃。
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