CN111843247A - 一种在金刚石内部形成通道的方法及金刚石制品 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种在金刚石内部形成通道的方法及金刚石制品，该方法包括：利用激光束在基体金刚石的目标表面上加工出表面槽道；将可消蚀填料填充至所述表面槽道；在所述目标表面上生长附生金刚石，使得所述附生金刚石与所述基体金刚石一起将所述可消蚀填料包围；利用消蚀剂将所述可消蚀填料清除以形成通道。

Description

一种在金刚石内部形成通道的方法及金刚石制品

技术领域

本发明涉及金刚石加工领域，尤其涉及一种在金刚石内部形成通道的方法及金刚石制品。

背景技术

金刚石主要可以划分为天然金刚石与人工合成金刚石两大类，人工合成金刚石包括单晶金刚石和多晶金刚石，相对于多晶金刚石，单晶金刚石纯度更高、质量更好，不存在不规则晶界，所以在机械制造、半导体行业被广泛使用。

金刚石晶体具备极高的硬度、导热率和优异的化学稳定性，因此非常适于用作半导体芯片散热基底的材料，特别地，金刚石由于其卓越的散热性能，因此被认为是最理想的芯片散热基底材料，并在部分领域实现了应用。在金刚石材料的散热基底内部加工冷却通道是一种新型的技术手段，使冷却水在冷却通道中流通，利用沸腾换热原理，可以使材料导热率增大至少一倍。

然而，传统的加工方法如自组装法、水热法、模板法、化学气相沉积法、电化学刻蚀法等，均无法满足在金刚石内部加工通道的需求。自组装法、水热法以及电化学刻蚀法由于原理限制，只能在金刚石表面加工表面槽道，无法制造内部通道。模板法和化学气相沉积法制造的内部通道的尺寸在毫米级以上，无法满足芯片的微纳米级尺寸。

目前，针对金刚石加工最高效方法是采用激光加工方案，其具有加工速度快、表面变形小，加工材料适用面广的特点。一般来说，其加工原理是高能激光束使加工区域的金刚石晶体石墨化，之后进一步将石墨化区熔化和汽化，在这一过程中，往往会在加工通道中留有残渣。这是因为，第一方面，由于加工通道属于微纳米级，尺寸很小，因此残渣无法采用直接接触的方式从通道清除；第二方面，一些残渣因为熔化和汽化不充分会粘连在通道内壁，进一步增大将残渣从通道彻底清除的困难度。因此，传统的激光加工方法只能在金刚石表面加工出通道，无法在金刚石内部加工出通道。可见，在金刚石内部加工通道的难题是制约将金刚石用作芯片散热基底材料的一大瓶颈。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种在金刚石内部形成通道的方法，无需用激光束直接在金刚石内部加工出通道，避免激光加工后的残渣无法从金刚石内部微纳米级的通道排出的问题，而仅在金刚石的表面加工出表面槽道，即可获得处于金刚石制品内部的通道。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种在金刚石内部形成通道的方法，该方法包括：

利用激光束在基体金刚石的目标表面上加工出表面槽道；

将可消蚀填料填充至表面槽道；

在目标表面上生长附生金刚石，使得附生金刚石与基体金刚石一起将可消蚀填料包围；

利用消蚀剂将可消蚀填料清除以形成通道。

第二方面，本发明实施例提供了一种金刚石制品，该金刚石制品内部具有通道，该通道通过根据第一方面所述的方法形成。

本发明实施例提供了一种在金刚石内部形成通道的方法及金刚石制品，采用表面槽道加工与金刚石生长相结合的方法实现在金刚石内部形成通道，避免了激光束直接加工内部通道的情况下残渣无法清除的问题，而且只需要对金刚石的表面进行激光加工，因此表面槽道易于被加工成具有不同的形状和尺寸，由此可简单实现相应的不同形状和尺寸的内部通道的制造。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种在金刚石内部形成通道的方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种利用激光束在金刚石的表面上加工表面槽道的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种将可消蚀填料填充至表面槽道的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种在目标表面上生长金刚石以形成通道的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种在内部具有通道的金刚石制品的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种在金刚石内部形成通道的方法，该方法包括以下步骤：

S101：利用激光束1在基体金刚石2的目标表面S上加工出表面槽道3，如在图2中示出的；其中基体金刚石2是相对于在图4中示出并在下文中详细描述的附生金刚石5而言的，其中目标表面S为基体金刚石2的待处理表面，目标表面S上将被加工出表面槽道3并且如在下文中详细描述的目标表面S上将生长附生金刚石5；

S102：将可消蚀填料4填充至表面槽道3，如在图3中示出的；这里的可消蚀填料是指能够与另一物质或者说消蚀剂发生反应而变得容易被清除的物质，可消蚀填料可以是液相的或固相的，消蚀剂可以是气相的、液相的或固相的，例如，可消蚀填料为固体而消蚀剂为液体，液体消蚀剂能够使固体可消蚀填料直接溶解于其中或发生化学反应后溶解于其中而使得填料易被清除；

S103：在目标表面S上生长附生金刚石5，使得附生金刚石5与基体金刚石2一起将可消蚀填料4包围，如在图4中示出的，上述可消蚀填料4起到了防止在目标表面S上生长的附生金刚石5填充表面槽道3的作用；

S104：利用消蚀剂将可消蚀填料4清除以形成通道C，至此，获得了在内部具有通道C的金刚石制品6，如在图5中示出的。

上述方法在实现了在金刚石内部加工通道的同时解决了需要将激光加工金刚石后残留在通道中的残渣从通道清除的问题。首先，利用激光束1加工表面槽道3的过程中也可能产生残留的残渣，尽管该残渣也需要清除，但与直接利用激光在金刚石内部加工通道所产生的残留在通道中的残渣相比，由于表面槽道3处于金刚石的表面，而形成在表面槽道3中的残渣是暴露在外的或者说是可触及的，因此极大地提搞了清除的容易程度。其次，尽管当附生金刚石5与基体金刚石2一起包围可消蚀填料4并形成通道C后，也需要将“残留”在通道C中的可消蚀填料4清除，但与直接利用激光在金刚石内部加工通道所产生的残留在通道中的残渣相比，利用相应的消蚀剂即可以简单的方式将可消蚀填料4从通道C彻底清除，相反，激光加工金刚石产生的残渣难以寻找到对应的消蚀剂因此难以清除。

优选地，在上述步骤S101中用于加工基体金刚石5的激光束1的激光功率可以为通常加工金刚石常用的0.1-1000W，激光频率可以为通常加工金刚石常用的0-10MHz。

优选地，如图2所示，在上述步骤S101中用于加工基体金刚石5的激光束1为聚焦在基体金刚石2的目标表面S上的聚焦激光束，聚焦激光束使能量集中，能够获得更好的加工效果，该聚焦激光束在目标表面S上形成的聚焦光斑可以呈圆形，该圆形的半径可以介于通常加工金刚石常用的0.1-100μm之间。

聚焦光斑大小决定单次加工通道的宽度，较宽的通道加工可以采用多道并行加工的方式实现。在通道通过单次激光加工完成的情况下，聚焦光斑的聚焦半径决定了在目标表面S上加工出的表面槽道3的尺寸，而最终形成的通道C的尺寸比如横截面积与表面槽道3的尺寸相关，因此可以根据所生产产品对通道C的尺寸的要求来选择上述聚焦光斑的聚焦半径。

优选地，在上述步骤S101中用于加工基体金刚石5的激光束1的激光类型可以为连续激光或脉冲激光。

可以根据表面槽道3的加工尺寸和质量要求来选择激光类型，加工尺寸较大且质量要求较低时可以选择连续激光，加工尺寸较小且质量要求较高时可以选择脉冲激光。

优选地，在上述步骤S101中利用激光束1加工出的表面槽道3可以为如图2所示的直线状，也可以为图中未示出的折线状或其他任意形状。

例如，可以驱动激光束1在图2所示的xy平面内扫描出特定的轨迹，以实现所需要的任意表面槽道形状。相反，在直接利用激光在金刚石内部加工通道的情况下，由于光线沿直线传播，因此只能够加工出与通道内径相关的有限弯曲程度的通道，无法实现本发明中在目标表面S中呈任意形状的通道。

优选地，在上述步骤S102中将可消蚀填料4填充成与目标表面S保持齐平。

如果希望最终形成的通道C满足设定尺寸，需要同时考虑激光加工的表面槽道3的尺寸以及可消蚀填料4的填充量。然而，激光加工的加工量或者说表面槽道3的尺寸是容易控制的，而可消蚀填料4的填充量与之相比是不容易控制的。因此，在将可消蚀填料4填充成与目标表面S保持齐平的情况下，可以通过精确控制激光加工出的表面槽道的尺寸来使最终形成的通道C满足设定尺寸。

优选地，在上述方法中，基体金刚石2可以为多晶金刚石，相应地，在步骤S103中生长的附生金刚石5也为多晶金刚石。

优选地，在上述方法中，基体金刚石2可以为单晶金刚石，相应地，在步骤S103中生长的附生金刚石5也为单晶金刚石。相对于多晶金刚石，单晶金刚石纯度更高、质量更好，不存在不规则晶界，因此使用性能更佳。

优选地，在上述步骤S103中生长附生金刚石5可以采用化学气相沉积法、高温高压法或其他金刚石生长方法。

优选地，参见图4，在上述步骤S103中，附生金刚石5可以沿着与基体金刚石2的目标表面S垂直的方向即图4中示出的Z方向生长。

由于生长金刚石的目的在于使附生金刚石5与基体金刚石2一起将可消蚀填料4包围，因此在附生金刚石5沿着图4中示出的Z方向生长的情况下能够以最直接的方式实现上述目的，例如在采用化学气相沉积方法生长金刚石的情况下能够减少源气的使用量，缩短金刚石生长时间。

优选地，在上述步骤S101中被激光束1加工的基体金刚石2在垂直于目标表面S的方向上(即，图2-5中示出的z方向)的厚度可以为0.01-10mm，基体金刚石2和附生金刚石5在该方向上的总厚度可以为0.01-20mm。

在图5中示出的金刚石制品6被用作半导体芯片的散热基底的情况下，可以根据需要选择基体金刚石2的厚度以及基体金刚石2和附生金刚石5的总厚度。

优选地，在上述步骤S104中，消蚀剂以高压射流方式冲击可消蚀填料4。

例如，可以将消蚀剂置于加压容器内并对消蚀剂进行加压，加压的消蚀剂可以通过喷嘴高速喷出，所形成的射流因此能够冲入到填充有可消蚀填料4的通道C中并对可消蚀填料4进行冲击。在这种情况下，消蚀剂除了能够对可消蚀填料4产生溶解作用外还能够对可消蚀填料4产生以直接接触方式进行的物理冲刷作用，从而极大地加快可消蚀填料4的清除速度。

优选地，在上述步骤S102中填充至表面槽道C的可消蚀填料4可以为金属填料，步骤S104中使用的消蚀剂相应地为能够腐蚀金属填料的酸溶液。

金刚石生长需要在高温高压的环境下进行，金属填料即使在这种环境下也不会参与到金刚生长所发生的反应中，另一方面，相应的酸溶液在清除填料的过程中不会与金刚石发生反应。

具体地，金属填料可以为镍、铜或者其他不参与金刚石生长过程所发生的反应的材料，消蚀剂相应地为盐酸或者硫酸。

参见图5，其示出了本发明实施例提供的一种金刚石制品6的示意图，该金刚石制品6内部具有通道C，该通道C通过前述的方法形成。

将如上所述的金刚石制品6用作半导体芯片的散热基底，可以使例如冷却水在内部通道C中流通，利用沸腾换热原理，极大提高了散热基底的导热率。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种在金刚石内部形成通道的方法，其特征在于，包括：

利用激光束在基体金刚石的目标表面上加工出表面槽道；

将可消蚀填料填充至所述表面槽道；

在所述目标表面上生长附生金刚石，使得所述附生金刚石与所述基体金刚石一起将所述可消蚀填料包围；

利用消蚀剂将所述可消蚀填料清除以形成通道。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的激光功率为0.1-1000W，激光频率为0-10MHz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束为聚焦在所述基体金刚石的目标表面上的聚焦激光束，所述聚焦激光束的聚焦光斑呈圆形，所述圆形的半径介于0.1-100μm之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束的激光类型为连续激光或脉冲激光。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加工出的所述表面槽道在所述目标表面呈直线状、折线状或其他任意形状。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在垂直于所述目标表面的方向上，所述基体金刚石的厚度介于0.01-10mm，所述基体金刚石和所述附生金刚石的总厚度介于0.01-20mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述消蚀剂以高压射流方式冲击所述可消蚀填料。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可消蚀填料为金属填料，所述消蚀剂相应地为能够腐蚀所述金属填料的酸溶液。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金属填料为镍、铜或者其他不参与金刚石生长过程所发生的反应的材料，所述消蚀剂相应地为盐酸或者硫酸。

10.一种金刚石制品，其特征在于，所述金刚石制品内部具有通道，所述通道通过根据权利要求1至9中任一项所述的方法形成。

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