金刚石薄膜这么多用途,你知道吗?

发表时间:2021-11-15 15:47作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

传统的金刚石(天然和人造)多数以块体形态呈现,这也就限制了其应用。金刚石薄膜物理化学性优异,且成本较天然金刚石低,能够制备各种几何形状,理论上对尺寸是没有限制的,在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景!


金刚石薄膜几乎都是采用CVD方法生成,CVD金刚石主要具备如下典型特点:

大面积:CVD技术能够提供天然矿产无法达到的大面积、高质量金刚石;

大体积:与高温高压法生产的金刚石相比,CVD金刚石的性能要优越得多。由于具有大块固体特征,应用领域、范围等均广泛得多,真正开启了金刚石全方位应用的新时代;

薄膜覆盖性:CVD法能够产生金刚石薄膜、涂层,进一步增加了CVD金刚石技术的应用领域。

与天然金刚石相比,金刚石薄膜具备如下特点:

室温下天然金刚石及CVD金刚石膜的主要性能



金刚石薄膜的用途


金刚石的薄膜集各种优点于一身,甚至有科学家指出:金刚石薄膜是继石器时代、青铜器时代、钢铁时代、硅材料时代以来的第五代新材料。其应用有六个方面:

第一,其导热性约是硅材料的两万倍,它将取代硅材料制造新一代计算机,使计算机功能极大扩展,体积大大缩小。同时,抗酸碱、抗辐射、抗高温,从而能使计算机在恶劣环境下工作;

第二,单晶金刚石薄膜若开发成功将使现有应用的电子元器件更新50%以上;

第三,利用其高硬度和优异的光学性质组合还可以开发出永不磨损的摄像机、照相机等各种红外光学镜头;

第四,应用于航空航天,能开发各种高质量的密封件、热沉材料、导弹罩和新型小型发动机等;

第五,金刚石薄膜工具还能加工和制造各种超硬材料;

第六,利用金刚石薄膜能发挥冷阴极电子的特点制造出高清晰、超薄、超大屏幕的电视机、计算机显示器,而且极省电。


以下是金刚石薄膜材料在各个领域的具有应用:


1.工具领域

随着工业的发展以及对材料轻量化,高比强度要求的日益增高。一些超硬金属、碳纤维增强塑料、玻璃纤增强塑料等新材料在工业领域得到日益广泛的应用,这也为超硬材料的加工提出了更高的要求。金刚石已经逐渐成为工业领域首选的刀具材料。比如将金刚石膜直接沉积在刀具表面或用切割好的金刚石厚膜制作镶嵌刀具都可以极大的延长刀具的使用寿命,提高加工质量和加工效率。



2.热学领域

热沉片在以往的半导体功率器件中,传统使用中,铜被广泛作为热沉材料,但在有绝缘要求的场合,则需要在铜材料上镀一层金属铍,然而在此制备过程中会产生剧毒物质。在环保观念日益增强的今天,这种工艺显然是不适合工业发展的。在室温下,与铜的热导率(5W/cm·K)相比,金刚石具有更高的热导率(大于20W/cm·K),是铜的四倍。且纯度较高的金刚石是良好的绝缘材料,同时也是环境友好型材料。因而可将金刚石膜作为大功率激光器件、微波器件、电子器件等电子器件理想的散热材料。同时也可将其应用于各种高功率窗口,如高功率CO2激光窗口、高功率微波窗口等,这些应用都为高功率激光武器和高功率微波武器的研发提供了良好的条件。如今在光通讯、激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等方面,用作原件散热片的金刚石膜材料已得到应用。



CVD金刚石的导热率比铜高五倍,是制作散热片的极佳材料,其性能远优于传统材料。热学级CVD金刚石膜制作大功率光电子器件和大功率半导体二极管激光器的热扩散元件已应用于光通讯和军事工程。目前用于激光二极管、大功率晶体管、大功率分立二极管等用的散热元件是用CVD金刚石膜经激光切割成25 mm见方,并经磨光后厚度为0.2~1.0 mm 的薄片制成,具有很好的热扩散和热传导性。


3.光学领域

金刚石在红外区域具有较好的光透过性能,较强的抗辐照损伤性、耐腐蚀性和耐磨损性能,使其可用作在苛刻环境下服役的装甲车的X 光窗口材料和红外窗口材料等。更为重要的是,金刚石膜优良的抗震性能使其能在高温环境下保持良好的光学性能,这一特性使得金刚石膜成为高速拦截导弹头罩、航空飞机窗口材料、战斗机机头的探测窗口材料和红外阵列热成像引导窗口的不二选择。同时金刚石膜具有极高的抗激光损伤阈值,将其沉积在各种红外窗口材料表面,可作为光电对抗的防护材料,能在很大程度上提高军事光学设备的抗激光干扰能力。另外在民用方面金刚石膜也可作为红外在线监控以及控制仪器的光学涂层。


4. 电学领域

与现有的半导体材料相比,金刚石具有介电常数低,禁带宽度高,热导率高,电子及空穴迁移率好等优越性能,且对CVD 金刚石膜掺硼可得p 型半导体,其电阻率可达到10-2Ω·cm。而要获得n型掺杂金刚石半导体则比较困难,仅能达到102Ω·cm。目前利用金刚石膜制备出的超高速计算机芯片,高压高速开关和固体功率放大器等器件都能在高温(600℃)、微波甚至毫米波段下正常工作。同时金刚石膜制备的电子器件的应用取得了初步的成果:已制造出金刚石薄膜发光管,金刚石薄膜场效应管,金刚石薄膜热敏电阻,并利用金刚石薄膜制作成平面显示器。此外金刚石膜在声表面波器件,辐射探测器,光电探测器等方面也具有广泛的应用前景。


5. 声学领域

金刚石薄膜可用于高端音响设备,主要是提供一个特殊的震动膜。多晶CVD金刚石是高性能扬声器的一个组件。CVD金刚石扩音器可达到70千赫的频率,从而缔造无与伦比的清澈、高保真音质。英国宝华公司(Bowers & Wilkins)将人造金刚石高音振动膜用于其旗舰800系列扬声器产品中。


6.新应用

满足各种苛刻辐射探测应用的电子级CVD金刚石产品(包括单晶及多晶金刚石晶片),可用于高能物理、医疗放射剂量监测、民用中子核辐射水平探测、国土安全以及地球物理勘探等领域。


辐射探测用人造金刚石是由化学气相沉积(CVD)工艺合成的。在生产中,含碳混合气体在高达太阳黑子的极端温度下形成等离子体,从而在基体上面沉积生长出超高纯度的人造金刚石。基于该级别纯度产品的如下特性,人造金刚石是辐射探测应用的理想材料。


发展展望


CVD金刚石尽管已经走向市场,但是技术仍然需要进一步提高,表现在:通用级钻石生产需要稳定可靠生产和进一步提高沉积速率;高品质、特种钻石制备技术需要进一步开发。总之,当前CVD钻石快速发展的关键制约因素为技术能力、产品稳定生产能力等,故应在如下三方面大力投入资金及研发人力,组织攻关:

技术方面:大面积膜、高沉积速率、异型零件、高光学质量、掺杂沉积等;

应用方面:扩大在工模具领域的应用、开发特殊应用,如:光学、热学、饰品、半导体等。

深加工方面:针对特殊用途进行加工,如饰品、工模具、光学器件等。


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