[发明专利]一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于金刚石膜热沉技术领域，特别涉及一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层及其制备方法和应用。

背景技术

镶嵌结构界面金刚石涂层是指金刚石部分深入基体内部，界面上基体与金刚石涂层互相咬合，能极大地提高金刚石膜与基体的结合力。

随着微电子技术高速发展，半导体集成电路封装密度越来越高。高功率集成电路、半导体发光器件、激光二极管阵列和微波器件常因散热问题而限制了其功率水平的提升。现有的电子热沉材料，如Cu/Invar/Cu(CIC)，Cu/Mo/Cu(CMC)，Ni/Mo/Ni等镶嵌材料，其热导率和热膨胀系数虽可根据镶嵌组合厚度来调整热导率和热膨胀系数，但整体效果是使热导率大幅度降低，难以满足未来高功率器件的散热需求，迫切需要开发研制具有高热导率，且热膨胀系数与半导体材料相匹配的新型微电子封装材料。

目前新型电子封装材料的研究与制备已经成为各国争相研发的热点。金刚石是已知的材料中热导率最高的物质，常温下热导率为2200W/m.K，热膨胀系数约为(0.86±0.1)×10^-6K^-1，且室温下金刚石是绝缘体，是理想的热沉材料。但是纯金刚石难以成型加工，且成本很高，纯金刚石热沉难以在工业界广泛应用。铜是具有较高热导率的金属材料(热导率383W/m.K)，且成型加工方便，如能在铜上沉积金刚石膜，利用金刚石膜的高热导性能从微电子器件上将热量传输到铜散热器上，然后将热量散发到空气等介质中，铜可加工成各种增大散热面积的形状，是一种理想组合热沉。然而铜与金刚石化学相容性很差，铜与金刚石的润湿角达140°，且铜与金刚石的热膨胀系数相差18倍。直接在铜上沉积金刚石膜膜/基结合力很低，大多直接从基体脱落。在铜基体上预沉积碳化物形成元素(如Cr，W，Mo，Ti等)过渡层虽然能较大幅度提高金刚石膜/基结合力，但因增加过渡层后，金刚石膜与铜之间的界面热阻大幅度增加，其整体热导率提高并不明显。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层。

本发明的又一目的在于提供一种上述铜基镶嵌结构界面金刚石涂层的制备方法；该方法在铜基体上电沉积高金刚石含量的Cu-金刚石复合镀层，在复合镀层上用CVD(Chemical Vapor Deposition的缩写，化学气相沉积)外延生长法沉积出连续金刚石薄膜。Cu-金刚石复合镀层降低了界面膨胀系数，在CVD过程中与Cu基体互相扩散一体化，形成镶嵌结构界面金刚石涂层。

本发明的再一目的在于提供上述铜基镶嵌结构界面金刚石涂层的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层，所述铜基镶嵌结构界面金刚石涂层从下到上由铜-金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层、铜-金刚石复合细上砂层和在CVD金刚石外延生长层组成；所述铜加固层中含有微量Cr。

上述的一种铜基镶嵌结构界面金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：第一步，在铜基体上依次沉积铜-金刚石复合粗上砂镀层、铜加固层和铜-金刚石复合细上砂层，得到沉积有铜-金刚石复合镀层的工件；第二步，在CVD金刚石沉积系统中，在沉积有铜-金刚石复合镀层的工件表面露头的金刚石上同质外延生长出连续的金刚石涂层。

所述第一步具体包括以下操作步骤：

(1)配制上砂镀铜镀液：所述上砂镀铜镀液包括以下按质量体积比计的组分：碱式碳酸铜(Cu₂(OH)₂CO₃)55～65g/L、乙二胺四乙酸(EDTA)10～20g/L、柠檬酸(C₆H₈O₇)250～290g/L、酒石酸钾钠(C₄O₆H₂KNa)40～50g/L、碳酸氢铵(NH₄HCO₃)15～20g/L和甲酰胺150～200ml/L；将上述组分加入蒸馏水中溶解，调节pH值至8.3～9.5，制得上砂镀铜镀液；

(2)配置粗上砂复合镀镀液：将经过表面预处理的细金刚石颗粒放入装有上砂镀铜镀液的上砂镀槽内，每升上砂镀铜镀液所加入的细金刚石颗粒量为30～40克，浸泡20～36小时，得到铜-金刚石复合镀粗上砂镀液；