[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

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。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。

发明内容

本发明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。

本发明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＜1.0 ppm，热导率为1800~2100 W /(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＜1.0 ppm，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，；