摘要 在光电元件的散热应用中,人造金刚石以优越的散热性能打败了铜和碳化硅等同类材料,使得半导体制造商得以生产出体积更小、散热速率更快、功率更高的光电设备;如激光二极管在使用人造金刚石质材...
在光电元件的散热应用中,人造金刚石以优越的散热性能打败了铜和碳化硅等同类材料,使得半导体制造商得以生产出体积更小、散热速率更快、功率更高的光电设备;如激光二极管在使用人造金刚石质材后,器件寿命得以延长、工作稳定性得到提高。但是,金刚石在高科技领域的应用并非只作散热之用。人造金刚石可控制的生长环境使得大功率光学视窗镜片、多频光学棱镜的应用和希格斯玻色子探测等高端科技成为了现实。
作为全球人造金刚石研制的领军代表,元素六公司采用其专利技术,利用化学气相沉积法从烃气体混合物中生长单晶金刚石和聚晶金刚石。元素六的光学元件业务经理Henk de Wit说:“为定制特殊需求的产品,我们将金刚石中的化学杂质进行最大化的剔除,并将各种应用属性设计到金刚石中。利用微波CVD法,在高于2000℃的温度下对气体混合物进行加热即可得到高质量的聚晶金刚石和单晶金刚石”。
早在今年2月份,元素六就扩大其硅谷设备,提高了人造金刚石光学视窗晶片的批量生产能力;光学视窗镜片是激光等离子体极紫外光刻系统中一个重要的元件设备,该镜片占整个光刻系统50%的组件构成。扩大生产能力后的工艺使得高质量金刚石晶片达到了直径135微米的尺寸水准(见下图)。
较高的导热系数使人造金刚石成为了光学视窗镜片的最佳质材,它可以用于6千瓦以上的大功率二氧化碳激光;事实上,人造金刚石也是唯一能够承受8千瓦以上功率(最高可达35千瓦)的质材。微乎其微的波前畸变使金刚石镜片能够出色地应用在极紫外光刻系统中。相比于硒化锌这类导热系数低的质材,通过光吸收而产生的热量会通过高导热系数的金刚石传导至外部环境,从而防止热焦点的形成,保护了其他器件,同时也省去了热透镜效应的补偿。
光谱棱镜
在傅里叶变换红外光谱仪的构件中,试样架就是由人造金刚石制作而成。装式CVD单晶金刚石衰减全反射( ATR )棱镜具有最广泛的透射光谱,从220纳米到50微米的范围,从而极大地提高了棱镜的测量灵敏度、分析范围和精确度。掺入金刚石技术的多频投射光谱使得光谱仪制造商能够生产出内部光学系统相对简单的小型化设备。同时,人造金刚石耐刮和生化惰性的特点可以使CVD金刚石光谱仪在环境恶劣的条件下使用,其耐用性要比传统的光谱棱镜优越许多。
粒子检测
元素六制造出的高纯度CVD人造金刚石还是欧洲核子研究组织(CERN)大型强子对撞机CMS实验和ATLAS监测系统的重要组成器件,用于检测科学家们最近刚发现的一种新的粒子,这种粒子跟希格斯玻色子很类似。人造金刚石在该设备中充当安全检测的传感器作用,可承受恶劣、高辐射的环境;同时还能即刻发生反应从而保护先进昂贵的测量系统。
负责CMS实验的CERN科学家Anna Dabrowski说:“我们的CMS实验主要依靠人造金刚石的稳定性对大型强子对撞机光束和对撞过程中产生的粒子进行监测。这种基于金刚石技术的系统,其稳定性对于保护66,000,000通道像素跟踪的敏感元件有着重要作用”。(编译自“NOVEL MATERIALS: Synthetic diamond offers much more than heat sinking”)