金刚石微通道热沉、制备方法和应用以及半导体激光器技术

本发明专利技术公开了一种金刚石微通道热沉、制备方法和应用以及半导体激光器，金刚石微通道热沉的制备方法包括以下步骤：步骤1，抛光Si片清洗并干燥；步骤2，将带有微通道栅孔的掩模版覆盖于Si片上，通过M-RF-PECVD设备在微通道栅孔内沉积类金刚石薄膜，取下掩模版，得到DLC/Si片；步骤3，利用湿法刻蚀对DLC/Si片进行刻蚀，使其表面形成微通道沟槽；步骤4，进行等离子体刻蚀处理，以去除Si片表面的DLC薄膜层和氧化层；步骤5，通过EACVD方法制备金刚石厚膜，得到Si/金刚石厚膜；步骤6，对金刚石厚膜进行抛光；步骤7，利用湿法刻蚀去除作为衬底的Si片，清洗干燥，得到金刚石微通道热沉。本发明专利技术的金刚石微通道热沉可增加与冷却液接触的比表面积，可有效提高半导体激光器的散热性能。有效提高半导体激光器的散热性能。有效提高半导体激光器的散热性能。

【技术实现步骤摘要】
金刚石微通道热沉、制备方法和应用以及半导体激光器


[0001]本专利技术涉及半导体激光器热沉制备工艺
，特别是涉及一种半导体激光器微通道热沉制备方法。

技术介绍

[0002]随着半导体激光器制造工艺的日趋成熟，已广泛用于泵浦固体激光器、工业加工、医疗美容和军事科技等领域。在对半导体激光器的大功率和小体积的应用需求驱动下，特别是对于固体激光器泵浦模块的改进具有重要意义。然而，半导体激光器的电光转换效率约50％～60％，对于腔长1mm，19管芯的线阵，在输出40W光功率的同时也会等量的热功率，造成有源区小的面积内产生极大的热通量，特别在连续波的模式下工作，会在短时间内造成极大的热积累，导致电光转换效率下降，使工作结温进一步升高，从而引发腔面灾变性光学损伤，严重抑制输出功率和使用寿命。因此，研制导热率高，比表面积大的热沉，可有效提高散热效率，降低工作结温度，有助于提高半导体激光器的可靠性。
[0003]选择微通道结构的热沉，有助于增加与冷却液体接触的比表面积，提高对工作器件的散热性能。目前的半导体激光器封装多采用Si或Cu作为微通道热沉材料，虽然Si容易加工成为通道结构，然而其导热率为83Wm-1
K-1
，难以将器件产生的热量导出。虽然Cu的导热率较高，然而其导体特性，使其在工作中与冷却液接触发生电化学反应，导致管路发生腐蚀堵塞，使热沉寿命下降，无法正常为器件提供冷却。
[0004]CVD(化学气相沉积)金刚石具有极高的导热率(可高达1800Wm-1
K-1
)，可迅速将半导体激光器工作中产生的热量导出，而且还具有良好的绝缘性和物理化学稳定性，可实现持久的使用寿命。目前的金刚石热沉主要是通过CVD技术沉积出金刚石厚膜，再经过抛光，切割成合适的尺寸制作的板状结构。将金刚石热沉加工为微通道结构，可大大增加比表面积，更有效的控制半导体激光器的工作温度。然而，金刚石具有极高的硬度和耐腐蚀性，难以采用机械或化学工艺加工成微通道结构。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的金刚石的硬度和耐腐蚀性高，难以用机械或化学方法加工成通道结构的问题，而提供一种金刚石微通道热沉的制备方法，通过改进CVD金刚石的制备工艺，研制出适用于高功率半导体激光器的微通道热沉。
[0006]本专利技术的另一方面是提供利用所述方法制备得到的金刚石微通道热沉，其具有较大的比表面积。
[0007]本专利技术的另一方面是提供所述金刚石微通道热沉在半导体激光器中的应用，尤其适用于高功率的半导体激光器，有助于提高微通道热沉对半导体激光器的热管理技术，从而提高半导体激光器线阵工作的可靠性。
[0008]本专利技术的另一方面是提供一种半导体激光器，其芯片上焊接有所述金刚石微通道热沉，提高芯片的散热速度，稳定性高。
[0009]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0010]一种金刚石微通道热沉的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，抛光Si片，清洗并干燥；
[0012]步骤2，以步骤1得到的Si片作为沉积类金刚石薄膜(DLC)的衬底，将带有微通道栅孔的(不锈钢)掩模版覆盖于所述Si片的上表面，通过磁激励射频等离子体增强化学气相沉积(M-RF-PECVD)方法在所述微通道栅孔内沉积类金刚石薄膜，取下(不锈钢)掩模版，得到DLC/Si片；
[0013]步骤3，利用湿法刻蚀对所述DLC/Si片进行刻蚀，使其表面形成微通道沟槽，清洗干燥，得到带有微通道沟槽的DLC/Si片；
[0014]步骤4，对所述带有微通道沟槽的DLC/Si片的表面进行等离子体刻蚀处理，以去除Si片表面的DLC薄膜层和氧化层，得到带有微通道沟槽的Si片；
[0015]步骤5，以所述带有微通道沟槽的Si片作为沉积金刚石膜的衬底，通过电子辅助化学气相沉积(EACVD)方法制备金刚石厚膜，得到Si/金刚石厚膜；
[0016]步骤6，对所述Si/金刚石厚膜的金刚石厚膜进行抛光；
[0017]步骤7，利用湿法刻蚀去除所述Si/金刚石厚膜中作为衬底的Si片，得到带有微通道栅孔的自支撑金刚石片，清洗干燥，得到金刚石微通道热沉。
[0018]在上述技术方案中，所述步骤1中的清洗为：将抛光后的Si片依次置于去离子水、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声振荡清洗，每次超声振荡清洗的时间为5-15min；所述步骤1中的干燥为：利用流动的氮气吹干。
[0019]在上述技术方案中，所述步骤2中类金刚石薄膜的厚度为1～2μm，所述步骤3中微通道沟槽的深度为300～400μm。
[0020]在上述技术方案中，所述步骤3和所述步骤7中的湿法刻蚀均采用HF-HNO3体系溶液作为刻蚀液进行刻蚀(通过调整浓度可控制刻蚀速率)，所述步骤3中，将所述刻蚀液滴加到DLC/Si片表面对未掩蔽的Si片进行刻蚀，所述步骤7中将所述刻蚀液滴加到Si/金刚石厚膜的Si片一侧对作为衬底的Si片进行刻蚀。
[0021]在上述技术方案中，所述步骤3中的清洗为利用去离子水清洗进行超声清洗，所述步骤3中的干燥为利用流动的氮气吹干。
[0022]在上述技术方案中，所述步骤4中的等离子体刻蚀处理具体为：通过Ar等离子体对所述带有微通道沟槽的DLC/Si片进行刻蚀处理，Ar流量为2～5sccm，加速电压为400～500V，射频功率为30～100W，处理时间为15～30min。
[0023]在上述技术方案中，所述步骤5中的电子辅助化学气相沉积方法具体为：将Si片放入沉积室，本底真空抽至0.01～0.1Pa，通入H2和CH4的混合气体，并设置金刚石膜的沉积工艺条件为：所述混合气体中CH4的浓度为1～3％，沉积气压为3～5kPa，衬底温度为800～1100℃，加速偏压200～300V，加速电流为12～18A，沉积时间为20～30h。
[0024]在上述技术方案中，所述步骤6中抛光采用化学机械抛光法，具体包括以下步骤：
[0025]步骤1，配置抛光液：向去离子水中加入浓磷酸和高锰酸钾作为氧化剂，再加入金刚石粉作为磨料，搅拌分散均匀；
[0026]步骤2，将所述金刚石膜/Si片放置于抛光机的磨盘上，抛光压力为0.3-0.5MPa，设置抛光盘转速为100-200rpm，磨盘温度为60～90℃，(使用蠕动泵)以2～3ml/s的速度滴加
所述抛光液，抛光时间为300～500min。
[0027]在上述技术方案中，所述步骤1中去离子水、浓磷酸、高锰酸钾和金刚石粉的质量比为10：(1-3)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)，金刚石粉的粒径为0.5-1.5μm。
[0028]本专利技术的另一方面，还包括利用所述制备方法得到的金刚石微通道热沉。
[0029]在上述技术方案中，所述金刚石微通道热沉中，微通道栅孔的深度为300～400μm，微通道长度4～5mm，宽度200～500μm。
[0030]本专利技术的另一方面，还包括所述金刚石微通道热沉在半导体激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石微通道热沉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，抛光Si片，清洗并干燥；步骤2，以步骤1得到的Si片作为沉积类金刚石薄膜的衬底，将带有微通道栅孔的掩模版覆盖于所述Si片的上表面，通过磁激励射频等离子体增强化学气相沉积方法在所述微通道栅孔内沉积类金刚石薄膜，取下掩模版，得到DLC/Si片；步骤3，利用湿法刻蚀对所述DLC/Si片进行刻蚀，使其表面形成微通道沟槽，清洗干燥，得到带有微通道沟槽的DLC/Si片；步骤4，对所述带有微通道沟槽的DLC/Si片的表面进行等离子体刻蚀处理，以去除Si片表面的DLC薄膜层和氧化层，得到带有微通道沟槽的Si片；步骤5，以所述带有微通道沟槽的Si片作为沉积金刚石膜的衬底，通过电子辅助化学气相沉积方法制备金刚石厚膜，得到Si/金刚石厚膜；步骤6，对所述Si/金刚石厚膜的金刚石厚膜进行抛光；步骤7，利用湿法刻蚀去除所述Si/金刚石厚膜中作为衬底的Si片，得到带有微通道栅孔的自支撑金刚石片，清洗干燥，得到金刚石微通道热沉。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的清洗为：将抛光后的Si片依次置于去离子水、丙酮、乙醇和去离子水中进行超声振荡清洗，每次超声振荡清洗的时间为5-15min；所述步骤1中的干燥为：利用流动的氮气吹干；所述步骤1中去离子水、浓磷酸、高锰酸钾和金刚石粉的质量比为10：(1-3)：(0.5-1.5)：(0.5-1.5)，金刚石粉的粒径为0.5-1.5μm。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中类金刚石薄膜的厚度为1～2μm，所述步骤3中微通道沟槽的深度为300～400μm。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3和所述步骤7中的湿法刻蚀均采用HF-HNO3体系溶液作为刻蚀液进行刻蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴玮，曹剑，徐晓明，张金玉，王雪梅，李嘉强，
申请(专利权)人：核工业理化工程研究院，
类型：发明
国别省市：