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金刚石光学元件的加工研究

时间：2023-02-23浏览次数：1244
金刚石光学窗口元件是一种综合利用金刚石优异的光学、力学、热学、电学等性质加工的光学器件， 对于开展机载、弹载、舰载等红外搜索与跟踪系统所用的光学窗口 /整流罩， 高功率微波武器、高能激光武器等新型武器， 核反应堆ECRH用介质窗， 太赫兹波段用行波管等有重要的意义。


在这方面， 国内与国外尤其是英、美、日等发达国家仍有较大的差距， 不仅体现在大尺寸光学级金刚石的制备上， 还表现在后续金刚石精密加工上。因此， 为了满足高功率、高温、高频的要求，必须大力开展高质量大尺寸低成本金刚石制备技术。

相比于常规的平面光学元件， 复杂表面金刚石光学窗口元件( 如共形/保形整理罩，自由曲面和非球面镜，微透镜阵列等等) ，在军用民用领域的应用更为广泛，并且能够显著提高金刚石光学元件的集成度， 是未来金刚石元件的开展方向，而金刚石的制备只有典型的 MPCVD、HFCVD 和，DC Arc Plasma Jet CVD 等工艺。简言之， 如何在复杂曲面衬底上制备均匀的具有复杂曲面形状的自支撑金刚石膜或金刚石光学涂层， 则是面临的主要瓶颈。

金刚石的抛光已经成为限制金刚石光学窗口元件应用的主要瓶颈， 现在的抛光技术没有很好地解决金刚石的高效率、高速率、低成本的要求， 并且机械抛光等工艺在抛光原理、抛光效率、抛光速率、金刚石几何结构、抛光装备成本、金刚石尺寸等方面都各有利弊。因此， 一方面为了提高现有工艺的抛光效率和抛光速率， 需要研究限制效率与速率的相关因素， 如所需的抛光盘材料等; 另外一方面， 为了满足抛光的综合要求， 需要开展金刚石多步复合抛光技术， 即根据不同抛光技术的特点， 将金刚石元件的抛光细分为前期、中期、后期等多个阶段， 每个阶段应采取不同的抛光手段。

(1) 曲面加工工艺


大面积高质量曲面金刚石膜， 对于满足多种工作环境下的需要进而拓宽金刚石光学元件的应用具有十分重要的意义 。最常用的光学窗口 /整流罩而言， 常需要根据需求制造复杂的曲面， 其中制备一种称为共形/保形结构的光学窗口 /整流罩， 现在十分迫切。相比于常规的平面结构或球冠结构， 共形 /保形结构的飞行外形满足气动力学要求，可大幅减小高马赫数飞行速度时空气对飞行器带来的阻力，进而提高飞行器的飞行速度， 增加机载 /弹载红外搜索与跟踪系统的环境适应能力。

国际上， 早在1996 年，美国国防部就将“保形光学”项目立项研究。2000 年， Raytheon 公司宣布完成了世界上第一个共形/保形光学整流罩光学系统设计， 并在F-16战机上试飞成功 。有研究发现， 共形/保形整流罩可能成为未来导弹整流罩的标准设计，因为对整流罩进行该结构设计后， 其长径比由半球形的 0. 5 增加至 1.5，飞行过程中整流罩的空气阻力减少了约 50% 。此外， 共形 /保形光学整流罩还可以改善飞行器周围的空气流场， 减少因高速摩擦而产生的热量， 进而减小气动光学效应对光学成像质量的影响， 对提高飞行器飞行速度、减小命中目标所需的飞行时间、增大导弹射程或增加有效载荷， 从而大幅提高导弹的作战效能具有重要促进作用。因此， 共形 /保形红外光学整流罩在高性能高精确制导武器中的地位也越来越重要， 其已成为世界主要国家的一个重要军事战略研究课题。

此外， 微波输出窗口、金刚石微透镜等领域均要求制备不同曲面结构的金刚石膜。但真正实现这种曲面结构金刚石膜的制备与加工， 主要有两种方法。1) 在制备出大面积大厚度块状金刚石后， 结合切割工艺加工成所需的结构。这种方法现在由于金刚石生长速率低及对生长设备的要求十分苛刻等因素， 被证明是难度非常大的。2) 在经过处理后的曲面衬底上( 如 Mo或 Si) 直接制备曲面金刚石膜。仍以研究最为广泛的金刚石光学红外窗口/整流罩为例， 来自美国海军的 Harris认为， 为了制备 Φ60 mm 厚度为1 mm 的球罩， 需要克服曲面制备的瓶颈， 即要优化在半球形上沉积微波等离子体的均匀性， 保持球形衬底表面温度的均匀性， 在冷却过程中确保金刚石从球形衬底上安全释放， 并保持一次生长运行所需长时间稳定的条件。

在国内， 也有团队已能够制备曲面的金刚石膜。吉林大学王启亮选用钼作为沉积 CVD 曲面金刚石膜的衬底， 发现微波功率和气压可强烈影响 CVD 曲面金刚石膜生长过程中等离子体球的形状和 CH4 的分解程度， 进而共同影响着 CVD 曲面金刚石膜的生长; 顺利获得优化气压、微波功率、温度、甲烷体积分数等实验条件， 制备出高质量的自支撑透明的 CVD曲面金刚石膜， 经过抛光在波数 400 ～ 4000 cm -1范围内透过率达到 40% ～ 60% 。值得一提的是， 在经过机械抛光或光刻-离子磨削工艺取得的具有球形阵列的特殊结构的 Si 衬底上， 顺利获得 MPCVD 工艺制备了光学级金刚石膜， 随后对金刚石膜上表面进行抛光， 并经过刻蚀与衬底分离， 取得了 2 英寸的具有微透镜阵列的金刚石光学元件( 直径为3 ～ 5 mm， 厚度为 380 μm) ， 这也将成为制备曲面金刚石的一种方法。

(2) 表面抛光工艺


就金刚石光学元件而言， 表面抛光是一个无法绕过的课题。通常， 工件抛光是顺利获得使用比工件硬度更大的磨料研磨进行机械抛光， 而金刚石是自然界最硬的材料， 因此单纯使用工业金刚石粉去研磨金刚石元件是一个非常低效的过程。Harris在报告中曾提到，在 Rocketdyne 尝试了采用紫外激光方法、Auburn 大学采用热化学/热铁溶解、Ｒaytheon 公司采用热化学/热金属溶解以及其他的离子刻蚀等工艺后， 并未有效解决这一问题。直到 1999 年， 英国 DeBeers 公司采用一种比 Raytheon 公司更高效的抛光方法， 取得了所需光洁度与平整度的金刚石窗口。另外， 同一时期德国的 Koidl 等顺利获得 HF 刻蚀掉用于沉积金刚石的 Si 衬底后， 采用 Nd: YAG 激光进行抛光最终取得了直径 2 英寸、0. 5 mm 厚的光学级金刚石膜。自 20 世纪 80 年代末以来， 为了提高机械抛光的效率， 人们开展了各种概念， 其中许多方法是将机械抛光与旨在提高材料去除率的热和化学工艺相结合， 并取得优异的表面光洁度。这类方法需要磨料或金属板与抛光表面机械接触， 因此被归类为“接触方法”。此外， 还开展了涉及高能粒子( 离子、等离子体、电弧) 和激光束的“非接触”方法。事实上， 每种方法都有其特殊的优点与缺点， 选择最合适的抛光方法很重要。现在开展的金刚石抛光方法总结如下

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凯发k8国际现在已具备制备热学级、光学级的金刚石，现已有金刚石热沉片、晶圆级金刚石、金刚石光学窗口片等产品。

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