光学级CVD金刚石膜制备及应用研究

作为工业领域的牙齿，金刚石是加工工具的重要原料;作为理想的散热材料，金刚石在大功率器件散热领域正在发挥越来越重要的作用;作为高功率微波、红外等光学及准光学窗口，金刚石是在极端复杂工况下唯一可用的材料；作为一种超宽禁带材料，金刚石被认为是电力电子领域应用的终极半导体……然而，天然金刚石不但资源稀少且价格昂贵，在品质和尺寸方面更无法满足多样化的工业需求，因此实现金刚石的人工合成不断是科技界的理想。上世纪50年代以来，高温低压(化学气相沉积(CVD))人工合成金刚石技术相继被发明并蓬勃开展，极大地有助于了人类工业技术的进步。

20世纪70年代，前苏联科研家利用原子氢对石墨相进行选择性刻蚀,顺利获得将过量原子氢与热解甲烷进行反应，首次实现了具有工业应用前景的金刚石层状结构生长工艺，验证了低压CVD金刚石膜在异质基底表面工业化生长的可行性,为大尺寸高品质金刚石膜的制备和应用打开了广阔的开展空间。1982年日本学者首次采用热钨丝加热氢气和碳氢化合物混合气体成功合成了金刚石膜，开启了现代CVD金刚石膜合成技术的新时代。现在国内外主要的CVD方法包括热丝CVD、直流热阴极CVD、直流电弧等离子体喷射CVD以及微波等离子体CVD,图1展示了不同CVD方法制备的大尺寸自支撑金刚石膜。各种CVD方法沉积金刚石膜的原理基本相同,它们都是利用高度激发的包含有活性氢原子和含碳基团的反应气体在衬底表面的不断置换来实现金刚石相的沉积，同时利用氢原子对石墨的刻蚀作用抑制非金刚石相的生成。

图1 不同CVD方法制备的大尺寸自支撑金刚石膜

长脉冲大功率回旋管、高功率CO₂激光器、极端环境下红外(10.6 μm)成像系统的不断开展，对光学窗口的性能提出了越来越高的要求。传统硒化锌、氧化铍、氮化硼、氧化铝等材料已达到其本身的物理极限，无法满足当前应用场景的需求，作为综合性能优异的光学材料，金刚石成为复杂光学及准光学系统在极端工况下唯一可选的输能窗口材料。

核聚变工程中长脉冲大功率回旋管的单管功率越来越高，现在各国兆瓦级回旋管的能量输出窗口基本都采用了金刚石材料,图2(a)是高功率微波窗口。ITER系统中的ECRH系统需要配备56个环形金刚石窗口。德国W-7仿星器聚变装置使用了10支兆瓦级回旋管，这些回旋管都使用了直径106 mm厚度1.81 mm的金刚石窗口。聚变金刚石窗口的直径一般要求3～5英寸(>76 mm),厚度根据频率(70～170 GHz)不同一般在1.1～2.25 mm之间，损耗正切要求tanδ<2×10-5。

图2 光学级金刚石窗口

现在，线宽小于7 nm的芯片晶圆，普遍采用极紫外线(EUV)光刻机生产,而EUV光源需要高功率(>20 kW)CO₂激光器的激发。为避免高功率下窗片温度梯度导致的热透镜效应，激光器的能量输出窗口现在只能采用具有高光学透过、低吸收系数、低膨胀系数、超高导热以及高强度性能的光学级金刚石,图2(b)展示了高功率金刚石光学窗口。

工作在红外窗区(10.6 μm)的红外制导及追踪武器装备都离不开红外热成像系统，红外光学窗口(整流罩)是红外热成像系统的重要组件，起到隔离大气、保护内部结构以及传输红外信号的作用极端恶劣的工作环境要求作为整流罩的红外光学窗口必须同时满足高强度、高导热、高光学透过、低光学自发射率、耐砂蚀和雨蚀、抗热震等性能。对比其他材料，金刚石以其良好的力学、热学、光学、化学和物理稳定性成为红外光学窗口应用的最佳材料。

图3金刚石光学应用频率范围及相应物理特性

现在，凯发k8国际TC.2000多晶金刚石实际热导率≥2000W/（m·K），在广泛的波长范围内具有高透明度，非常适合高功率光电应用。凯发k8国际除了高性能的光学级多晶金刚石，使金刚石出色的光学特性得以发挥外，还有光学级单晶金刚石，共同满足光学窗口片需求。