CN1065926C - 金刚石红外增透滤光窗口及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种金刚石红外增透滤光窗口及其制备方法。目前金刚石薄膜窗口透光波段的研究及应用局限在2.5-25μ范围，使用中受到限制。本发明用电子束辅助热灯丝化学气相沉积方法；两步法高密度成核金刚石优化生长工艺；多光束干涉法薄膜厚度监控，克服了光在近红外波段的散射问题，研制成功具有光学镜面级表面的金刚石薄膜，制得的窗口用于近红外(1.1-1.8μ)探测器，灵敏可靠，抗高温，抗腐蚀，抗水，抗尘，坚硬耐磨，维护方便。

Description

金刚石红外增透滤光窗口及其制备方法

本发明是金刚石红外增透滤光窗口及其制备方法。

化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜是一种近年来获得广泛重视和迅速发展的新材料，成为国际上材料科学在80-90年代的一个研究热点。由于它集许多优良特点于一身，在科学技术和工业、军工等国民经济的各个领域具有巨大的现实和潜在的应用价值。它的禁带宽度为5．4eV，这使它从紫外直到远红外，均具有极好的光学透过性，且具有极高的硬度和化学稳定性，是制备光学保护增透膜和硬质刀具的理想材料。由于金刚石良好的红外光学特性和优良的化学物理性质，金刚石红外增透薄膜的研制早在本世纪80年代开始，在国际上就已受到广泛重视。综合世界各国的文献报道，这方面的研究集中在金刚石红外光学性质，如光学折射率和吸收，光在金刚石薄膜粗糙表面的散射和在薄膜内部的干涉现象，研究的背景和目标比较集中在金刚石薄膜在红外光学仪器中的增透保护作用，而研究的光波段集中在2．5-25μ范围内。而具有良好光学性质并克服了近红外散射的红外窗口更未见报导。

本发明的目的是研制一种高质量低吸收具有光学镜面级表面的金刚石红外增透滤光窗口及其制备方法。

本发明的窗口，主要由基板和金刚石膜组成，基板可呈平面，窗口有两种，一种是硅基板，基板厚O．5-100mm，金刚石膜光学厚度为 $\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4}$ (λ₀为工作波段中心波长)，窗口透光范围1．1μ-8μ，窗口在红外探测器上工作波段1．1-1．8μ，中心波长λ0=1．5μ；另一种是锗基板，基板厚0．5-100mm，金刚石膜光学厚度为 $\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4}$ ，透光范围3-14μ，在红外探测器上工作波段8-14μ，中心波长λ₀=11μ。

本发明窗口的表面达到光学镜面级要求，克服了作为红外窗口而存在的近红外、红外散射问题。金刚石薄膜镀于硅和锗基板上可分别作为近红外至远红外波段的增透保护膜，特别对于锗，其光学折射率(n=4)，由于金刚石具有匹配光学折射率(n=2．0-2．4)，可达到极佳的增透保护效果。本发明窗口的直径可以从0．3cm至100cm甚至更大。本发明的制备方法用电子束辅助热灯丝化学气相沉积方法，具体工艺条件在制备方法中阐述。

本发明窗口的制备方法及工艺条件阐述如下：

使用CH₄／H，原料气体在热灯丝加热裂解和偏压情况下，在Si或Ge基体上沉积金刚石薄膜，采用多光束干涉仪监控膜厚，从而实施成核生长两步骤制备，成核密度在10⁸-10¹⁰／cm²后继续沉积薄膜。

图1是本发明使用的热灯丝化学气相沉积系统示意图，钟罩(1)式系统内气体喷咀(2)喷出H₂和CH₄气体，灯丝(3)和基板座(5)之间加有基板偏压，用以产生电子束，基板(4)置于基板座上，热电耦(11)控制基板温度，压力表(6)测控系统压力，光测高温计(7)测控灯丝温度，H₂和CH₄气体分别经质量流量计Q₁(9)、Q₂(10)后在气体混合室(8)混合进入喷咀，系统内冷却水循环，具体制备过程如下：

(1)高密度金刚石成核系统抽至真空，一般要达10^-5乇，高纯甲烷99．99％和高纯氢气99．99％分别经质量流量计进入系统，工作气压1-200乇，灯丝温度1600-2400℃，基板温度600-950℃，气体总流量10-1000标准立方厘米。CH₄／H₂气体比在2-10％范围内工作1-15分钟。在高浓度CH₄气体反应条件下，金刚石成核密度可高达10⁸-10¹⁰／cm²，大大降低了金刚石薄膜窗口的平均粗糙度，克服了近红外光在窗口表面的散射问题。

(2)热灯丝化学气相沉积金刚石膜上述成核过程完成后继续沉积金刚石膜，工作条件与上述相同，但是必须将CH₄／H₂体积流量比控制在0．1-10％，并加正向基板偏压V_B=50-300V，以保证良好的电子束辅助，使金刚石薄膜稳定、均匀生长至预定厚度。

用上述(1)、(2)两步法即制得本发明窗口。

本发明制得的窗口不仅是平面型，也可以是球面型，在球面型基板上沉积金刚石薄膜，适当改变基板座结构，使基板受热均匀，即可制得球型透镜窗口，具有光学聚焦作用，适合不同场合的需求。

为了进一步提高窗口的红外透过率，本发明在窗口硅基板的另一面蒸镀SiO红外增透膜，其光学厚度是中心工作波长的四分之一。使用窗口时将金刚石膜朝外，不仅发挥其坚硬、耐磨、耐高温、抗蚀、抗水、抗尘的特点，而且增强了窗口的透光率。

本发明在基板的两面均蒸镀金刚石膜，膜的光学厚度是工作波段中心波长的四分之一，制备得高抗蚀性能的金刚石红外增透滤光窗口。本发明窗口硅基板材料可以是Si(100)晶体，Si(100)晶体使金刚石微晶大部取向也为100，以减少金刚石表面粗糙度。

本发明制窗口制备时Si基板在使用前要用0．1-1μ的金刚石微粒研磨表面，然后用丙酮、去离子水仔细清洗残留物后使用。

本发明窗口制备时，系统内灯丝是钨丝，钨丝使用前需老化，老化条件1500-1700℃下1-3小时，1700-1900℃下1-3小时．1900-2100℃下1-3小时，2100-2300℃下5-7小时，老化须在CH₄／H₂=1-10％体积比下进行。老化完成后，灯丝由钨转化成碳化钨，使灯丝电流稳定不变。

制备过程中，硅基片薄膜厚度监控用λ₀=0．75μ的红光为监控光束，当红光反射光呈现第一次极大时，停止薄膜生长过程，停止H₂、CH₄供气，然后逐渐减小灯丝电流至另，待系统冷却后即可取出制备好的窗口。

本发明的窗口可达下述指标：

硅基板窗口：

红外透光范围：    1．1-8μ

工作波段：        1．1-1．8μ

透过率：          ＞65％

增透中心波长：    1．5μ

锗基板窗口：

红外透光范围：    3-14

工作波段：        8-14μ

透过率：          ＞90％

增透中心波长：    11μ

耐温试验：        350℃(大气)，15小时

耐腐蚀试验：      HNO₃／HF(1∶3)，15小时

环境试验：        压力：1．8Kg／cm²

                  温度：125℃

                  湿度：100％，15小时

本发明的主要特点是：

1．两步法高密度成核金刚石优化生长工艺确保制备出高质量低吸收具有光学镜面级表面的金刚石红外增透滤光保护窗口。表面粗糙度≤10nm，从而减少光线在近红外工作波段(1．1-1．8μ)由于一般CVD金刚石粗糙表面引起的严重光散射现象。确保窗口具有良好的光学透过性。

2．多光束干涉法薄膜厚度监控工艺可精确控制金刚石薄膜的生长光学厚度为红外探测波段中心波长的四分之一，从而确保仪器在1．1-1．8μ近红外波段具有良好的光学干涉透过率。本发明制备的高质量低吸收具有光学镜面级表面的金刚石红外增透滤光保护窗口，工作波段为1．1-1．8μ近红外波段，具有良好的光学透过性和优良的物理化学性质。特别是与常用的锗的光学折射率相匹配，制作的窗口可望具有十分优良的光学透过性和物理化学特性，可克服传统红外增透薄膜娇贵易损的弱点。本发明窗口可广泛用作于恶劣环境下的红外探测器的增透保护窗口。安装上本窗口的红外探测器灵敏可靠，抗高温、抗腐蚀、抗水、抗尘，坚硬耐磨，维护方便，适用于航天、航空、军工、冶金、化工等国民经济各领域。具有良好的应用前景和巨大的市场潜力。

图1是热灯线化学气相沉积系统示意图

实施例：

以制备硅基片金刚石薄膜为例。

将系统抽至真空10^-6乇，将99．99％的H₂气和CH₄气体分别经过两个质量流量计进入系统，以CH₄／H₂=5％的比例进入系统，工作时气压100乇，灯丝温度2000℃，基板温度900℃，工作时气体总流量200标准立方厘米；待基板上膜高密度成核大于10⁹／cm²后，调整CH₄／H₂气体比在0．5％，在灯丝与硅基板之间加正向基板偏压V_B=100V，使金刚石薄膜继续生长至 $\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4}$ 光学厚度即可。

制备过程中用λ₀=0．75μ红光作为薄膜厚度监控光束，待红光反射光呈现第一次极大时，即薄膜光学厚度为红外探测波段中心波长的四分之一时，即可停止薄膜生长过程。

Claims (8)

1．一种金刚石红外增透滤光窗口制备方法，包括使用CH₄／H₂原料气体在热灯丝加热裂解和偏压情况下，在Si或Ge基体上沉积金刚石薄膜，其特征是采用多光束干涉仪监控膜厚，从而实施成核生长两步骤制备，成核密度在10⁸-10¹⁰／cm²后继续沉积薄膜。

2．根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在罩式热灯丝化学气相沉积系统内，气体喷嘴喷出H₂和CH₄，灯丝和基板之间加有基板偏压，用多光束干涉法监控薄膜厚度，制备过程及工艺参数是：

(1)系统抽至真空，CH₄和H₂经质量流量计控制进入系统，膜成核时CH₄／H₂流量比是2-10％，膜沉积时，CH₄／H₂流量比是0．1-10％，工作气压1-200乇，灯丝温度1600-2400℃；基板温度600-950℃，工作时气体总流量10-1000标准立方厘米；

(2)基板上膜成核的初始生长过程中，CH₄／H₂流量比在2-10％范围内工作1-15分钟；

(3)在灯丝与基板之间加正向基板偏压V_B=50～300V，使金刚石薄膜继续生长至预定厚度。

3．根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于基板呈球面型制得透镜型窗口。

4．根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于基板的另一面蒸镀有SiO膜，其光学厚度为中心波长的四分之一。

5．根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于基板的两面均可镀金刚石膜。

6．根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于硅基板可以是Si(100)。

7．根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于系统内灯丝是钨丝，钨丝使用前需老化，老化条件为：

1500-1700℃下1-3小时；

1700-1900℃下1-3小时；

1900-2100℃下1-3小时；

2100-2300℃下5-7小时。

8．一种权利要求1得到的金刚石红外增透滤光窗口，主要由基板和金刚石膜组成，其特征在于：

硅基板上有金刚石膜，硅基板厚0．5-100nm，膜的光学厚度为λ₀／4，或锗基板上有金刚石膜，锗基板厚05-100nm，膜厚λ₀／4，λ₀为工作波段中心波长。

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