CN108336153B - 一种金刚石窗口密封器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金刚石窗口密封器件及其制备方法。其包括金刚石膜片，沉积在金刚石膜片边缘的第一金属层；设置在第一金属层上的Cu层或Al层：以及通过压制上述两金属层，用于与主设备封装的刀口。与现有技术相比，此发明通过在金刚石表面金属化后再电镀一层金属铜或铝，为密封创造了条件，从而能够以简易的刀口密封方法取代复杂的焊接工艺，本发明提供的金刚石窗口密封器件，可以批量制作金刚石窗口标准器件，工艺简单易行，而且返修或更换都非常方便，大大降低了金刚石窗口器件的应用难度。

Description

一种金刚石窗口密封器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及金刚石加工封装技术领域，具体的说涉及一种新的金刚石窗口密封器件及其制备方法。
背景技术
随着军用红外技术的发展，对红外光学元器件的环境耐受性能要求越来与高，尤其是军用红外成像系统中的前置窗口，往往都应用在高温、高湿、与大气摩擦等恶劣环境中(如坦克、机载窗口等)，因此对红外薄膜材料的要求非常苛刻。
金刚石膜具有超高的硬度和耐磨性能，稳定的化学性能，也能耐各种强酸强碱和化学溶剂，而且金刚石在几乎整个红外光区有良好的透过性，折射率高，是作为红外光学窗口器件的最优选材料。
金刚石膜作为红外光学窗口器件，必须与主设备进行封装，但是金刚石本身具有极高的硬度和优良的化学惰性，使得金刚石膜加工变得困难，与主设备难以形成良好的密封或封装。
现有金刚石窗口密封方法主要采用焊接的方法，但是焊接的方法都有一些不足：1)焊接工艺温度高，容易造成金刚石的碳化，而且金刚石与焊料及设备材料之间或者金刚石表面金属与焊料及设备之间的热膨胀吸收差异明显，容易造成密封材料开裂；2)焊接工艺难以返工。
因此，有必要提供一种新的金刚石窗口密封器件及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金刚石窗口密封器件及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种金刚石窗口密封器件，包括金刚石膜片，沉积在金刚石膜片边缘的第一金属层，设置在第一层金属层上的Cu层或Al层。
其中，为了使金属能比较牢固的与金刚石表面结合，所述第一金属层选用能与金刚石层形成C-金属化合物的金属，一般来说选择过渡族金属；优选为Ti，Cr，Mo中的一种或多种；更优选为Ti。
所述第一金属层的厚度为10-80nm，最佳为40-50nm。
所述沉积第一金属层的沉积方法可选用金刚石加工领域常用的方法，主要分为物理沉积和化学沉积，如电子束蒸镀等，本领域技术人员可根据需要选择实现沉积方法。
所述Cu层或Al层，可以采用本领域常用的方法制备，优选电镀。所述Cu层或Al层的厚度为0.5-3mm。
第一金属层第一金属层所述金刚石膜片的边缘一般是指能留出足够观察位置后的边缘位置，一般是0.5cm左右，但不同的金刚石窗可能略有差异。
本金刚石窗口密封器件的封装方法非常简单，采用密封刀口抵住金刚石窗口密封器件的Cu层或Al层，或进一步抵接在第一金属层上，从而使金刚石窗被紧压在主设备的预留窗口上，形成金刚石窗口封装。
进一步的，本发明还提供了上述金刚石窗口密封器件的制备方法。
本发明所述的金刚石窗口密封器件的制备方法，按照顺序包括以下步骤：
1)取金刚石膜片，在金刚石窗口区域制作掩膜；
2)在金刚石膜片上沉积第一金属层；
3)去除掩膜，得到具有第一金属层的金刚石窗；
4)在第一金属层上沉积Cu层或Al层，得到具有密封界面层的金刚石
窗口。
步骤1)中，所述制作掩膜可以是紫外光曝光工艺，也可以采用电子束曝光工艺制作掩膜；还可利用遮挡材料或治具制作掩膜层，只要能起到遮挡住金刚石窗口的作用即可，电子束蒸镀后移除遮挡层，即可以形成表面金属化的金刚石窗口。
如采用紫外光曝光工艺，是先在金刚石膜片上旋涂一层紫外光固化胶，覆盖掩膜，然后紫外光曝光显影。
进一步的，为增强第一金属层与金刚石的结合力，步骤2)之后，步骤3之前，所述方法还包括：高温烘烤，高温烘烤使得金刚石表面与第一金属层形成C-金属化合物。不同种类的第一金属烘烤温度不同。以金属钛为例，烘烤温度约450-700℃，优选为约500℃，烘烤时间为0.5-2h，优选为约1h，确保第一金属层与金刚石表面形成温度牢固的C-金属化合物。
进一步地，步骤3中，去除掩膜的方法根据掩膜的种类而定，属于本领域技术人员的常规手段。例如，当掩膜为常规的遮盖物，如金属盖、金属盘，则采取移除的方式；如果掩膜为高分子有机涂层，如PMMA层，则选用溶剂溶解、清洗，之后烘干，得到具有第一金属层的金刚石窗。
更进一步的，步骤4)以后，为使其表面光滑平整，可电镀后打磨抛光。
其中，所述第一金属层的厚度为30-80nm；所述Cu层或Al层的厚度视具体封装要求而定，属于本领域常规技术手段，优选为0.5-3mm,。
本发明还提供一种金刚石窗口密封方法，采用上述的金刚石窗口密封器件，采用密封刀口抵住金刚石窗口密封器件的Cu层或Al层，或进一步抵接在第一金属层上，从而使金刚石窗被紧压在主设备的预留窗口上，形成金刚石窗口封装。
与现有技术相比，此发明通过在金刚石表面金属化后再电镀一层金属铜或铝，为密封创造了条件，从而实现以简易的刀口密封方法取代复杂的焊接工艺，本发明提供的金刚石窗口密封器件，可以批量制作金刚石窗口标准器件，工艺简单易行，而且返修或更换都非常方便，大大降低了金刚石窗口器件的应用难度。
附图说明
图1为设置了掩膜的金刚石膜片
图2为具有密封界面层的金刚石窗口；
图3为本发明所述的金刚石窗口密封器件的结构图；
其中，1.金刚石膜片；2.第一金属层(钛)；3.Cu层；4.刀口密封圈；5.掩膜(PMMA)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。如无特别指明，本发明采用的制备方法和相关的设备都是本领域常用的制备方法和常用的设备。
实施例1
1.在洁净的金刚石表面旋涂PMMA，采用电子束对金刚石边缘部分的PMMA曝光，显影后得到光刻胶图形，边缘部分金刚石暴露。
2.采用电子束蒸镀的方法在图1所示样品上表面蒸镀一层金属钛，厚度约为50nm，将样品放在丙酮溶液中浸泡30min，去除PMMA层，得到周边都镀有金属钛的金刚石窗口样片。
然后在真空或者惰性环境下，500℃烘烤30min，使金属和金刚石形成牢固的C-金属化合物。
然后采用电镀的方法在金属钛层上电镀一层2.5mm厚的铜层，抛光铜层，得到铜层约2mm厚、表面光滑平整的金刚石窗口密封器件(如图2所示)。
3.采用上述的金刚石窗口密封器件，采用刀口封装方法封装，在外力作用下，使密封刀口的刀刃部紧紧抵住金刚石窗口密封器件的Cu层或Al层，或进一步抵接在第一金属层上，封装示意图如图3所示，从而使金刚石窗被紧压在主设备的预留窗口上，形成金刚石窗口封装。
利用本发明得到的金刚石窗口封装的设备，能够耐受真空，而且金属层损坏后，返修或更换都非常方便。

Claims (13)

1.一种金刚石窗口密封器件，其配合刀口密封使用，其特征在于，所述金刚石窗口密封器件包括金刚石膜片，沉积在金刚石膜片边缘的第一金属层，设置在第一层金属层上的Cu层或Al层；刀口与金刚石膜片边缘的Cu层或Al层，或进一步与第一金属层抵接构成刀口密封。
2.如权利要求1所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述第一金属层选用能与金刚石层形成C-金属化合物的金属。
3.如权利要求2所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述第一金属层选用过渡族金属。
4.如权利要求2所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述第一金属层选用Ti，Cr，Mo中的一种或多种。
5.如权利要求2所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述第一金属层选用Ti。
6.如权利要求1-5任意一项所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述第一金属层的厚度为10-80nm。
7.如权利要求1-5任意一项所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述第一金属层的厚度为40-50nm。
8.如权利要求1所述的金刚石窗口密封器件，其特征在于，所述Cu层或Al层的厚度为0.5-3mm。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的金刚石窗口密封器件的制备方法，其特征在于，按照顺序包括以下步骤：
1)取金刚石膜片，在金刚石窗口区域制作掩膜；
2)在金刚石膜片上沉积第一金属层；
3)去除掩膜，得到具有第一金属层的金刚石窗；
4)在第一金属层上沉积Cu层或Al层，得到具有密封界面层的金刚石窗口。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述制作掩膜为下述方法中的一种：旋涂法、紫外光曝光工艺、电子束曝光工艺、遮挡材料。
11.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤2)之后，步骤3)之前，所述方法还包括：高温烘烤，使得金刚石表面与第一金属层形成C-金属化合物。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，当第一金属层为钛时，烘烤温度为450-700℃，烘烤时间为0.5-2h。
13.一种金刚石窗口的密封方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一中的金刚石窗口密封器件，采用密封刀口抵住金刚石窗口密封器件的Cu层或Al层，或进一步抵接在第一金属层上，从而使金刚石窗被紧压在主设备的预留窗口上，形成金刚石窗口封装。
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