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国内大面积高品质金刚石膜制备技术取得重大突破

http://www.momo35.com    来源:网络    日期:2019-04-30

微波法制备金刚石膜以其可控的高质量和可实现的较大面积在近30年来发展迅速,直径2英寸以内的高质量金刚石膜可以通过2.45GHz的微波等离子体化学气相沉积(CVD)技术满足需求。然而对于一些特殊应用,如高功率微波及太赫兹窗口材料,要求金刚石膜具有大的沉积面积(直径大于4英寸)和厚度(大于1.35mm),同时要求金刚石膜拥有高的光学透过性、热导率以及低的介电损耗。这些特点对金刚石膜的制备技术提出了很高的要求,目前只有降低微波频率至915MHz,才能满足直径4-6英寸大面积高质量金刚石膜的制备需求。

 
图 1 φ127mm光学级金刚石膜
 
国际上,德国的Fraunhofer和日本的ASTeX/Seki 在成功研制了2.45GHz微波CVD装置之后,各自相继推出了915MHz微波CVD装置。Fraunhofer建立了具有独特结构的915MHz/60kW椭球形微波CVD装置,同时展示了其制备6英寸大面积金刚石膜的能力。ASTeX/Seki 采用915MHz/60kW的微波CVD装置重点研究了大面积金刚石膜的晶体取向和形貌控制技术并将之应用于大尺寸单晶的制备。英国的元素六报道了其商业化的直径119mm的高功率毫米波传输窗口。印度的Mallik详细报道了100mm大面积自支撑金刚石膜制备过程中的均匀性和完整性控制问题。
 
事实上,从装置的高功率稳定性,到金刚石膜的均匀性和完整性控制,随着沉积面积和微波输入功率的大幅度提高,无论是技术难度还是研发成本,915MHz频率下大面积高质量金刚石膜材料的制备相比于2英寸以下金刚石膜的制备都大幅增加。几十年来,915MHz频率下微波CVD技术的发展虽然取得了很大的突破,但相对于2.45GHz微波CVD技术的研究热度和成熟度而言,相关的工艺研究和技术细节较少报道。
 
图 2 φ127mm双面抛光高品质光学级金刚石膜
  
国内近年来虽然在2.45GHz高功率微波CVD装置发展方面取得了较大进展,但在915MHz微波CVD技术研究方面却一处于空白。经过10余年不懈努力,目前河北省激光研究所和河北普莱斯曼金刚石有限公司与北京科技大学唐伟忠教授合作终于在微波CVD法制备大面积高品质金刚石膜技术领域取得重大突破,采用自主研发的915MHz/75kW微波CVD装置成功制备了直径φ127mm,厚度1mm的双面抛高品质金刚石膜窗口材料(如图1,图2所示),其光学透过率接近理论值(如图3,图4所示),这一成果打破了我国在这一领域的空白,为国家相关高新技术领域的发展提供了先进材料支撑。
 
图 3 光学级金刚石膜红外透过率
图 4 光学级金刚石膜紫外可见透过率
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