光学级金刚石厚膜应用于红外窗口的关键技术研究

摘要

化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）光学级金刚石厚膜具有优异的力学、声学、热学和红外透波性能，在高科技领域有着广泛的应用前景。为了探索光学级金刚石厚膜应用于红外窗口的关键技术，本文从直流等离子体喷射CVD（Direct Current arc Plasma Jet CVD，DC PJCVD）法制备光学级金刚石厚膜的物理过程仿真、沉积工艺、组合抛光及减反射涂层技术等方面进行了深入系统的研究，并利用现代分析方法对所制备的光学级金刚石厚膜及抛光表面的形貌、微结构和红外透射率进行了详细的分析与评价，完成的主要工作及取得的成果如下：
　　 1、详细分析了DC PJCVD系统的热交换过程，首次运用FLUENT 6.3及前处理软件GAMBIT成功建立了衬底系统空间流场的三维有限元模型，完成了对沉积光学级金刚石厚膜等离子体放电过程的衬底流场仿真计算，获得了厚膜稳定生长的气体压强、衬底温度、射流速度和阳极喷嘴到衬底表面的距离等条件，为制备高质量的光学级金刚石厚膜提供了重要的理论指导。
　　 2、在30kW的高功率DC PJCVD系统中，采用正交实验优选的工艺方法成功在钼块表面成功地制备了直径Ф60、厚度1mm的光学级金刚石厚膜。深入研究了主要工艺参数甲烷浓度、衬底温度、气体压强和输入功率对厚膜质量、晶粒尺寸和生长速率的影响规律。SEM、AFM、Raman、XRD分析表明金刚石厚膜的表面晶粒均匀、柱状晶致密、内在质量较高，为进一步研究其红外透射性能创造了条件。
　　 3、在金刚石厚膜制备过程中，发现采用传热性能良好的Sn-Pb合金丝垫放于衬底与沉积台上表面之间导热效果良好，而且固相接触面积率为60％时，衬底表面温度区间稳定，可以满足光学级厚膜的生长要求；若同时采用同轴定位环，可以避免由于温差和基片变形而引起的