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新型军事光学元件,看金刚石如何发挥它的强悍之处!

发表时间:2022-08-04 10:00作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

进入21世纪,我国不断强化国防军事力量,因为只有足够强大的国防军工,才能够切切实实维护我国领土的完整。为此,新型军事力量——军工光学元件得以应世。军用光学技术的发展不仅提供现代化武器装备,增强国防军事力量,还推动信息技术、材料技术、能源技术和航天技术等高新技术的发展,提高国家科技整体水平和综合国力。

金刚石由于禁带宽和高的抗辐射能力,在光学领域也可发挥很大的作用。双面抛光后的金刚石膜有着很好的透光性,同时金刚石的吸收峰也很少,有着很好的光学性能。金刚石薄膜应用于军用光学有3种途径:一、将金刚石直接沉积到衬底材料表面上,作为光学增透保护膜层,在内冷式大硅片上单面镀金刚石薄膜可以增加透过率13%,双面镀膜可以增加26%;二、运用光焊接技术,将金刚石膜和需要的材料焊接在一起;三、利用CVD方法, 制备金刚石自支撑膜,进行抛光后获得红外光学窗片材料。

1.运用光焊接技术,将金刚石膜和需要的材料焊接在一起:一般军用白光仪器,由于使用环境恶劣,在多雨潮湿地区,温差变化大,极易生霉、雾;在高风沙地区,由于沙尘污染,极易产生刮伤,特别在某些特殊环境,如:水下潜望镜保护窗材料易受海水腐蚀,或在低温时易生水汽或水雾,影响观察,这些问题给军用光学仪器的使用与维护保养带来了困难。若在光学元件表面镀制一层金刚石保护膜,可以预见,其耐潮湿,耐摩擦,抗风沙、防腐蚀的特点是其他膜层无以比拟的,有研究表明金刚石薄膜能够承受超过600英里/h速度风沙的冲击,防止光学仪器霉、雾现象的发生。

图1   (a)金刚石薄膜实物图(左)和 (b)金刚石膜红外透射光谱(右)

2.利用CVD方法, 制备金刚石自支撑膜:利用金刚石自支撑膜可以替代砷化镓(GaAs)、硒化锌作为高功率CO2激光窗口,其优越性主要在于金刚石极佳的导热性能。尽管金刚石在10.6um波长的吸收系数比硒化锌高2~3个数量级,但热导率却比硒化锌高100倍,因此在高功率下使用,其温升反而比硒化锌窗口小的多。对硒化锌和光学级金刚石膜窗口在5kW的CO2激光输出水平上的热模拟表明,金刚石窗口温升仅仅为2.5℃,而硒化锌窗口温升17.5 ℃。计算金刚石的热透镜效应仅仅为硒化锌的1/40。如果把窗口的厚度(硒化锌窗口厚6mm,金刚窗口厚1mm)也考虑进去,那么金刚石窗口的热透镜效应仅仅为硒化锌热透镜效应的1/240。

图2   CVD金刚石和ZnSe的激光光窗特性比较

3.将金刚石直接沉积到衬底材料表面上,作为光学增透保护膜层:金刚石的高透过率、高热导、优良的力学性能、发光特性和化学惰性,可以作为光学上的最佳应用材料,如各种光学透镜的保护膜;在军用方面,利用雷达波在穿透金刚石膜不易失真的特性,可用作雷达罩;飞机和导弹在超音速飞行时,头部的锥形雷达无法承受高温,难以耐高速雨点和尘埃的撞击,用金刚石膜来制作雷达罩,不仅散热快,耐磨性好,还可解决雷达罩在高速飞行中同时承受高温骤变问题。实验研究表明:利用金刚石做增透保护膜,在内冷式大硅片上单面镀金刚石薄膜可以增加透过率13%,双面镀膜可以增加26%.最近,专家研究成功地采用过渡层包覆ZnS衬底的方法直接沉积制备了金刚石/过渡层/ZnS多层膜系.同时采用在ZnS表面制备微结构的方法来增强金刚石膜与过渡层及金刚石膜的结合强度,经过沙粒冲刷实验显示了很好的防护效果。

化合积电采用最先进的 MPCVD装置,制备大面积高品质金刚石膜,采用研磨抛光专用设备,使CVD金刚石生长面表面粗糙度 Ra < 1 nm。现有核心产品晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片、金刚石基氮化铝薄膜等。其中金刚石热沉片的热导率高达1000-2000W/m.k,产品标准在行业内都是可圈可点的。并且采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在RF功率放大器、激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。



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