一种金刚石光学窗口的结构及其制备方法与流程

本发明是一种金刚石光学窗口的结构及其制备方法，属于光学以及材料加工领域。

背景技术：

1、金刚石具有优异的硬度、抗氧化、耐腐蚀性能，在光学、微波传输、电化学、航空航天领域有极为重要的应用价值。尤其是在微波、光学领域尤其在光学窗口相关元件适用的波长基本上囊括了从x射线、深紫外到微波的所有波段。对于目前现有的红外窗口材料(如蓝宝石、尖晶石、mgf2等)在高温下有着强烈的红外自发辐射并且力学下降明显，越来越难以满足各种诸如红外窗口以及整流罩等极端的应用场景。而金刚石在满足优异的光学透过性能的前提下具备良好的机械性能，显示出在光学通信方面的优势。

2、传统的光学窗口及其机械法兰的连接工艺主要有电镀、焊接、机械密封等方法。所用窗口诸如蓝宝石，尖晶石、mgf2等。

3、目前研究人员多通过采用多晶金刚石或者纳米金刚石基于焊料使得金刚石薄膜与法兰焊接，虽然性能相比于蓝宝石，尖晶石、mgf2等光学窗口有所提升，但受限于在钎焊过程中所受到的热应力以及与法兰热膨胀系数不匹配，使得金刚石薄膜容易在焊接的过程中发生石墨化甚至断裂，使得金刚石光学透过有所降低的同时使得生产成本大大提高。

4、这些应用领域不仅仅需要低粗糙度，高透过性的金刚石薄膜，还需要应对金刚石如何跟组件连接在一起的问题，传统金刚石薄膜及其法兰的连接越来越难以满足透过性、稳定性以及漏率的要求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种金刚石光学窗口的结构及其制备方法，以解决问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种金刚石光学窗口的结构及其制备方法，包括以下步骤；

3、步骤1；根据实际所用的光学波长及其所需光学窗口的设计选择一定厚度一定尺寸的金刚石薄膜，对金刚石薄膜双面进行研磨、抛光激光划片切割等工艺处理，使得金刚石薄膜表面没有裂纹，同时粗糙度能够满足要求得到金刚石层；

4、步骤2；将金刚石层通过酒精丙酮清洗吹干后，将一定厚度一定尺寸的掩膜贴合到金刚石层中心，经过外部合适的镀膜设备在金刚石层边缘沉积选定的金属层，完成沉积金属层后，在金属层上涂覆一层低温金属焊料；

5、步骤3；实现金刚石片拖与焊料的紧密贴合，随后通过外部的真空焊接设备实现金刚石层与金刚石片拖之间的焊接；

6、步骤4；在金刚石片拖边缘上涂覆一层低温金属焊料，实现金刚石片拖与片拖支撑的紧密贴合，随后通过外部的真空焊接设备实现金刚石片拖与片拖支撑的焊接；

7、步骤5；在片拖支撑与法兰之间的预留空隙并在空隙中填充焊料，压实后间隙后使用外部高温焊接设备实现片拖支撑与法兰之间的连接固定。

8、优选的，在步骤1中，对金刚石双面进行研磨、抛光激光、划片切割处理使其达到光学级要求。

9、优选的，采用的原始金刚石衬底的厚度在于20μm至1000μm，金刚石的尺寸在1inch至10inch；其金刚石层表面粗糙度ra小于或等于2nm。

10、优选的，在步骤2中需对金刚石层进行清洗并干燥。

11、优选的，在步骤2中对未掩膜所遮挡的外沿边缘镀制厚度为0.5μm至500μm金属层。

12、优选的，在步骤3中焊料包括但不限于ag基、cu基以及mo基等焊料，其焊接温度控制在400℃至800℃。

13、优选的，在步骤4中所用焊料为低温活性焊料,其焊接温度控制在400℃至800℃。

14、优选的，在步骤5中所用焊料为密封焊料,起焊接温度控制在400℃至1200℃。

15、一种金刚石光学窗口的结构，其结构包括依次堆叠的金刚石层、金刚石片拖、片拖支撑、法兰；其金刚石层与金刚石片拖、金刚石片拖与片拖支撑、片拖支撑与法兰的结合处均通过焊料进行涂覆使其之间相互固定。

16、有益效果

17、本发明的优点在于：金刚石集中各种优异性能于一身，超高的光学透过性使得金刚石作为窗口材料能够应用在微波以及射线探测领域。

18、而采用本方法实现金刚石光学窗口结构及其法兰的焊接工艺，可以明显减小金刚石薄膜与法兰的焊接难度，在满足机械性能以及漏率的前提之下，大大减小了焊接温度所带来的热应力的问题。

19、本发明突出优势在于：采用多次钎料焊接配合各中间组件连接金刚石薄膜与法兰的方案；而传统的金刚石法兰窗口直接把金刚石焊接在法兰上。

20、本方案的显著优势在于能够实现高机械结合强度、高真空度以及耐热冲击性能，优化产品质量，操作简单。

技术特征：

1.一种金刚石光学窗口的结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤；

2.根据权利要求1所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：在步骤1中，对金刚石双面进行研磨、抛光激光、划片切割处理使其达到光学级要求。

3.根据权利要求2所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：采用的原始金刚石衬底的厚度在于20μm至1000μm，金刚石的尺寸在1inch至10inch；其金刚石层表面粗糙度ra小于或等于2nm。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：在步骤2中需对金刚石层进行清洗并干燥。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：在步骤2中对未掩膜所遮挡的外沿边缘镀制厚度为0.5μm至500μm金属层。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：在步骤3中焊料包括但不限于ag基、cu基以及mo基等焊料，其焊接温度控制在400℃至800℃。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：在步骤4中所用焊料为低温活性焊料,其焊接温度控制在400℃至800℃。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石光学窗口结构的制备方法，其特征在于：在步骤5中所用焊料为密封焊料,其焊接温度控制在400℃至1200℃。

9.一种金刚石光学窗口的结构，其特征在于：其包括依次堆叠的金刚石层、金刚石片拖、片拖支撑、法兰；其金刚石层与金刚石片拖、金刚石片拖与片拖支撑、片拖支撑与法兰的结合处均通过焊料进行涂覆使其之间相互固定。

技术总结
本发明公开了一种金刚石光学窗口的结构及其制备方法，所述金刚石光学窗口的结构包括依次堆叠的金刚石层、金刚石片拖、片拖支撑、法兰；其金刚石层与金刚石片拖、金刚石片拖与片拖支撑、片拖支撑与法兰的结合处均通过焊料进行涂覆使其之间相互固定；实现金刚石光学窗口结构及其法兰的焊接工艺，可以明显减小金刚石薄膜与法兰的焊接难度，在满足机械性能以及漏率的前提之下，大大减小了焊接温度所带来的热应力的问题。

技术研发人员：张星,陈祺
受保护的技术使用者：化合积电（厦门）半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16