晶體院山東公司大尺寸、大厚度CVD ZnSe晶體生長取得新突破

圖1 長2 m、寬1 m、厚度30～40 mm硒化鋅板材

近期,中材人工晶體研究院(山東)有限公司(簡稱晶體院山東公司)張福昌博士帶領(lǐng)的研發(fā)團隊在大尺寸、大厚度化學(xué)氣相沉積硒化鋅(CVD ZnSe) 晶體生長技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。該團隊基于自主研發(fā)設(shè)計制造的CVD ZnSe大型生長裝備,生長出長2 m、寬1 m、厚度30～40 mm且性能優(yōu)異的硒化鋅多晶材料,如圖1所示。CVD ZnSe不僅具有優(yōu)異的光學(xué)性能,包括極寬的透射波段(0.55～20 μm)、極佳的光學(xué)均勻性(折射率均勻性為ppm量級)和極低的長波吸收系數(shù)(低于5×10-4cm-1),還具有高溫下折射率變化小、良好的消色差和消相差的優(yōu)點,是高分辨率的紅外預(yù)警相機及熱像儀的窗口、透鏡、分色片等光學(xué)元件的首選光學(xué)材料,也是大功率CO2激光器聚焦鏡的唯一可選材料。當(dāng)前國際市場上能夠穩(wěn)定量產(chǎn)CVD ZnSe的單位屈指可數(shù),國內(nèi)使用的大尺寸、大厚度產(chǎn)品基本需要從國外進口。由于材料在應(yīng)用領(lǐng)域上的敏感性和復(fù)雜性,進口材料不但手續(xù)繁多,價格昂貴,而且隨時面臨被禁的風(fēng)險。因此,我們亟待解決紅外透鏡材料國產(chǎn)化,從根本上破解高端工程研制受制于人的被動局面。

CVD ZnSe制備工藝的控制參數(shù)非常多,影響生長結(jié)果的因素復(fù)雜、安全風(fēng)險大,制備困難非常大。首先,原料氣體硒化氫(H2Se)在很低的溫度(160 ℃)即開始發(fā)生可逆分解,分解物硒極易與鋅發(fā)生劇烈反應(yīng)而無法實現(xiàn)大面積材料的均勻生長,同時生成材料的晶粒尺寸太大而顯著降低材料光學(xué)和力學(xué)性能。其次,發(fā)生反應(yīng)的原料空間濃度必須控制到一定的合理范圍內(nèi)?？臻g濃度的均勻性主要是由原料氣體在特定壓力場、溫度場和重力場共同作用下形成,任何微小的壓力波動或者原料氣體流速的改變都會造成沉積室內(nèi)反應(yīng)氣體流型的改變,如果局部空間濃度過大就會發(fā)生原料反應(yīng)的空間形核,最終導(dǎo)致粉狀硒化鋅的生成,造成材料夾雜。更大的問題還有,隨著沉積時間的增加,處于高溫環(huán)境中的進氣口位置也發(fā)生材料的沉積生長,從而形成同質(zhì)噴嘴。噴嘴的發(fā)育形狀和長度也隨著沉積時間增加發(fā)生動態(tài)變化生長,這一過程更加劇了反應(yīng)室內(nèi)氣體流型的變化和反應(yīng)物空間局部濃度的快速變化,給材料穩(wěn)定生長帶來極大阻力。另外,沉積主氣路系統(tǒng)反應(yīng)多余原料凝結(jié)形成的粉末堵塞、大宗危險性原料氣體的安全使用、技術(shù)開發(fā)的高額成本等工程問題都給大尺寸、大厚度CVD ZnSe材料的技術(shù)開發(fā)帶來重重困難。

晶體院山東公司在國家級“XX關(guān)鍵材料科研項目”的資助下,重點研究大尺寸、大厚度CVD ZnSe 晶體生長技術(shù)。研究團隊本著“一代裝備、一代產(chǎn)品”的研發(fā)理念,首先突破了大型CVD ZnSe生長裝備的自主研發(fā),其次克服眾多工藝上的技術(shù)難題,成功生長出長2 m、寬1 m、厚度30～40 mm CVD ZnSe 晶體,且材料質(zhì)量優(yōu)異。此項突破,不僅為國家“卡脖子”重要先進材料的需求提供了堅實的保障,也為晶體院山東公司的硒化鋅產(chǎn)業(yè)化打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。