在过去的15年中,通过化学气相沉积(CVD)生长的制造和加工的突破(CVD)已经建立了金刚石作为高功率和高能光学器件的优异基底材料。由于所需性能的组合,包括:非常广泛的透射光谱,低吸收,化学惰性,机械强度和最高的任何材料的最高室温导热率,钻石是这些高苛刻应用的自然选择。这些属性允许Diamond在其他材料根本不可行选项的环境和应用中执行。

安装的钻石pureoptics窗口。

广泛地,有两种类型的CVD金刚石 - 单晶(SC)和多晶(PC) - 每个都具有不同的优点。单晶钻石具有最低吸收,散射和双折射,而可以制造和加工到直径高达135毫米的尺寸和加工多晶金刚石。

对于许多激光应用,存在不断增加功率和能量的行业趋势,总价值和密度。一个例子是使用CO的EUV泵送系统2激光为10.6μm波长。这些泵送系统目前利用连续波(CW)功率水平20kW,该数字预计在未来几年(EUV Litho Symposium,2013)。Diamond的热敏和光学性能的组合使其成为一种能够处理这些极端功率水平的独特材料。

图1. Diamond PureOptics™窗口的反射率与入射角。入射角最高30°的反射率<0.6%。

也就是说,对于限制潜在损坏的反射并最大化产量能量,相同的薄膜抗反射涂层并不总是如此。在许多情况下,金刚石的热性质比施加到​​金刚石表面的Ar涂层材料的热性能更好。结果,涂覆的金刚石光学器件的激光诱导损伤阈值(盖子)比在金刚石基板上的涂层材料上更依赖于Ar涂层材料。这反映在观察中,该磁场在该领域的钻石窗口的故障,这可以非常昂贵,几乎总是与薄膜涂层的故障相关。随着行业推动更高的力量和能源,薄膜涂层的可靠性呈现出主要挑战。

为满足这一挑战,元素六,与哈佛大学的约翰A.保尔森工程和应用科学合作,开发了一种反射解决方案,可以完全消除薄膜涂层。现在可以为CO提供2激光波长10.6μm,新的Diamond PureOptics™产品使用蚀刻到窗面上的3D微结构,实现抗反射性能而不引入较差的非金刚石材料。使用标准半导体设备的Diamond Pureoptics™制造过程易于缩放,成本与薄膜涂层成本相似。如所示(图1)所示的所谓元表面的AR性能至少与传统的薄膜一样好或更好。

图2.增加的LIDT提供了更可靠的解决方案。

这种全钻石解决方案在传统的薄膜AR涂层上具有许多益处。首先,如图2所示,在传统的AR涂层解决方案方面,在激光诱导损伤方面,可靠性增加了至少10倍。在CW Lidt @10.6μm的测试中,Diamond PureOptics™已经没有损坏,即使在电量密度高达3 MW / cm2。除了增加的LIDT之外,由于不存在薄膜涂层,窗的光学吸收减少,其通常每表面吸收0.1%。这具有减少热驱动效果如热镜头的宝贵益处。此外,随着钻石Pureoptics™窗户在传统意义上没有涂层基板界面,在层之间没有CTE(热膨胀系数)不匹配,没有剪切应力,并且荟萃表面不可能分层。最后,由于金刚石的化学惰性性质,Ar Meta-FaceSps具有无与伦比的环境稳定性,并且可以使用侵蚀性酸和溶剂轻松彻底清洁。

有效的中学理论

图4。

通常通过用折射率和厚度沉积介电叠层来制造金刚石上的抗反射涂层,以确保适当的破坏性干扰。对于理想的单层Ar涂层,使用图4中所见的公式找到折射率和厚度。

图5。

与散装金刚石相比,这种异质结构显示出降低的LIDT。然而,散装金刚石可以设计成显示等于所需的抗反射指数条件的有效指数。这可以通过蚀刻金刚石中的周期性结构来完成,其周期性满足图5中所见的公式。

其中λ0是感兴趣的波长。对于10.6μm的波长,这对应于4.4μm的周期性。从衍射光学器件的角度看,只要在钻石上制造的任何结构都满足这一要求,入射光只会衍射到Zeroth顺序中[1]

图6。

在真实结构中,例如图3(a)所示的截头锥体,侧壁不一定是直的。这通过两种方式是有利的,通过减少锥形顶点和底部的指数对比,并且通过提供空间改变的折射率,这最小化了反射[2] [3]。沿着这种锥形的折射率分布在图3(b)中示意性地示出。为了估计特定Z值的折射率,我们可以使用Bruggeman近似值[4] [5]在图6中见过。

这里,F表示蚀刻图案的填充部分(即结构区域与周期面积的比率),G表示,对于无限长的椭圆体,我们近似为0.5的几何形状依赖性去极化因子[5]。使用该公式,我们看到理想的填充分数是f = 0.5,这意味着一半的蚀刻表面被金刚石结构占据。

图3.单片抗反射涂层的设计原理(a)副波长介电柱在金刚石中制造,侧壁略微倾斜。(b)通过调整结构的高度来实现最佳的破坏性干扰。(c)完全有限差分时域模拟结果,显示传动对柱高度和波长。

由于空间变化的折射率,这种近似并不严格正确。尽管可以通过使用转移矩阵方法或严格耦合波分析(RCWA)来导出使用有效介质方法的解决方案[22],蚀刻基板的全部有限差分时间域(FDTD)模拟可以建立结构的传动,具有完整的严格。使用荧光灯,改变设计参数以导出最佳菱形形状。代表参数扫描如图3(c)所示,其中柱高度在保持柱顶和底部半径恒定的同时扫过。该仿真显示最佳设计高度〜1.75μm。

钻石加工

虽然它是科学所知的最难的材料,但是钻石易于传统的半导体加工技术。等离子体蚀刻,其中气体混合物被激发成血浆,然后指向靶材料,是至多常见的方法。通过使用层(称为抗蚀剂)来阻止在某些区域中的蚀刻金刚石,可以制造具有直侧壁的结构。这种技术已经在钻石中使用各种应用,包括光波导[6],量子光学纳米线[7]和微透镜[1] [8]

图7.扫描电子显微照片(SEM)制造的抗反射涂层(Scale Bar 20 M)。插图显示样品的放大图像(秤栏2 m)。

有两个主要的等离子体化学物质用于蚀刻金刚石:氩气/氯混合物,其缓慢蚀刻(〜80nm / min)并用于平滑金刚石基材[9]和纯氧等离子体。氧等离子体的蚀刻机制大多是化学的,因为激发氧物质达到靶金刚石表面,与表面碳反应形成二氧化碳和其他挥发物种,快速离开蚀刻表面。这种化学的益处具有更快(〜160 nm / min),更具选择性的钻石,保持抗蚀剂材料和形状[7]

额外的应用程序

Diamond的优秀材料特性使其成为下一代光学和机械系统的主要播放器。处理技术,如法拉第笼成角度蚀刻[10] [11] [12],掩盖氧化[13],准各向同性等离子体蚀刻[14]和双光子辅助蚀刻[15]可以为基于钻石的设备启用新的范例。在自由空间中红外光学等应用之外,如抗反射涂层[2]和波纹[16]如果可以满足从所需的较小结构的制造挑战,可以满足诸如所需的较小结构的制造挑战,则巨大的潜力仍有待挖掘。除自由空间光学外,钻石可能在利基集成光学器件中发挥更大的作用,其中光学部件直接在硅芯片上制造。示例包括集成频率梳理[17],过滤器[18],拉曼激光器[19]和量子光网络[20]

本文是由Pawel Latawiec,Alexander Muhr,Marko Lon on Lon Solcar和Element Six(Santa Clara,CA)的Daniel Twitchen编写的。有关更多信息,请联系Daniel Twitchen此电子邮件地址受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或访问http://info.hotims.com/61067-200.

参考

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  4. D. A. G. Bruggeman,Ann。物理。24,636(1935)。
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  6. M. P. Hiscocks,K.Ganesan,B.C.Gibson,S.T. Huntington,F. Ladouceur和S. Prawer,Optics Express 16,19512(2008)。
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  21. H. Kikuta,Y. Ohira和K.Iwata,Application OptiS 36,1566(1997)。
  22. I. Richter,P. C. Sun,F. Xu和Y.Fainman,Applicated Optics34,2421(1995)。

Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在2016年11月的问题光子和成像技术杂志。

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