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。

对于许多激光应用来说,功率和能量的不断增加是一种工业趋势,包括总价值和密度。一个例子是使用CO的极紫外泵系统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所示。金刚石纯光学™窗口反射率与入射角度。当入射角为30°时,反射率< 0.6%。

也就是说,对于薄膜增透涂层来说,这并不总是正确的。薄膜增透涂层需要限制潜在的反向反射和最大限度地提高吞吐量能量。在许多情况下,金刚石的热性能比应用于金刚石表面的AR涂层材料要好1000倍。因此,涂层金刚石光学的激光损伤阈值(LIDT)更依赖于AR涂层材料而不是金刚石基体。这反映在观察中,钻石窗户在现场的失效,这可能是非常昂贵的,几乎总是与薄膜涂层的失效有关。随着工业向更高的功率和能源方向发展,薄膜涂料的可靠性提出了一个重大挑战。

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。

与传统的薄膜AR涂层相比,这种全金刚石解决方案有许多优点。首先,如图2所示,在激光损伤方面,可靠性比传统AR涂层解决方案提高了至少10倍。在10.6 μm连续波LIDT测试中,金刚石PureOptics™即使在功率密度高达3 MW/cm2的情况下也没有损坏。除了增加LIDT外,由于没有薄膜涂层,窗口的光学吸收降低,通常每个表面吸收0.1%。这有一个宝贵的好处,减少热驱动效应,如热透镜效应。此外,由于Diamond PureOptics™窗口没有传统意义上的涂层-基材界面,层间不存在CTE(热膨胀系数)不匹配,没有剪切应力,而且金属表面不可能分层。最后,由于金刚石的化学惰性性质,AR超表面具有无与伦比的环境稳定性,可以轻松彻底地使用腐蚀性酸和溶剂清洗。

有效介质理论

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。

在实际结构中,如图3(a)所示的截断锥,侧壁不一定是直的。这在两个方面是有利的,通过减少在锥顶和底部的折射率对比度和提供一个空间变化的折射率,以最大限度地减少反向反射[2] [3]。沿此锥的折射率分布图如图3(b)所示。为了估计特定z值处的折射率,我们可以采用布鲁格曼近似[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。整体抗反射涂层的设计原则(a)亚波长电介质柱是用金刚石制作的,侧壁略有倾斜。(b)通过调整结构的高度来实现最佳的破坏性干涉。(c)全有限差分时域模拟的结果显示传输与柱高和波长。

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[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此电子邮件地址正在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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  21. H. Kikuta, Y. Ohira, K. Iwata, Applied Optics 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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