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)張福昌博士帶領的研發團隊在大尺寸、大厚度化學氣相沉積硒化鋅(CVD ZnSe) 晶體生長技術領域取得重要突破。該團隊基于自主研發設計制造的CVD ZnSe大型生長裝備,生長出長2 m、寬1 m、厚度30～40 mm且性能優異的硒化鋅多晶材料,如圖1所示。CVD ZnSe不僅具有優異的光學性能,包括極寬的透射波段(0.55～20 μm)、極佳的光學均勻性(折射率均勻性為ppm量級)和極低的長波吸收系數(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點,是高分辨率的紅外預警相機及熱像儀的窗口、透鏡、分色片等光學元件的首選光學材料,也是大功率CO2激光器聚焦鏡的唯一可選材料。當前國際市場上能夠穩定量產CVD ZnSe的單位屈指可數,國內使用的大尺寸、大厚度產品基本需要從國外進口。由于材料在應用領域上的敏感性和復雜性,進口材料不但手續繁多,價格昂貴,而且隨時面臨被禁的風險。因此,我們亟待解決紅外透鏡材料國產化,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非常多,影響生長結果的因素復雜、安全風險大,制備困難非常大。首先,原料氣體硒化氫(H2Se)在很低的溫度(160 ℃)即開始發生可逆分解,分解物硒極易與鋅發生劇烈反應而無法實現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和力學性能。其次,發生反應的原料空間濃度必須控制到一定的合理范圍內。空間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反應氣體流型的改變,如果局部空間濃度過大就會發生原料反應的空間形核,最終導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,處于高溫環境中的進氣口位置也發生材料的沉積生長,從而形成同質噴嘴。噴嘴的發育形狀和長度也隨著沉積時間增加發生動態變化生長,這一過程更加劇了反應室內氣體流型的變化和反應物空間局部濃度的快速變化,給材料穩定生長帶來極大阻力。另外,沉積主氣路系統反應多余原料凝結形成的粉末堵塞、大宗危險性原料氣體的安全使用、技術開發的高額成本等工程問題都給大尺寸、大厚度CVD ZnSe材料的技術開發帶來重重困難。

晶體院山東公司在國家級“XX關鍵材料科研項目”的資助下,重點研究大尺寸、大厚度CVD ZnSe 晶體生長技術。研究團隊本著“一代裝備、一代產品”的研發理念,首先突破了大型CVD ZnSe生長裝備的自主研發,其次克服眾多工藝上的技術難題,成功生長出長2 m、寬1 m、厚度30～40 mm CVD ZnSe 晶體,且材料質量優異。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業化打下了堅實的技術基礎。