晶体院山东公司大尺寸、大厚度CVD ZnSe晶体生长取得新突破

图1 长2 m、宽1 m、厚度30～40 mm硒化锌板材

近期,中材人工晶体研究院(山东)有限公司(简称晶体院山东公司)张福昌博士带领的研发团队在大尺寸、大厚度化学气相沉积硒化锌(CVD ZnSe) 晶体生长技术领域取得重要突破。该团队基于自主研发设计制造的CVD ZnSe大型生长装备,生长出长2 m、宽1 m、厚度30～40 mm且性能优异的硒化锌多晶材料,如图1所示。CVD ZnSe不仅具有优异的光学性能,包括极宽的透射波段(0.55～20 μm)、极佳的光学均匀性(折射率均匀性为ppm量级)和极低的长波吸收系数(低于5×10-4cm-1),还具有高温下折射率变化小、良好的消色差和消相差的优点,是高分辨率的红外预警相机及热像仪的窗口、透镜、分色片等光学元件的首选光学材料,也是大功率CO2激光器聚焦镜的唯一可选材料。当前国际市场上能够稳定量产CVD ZnSe的单位屈指可数,国内使用的大尺寸、大厚度产品基本需要从国外进口。由于材料在应用领域上的敏感性和复杂性,进口材料不但手续繁多,价格昂贵,而且随时面临被禁的风险。因此,我们亟待解决红外透镜材料国产化,从根本上破解高端工程研制受制于人的被动局面。

CVD ZnSe制备工艺的控制参数非常多,影响生长结果的因素复杂、安全风险大,制备困难非常大。首先,原料气体硒化氢(H2Se)在很低的温度(160 ℃)即开始发生可逆分解,分解物硒极易与锌发生剧烈反应而无法实现大面积材料的均匀生长,同时生成材料的晶粒尺寸太大而显著降低材料光学和力学性能。其次,发生反应的原料空间浓度必须控制到一定的合理范围内。空间浓度的均匀性主要是由原料气体在特定压力场、温度场和重力场共同作用下形成,任何微小的压力波动或者原料气体流速的改变都会造成沉积室内反应气体流型的改变,如果局部空间浓度过大就会发生原料反应的空间形核,最终导致粉状硒化锌的生成,造成材料夹杂。更大的问题还有,随着沉积时间的增加,处于高温环境中的进气口位置也发生材料的沉积生长,从而形成同质喷嘴。喷嘴的发育形状和长度也随着沉积时间增加发生动态变化生长,这一过程更加剧了反应室内气体流型的变化和反应物空间局部浓度的快速变化,给材料稳定生长带来极大阻力。另外,沉积主气路系统反应多余原料凝结形成的粉末堵塞、大宗危险性原料气体的安全使用、技术开发的高额成本等工程问题都给大尺寸、大厚度CVD ZnSe材料的技术开发带来重重困难。

晶体院山东公司在国家级“XX关键材料科研项目”的资助下,重点研究大尺寸、大厚度CVD ZnSe 晶体生长技术。研究团队本着“一代装备、一代产品”的研发理念,首先突破了大型CVD ZnSe生长装备的自主研发,其次克服众多工艺上的技术难题,成功生长出长2 m、宽1 m、厚度30～40 mm CVD ZnSe 晶体,且材料质量优异。此项突破,不仅为国家“卡脖子”重要先进材料的需求提供了坚实的保障,也为晶体院山东公司的硒化锌产业化打下了坚实的技术基础。