[发明专利]一种消除大尺寸碳化硅基底硅改性层内应力的方法

说明书

本发明提供一种消除大尺寸碳化硅基底硅改性层内应力的方法，属于薄膜技术领域。该方法通过在碳化硅基底硅改性层的成膜过程中，利用磁控溅射镀膜技术，设置镀膜工艺参数，在环状磁场控制下荷能离子轰击靶材，在SiC基底上沉积一定厚度的Si；然后停止溅射镀膜，更改镀膜工艺参数后，在SiC基底上继续沉积一定厚度的Si；然后停止溅射，反复修改工艺参数，重复上述步骤，最终制备出一定厚度的Si改性层。本发明方法消除了由于改性层内应力造成的膜层断裂现象和空气孔缺陷，有效降低了Si改性层内缺陷的产生，使大面积Si改性层的整体致密性非常良好，制备的大尺寸SiC基底Si改性层的致密度远远优于传统工艺制备Si改性层。

技术领域

本发明属于薄膜技术领域，具体涉及一种消除大尺寸碳化硅基底硅改性层内应力的方法。

背景技术

随着空间观测和遥感技术的飞速发展，高质量空间光学系统在侦察、遥感、探灾、气象、天文观测等军事应用和民用领域中得到了广泛应用，同时人们对空间光学系统的性能要求也越来越高。由于空间应用的特殊性，空间光学系统多采用反射式光学系统，反射镜的品质对其系统性能起着举足轻重的作用。目前空间反射镜向着大口径、长焦距、高光学性能的趋势发展，随着反射镜的制备和加工工艺的技术的飞速发展，SiC凭借其优异的物理特性、机械性能和热性能，在众多的备选材料中脱颖而出，已经成为制备空间反射镜基底的主要候选材料之一。

碳化硅(SiC)材料的制备工艺方法很多，其中工程上常用的主要有4种：热压烧结SiC(HP-SiC)、常压烧结SiC(SinteredSiC，S-SiC)，反应烧结SiC(RB-SiC)和化学气相沉积SiC(CVD-SiC)。其中，利用RB-SiC可以直接制备出结构复杂、轻量化程度较高的大尺寸镜坯，而无需额外轻量化加工，加工成本较低，而且收缩率小，仅为1％～2％，是一种近净尺寸成型工艺。因此，RB-SiC是目前制备大口径复杂轻量化结构反射镜坯体的优选材料。

然而，由于制备工艺的原因，RB-SiC材料中包含了SiC和Si两相成份，SiC和Si两相物理特性的差异导致在抛光过程中两相成份的去除速率不相同，很容易在两相成份的交界处形成台阶，且在Si相成份处容易形成凹陷，使基底表面凸凹不平，降低基底表面的光学质量。通常直接抛光后的SiC基底表面光学质量仍然不高，表面粗糙度(RMS)在2.0nm左右，无法满足高质量空间光学系统的应用要求。因此，必须对SiC基底进行表面改性处理。所谓SiC基底表面改性就是要在SiC基底表面镀制一层与基底结合牢固、且抛光性能良好的具有相当厚度的致密膜层，覆盖住基底表面缺陷，然后再对致密改性层进行光学精密抛光，以达到获得较高质量的光学表面的目的。

目前，国际上较为流行的SiC基底表面改性方法主要有两种，一是在基底表面上用化学气相沉积方法制备Si改性层(CVDSiC)进行改性，二是用物理气相沉积方法制备Si改性层(PVDSi)进行改性。其中，PVDSi改性层为单质，不存在异质材料抛光速率不同所引起的抛光精度差的问题，同时该工艺对加工设备要求不高，工艺方法较为成熟且可靠性较高。目前美国、法国、德国、日本等航天大国在研发SiC基底加工工艺的同时也都在积极开展SiC基底反射镜表面改性工作，并已在多项航天型号产品中得到成功应用。

然而，利用PVD方法制备的Si单质改性层的厚度一般几微米到几十微米，如此厚的改性膜层一般具有较大的膜层内应力。改性膜层内应力是决定薄膜完整性的重要因素之一，改性膜层内应力严重时会直接导致薄膜断裂、脱落，使薄膜损伤，甚至使整个元件失去功能。在一定范围内，改性膜层内应力会作用于基体，导致基体发生变形，从而使通过薄膜元件传输的光电信息发生畸变。薄膜最终存在的应力是各种因素所引起的应力分量的总和，包括内应力、由于薄膜与基底热膨胀系数不同及沉积与测量时的温差而引起的热应力、由晶态或体积变化或外加载荷作用引起的外应力以及水分吸收等物理现象等化学反应引起的应力。因此，消除Si改性层内应力将成为制备高质量的大尺寸SiC基底反射镜的关键所在。

发明内容