激光CVD法的氧化鋁涂層低溫高速成膜新技術開發與應用

　　【中國幕墻網】業界對工作在理想光譜區域和功率范圍的緊湊型固態金剛石激光器的追求，以及眾多其他的光電子應用，促進了全球對工業金剛石制造的研究和開發。得益于近年來化學氣相沉積（CVD）法生長金剛石技術的進步，澳大利亞的一個研究小組最近報道了一種光泵浦外腔CVD金剛石拉曼激光器。

　　澳大利亞Macquarie大學的研究人員Richard Mildren表示：“長期以來，人們一直認為金剛石是非常好的拉曼材料。但是直到過去的幾年，由于CVD生長方法能夠以合理的價格重復制造這種材料，才使我們可以實際進行這方面的研究” 。

　　圖:原理驗證拉曼激光器的諧振腔由輸入耦合鏡M1和端鏡M2形成，內置一塊以布儒斯特角（67.5o）放置的未鍍膜單晶CVD金剛石。對于由上端的布儒斯特面反射的輸出光束，一個短程濾波器（高透邊界為540nm）用于從斯托克斯輸出光中濾除殘余的泵浦光。

　　金剛石的拉曼增益系數，比金屬鎢酸鹽、硝酸鋇以及硅等其他可替代的拉曼材料至少要高出40%。在所有的材料中，金剛石具有最大的拉曼頻移以及最寬的透光范圍，大約從紫外的225nm到遠紅外的100祄。而且在如此寬的范圍內，有許多光譜區域是目前的激光技術無法很好做到的，如醫學中使用的黃光，這也是目前金剛石拉曼激光器研究的主要推動力之一。此外，金剛石的熱導率比其他大多數激光材料約高出兩個數量級，這為高功率激光應用提供了巨大潛力。

　　 金剛石光子器件

　　對硅基拉曼激光器的研究也引起了業界的巨大興趣，因為依靠目前的半導體技術，硅基拉曼激光器有望被集成到電子集成光路中。盡管金剛石缺乏像硅那樣制成集成光路的技術平臺，但在過去的十年中，對集成單片金剛石光子器件的研究興趣，使人們在實驗室中實現了波導、光子晶體器件、輻射探測和光子源。總的來說，這些進步都是通過在硅基底上沉積金剛石薄膜的CVD技術實現的。

　　這項技術的一個研究目標是用熱導率比純硅更高的金剛石和硅的化合物晶圓，取代目前集成光路中使用的300mm直徑的硅晶圓基底。其中的一種方法有望以可承受的價格來制造大尺寸單晶金剛石晶圓。在過去的五年中，表面積達25祄2的單晶金剛石薄膜、以及毫米尺寸的工業金剛石已實現商業化。

　　基于這些材料方面的進步，Macquarie大學構建了一款拉曼激光器，它是通過把一塊尺寸約為5mm 5mm 1.47mm的未鍍膜金剛石單晶，放置在由輸入耦合鏡和端鏡組成的諧振腔內構成的。拉曼激光器的泵浦光是由調Q Nd: YAG激光器經過倍頻輸出的頻率為10Hz、脈寬為10ns的532nm的激光。研究人員構建的這款外腔拉曼激光器，從輸入的泵浦信號到573nm一階斯托克斯輸出光的總轉換效率為13%。

　　Mildren認為，他們的原理驗證演示是一個比較粗糙的實驗，其中還有諸多可以改進的因素以提高效率，這些因素包括在晶體表面缺少減反射膜，在晶體生長過程中的殘余應力雙折射，以及晶體的長度較短。他補充說，他們正在對CVD技術進行的改進已經使后兩項問題得到了解決，比如，2008年10月英國Element Six公司就發布了一種商用的激光用CVD金剛石，其雙折射差小于10-5。

　　日本東北大學金屬材料研究所和產業技術綜合研究所通過激光CVD(化學氣相沉積)法使原料等離子化，開發出了在較原來約低400℃的溫度下對氧化鋁(Al2O3)單晶涂層進行成膜，并將成膜速度提高數10～1000倍的成膜技術。如果將該項研究成果用于刀頭可換式等切削工具的硬質氧化鋁相涂層中，將有望大幅提高切削工具的壽命，因此吸引了廣泛關注。

　　日本東北大學金屬材料研究所教授后藤孝的研究小組一直在進行以下的研究：采用鋁有機金屬絡合物Al(acac)3(乙酰丙酮鋁)和氧氣，然后對其進行激光照射實現等離子化，形成活性反應場，對氧化鋁α單晶相進行成膜，并優化結晶方位。如果在激光器中采用半導體激光器使鋁的氣體原料實現等離子化，那么與目前的CVD法相比，可以低溫高速地制成硬質α相氧化鋁。CVD的載氣中使用了氬氣。

　　此次將激光器由半導體激光器改為Nd(釹)-YAG(釔鋁石榴石)激光器，輸出功率提高到了250W，可大范圍照射激光，從而優化了因等離子而形成的活性場。后藤教授介紹說，最終“我們成功地將成膜溫度降低了400℃，將成膜速度提高至數10～1000倍以上”。據后藤教授介紹，預計成膜速度最高可以快至數1000倍。成膜溫度為1000K左右，低于原方法的1500K。

　　氧化鋁是采用“Corundum”型結晶構造的氧化鋁高溫相，導熱率較小、即使在高溫下也具有良好的化學穩定性，因此有望作為超硬工具等切削工具的涂層。通過實驗獲得了α氧化鋁相單晶成膜的溫度和楊氏模量的合成領域范圍、將原料氣體的氣化溫度和裝置樣品室的壓力作為變數進行控制后的結晶方位范圍等。

　　此次的研究成果，是東北大學與產綜研可持續材料研究部門作為大幅減少稀有金屬W(鎢)使用量的經濟產業省“稀有金屬代替材料開發項目”的研發課題而共同推進的。在成膜底板的實驗中采用了氧化鋁，后藤教授介紹說“還可以支持超硬工具(WC和Co是主要成分)底板中的被膜”。

　　以對α氧化鋁層進行低溫高速被膜的研究成果為基礎，工具廠商如何支持超硬工具實現產品化將是今后的一大課題。后藤教授表示，覆層對象除了超硬工具外，“預計主要成分為TiN(氮化鈦)的金屬陶瓷也可被膜”。基于激光CVD的等離子活性化被膜法可以用于很多領域，這一點最受人矚目。