高致密厚硅膜的低应力设计与可控制备

大尺寸碳化硅光学部件是空间探测光学系统的核心部件，在军事侦察和民用观测领域有着重要的应用价值，采用高致密厚硅膜对碳化硅镜坯进行表面改性是降低表面加工难度、获得超光滑表面和提高反射率的主要途径之一。如今广泛研究的厚硅膜制备方法大多存在厚度与低应力相互制约的问题，直接制约其在大尺寸部件上的应用。本项目拟采用"压-张交变应力"叠层结构设计方法来解决这一问题，在常压烧结碳化硅基体上设计与制备出低应力超厚硅膜（20～50μm厚）。通过有限元分析和模拟计算与实验验证相结合的方法，优化"压-张交变应力"叠层结构参数，获得低应力厚膜膜系；研究等离子体辅助物理气相沉积法和真空蒸镀法沉积过程中硅膜的应力形成机制及其对膜层质量的影响；揭示"压-张交变应力"叠层结构厚硅膜的失效机制，并考察其抛光特性。这一新方法有望解决厚硅膜的制备技术瓶颈，促进大尺寸碳化硅光学部件表面改性研究和空间探测技术的进一步发展。

本项目针对空间探测光学系统用碳化硅光学部件表面改性对厚硅膜的需求，采用“压-张交变应力”叠层结构设计、等离子体辅助离子镀（PIAD）和真空蒸镀法（VE）交替沉积的方法，成功实现了高致密、低应力、厚度>20μm硅膜的制备，解决了膜层厚度与低应力相互制约的问题。.主要研究结果和突破的关键技术如下：（1）建立了多层膜叠层结构模型，推导出其残余应力计算公式为：σd=(σ1tf1+σ2tf2+…+σitfi)/(tf1+tf2+…+tfi)，即叠层膜应力值为各膜层应力以厚度为权重的加权平均值；（2）提出了描述PIAD法制备硅膜的形核生长过程的三个阶段：形核生长初期，硅粒子分散性地附着到基体表面；生长中期，硅粒子在原有硅粒子和基体上附着，形成部分连续的薄膜；生长后期，硅粒子继续在原有硅粒子和基体上附着，形成连续的薄膜；（3）对硅膜应力形成机理进行研究和分析，认为：在PIAD法中，在等离子体的作用下Si分子发生电离，在电场作用下以离子的形式沉积到基体上，形成较强的Si-Si键合，在Ar+离子轰击的作用下形成压应力。在VE法中，主要是Si分子的堆积形式，且Si分子的动能很小，分子与分子仅为物理吸附，从而整体上表现为张应力；（4）采用PIAD和VE交替沉积的方法可以获得“压-张交变应力”叠层结构厚硅膜，且膜层应力较单层膜有较大程度的降低，失效机制分析研究表明叠层结构有效避免了随着膜厚增加应力过大导致的膜层损坏，（5）“压-张交变应力”叠层结构高致密低应力厚硅膜经机械抛光后，可获得表面质量良好的表面，表面粗糙度为Ra=0.7nm，在400～750nm波段的漫反射率低于0.5%，直径为125mm的样品面形精度PV值达到0.146λ (λ=632.8nm)。