石英玻璃真空腔的低溫鍵合技術研究

2014-04-12 李　攀 西安飛行自動控制研究所

　　用于制造石英玻璃真空腔的低溫鍵合技術受到了廣泛的重視。該技術基于氫氧化物催化玻璃表面的水解/脫水過程，通過在鍵合界面之間形成硅酸鹽三維網狀結構實現鍵合，是一種高強度、高精確性、可靠的室溫鍵合方法。本文簡述了國際上低溫鍵合技術的研究動態，對石英玻璃低溫鍵合技術的工作原理進行了闡述，并設計了石英玻璃低溫鍵合的詳細實施步驟。通過對鍵合溶液濃度、鍵合過程、加速固化方法等關鍵工藝參數的分析和研究，實現了石英玻璃的低溫鍵合，鍵合強度超過2.88MPa，而鍵合界面與光膠一樣均勻、透明。利用低溫鍵合技術形成石英玻璃真空腔，漏率優于5×10-10 Pa·L/s。

　　石英玻璃作為一種重要的真空材料得到了廣泛應用。石英玻璃的膠合質量直接影響石英玻璃真空腔的真空度、幾何精度和壽命。傳統的玻璃膠合手段包括光膠、環氧膠膠合和漿料鍵合(Fritbonding)，但這些手段均存在各自的優缺點。光膠的優勢在于光學透明、膠合精度高，但真空技術網(http://shengya888.com/)認為這種技術環境適應性較差(比如潮濕環境)、結合力低、對膠合表面要求高(對面形、疵病和粗糙度都有極高要求)、需要相對大的膠合面積，總體來說可靠性相對較差;環氧膠膠合的最大問題是光解和熱解，而且結合力隨溫度和化學環境發生變化;漿料鍵合技術是一種高溫技術，其結合力強但精確性差，而且存在巨大的熱噪聲，并不適合精密石英玻璃真空腔的制造。

　　而低溫鍵合技術克服了傳統石英玻璃膠合技術的缺陷。該技術又稱為氫氧化物催化鍵合(Hydroxide-Catalyzed Bonding，HCB)技術，是一種在室溫環境下通過在鍵合界面形成硅酸鹽網狀結構進行兩體鍵合的可靠的固體膠合方式。與光膠相比，這種方法對界面要求不高(精研表面即可)，結合力更強(與漿料鍵合相當)，抗溫度沖擊，而鍵合界面與光膠一樣均勻、精確、透明，可以廣泛應用于熔石英、光學玻璃、光學晶體、花崗巖等材質的兩體鍵合。上世紀90年代美國宇航局(NASA)為滿足重力探針B(GP-B)計劃嚴酷的發射和使用條件資助美國斯坦福大學開展低溫鍵合技術研究，并獲得了非常理想的鍵合特性。從此，低溫鍵合技術引起了國外多家研究機構的高度重視，包括美國斯坦福大學、NASA、洛克希德·馬丁公司、德國肖特公司、英國格拉斯哥大學等研究機構一直致力于低溫鍵合技術的進一步開發和應用。經過近十年的研究探索，低溫鍵合技術的適用材料已經擴展到藍寶石、SiC、Si等多種光學晶體中，并且實現了異種材料之間的兩兩鍵合;應用領域也擴展到基礎科學研究、天文觀測、復雜光學元件制造、光通訊元件、大功率光纖激光器等諸多領域。NASA將該技術定位為一種光學透明、結構可靠、熱性能穩定的低溫技術。

1、原理

　　如圖1所示，含有氫氧化物的鍵合溶液施加在石英玻璃上時，OH-扮演催化劑的角色，促使與其接觸的石英玻璃表面水解，從而釋放出硅酸鹽離子。

SiO2+OH-+2H2O※Si(OH)-

石英玻璃表面水解過程示意圖

圖1　石英玻璃表面水解過程示意圖

　　當硅酸鹽釋放到溶液中后，活動的OH-離子就會減少。一旦溶液的pH值低于11，硅酸鹽離子就會解離形成

Si(OH)4Si(OH)-5※Si(OH)4+OH-

　　如圖2所示，這些Si(OH)4分子可以重新聚合形成硅氧烷鏈和水

2Si(OH)4※(HO)3SiOSi(OH)3+H2O

石英玻璃表面脫水過程示意圖

圖2　石英玻璃表面脫水過程示意圖

　　當水分子開始蒸發或進入石英玻璃時硅氧烷開始形成化學鍵。脫水過程繼續進行時，硅氧烷鏈逐漸形成糾纏的三維網狀結構，從而提供足夠的鍵合強度。

2、實施步驟

　　設計石英玻璃低溫鍵合技術的實施步驟如圖3所示，并對關鍵工序的工藝參數進行了分析和試驗。

低溫鍵合技術實施步驟

圖3　低溫鍵合技術實施步驟

　　2.1、表面準備

　　由于兩個鍵合表面需要近到足以成鍵，低溫鍵合技術對待鍵合表面的表面平整度提出了要求。實驗表明，為實現大強度、高可靠性、密封性優良的鍵合界面，要求面形至少達到λ/3。待鍵合表面需要超精密清洗以去除表面微粒并形成親水表面，清洗過程可以采用通常的半導體超精密清洗流程。利用異丙醇、H2SO4:K2Cr2O7、NaOH依次清洗待鍵合工件，接觸角小于10°，滿足低溫鍵合實驗對表面潔凈度的要求。

　　2.2、鍵合溶液準備

　　鍵合溶液通常為包含氫氧化物的水溶液。由于溶液中的粒子和雜質容易在鍵合界面形成缺陷點，從而影響低溫鍵合的強度、穩定性和環境適應性，所以要注意保證溶液的潔凈。

　　鍵合溶液的濃度是鍵合過程中的一個重要參數。實驗研究表明(表1)，鍵合強度隨濃度變化:濃度越大，強度越低，但固化時間越長，可以進行更精確的位置操作;濃度越小，強度越高，但留給精確調整的時間越短;但當濃度過低時會對石英玻璃的表面水解過程產生影響，鍵合強度會迅速下降。

不同溶液濃度下的鍵合強度

表1　不同溶液濃度下的鍵合強度

5、結論

　　低溫鍵合技術作為一種新型玻璃膠合技術，避免了光膠、環氧膠膠合和漿料膠合等傳統玻璃膠合方法的諸多缺陷，正逐漸成為玻璃真空腔的主要制造技術。

　　通過對鍵合溶液濃度、鍵合過程、加速固化方法等關鍵工藝參數的分析和研究，實現了石英玻璃的低溫鍵合，鍵合強度超過2.88MPa，而鍵合界面與光膠一樣均勻、透明。利用低溫鍵合技術形成石英玻璃真空腔，漏率優于5×10-10Pa·L/s。