石英玻璃真空腔的低溫鍵合技術(shù)研究

　　用于制造石英玻璃真空腔的低溫鍵合技術(shù)受到了廣泛的重視。該技術(shù)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鍵合，是一種高強(qiáng)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(shù)的研究動態(tài)，對石英玻璃低溫鍵合技術(shù)的工作原理進(jìn)行了闡述，并設(shè)計了石英玻璃低溫鍵合的詳細(xì)實(shí)施步驟。通過對鍵合溶液濃度、鍵合過程、加速固化方法等關(guān)鍵工藝參數(shù)的分析和研究，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃的低溫鍵合，鍵合強(qiáng)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(shù)形成石英玻璃真空腔，漏率優(yōu)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(yīng)用。石英玻璃的膠合質(zhì)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(tǒng)的玻璃膠合手段包括光膠、環(huán)氧膠膠合和漿料鍵合(Fritbonding)，但這些手段均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。光膠的優(yōu)勢在于光學(xué)透明、膠合精度高，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為這種技術(shù)環(huán)境適應(yīng)性較差(比如潮濕環(huán)境)、結(jié)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(huán)氧膠膠合的最大問題是光解和熱解，而且結(jié)合力隨溫度和化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化;漿料鍵合技術(shù)是一種高溫技術(shù)，其結(jié)合力強(qiáng)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(shù)克服了傳統(tǒng)石英玻璃膠合技術(shù)的缺陷。該技術(shù)又稱為氫氧化物催化鍵合(Hydroxide-Catalyzed Bonding，HCB)技術(shù)，是一種在室溫環(huán)境下通過在鍵合界面形成硅酸鹽網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)合力更強(qiáng)(與漿料鍵合相當(dāng))，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(yīng)用于熔石英、光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、花崗巖等材質(zhì)的兩體鍵合。上世紀(jì)90年代美國宇航局(NASA)為滿足重力探針B(GP-B)計劃嚴(yán)酷的發(fā)射和使用條件資助美國斯坦福大學(xué)開展低溫鍵合技術(shù)研究，并獲得了非常理想的鍵合特性。從此，低溫鍵合技術(shù)引起了國外多家研究機(jī)構(gòu)的高度重視，包括美國斯坦福大學(xué)、NASA、洛克希德·馬丁公司、德國肖特公司、英國格拉斯哥大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)一直致力于低溫鍵合技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。經(jīng)過近十年的研究探索，低溫鍵合技術(shù)的適用材料已經(jīng)擴(kuò)展到藍(lán)寶石、SiC、Si等多種光學(xué)晶體中，并且實(shí)現(xiàn)了異種材料之間的兩兩鍵合;應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到基礎(chǔ)科學(xué)研究、天文觀測、復(fù)雜光學(xué)元件制造、光通訊元件、大功率光纖激光器等諸多領(lǐng)域。NASA將該技術(shù)定位為一種光學(xué)透明、結(jié)構(gòu)可靠、熱性能穩(wěn)定的低溫技術(shù)。

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)-

圖1　石英玻璃表面水解過程示意圖

　　當(dāng)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

圖2　石英玻璃表面脫水過程示意圖

　　當(dāng)水分子開始蒸發(fā)或進(jìn)入石英玻璃時硅氧烷開始形成化學(xué)鍵。脫水過程繼續(xù)進(jìn)行時，硅氧烷鏈逐漸形成糾纏的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提供足夠的鍵合強(qiáng)度。

2、實(shí)施步驟

　　設(shè)計石英玻璃低溫鍵合技術(shù)的實(shí)施步驟如圖3所示，并對關(guān)鍵工序的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析和試驗。

圖3　低溫鍵合技術(shù)實(shí)施步驟

　　2.1、表面準(zhǔn)備

　　由于兩個鍵合表面需要近到足以成鍵，低溫鍵合技術(shù)對待鍵合表面的表面平整度提出了要求。實(shí)驗表明，為實(shí)現(xiàn)大強(qiáng)度、高可靠性、密封性優(yōu)良的鍵合界面，要求面形至少達(dá)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(dǎo)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(shí)驗對表面潔凈度的要求。

　　2.2、鍵合溶液準(zhǔn)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(zhì)容易在鍵合界面形成缺陷點(diǎn)，從而影響低溫鍵合的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)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(shù)。實(shí)驗研究表明(表1)，鍵合強(qiáng)度隨濃度變化:濃度越大，強(qiáng)度越低，但固化時間越長，可以進(jìn)行更精確的位置操作;濃度越小，強(qiáng)度越高，但留給精確調(diào)整的時間越短;但當(dāng)濃度過低時會對石英玻璃的表面水解過程產(chǎn)生影響，鍵合強(qiáng)度會迅速下降。

表1　不同溶液濃度下的鍵合強(qiáng)度

5、結(jié)論

　　低溫鍵合技術(shù)作為一種新型玻璃膠合技術(shù)，避免了光膠、環(huán)氧膠膠合和漿料膠合等傳統(tǒng)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(shù)。

　　通過對鍵合溶液濃度、鍵合過程、加速固化方法等關(guān)鍵工藝參數(shù)的分析和研究，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃的低溫鍵合，鍵合強(qiáng)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(shù)形成石英玻璃真空腔，漏率優(yōu)于5×10-10Pa·L/s。