CVD Diamond Windows

Beamtek CVD 鑽石光學窗口製程介紹

一、研發背景與技術演進

自 2016 年起，Beamtek 即專注於 CVD 鑽石光學窗口的研發，具備完整的自主製造流程，涵蓋從原材料取得到最終成品製作的全工序。

• 透過多年技術積累與製程優化，Beamtek 成功從早期僅能製作 5mm 小口徑單晶鑽石窗，發展至穩定量產：

  • 15mm 單晶鑽石窗

  • 35mm 多晶鑽石窗

• 我們持續朝更大尺寸與更高精度的產品開發邁進。

二、完整的自主加工製程

CVD 鑽石於成長完成後，需經過一系列高精度加工工序，才能符合高性能光學元件的需求。由於鑽石硬度極高，稍有不慎即可能產生裂縫、崩角或熱損傷，因此每一步驟皆須嚴格控制與搭配專業設備。

1. 初步切割分割

• 使用雷射或電火花線切割（Wire EDM）技術，將 CVD 鑽石晶體原片切割成指定尺寸。

• 重點在於控制切割熱源，避免熱應力導致材料破裂。

2. 多階段研磨與整形

• 採用鑽石工具進行厚度控制與邊緣整形。

• 根據應用需求，成品可製成：

  • 圓形光學窗

  • 方形光學窗

3. 奈米級精密拋光

• 為提升透光率與光學表面品質，需進行高階拋光處理。

• 使用鑽石拋光漿料與拋光墊，將表面粗糙度控制至：

  • Ra ≦ 10 奈米（甚至更低）

4. 高溫超真空焊接封裝

• 將拋光後的鑽石窗口與金屬基座（如銅、不鏽鋼）進行真空擴散式焊接。

• 使用高溫超高真空環境，確保：

  • 良好的氣密性

  • 穩定的機械結合性

• 以滿足高真空光學應用的嚴苛需求。

三、總結

• CVD鑽石是一種以化學氣相沉積法（CVD）生產的合成鑽石材料。它具有優異的導熱性、硬度、耐化學性和寬頻光學透明度，是高性能光學窗口的理想選擇，尤其適用於嚴苛的環境。
• CVD鑽石窗口片具有卓越的物理和光學特性，適用於各種嚴苛的環境。它們具有優異的硬度和耐磨性，耐刮擦和衝擊。它們還在從紫外線到遠紅外線的寬光譜範圍內具有優異的透明度和低吸收率。憑藉極高的導熱性，它們能夠高效散熱，是高功率雷射系統的理想選擇。此外，CVD鑽石還具有很強的耐化學腐蝕和輻射性能，熱膨脹係數低，尺寸穩定性高。這些特性使其廣泛應用於雷射、紅外線光學、航空航太、國防、半導體和醫療技術等領域，是高性能光學窗口片的理想選擇。
• 用於光學應用的窗口片經過拋光處理，表面極為光滑。標準表面粗糙度通常小於 10 nm RMS。
• Beamtek 提供客製化的單晶和多晶 CVD 鑽石窗口。

CVD 鑽石光學視窗

CVD 鑽石是利用化學氣相沉積（Chemical Vapor Deposition）技術所製造的合成鑽石，具備極高的熱導率、硬度、化學穩定性以及廣光譜的光學透過性，特別適合用於要求嚴苛的高性能光學視窗。

CVD 鑽石視窗主要分為兩種形式：

單晶 CVD 鑽石光學視窗

✅ 定義：

透過同質外延（homoepitaxial growth）在天然或人造鑽石種晶上生長，形成連續且無缺陷的晶體結構。

主要特性：

• 極高的光學透明度，涵蓋紅外線（IR）、可見光，甚至紫外線（UV）波段。
• 無晶界，減少光散射與吸收。
• 極高的熱導率（高達 2000 W/m·K）。
• 超高硬度，化學穩定性佳。
• 雷射損傷閾值高，適用於高功率雷射。

常見規格：

• 厚度：約 0.3–1.5 毫米
• 透光率：2–5 微米波段 >70%；依波長與鍍膜不同而異
• 表面粗糙度：<5 奈米 RMS（拋光）

應用領域：

• 高功率 CO₂ 與固態雷射出光視窗
• 航太與國防光學窗
• 高壓／高溫環境觀察窗
• 化學腐蝕環境下的光譜分析窗

多晶（聚晶）CVD 鑽石光學視窗

✅ 定義：

在非鑽石基板上生長而成，形成由眾多微小鑽石晶粒組成的多晶結構。

主要特性：

• 寬頻紅外線透光能力佳（特別在中紅外至遠紅外範圍：約 2–20 微米以上）。
• 可見光區透光率較差，因晶界導致光散射。
• 良好的機械強度與耐熱衝擊性。
• 成本相對較低、容易放大量產。
• 表面可能略有霧面或顆粒感。

常見規格：

• 厚度：可達 1–3 毫米甚至更厚
• 透光率：在 8–12 微米波段約 55–65%（未鍍膜），鍍 AR 薄膜後可提升
• 表面粗糙度：10–30 奈米 RMS（標準拋光）

應用領域：

• 工業與軍用紅外視窗
• 嚴苛環境下的保護視窗（如感測器、製程監控）
• 雷射光傳輸系統（功率低於單晶應用）
• 真空與高溫觀察窗