CN110221368A - 单元素多层红外高反膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单元素多层红外高反膜及其制备方法,该膜结构由基底和石墨靶材镀制的多层DLC膜构成,膜系的基本结构为:S/(HL)xH/A,其中S为Si基底,H为高折射率的DLC膜,L为低折射率的DLC膜,x为H和L重复镀制的周期数,A为空气。本发明单元素多层红外高反膜有效提高了机械性能、化学稳定性能高、适用范围广;同时,本发明的制备方法简单,易实现,满足大规模工业化生产的要求。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜设计及制备技术领域,特别涉及一种完全由单元素构成的多层红外高反射薄膜。
技术背景
为了获得良好的光学性能和成像质量,光学元件表面一般都需要镀制特定功能的薄膜。单层薄膜能够实现的功能非常有限,根据薄膜光学的基本理论,由两种高、低折射率材料交替组成的多层膜可获得优良的光学性能。因此常用的光学薄膜如宽带减反射薄膜,高反射薄膜,滤光膜,偏振膜等都是用两种(或多种)折射率不同的镀膜材料,交替镀制得到的多层膜结构。
目前用于红外多层膜制备的高折射率材料主要有ZnS、ZnSe等,低折射率材料有MgF2、BaF2等,这些材料普遍质地柔软、易吸潮,化学稳定性较差,难以经受风沙、酸雨等恶劣环境的侵蚀。多层膜的不同材料层与层之间往往存在较大的应力,因此常常存在膜料不匹配,附着力差,膜层容易脱落的问题。
另一方面,类金刚石(diamond-like carbon,DLC)薄膜作为一种新型红外镀膜材料,不仅具有高的硬度,而且具有耐磨损、抗腐蚀,同时透明区较宽,光学带隙大的特点,可作为红外元件表面镀膜材料,因此自问世以来就得到了广泛的关注。比如脉冲真空电弧沉积制备的DLC薄膜不仅吸收极小,还具有40-80GPa的硬度,最主要是碳材料具有良好的化学稳定性,不易和酸碱发生化学反应。
由于单层膜无法获得高反射或者滤光特性,而为了充分利用DLC薄膜的高硬度和光学性能,目前的做法是将DLC薄膜作为元件外层保护膜,镀制在红外多层介质减反射薄膜的表面,也就是说,先在基体表面制备多层介质膜,如交替镀制ZnSe/BaF2多层膜若干个周期后,再在最外层镀制一层DLC膜作为保护层,这样不仅保证了良好的光学性能,还可以有效提高薄膜元件的机械及抗腐蚀特性。
然而,制备在多层介质膜最外部的薄层DLC膜并不能有效提高其机械性能,也无法解决薄膜元件的抗腐蚀性能,同时多层膜中两种材料的匹配,以及膜层总的机械强度并未得到有效改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种单元素多层红外高反膜,不仅能有效提高其机械性能,同时能够解决薄膜元件抗腐蚀的问题。
为了达到本发明的目的,本发明提供了一种单元素多层红外高反膜,由基底和石墨靶材镀制的多层DLC膜构成,膜系的基本结构为:S/(HL)xH/A,其中S为Si基底,H为高折射率的DLC膜,L为低折射率的DLC膜,x为H和L重复镀制的周期数,A为空气。
进一步的,所述膜系中,x=10~15,x为自然数,其数值越大,对应中心波长处的反射率越高。
进一步的,所述膜系中,每层膜均是由碳元素组成的。
单元素多层红外高反膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)镀前预处理,采用离子束对基片进行清洗和活化处理,所述基片为Si基底材料;
(2)膜层镀制,根据设计的膜层厚度,所述高折射率的DLC膜和低折射率的DLC膜分别采用脉冲电弧和非平衡磁控溅射进行薄膜制备;
(3)后续处理,在真空状态,进行退火处理。
进一步的,所述步骤(1)中,当工作室真空度达2×10-3Pa时,打开清洗离子源和氩气对基片表面进行清洗,具体的清洗参数为:工作真空度2×10-1Pa,离子束流50 mA,离子能量1500eV。
进一步的,所述步骤(2)中,所述脉冲电弧技术工艺参数为:偏压-205V、起弧电压420V,脉冲频率2Hz,工作真空度4×10-3Pa;所述非平衡磁控溅射工艺参数为:励磁电流150A,偏压-90V,靶电流0.6A、氩气流量85sccm,工作真空度1.3Pa。
进一步的,所述步骤(3)中,退火温度为240℃,保温时间3h。
进一步的,所述高折射率的DLC膜和低折射率的DLC膜在一个真空室内镀制完成。
本发明在满足普通多层介质薄膜组合所能获得光学性能的前提下,与现有技术相比,本发明的显著进步是:
1、有效提高了机械性能:该薄膜每层均是由DLC构成的,因而具有极高的硬度,脉冲真空电弧沉积技术制备的DLC硬度可以达到80GPa以上,非平衡磁控溅射的硬度可以达到40GP以上,其组成的多层膜硬度可达40-80GPa,且每层都是碳材料,膜层间结合性能良好,因此机械强度高。
2、化学稳定性能高:因为整个膜料全部是碳元素组成的,而碳不和酸、碱、盐发生化学反应,所以有效解决了薄膜元件的抗腐蚀问题。
3、适用范围广:本发明制备的光学薄膜器件能够使用在风沙、酸雨、强酸碱等化学腐蚀等恶劣的环境中,可极大提高仪器的使用寿命。
、制备方法简单,易实现,满足大规模工业化生产的要求。
附图说明
图1单元素多层红外高反膜物理结构示意图。
图2 脉冲电弧和非平衡磁控溅射技术制备DLC膜的折射率。
图3单元素多层红外高反膜光谱曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明,但是不应以此限制本发明的保护范围。
参见图1,一种单元素多层红外高反膜,其特征在于,由基底和石墨靶材镀制的多层DLC膜构成,膜系的基本结构为:S/(HL)xH/A,其中S为Si基底,H为高折射率的DLC膜,L为低折射率的DLC膜,x为H和L重复镀制的周期数,A为空气。
从图中可知,高反射薄膜是由H、L两种折射率不同的材料交替组合构成的,其中脉冲电弧技术镀制的DLC膜记为DLC-P,非平衡磁控溅射技术镀制的DLC膜记为DLC-U。在制备DLC膜时,均以石墨为靶材,通过靶材离化或者溅射的方式成膜,因此多层膜中的每一层都是由碳元素组成的单质材料类金刚石(DLC)薄膜所构成的。
所述膜系中,x=10~15,x为自然数,其数值越大,对应中心波长处的反射率越高。本实施例中x为15,A为空气。红外高反射膜的设计波长为1550nm,因此每层DLC的光学厚度为387.5nm。该多层红外高反膜,整个高反射薄膜都是由石墨靶材镀制的DLC构成的,因此薄膜中只含有一种元素,即碳元素。
本发明提供的单元素多层红外高反膜的制备方法,包括下述步骤:
(1)镀前预处理,采用离子束对基片进行清洗和活化处理,具体步骤是:
首先将硅片放入醇醚混合液(3:1)中,用超声波清洗10min,待晾干后装入真空室工件架并开始抽真空。当真空室真空度达2×10-3Pa时,打开清洗离子源和氩气(5N)对基片(Si基底材料)表面进行清洗。具体的清洗参数为:工作真空度为2×10-1Pa,离子束流为50mA,离子能量为1500eV。清洗30min后,关闭清洗离子源和工作气体,
(2)膜层镀制:根据设计的膜层厚度,高折射率DLC膜H层采用脉冲电弧技术制备,低折射率DLC膜L层采用非平衡磁控溅射技术制备,两种DLC薄膜在同一真空室内进行镀制。
基片表面清洗完成后,根据设计的薄膜厚度,用时间控制每层膜的沉积厚度,首先采用脉冲电弧技术在基底上镀制一层厚度为155.8nm的DLC膜(DLC-P),再采用非平衡磁控溅射技术镀制一层厚度为189.7nm的DLC膜(DLC-U),接着采用脉冲电弧技术制备一层155.8nm的DLC膜(DLC-P),依次进行下去,直到完成31层DLC膜的制备。制备H层时,偏压为-205V,起弧电压为420V,脉冲频率为2Hz,工作真空度为4×10-3Pa。制备L层时,励磁电流为150A,偏压为-90V,靶电流为0.6A、氩气流量为85sccm,工作真空度为1.3Pa,镀膜完成后,关闭脉冲电弧源和磁控溅射靶,
(3)后续处理:在高真空环境下对薄膜样品进行退火处理,真空度为4×10-3Pa,退火温度为240℃,保温时间3h。然后进行自然冷却后取样,就得到了本发明所述的单元素多层红外高反膜。
参见图2,本实施例的红外高反射膜的设计波长为1550nm,脉冲电弧技术制备的DLC薄膜的折射率为2.4871,非平衡磁控溅射技术制备的DLC薄膜的折射率为2.0426,分别作为H、L层薄膜使用。在1550nm处,两种DLC膜的消光系数均小于0.0001,可以忽略不计。由于每层膜的光学厚度均为387.5nm,因此H层和L层的几何厚度分别为155.8nm和189.7nm。
根据图2所获得的脉冲电弧和非平衡技术制备的DLC膜光学常数,可以得到高反射薄膜的光谱特性,如图3所示。在波长1550nm,该多层膜反射率可以达到99.5%。
以上所述仅是本发明的具体实施方式之一,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术技术原理的前提下,还可以做出若干变形,这些变形,也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种单元素多层红外高反膜,其特征在于,由基底和石墨靶材镀制的多层DLC膜构成,膜系的基本结构为:S/(HL)xH/A,其中S为Si基底,H为高折射率的DLC膜,L为低折射率的DLC膜,x为H和L重复镀制的周期数,A为空气。
2.如权利要求1所述的单元素多层红外高反膜,其特征在于,所述膜系中,x=10~15,x为自然数,其数值越大,对应中心波长处的反射率越高。
3.如权利要求2所述的单元素多层红外高反膜,其特征在于,所述膜系中,每层膜均是由碳元素组成的。
4.如权利要求1所述的单元素多层红外高反膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)镀前预处理,采用离子束对基片进行清洗和活化处理,所述基片为Si基底材料;
(2)膜层镀制,根据设计的膜层厚度,所述高折射率的DLC膜和低折射率的DLC膜分别采用脉冲电弧和非平衡磁控溅射进行薄膜制备;
(3)后续处理,在真空状态,进行退火处理。
5.如权利要求4所述的单元素多层红外高反膜的制备方法,其特征在于,
所述步骤(1)中,当工作室真空度达2×10-3Pa时,打开清洗离子源和氩气对基片表面进行清洗,具体的清洗参数为:工作真空度2×10-1Pa,离子束流50 mA,离子能量1500eV。
6.如权利要求4或5所述的单元素多层红外高反膜的制备方法,其特征在于,
所述步骤(2)中,所述脉冲电弧技术工艺参数为:偏压-205V、起弧电压420V,脉冲频率2Hz,工作真空度4×10-3Pa;所述非平衡磁控溅射工艺参数为:励磁电流150A,偏压-90V,靶电流0.6A、氩气流量85sccm,工作真空度1.3Pa。
7.如权利要求6所述的单元素多层红外高反膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,退火温度为240℃,保温时间3h。
8.如权利要求7所述的单元素多层红外高反膜的制备方法,其特征在于,所述高折射率的DLC膜和低折射率的DLC膜在一个真空室内镀制完成。
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