CN112162343B - 一种用于传感器的中远红外滤光片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于传感器的中远红外滤光片及其制备方法，包括基板、第一膜堆和第二膜堆，所述第一膜堆沉积在基板上表面，所述第二膜堆沉积在基板下表面，膜系设计结构为G|0.5HL0.5H|^L Air；其中G为双抛片单晶硅基板，H表示为一个λ/4光学厚度的高折射率材料层,L表示为一个λ/4光学厚度的低折射率材料层，“^”可以为奇数或偶数，Air为空气，所述膜系设计结构通过相互交替叠合的高折射率材料层H为Ge和低折射率材料层为ZnS镀制而成，本发明通过以单晶硅为基板进行双面镀膜堆，对波长0.4μm‑5μm范围内的红外光进行截止，5.5μm‑14μm波段范围内红外进行透过的Longpass Filters。
Description
技术领域
本发明涉及光学镀膜技术领域，尤其是指一种用于传感器的中远红外滤光片及制备方法。
背景技术
Longpass Filters是传感器的重要组成部分，是限制传感器性能的关键窗口，而红外滤光片在传感器中起到了至关重要的作用，其性能优劣势直接影响到传感器工作的灵敏度、准确度。红外滤光片性能的关键在于膜系设计，滤光片在传感器中起到至关重要的作用，过滤掉杂散光波段的能量，只让特定有效波段的光通过。大气中的水汽、二氧化碳等对特定波长的红外光有强烈的吸收作用，如果被热电堆传感器接收到这些辐射能量，会很容易受到大气成分浓度的干扰，从而影响传感器的输出结果。滤光片在小于5μm的波段透过率很低，因此大气中水汽、二氧化碳等吸收波段会被滤除掉，使得温度传感器不会受干扰。在大于5μm的波段，特别是生命光线对应的9-14μm波段，具有高透过率，以传感器具有更高的灵明度。对用于测试远红外波段物体温度的仪器称为远红外测温仪，物体的红外辐射特性与其表明温度有着十分密度的关系，因此通过对物体自身辐射红外能量的精确测量便能准确的测定物体表面温度。红外测温探测仪的作用就是收集物体发射的红外线，本身不会发射出任何有害的辐射，所以对物体是完全无害的。但是现有技术提供的5.5微米前截止的红外Longpass Filters，其信噪比低，精度差，不能满足现有市场的发展需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明目的在于提供一种用于传感器的中远红外滤光片，通过以单晶硅为基板进行双面镀膜堆，对波长0.4μm-5μm范围内的红外光进行截止，5.5μm-14μm波段范围内红外进行透过的Longpass Filters。为实现上述之目的，本发明采取如下技术方案：
(二)技术方案
一种用于传感器的中远红外滤光片，包括基板、第一膜堆和第二膜堆，所述第一膜堆沉积在基板上表面，所述第二膜堆沉积在基板下表面，膜系设计结构为G|0.5HL0.5H|^LAir,其中G为双抛片单晶硅基板，H表示为一个λ/4光学厚度的高折射率材料层,L表示为一个λ/4光学厚度的低折射率材料层，“^”可以为奇数或偶数，Air为空气，所述膜系设计结构通过相互交替叠合的高折射率材料层H和低折射率材料层L镀制而成，所述第一膜堆结构为G/1.281H 1.560L 0.969H 1.761L 0.975H 2.075L 0.823H 2.056L 0.703H 5.301L1.734H 5.531L 2.883H 4.425L 2.661H 5.934L 2.778H 4.560L 3.281H 2.560L 3.281H10.560L/Air,所述第二膜堆结构为G/0.918H 1.450L 1.721H 1.181L 1.641H 2.025L2.263H 2.426L 1.313H 2.201L 1.424H 2.961L 1.312H 2.411L 1.251H 2.294L 1.268H2.240L 3.671H 1.460L 4.361H 1.434L 3.438H 1.660L 2.211H 2.860L 2.181H 3.160L2.183H 11.160L/Air，其中H和L前的数字为膜系膜层的厚度比例系数，所述高折射率材料层H为Ge，高折射率材料层H厚度为0.1μm-0.5μm，所述低折射率材料层L为ZnS,低折射率材料层L厚度为0.1μm-1.5μm。
一种用于传感器的中远红外滤光片的制备方法，包括以下步骤
(1)准备原料：选取
的双抛片单晶硅作为滤光片基板，以Ge作为高折射率材料，以ZnS作为低折射率材料层；
(2)清洗精选：将双抛片单晶硅基板进行超声波清洗，之后采用离心甩干机将基板甩干，将甩干后的基板再进行烘干，最后在洁净的净化台上使用专用的镀膜治具进行选别，主要将表面不良的剔除；
(3)镀第一膜堆：将上述精选的基板按照从内而外依次放入镀膜机的球罩中抽真空，将基板温度设置在150℃±10℃，镀膜前对高折射率层和低折射率材料层进行预融，每层单独预融时间为0-40s，预融电流为100-350mA,抽真空到1.0e-3满足开度真空条件，再通过离子源进行预清扫，基板与离子源之间设有一挡板打开，离子源在稳定工作过程中发射出高频离子进行表面轰击，在基板上表面交替叠加高折射率材料层和低折射率材料层在沉积过程离子束不断轰击辅助镀膜，该膜层在停止沉积时关闭离子源挡板，此时会有较小能量的离子束继续轰击膜层，直到下一层膜层开始沉积，如此循环直到完成镀膜。
(4)参数检查：使用岛津傅里叶分光光度计，在抽真空充满氮气的条件下进行光谱测量，保证了光谱测量的稳定一致性，并对基板上表面情况进行强光灯检查；
(5)第二次清洗精选：重复步骤(2)对镀完第一膜堆的基板进行清洗精选；
(6)镀第二膜堆：重复步骤(3)对镀完第一膜堆的基板进行镀第二膜堆；
(7)第二次参数检查：使用岛津傅里叶分光光度计，在抽真空充满氮气的条件下进行光谱测量，保证了光谱测量的稳定一致性，并对基板下表面情况进行强光灯检查，完成Longpass Filters的镀膜制备。
进一步，所述步骤(3)中基板进行清扫时应提前启动离子源的时间为0-60min，离子源束加速电压U＝0-1000V,离子束电流I＝0-1000mA。
进一步，所述步骤(3)中镀膜时采用电子枪加热蒸发，所述高折射率材料层在镀膜时候的开度真空度为0.5E-2Pa-2.3E-2Pa,成膜速率为0.4-1nm/s，厚度为0.1μm-0.5μm，EB2偏转电流为100-550mA。
进一步，所述步骤(3)中低折射率材料层在镀膜时候的开度真空度为0.6E-2Pa-2.5E-2Pa,成膜速率为0.4-1.5nm/s，厚度为0.1μm-1.5μm，EB1偏转电流为50-100mA。
(三)有益效果
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，本发明通过以双抛片单晶硅为基底进行双面镀上特定的膜堆进而形成远红滤光片，能有效滤除波长在5μm以下红外能量，在物体探测温度所需的波段8μm-14μm范围内高透过，并且增透平均透过率大于88％，可以很好的应用于非制冷型红外焦平面探测器领域，具有高透过率，传感器具有更高的灵明度等特点。
附图说明
图1是本发明的膜系结构图；
图2是本发明的制备流程图；
图3是本发明中基板的透过率光谱示意图；
图4是本发明中基板单面镀第一膜堆的透过率光谱示意图；
图5是本发明中基板单面镀第二膜堆的透过率光谱示意图；
图6是本发明的透过率光谱示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。
请参阅图1所示，一种用于传感器的中远红外滤光片，包括基板、第一膜堆和第二膜堆，所述第一膜堆沉积在基板上表面，所述第二膜堆沉积在基板下表面，膜系设计结构为G|0.5HL0.5H|^L Air,其中G为双抛片单晶硅基板，H表示为一个λ/4光学厚度的高折射率材料层,L表示为一个λ/4光学厚度的低折射率材料层，“^”可以为奇数或偶数，Air为空气，所述膜系设计结构通过相互交替叠合的高折射率材料层H和低折射率材料层L镀制而成，所述第一膜堆结构为G/1.281H 1.560L 0.969H 1.761L 0.975H 2.075L 0.823H 2.056L0.703H 5.301L 1.734H 5.531L 2.883H 4.425L 2.661H 5.934L 2.778H 4.560L 3.281H2.560L 3.281H 10.560L/Air,所述第二膜堆结构为G/0.918H 1.450L 1.721H 1.181L1.641H 2.025L 2.263H 2.426L 1.313H 2.201L 1.424H 2.961L 1.312H 2.411L 1.251H2.294L 1.268H 2.240L 3.671H 1.460L 4.361H 1.434L 3.438H 1.660L 2.211H 2.860L2.181H 3.160L 2.183H 11.160L/Air，其中H和L前的数字为膜系膜层的厚度比例系数，所述高折射率材料层H为Ge，高折射率材料层H厚度为0.1μm-0.5μm，所述低折射率材料层L为ZnS,低折射率材料层L厚度为0.1μm-1.5μm。
请参阅图2所述，一种用于传感器的中远红外滤光片的制备方法，包括以下步骤
(1)准备原料：选取
的双抛片单晶硅作为滤光片基板，以Ge作为高折射率材料，以ZnS作为低折射率材料层；
(2)清洗精选：将双抛片单晶硅基板进行超声波清洗，之后采用离心甩干机将基板甩干，将甩干后的基板再进行烘干，最后在洁净的净化台上使用专用的镀膜治具进行选别，主要将表面不良的剔除；
(3)镀第一膜堆：将上述精选的基板按照从内而外依次放入镀膜机的球罩中抽真空，将基板温度设置在150℃±10℃，镀膜前对高折射率层和低折射率材料层进行预融，每层单独预融时间为0-40s，预融电流为100-350mA,抽真空到1.0e-3满足开度真空条件，再通过离子源进行预清扫，基板与离子源之间设有一挡板打开，离子源在稳定工作过程中发射出高频离子进行表面轰击，在基板上表面交替叠加高折射率材料层和低折射率材料层在沉积过程离子束不断轰击辅助镀膜，该膜层在停止沉积时关闭离子源挡板，此时会有较小能量的离子束继续轰击膜层，直到下一层膜层开始沉积，如此循环直到完成镀膜。
(4)参数检查：使用岛津傅里叶分光光度计，在抽真空充满氮气的条件下进行光谱测量，保证了光谱测量的稳定一致性，并对基板上表面情况进行强光灯检查；
(5)第二次清洗精选：重复步骤(2)对镀完第一膜堆的基板进行清洗精选；
(6)镀第二膜堆：重复步骤(3)对镀完第一膜堆的基板进行镀第二膜堆；
(7)第二次参数检查：使用岛津傅里叶分光光度计，在抽真空充满氮气的条件下进行光谱测量，保证了光谱测量的稳定一致性，并对基板下表面情况进行强光灯检查，完成Longpass Filters的镀膜制备。
进一步，所述步骤(3)中基板进行清扫时应提前启动离子源的时间为0-60min，离子源束加速电压U＝0-1000V,离子束电流I＝0-1000mA。
进一步，所述步骤(3)中镀膜时采用电子枪加热蒸发，所述高折射率材料层在镀膜时候的开度真空度为0.5E-2Pa-2.3E-2Pa,成膜速率为0.4-1nm/s，厚度为0.1μm-0.5μm，EB2偏转电流为100-550mA。
进一步，所述步骤(3)中低折射率材料层在镀膜时候的开度真空度为0.6E-2Pa-2.5E-2Pa,成膜速率为0.4-1.5nm/s，厚度为0.1μm-1.5μm，EB1偏转电流为50-100mA。
请参阅图3至图6所述，本发明采用长波通规整膜堆结构，膜系控制方式沉积采用石英晶振监控，选取中心波长λ为5.5μm，膜系使用Essential Macleod或Tfcalc膜系软件优化设计，从图3-图6的透过率光谱可以看出，本发明的膜系结构能有效滤除波长在5μm以下红外能量，在物体探测温度所需的波段8μm-14μm范围内高透过，并且增透平均透过率大于88％。
本发明通过以双抛片单晶硅为基底的红外Longpass Filters，能有效滤除波长在5μm以下红外能量，在物体探测温度所需的波段8μm-14μm范围内高透过，并且增透平均透过率大于88％，可以很好的应用于非制冷型红外焦平面探测器领域，具有高透过率，传感器具有更高的灵明度等特点。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种用于传感器的中远红外滤光片，其特征在于：包括基板、第一膜堆和第二膜堆，所述第一膜堆沉积在基板上表面，所述第二膜堆沉积在基板下表面，膜系设计结构为G|0.5HL0.5H|^L Air,其中G为双抛片单晶硅基板，H表示为一个λ/4光学厚度的高折射率材料层,L表示为一个λ/4光学厚度的低折射率材料层，“^”可以为奇数或偶数，Air为空气，所述膜系设计结构通过相互交替叠合的高折射率材料层H和低折射率材料层L镀制而成，所述第一膜堆结构为G/1.281H 1.560L 0.969H 1.761L 0.975H 2.075L 0.823H 2.056L 0.703H5.301L 1.734H 5.531L 2.883H 4.425L 2.661H 5.934L 2.778H 4.560L 3.281H 2.560L3.281H 10.560L/Air，所述第二膜堆结构为G/0.918H 1.450L 1.721H 1.181L 1.641H2.025L 2.263H 2.426L 1.313H 2.201L 1.424H 2.961L 1.312H 2.411L 1.251H 2.294L1.268H 2.240L 3.671H 1.460L 4.361H 1.434L 3.438H 1.660L 2.211H 2.860L 2.181H3.160L 2.183H 11.160L/Air，其中H和L前的数字为膜系膜层的厚度比例系数，所述高折射率材料层H为Ge，高折射率材料层H厚度为0.1μm-0.5μm，所述低折射率材料层L为ZnS,低折射率材料层L厚度为0.1μm-1.5μm。
2.根据权利要求1所述一种用于传感器的中远红外滤光片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤
(1)准备原料：选取φ150的双抛片单晶硅作为滤光片基板，以Ge作为高折射率材料，以ZnS作为低折射率材料层；
(2)清洗精选：将双抛片单晶硅基板进行超声波清洗，之后采用离心甩干机将基板甩干，将甩干后的基板再进行烘干，最后在洁净的净化台上使用专用的镀膜治具进行选别，主要将表面不良的剔除；
(3)镀第一膜堆：将上述精选的基板按照从内而外依次放入镀膜机的球罩中抽真空，将基板温度设置在150℃±10℃，镀膜前对高折射率层和低折射率材料层进行预融，每层单独预融时间为0-40s，预融电流为100-350mA,抽真空到1.0e-3满足开度真空条件，再通过离子源进行预清扫，基板与离子源之间设有一挡板打开，离子源在稳定工作过程中发射出高频离子进行表面轰击，在基板上表面交替叠加高折射率材料层和低折射率材料层在沉积过程离子束不断轰击辅助镀膜，该膜层在停止沉积时关闭离子源挡板，此时会有较小能量的离子束继续轰击膜层，直到下一层膜层开始沉积，如此循环直到完成镀膜；
(4)参数检查：使用岛津傅里叶分光光度计，在抽真空充满氮气的条件下进行光谱测量，保证了光谱测量的稳定一致性，并对基板上表面情况进行强光灯检查；
(5)第二次清洗精选：重复步骤(2)对镀完第一膜堆的基板进行清洗精选；
(6)镀第二膜堆：重复步骤(3)对镀完第一膜堆的基板进行镀第二膜堆；
(7)第二次参数检查：使用岛津傅里叶分光光度计，在抽真空充满氮气的条件下进行光谱测量，保证了光谱测量的稳定一致性，并对基板下表面情况进行强光灯检查，完成Longpass Filters的镀膜制备。
3.根据权利要求2所述一种用于传感器的中远红外滤光片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中基板进行清扫时应提前启动离子源的时间为0-60min，离子源束加速电压U＝0-1000V,离子束电流I＝0-1000mA。
4.根据权利要求2所述一种用于传感器的中远红外滤光片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中镀膜时采用电子枪加热蒸发，所述高折射率材料层在镀膜时候的开度真空度为0.5E-2Pa-2.3E-2Pa,成膜速率为0.4-1nm/s，厚度为0.1μm-0.5μm，EB2偏转电流为100-550mA。
5.根据权利要求2所述一种用于传感器的中远红外滤光片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中低折射率材料层在镀膜时候的开度真空度为0.6E-2Pa-2.5E-2Pa,成膜速率为0.4-1.5nm/s，厚度为0.1μm-1.5μm，EB1偏转电流为50-100mA。
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