CN101464530A

CN101464530A - 一种ZnSe红外增透膜及其制备方法

Info

Publication number: CN101464530A
Application number: CNA2008100452427A
Authority: CN
Inventors: 黄宁康; 展长勇; 汪德志
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-06-24

Abstract

一种红外增透膜及其制备方法，属于薄膜技术领域。以3～12μm为中心波长λ₀，在ZnSe基体(1)上顺次制备高折射率(2)和低折射率(3)的λ₀/4～λ₀/4双层增透膜系。高折射率薄膜(2)的折射率为3.0～4.0，光学厚度为1～3μm，低折射率薄膜(3)的折射率为2.1～2.6，光学厚度为0.75～3μm。制备方法是采用中频和直流的双靶磁控溅射法，以Ge和C为靶源，CH₄和Ar的混合气体作为辅助放电气体，在ZnSe基体单面或双面上沉积Ge_xC_1－x增透膜。通过控制Ge和C靶的溅射电流大小比例，以及控制CH₄/Ar的分压比，制备出折射率不同的两层Ge_xC_1－x薄膜，通过控制时间等参数使每层薄膜的厚度达到λ₀/4。本发明方法参数牵制性小、控制简单、增透效果优良。

Description

一种ZnSe红外增透膜及其制备方法

一、技术领域

本发明属于薄膜技术领域，作为一种红外窗口增透膜的构成及ZnSe材料为基体的增透膜的制备方法。

二、背景技术

红外窗口是红外系统中不可缺少的部件，其功能是保护热成像系统在各种恶劣环境下正常工作。在2～14μm波段区域，ZnSe是目前首选的中红外窗口材料，但受其固有性质的限制，需要在其表面涂覆增透保护薄膜，从而提高它的红外透光性能和耐磨抗蚀性能。

红外增透薄膜的背景技术主要有以下：1)专利号为93112643.6(申请专利公开号为CN1094455A)和200310109045.4(申请专利公开号为CN1563479A)的专利，是采用化学方法在硅基板和锗基板上制备金刚石薄膜，研究的波段分别集中在1～2μm和2.0～3.0μm。制备金刚石工艺要求高，制备的金刚石薄膜具有较高的内应力，因而这种薄膜难以在ZnSe基体上使用。2)专利号为92105138.7(申请专利公开号为CN1080782A)的专利，在ZnSe或ZnS基体上制备低折射率的氟化物和高折射率的材料混合物作为增透膜。但氟化物折射率小，质软，易潮解等不足，无法在沙尘及酸雨环境下使用。3)与本发明最相近的是专利“一种ZnS红外窗口增透保护膜及其制备方法”(专利号200510016737.3)(申请专利公开号为CN1687807A)，此专利采用单靶的射频磁控溅射方法，以Ge作为靶源，在CH₄和Ar的混合气体中沉积Ge_1-xC_x双层膜。而本发明采用双靶沉积法，此技术不仅参数相互牵制性小、控制简单、方便、精确，而且控制的x值变化的范围大，因而可使用在2～14μm的波段范围内。而专利号为200510016737.3(申请专利公开号为CN1687807A)制备的红外增透膜仅使用在8～11.5μm波段范围。

三、发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计λ₀/4～λ₀/4(以λ₀为中心波长)双层增透膜系，可以保证膜系在2～14μm波段范围内任意中心波长区段都具有良好的增透效果，分别采用中频和直流磁控溅射沉积的双靶技术制备增透保护膜。工艺参数控制直接简便、参数相互牵制性小，因而可以制备出的Ge_xC_1-x薄膜中的x值具有大的变动范围。

一种ZnSe红外窗口增透膜，以3～12μm波段内的任意一波长为中心波长，在ZnSe基体上制作增透膜，其示意图如附图1所示，在基体(1)上顺次沉积高折射率和低折射率薄膜，所说的高折射率薄膜(2)的折射率为3.0～4.0，光学厚度为1～3μm；所说的低折射率薄膜(3)的折射率为2.1～2.6，光学厚度为1～3μm。

高折射率薄膜和低折射率薄膜的材料都是Ge_xC_1-x。

这种增透膜既可以沉积在ZnSe材料基体的单面上，也可以沉积在双面上。

本发明在ZnSe基体上双面涂覆了Ge_xC_1-x双层增透膜后，可在3～12μm波段内的任意波长为中心(λ₀)，在中心波长λ₀+Δλ(Δλ＝0.5～2.0μm)区间内平均透过率提高10％以上，最高增透值可提高达20％以上，满足不同应用的要求。

本发明的ZnSe红外窗口增透膜的制备方法是，采用双靶磁控溅射法，设备示意图如附图2，以Ge和C为靶源，CH₄和Ar作为辅助放电气体，在ZnSe基体上沉积Ge_xC_1-x增透薄膜，Ge的沉积采用中频磁控溅射法，而C的沉积则采用直流磁控溅射法，通过两靶的共沉积形成Ge_xC_1-x。所说的Ge_xC_1-x增透膜有两层；ZnSe基体在沉积薄膜前进行抛光清洗预处理；沉积薄膜前的本底真空为1×10^-4Pa；沉积过程中的气压为1Pa左右；中频频率为40kHz，功率为40～150W，直流电源的功率为50～100V，偏压为0～-100V；沉积高折射率的薄膜(2)时，CH₄/(Ar+CH₄)的分压比为1:5，沉积时间为15～20分钟；沉积低折射率的薄膜(3)时，CH₄/(Ar+CH₄)的分压比为1:4，沉积时间为25～30分钟。

上述的ZnSe基体可以是抛光好了的，也可以自行常规抛光，方法如下：先用水砂纸粗磨，然后用500^#水砂纸细磨，再用M2.5金刚石研磨膏双面抛光，最后用无水乙醇超声处理10～15分钟，去离子水反复冲洗后吹干。抛光好了的ZnSe基体用上法进行清洁处理。为了获得沉积薄膜与基体的良好结合强度，放置于真空室内后，再进行一次清洁处理，采用离子枪进行溅射以除去ZnSe基体表面污染物，常用离子溅射能量为0.8keV，束流10mA，时间约为1分钟，也可以采用反溅方法，条件如下：向真空室内通入氩气，使真空室压强变为0.8Pa左右，在基板上加负偏压-700V，反溅射3～4分钟。

本发明是分别控制两靶溅射电流比例来获得设计中每一层薄膜的折射率范围，工艺参数相互牵制性小；控制沉积时间来控制膜层厚度，从而避开了制备过程中薄膜折射率和厚度都难以精确测量的问题。结果表明，此方法可以在多个波长处实现增透效果。该制备方法可控性强、高效，增透效果理想。

四、附图说明

图1.本发明的ZnSe红外窗口增透膜系的结构示意图

图2.沉积ZnSe红外窗口增透膜的装置结构示意图

图3(a).在ZnSe上的以12μm为中心波长的红外增透窗口的透过率曲线

图3(b).在ZnSe上的以3μm为中心波长的红外增透窗口的透过率曲线

五、实现本发明的具体实施方式

实施例1 双层增透膜系的结构

本发明的λ₀/4～λ₀/4双层增透保护膜系的结构如图1所示。

ZnSe的折射率为n₁＝2.4～2.58，我们实验中能获得的Ge_xC_1-x薄膜的折射率可以在一个较大的范围(2.0～4)内变化，这样，根据设计要求，制备所需折射率的Ge_xC_1-x薄膜。先在ZnSe基体(1)上沉积一层高折射率薄膜，其光学厚度为λ₀/4，折射率为n₂，这时薄膜和基底组合系统折射率为Y＝n₂ ²/n₁来等价，当n₂>n₁时，有Y>n₁。然后沉积一层光学厚度为λ₀/4的低折射率n₃薄膜，使n₃的值约等于

，就能达到很好的增透效果。附图3(a)和(b)是在ZnSe基体上设计双面沉积双层薄膜后以12和3μm为λ₀的透过率。测试表明，沉积Ge_xC_1-x薄膜后的ZnSe基体在中心波长λ₀附近的透过率有明显的提高。在3～12μm波段内的任意波长为中心(λ₀)，中心波长λ₀+Δλ(Δλ＝0.5～2.0μm)区间内平均透过率提高10％以上，最高增透值可提高达20％以上。

实施例2 本发明的ZnSe红外增透薄膜的制备方法

采用双靶的中频和直流磁控溅射沉积法制备ZnSe红外增透薄膜，以CH₄和Ar的混合气体作为放电气体分别通过针阀控制，按一定比例通入真空室，真空室的压强在0.5～2Pa。辉光放电后，CH₄和Ar电离产生的正离子在电场的作用下轰击靶源，溅射出来的Ge与C原子或离子以及CH₄分解产生的碳氢等离子体发生化学反应，最后在ZnSe基体上生成了Ge_xC_1-x薄膜。为了保证其沉积薄膜与基体的结合力，实验前ZnSe基体需要进行抛光、清洗等预处理，放置于真空室内后，再进行一次清洁处理，采用离子枪进行溅射以除去ZnSe基体表面污染物，常用离子溅射能量为0.8keV，束流10mA，时间约为1分钟，也可以采用反溅方法，条件如下：向真空室内通入氩气，使真空室压强变为0.8Pa左右，在基板上加负偏压-700V，反溅射3～4分钟，同时，在沉积过程中，应调节衬底温度为50～150℃，基底偏压在0～-100V之间。

制备双层薄膜的关键有两点：一是需要选择折射率高低不同的两层膜，在实验中可以控制实验参数，在CH₄/Ar的一定分压比条件下，直接控制Ge靶及C靶的溅射电流比例，就可制备出折射率不同的两层Ge_xC_1-x薄膜；二是保证实验上每层薄膜的光学厚度为λ₀/4。在一定的CH₄/Ar的分压比条件下，确定Ge靶和C靶的溅射电流比例，调整沉积时间来控制每层薄膜的光学厚度为λ₀/4。

实施例3 制备方法实例

以中心波长10μm为例的双面沉积双层红外增透膜系。

工艺过程同实施例2。以ZnSe为基体，沉积Ge_xC_1-x材料的薄膜，中频溅射Ge靶，直流溅射C靶，制备双层膜的关键工艺条件：

在ZnSe基体上沉积第一层高折射率薄膜(2)时：CH₄/(Ar+CH₄)的分压比为1:5；中频频率为40kHz，电压为400V，电流为250mA；脉冲偏压-80V，占空比80％；沉积时间为20分钟。

在ZnSe基体上沉积第二层低折射率薄膜(3)时：CH₄/(Ar+CH₄)的分压比为1:4；溅射Ge靶的中频频率为40kHz，电压350～360V，电流100mA，占空比为80％；溅射C靶的直流电压为520V，电流100mA；脉冲偏压-80V，占空比80％；沉积时间为30分钟。

Claims

1.一种ZnSe红外增透膜，以12μm为中心波长，在ZnSe基体(1)上制作增透膜，其特征是：在ZnSe基体(1)上顺次有高折射率(2)和低折射率(3)的薄膜；所说的高折射率薄膜(2)的折射率为3.0～4.0，光学厚度为3μm左右；所说的低折射率薄膜(3)的折射率为2.1～2.6，光学厚度为3μm左右。

2.一种ZnSe红外增透膜，以3μm为中心波长，在ZnSe基体(1)上制作增透膜，其特征是：在ZnSe基体(1)上顺次有高折射率(2)和低折射率(3)的薄膜；所说的高折射率薄膜(2)的折射率为3.0～4.0，光学厚度为0.75μm左右；所说的低折射率薄膜(3)的折射率为2.1～2.6，光学厚度为0.75μm左右。

3.一种ZnSe红外增透膜，以3～12μm范围的任意波长为中心波长λ0，在ZnSe基体(1)上制作增透膜，其特征是：在ZnSe基体(1)上顺次有高折射率(2)和低折射率(3)的薄膜；所说的高折射率薄膜(2)的折射率为3.0～4.0，光学厚度为1～3μm；所说的低折射率薄膜(3)的折射率为2.1～2.6，光学厚度为0.75～3μm。

4.按照权利要求1或2或3所述的ZnSe红外增透膜，其特征是：高和低折射率的薄膜材料均为Ge_xC_1-x，但x值不同。

5.按照权利要求1或2或3所述的ZnSe红外增透膜的制备方法，其特征是：根据不同的增透中心位置的要求，确定沉积条件，在ZnSe基体(1)上沉积高折射率(2)和低折射率(3)的Ge_xC_1-x薄膜，制备的红外增透系统的增透波段在2～14μm范围内。

6.按照权利要求5所述的一种ZnSe红外增透膜的制备方法，采用以Ge为靶的中频磁控溅射和以C为靶的直流磁控溅射的双靶沉积法，CH₄和Ar作为辅助放电气体，在ZnSe基体上沉积Ge_xC_1-x增透膜。其特征是：所说的Ge_xC_1-x增透膜分为两层；ZnSe基体在沉积前进行抛光清洗预处理；沉积Ge_1-xC_x增透膜时，调节衬底温度为50～150℃；中频电源的频率为40kHz，功率为40～150W；直流电源的功率为50～100W；偏压为0～-100V；沉积高折射率的薄膜(2)时，CH₄/(Ar+CH₄)的分压比为1:5，沉积时间为15～20分钟；沉积低折射率的薄膜(3)时，CH₄/(Ar+CH₄)的分压比为1:4，沉积时间为25～30分钟。

7.按照权利要求3所述的一种ZnSe红外增透膜的制备方法，其特征是：沉积红外增透膜的ZnSe基底在沉积前进行常规粗磨、细磨及金刚石研磨双面抛光，然后进行丙酮、无水乙醇超声处理，去离子水反复冲洗等步骤的清洗预处理，放置于真空室内后，再进行一次清洁处理，采用离子枪进行溅射以除去ZnSe基体表面污染物，常用离子溅射能量为0.8keV，束流10mA，时间约为1分钟，也可以采用反溅方法，条件如下：向真空室内通入氩气，使真空室压强变为0.8Pa左右，在基板上加负偏压-700V，反溅射3～4分钟。