CN103412350A - 一种多波段增强型金属反射膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波段增强型金属反射膜及其制备方法，本发明的增强型金属反射膜包括基片、铬膜层、过渡粘接层、金属层、无吸收过渡层和增强介质膜，其中过渡粘接层为纯度大于99.9%的纯铜或铜和镍的混合材料。本发明的增强型金属反射膜特点是膜层附着力好，能实现可见光/激光/红外（或激光/红外）多波段大角度反射，且反射率高，可广泛应用于多功能一体化光电装备、大功率LED芯片、高清背投电视等军民用光电子技术领域。

Description

一种多波段增强型金属反射膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及属于光学薄膜技术领域，尤其涉及一种多波段增强型金属反射膜及其制备方法。

背景技术

随着军用光电装备向多波段与多功能一体化不断发展的趋势，综合光频技术业已逐步成为国内外研究的热点，涵盖高清电视、激光测距、激光引偏与红外热成像等技术领域。因此，对光学元器件的性能指标提出了更高的要求。其中，可见光/激光/中波红外波段大角度超宽光谱高反射镜作为综合光频系统中关键元器件，相关光学膜系的设计与制备工艺的研究便显得十分迫切与必要。目前，常规的保护性金属反射膜（如Ag、Au等）尽管可以实现可见光至红外波段的大角度反射，但实际反射率仅在97%左右，尚不能满足实际应用需求。而且，膜层与基片之间的附着力与表面耐磨擦性能往往较差，一般不适合在恶劣的环境中使用。在实际应用中，膜层内应力大导致起皮脱落、金属层硫化（或氧化）变色、膜层不耐擦拭、经不起高低温、湿热试验等问题时有发生，这些都直接影响着反射镜的工作性能与可靠性。

另一方面，由于全介质膜系无法实现从可见光至红外波段上的超光谱反射，增强型金属反射膜的研制便成为国内外工艺研究的重点。基于此，针对综合光频用大角度超宽光谱高反射镜的研制，有必要开发出一种新的大角度超宽光谱高反射镜制备方法，以克服上述诸多缺陷并实现工程化批产应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中金属反射膜膜层与基片之间的附着力较差缺陷，提供一种多波段增强型金属反射膜及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多波段增强型金属反射膜，包括基片，其特征在于，所述基片上依次为铬膜层、过渡粘接层、金属层、无吸收过渡层和介质膜；所述过渡粘接层为纯度大于99.9%的纯铜或铜和镍的混合材料蒸发而成，并采用电子束辅助沉积。 

按上述方案，所述过渡粘接层为铜和镍的混合材料时，铜和镍的原子百分比为50比50至90比10。

按上述方案，所述过渡粘接层的厚度为20-100纳米。

按上述方案，所述铬膜层由铬热蒸发而成，采用离子束辅助沉积，其厚度为20-60纳米。

按上述方案，所述金属层为纯度大于99.9%的纯银或纯金采用电子束蒸发而成，其厚度为100-200纳米。

按上述方案，所述无吸收过渡层为Al₂O₃或Y₂O₃材料采用电子束蒸发而成，并采用电子束辅助沉积；其膜层厚度为20-35纳米。

按上述方案，所述介质膜为增强型介质膜，是由高、低折射率材料采用电子束蒸发交替镀制形成，所述高折射率材料为TiO₂或Ta₂O₅或HfO₂，低折射率材料为Al₂O₃或SiO₂。

按上述方案，所述基片是玻璃、或者碳化硅、或者铜或者硅晶体材料。

本发明还提供上述增强型金属反射膜的制备方案，技术方案如下：

一种多波段增强型金属反射膜的制备方法，其特征在于包括以下

步骤：

1）基片的清洗步骤：首先用专用抛光液粗略擦拭一遍，再用无水混合有机溶液清洗，然后用哈气法检查；

2）离子束刻蚀清洗步骤：当本底真空达到                                                

及以下，同时对基片加热，当基片充分地热透时，开启离子源对基片表进行离子束清洗，刻蚀物理厚度30~100nm。

3）在基片上蒸镀铬膜层；

4）在铬膜层上蒸镀过渡粘接层；

5）关离子源及工作气体，当真空度达到

及以下时，在过渡粘接层上蒸镀金属膜层；

6）开启离子源，在金属膜层上蒸镀无吸收过渡层；

7）切换工作气体为氧气，在无吸收过渡层上分别交替蒸镀低折射率和高折射率材料，从而形成增强型介质膜；

8）关离子源并进行真空条件下原位退火，温度升到240℃~300℃，保温时间不少于4小时。

按上述方案，步骤2）中对基片加热并热透，加热温度为130℃~180℃。

本发明的原理是：

通过增加过渡粘接层使得金属膜层与基片的附着力显著提升；由于金、银等金属原子在微观分子结构上与玻璃或碳化硅不同系，金属膜层与基片间难以形成有效的化学吸附，因而附着力往往较差。采用铬、镍等过渡粘接层则一方面与基底结合良好，另一方面与金属膜层间通过原子相互扩散作用而形成牢固的化学吸附，因此可显著提升金属膜层与基片间的附着力。

大量镀膜工艺实验结果表明：单纯采用铬、三氧化二铝、铜、铝等过渡层虽然在一定程度上能提升金属膜层与基片间的附着力，但经过国军标2485-95规定的高、低温试验（或恒定湿热试验）与附着力测试后，金属膜层仍存在局部脱落现象。相比之下，采用本发明中铬膜层的基础上增加第二过渡粘接层（铜或铜/镍混合材料），经过十余次附着力测试，膜层没有脱落。能取得更好的效果。

本发明产生的有益效果是：

1. 通过在铬膜层的基础上引入过渡粘接层（铜或铜/镍混合材料），使得金属膜层与基片的附着力显著提升；

2. 采用离子束定向刻蚀基片表面，有效地去除基片表面有机污染物并活化表面分子（或原子），消除了基片表面残留的缺陷种子，进而有效地提升了膜层在基片上的附着力及成膜品质；

3. 使用真空原位退火工艺，使得过渡层与金属膜层间的原子扩散效果良好，亲和力增加，进而显著提升金属膜层与基片的附着力；通过真空原位退火工艺，同时使得金属层内部缺陷减少且晶粒尺寸变化，还有利于改善金属膜层光学性能；

4. 通过对增强介质膜膜系结构优化设计及制备工艺参数优化改进，使得增强型金属反射膜在可见光/激光/中波红外三个波段均具有良好的光学性能和表面机械强度，同时具备一定程度的耐恶劣环境性能。另一方面，考虑到金属层内部张应力大，通过优化离子源工艺参数和基片温度，使得介质膜制备过程中产生同量级的压应力，从而实现了应力匹配；

5.本制备工艺依托于普通镀膜设备和常规镀膜工艺，所涉及的工艺方法易于移植，在其它高性能金属反射膜或金属电极的制备中具有广泛的指导意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为多波段增强型金属反射膜结构图；

图2为K9玻璃基片上可见光/激光/红外三波段增强型银反射膜实测反射率光谱曲线（可见光波段）；

图3为K9玻璃基片上可见光/激光/红外三波段增强型银反射膜实测反射率光谱曲线（近红外波段）；

图4为K9玻璃基片上可见光/激光/红外三波段增强型银反射膜实测反射率光谱曲线（中波红外波段）；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种多波段增强型金属反射膜，包括基片1，基片材料为优质K9玻璃，所述基片1上依次为铬膜层2、过渡粘接层3、金属层4、无吸收过渡层5和增强介质膜6；铬膜层2是由高纯度铬热蒸发而成，采用离子束辅助沉积；过渡粘接层3为高纯度的铜和镍的混合材料同时蒸发而形成，并采用离子束辅助沉积；铜/镍混合材料原子百分比为90比10；金属层4为纯度大于99.9%的纯银，采用电子束蒸发而形成；无吸收过渡层5为高纯度的Al₂O₃ ，采用电子束蒸发而形成，并采用离子束辅助沉积工艺，工作气体为高纯度氩气；增强型介质膜6是由高折射率材料为TiO₂和低折射率材料SiO₂采用电子束蒸发交替镀制形成，高、低折射率材料蒸发过程中均采用离子辅助沉积，其工作气体为高纯氧气，膜层厚度根据膜系设计结果而确定。

膜系结构如下：

    

其中，a-f分别为膜层物理厚度，M为铜/镍混合材料（原子百分比为90/10），具体为：a-30nm; b-26.5nm; c-130nm; d-30nm; e-34.5nm; f-50.8nm;

g-64.8nm; h-51.5nm.

该多波段增强型金属反射膜满足技术要求如下：

450nm~700nm、1.06um和3.4-4.9um波段，平均反射率不低于98.0%，入射角450。镀膜样片一次性通过GJB2485-1995规定的附着力与中度磨擦试验、以及高低温试验，试验后光学性能仍满足技术指标要求。

图2至图4分别为K9玻璃基片上可见光/激光/红外三波段增强型银反射膜实测反射率光谱曲线。从图上可知，反射率满足要求，效果很好。

该多波段增强型金属反射膜制备过程具体实施如下：

（1）准备工作：双面抛光后的平面镜片首先用专用抛光液粗略擦一

遍，再用无水混合有机溶液清洗，然后用哈气法检查是否符合规定的光洁度标准，合格后放入镀膜机蒸发室中，抽真空并加热镜片。加热温度设定为140℃，并热透45分钟。

（2）离子束刻蚀清洗：当达到本底真空 时，开启离子

源对基片表面进行离子轰击，工作气体为高纯氩气（4N）。参数设置：屏压330V，离子束流90mA，持续时间8分钟；刻蚀物理厚度约50nm。

（3）在基片上采用电子束蒸发镀制铬膜层，物理厚度30nm。离子源

参数设置：300V/80mA，沉积速率0.15nm/s。采用纯度为99.9%的铬颗粒料，蒸发前进行充分地预熔。

（4）过渡粘接层的镀制：选用铜与镍比例为90/10的混合料，采用电

子束蒸发，物理厚26.5nm。离子源参数：350V/80mA，沉积速率0.2nm/s。蒸发前进行充分地预熔，以防止喷溅而影响成膜品质。

（5）关离子源及工作气体，当真空度达到 及以下时，在过

渡粘接层上采用电子束蒸发蒸镀Ag膜层，物理厚度130nm。蒸发前进行充分预熔。电子枪发射电流设定为205mA。

（6）开启离子源，在金属膜层上蒸镀无吸收过渡层Al2O3。离子源参

数设置：250V/70mA，沉积速率0.2nm/s。蒸发前进行充分地预熔。

（7）切换工作气体为纯度大于99.9%氧气，在无吸收过渡层上分别交

替蒸镀低折射率SiO2和高折射率材料TiO2，从而形成增强型介质膜。其中，SiO2与TiO2的沉积速率分别为0.6nm/s和0.35nm/s，离子源参数设置均为：300V/80mA。蒸发前分别进行充分地预熔。

（8）关闭离子源及工作气体并进行高真空条件下原位退火，基片烘烤

温度升到240℃，保温时间4小时。

（9）继续抽真空，至基片温度逐步降至100℃以下，打开蒸发室取件。

（10）检测：对镀膜零件进行膜层表面品质、光学性能、膜层附着力、

耐磨擦性能、环境适应性能检测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多波段增强型金属反射膜，包括基片，其特征在于，所述基片上依次为铬膜层、过渡粘接层、金属层、无吸收过渡层和增强介质膜；所述过渡粘接层为纯度大于99.9%的纯铜或铜和镍的混合材料蒸发而成，并采用电子束辅助沉积。

2.根据权利要求1所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述过渡粘接层为铜和镍的混合材料时，铜和镍的原子百分比为50比50至90比10。

3.根据权利要求1或2所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述过渡粘接层的厚度为20-100纳米。

4.根据权利要求1所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述铬膜层由铬热蒸发而成，采用离子束辅助沉积，其厚度为20-60纳米。

5.根据权利要求1所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述金属层为纯度大于99.9%的纯银或纯金采用电子束蒸发而成，其厚度为100-200纳米。

6.根据权利要求1所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述无吸收过渡层为Al₂O₃或Y₂O₃材料采用电子束蒸发而成，并采用电子束辅助沉积；其膜层厚度为20-35纳米。

7.根据权利要求1所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述增强型介质膜是由高、低折射率材料采用电子束蒸发交替镀制形成，所述高折射率材料为TiO₂或Ta₂O₅或HfO₂，低折射率材料为Al₂O₃或SiO₂。

8.根据权利要求1所述的多波段增强型金属反射膜，其特征在于，所述基片是玻璃、或者碳化硅、或者铜或者硅晶体材料。

9.一种多波段增强型金属反射膜的制备方法，其特征在于，包括以下

步骤：

1）基片的清洗步骤：首先用专用抛光液粗略擦拭一遍，再用无水混合有机溶液清洗，然后用哈气法检查；

2）离子束刻蚀清洗步骤：当本底真空达到                                               

及以下，同时对基片加热，当基片充分地热透时，开启离子源对基片表进行离子束清洗，刻蚀物理厚度30~100nm；

3）在基片上蒸镀铬膜层；

4）在铬膜层上蒸镀过渡粘接层；

5）关离子源及工作气体，当真空度达到

及以下时，在过渡粘接层上蒸镀金属膜层；

6）开启离子源，在金属膜层上蒸镀无吸收过渡层；

7）切换工作气体为氧气，在无吸收过渡层上分别交替蒸镀低折射率和高折射率材料，从而形成增强型介质膜；

8）关离子源并进行真空条件下原位退火，温度升到240℃~300℃，保温时间不少于4小时。

10. 根据权利要求9所述的多波段增强型金属反射膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中对基片加热并热透，其加热温度为130℃~180℃。

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