CN108728818B - 一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口 - Google Patents

一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，所述红外透明窗口由蓝宝石基片及其上方的氧化铟基透明导电膜构成；所述红外透明窗口的方块电阻低于100Ω/sq，电子迁移率高于50cm2/Vs，0.78～2.5μm波长范围内具有平均大于或等于78％的透过率、2.5～5μm波长范围内具有平均大于或等于68％的透过率；所述蓝宝石基片的表面与蓝宝石c晶面存在0°～10°的偏离角，厚度为100～10000μm。本发明采用MOCVD方法制备氧化铟基透明导电膜，可同时兼顾近红外0.78～2.5μm和中红外2.5～5μm波段内的透过率和电磁屏蔽性能，便于大规模大尺寸生产，在红外光电器件领域具有良好的应用前景。

Description

一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口
技术领域
本发明属于红外光学材料领域及薄膜材料领域，主要涉及一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口。
背景技术
红外技术，包括红外测温、红外遥感、红外成像和红外制导等，在民用乃至军用领域上都有重要应用。红外透明窗口作为红外探测/成像系统的关键部件，一方面需要保护红外传感器及其他光电装置不被外部环境损伤，另一方面又要具备良好的红外透过性来保证不降低光电传感器的光学性能。
蓝宝石晶体不仅具有良好的机械性能和化学稳定性，而且在中红外3～5μm波段具有较高的透过率，是中红外透明窗口的主要候选材料。然而，蓝宝石窗口是绝缘体，并不具备屏蔽电磁波的功能。因此，为了增强窗口的抗电磁干扰能力和去雾除霜能力，往往需要对蓝宝石窗口镀膜。目前，国内外用于提高抗电磁干扰能力的一种镀膜方法，就是在窗口表面添加一层透明导电氧化物膜。
北京航空航天大学(H.F.Du,etal,AppliedOptics,55,2016,D115-D119)采用磁控溅射的方法制备了厚度100nm，电子迁移率20cm2V-1s-1，方块电阻61Ω/sq的掺锡氧化铟(ITO)透明导电膜，在中红外3-5μm波段具有平均60％的透过率，证明了氧化铟导电薄膜作为红外透明窗口膜层的可行性。但其电子迁移率偏低，导致电磁屏蔽性能不佳。
意大利国家新技术、能源和可持续经济发展机构(D.A.Lampasi,A.Tamburrano,S.Bellini,M.Tului,A.Albolino,M.S.Sarto,Effect of Grain Size and Distributionon the Shielding Effectiveness of Transparent Conducting Thin Films,IeeeTransactions on Electromagnetic Compatibility,56,2014,352-359)同样采用磁控溅射的方法制备了氧化铟基透明导电膜，厚度为900nm的导电膜在2-18GHz可以获得23dB的电磁屏蔽效率，然而，该膜的透过率在近红外波段2.5μm时已经下降到45％以下。而制备得到的厚度为719nm的膜，在近红外波段2.5μm时仍能保持90％以上的透过率，但在2-18GHz的电子屏蔽效率只有4-8dB。
传统用于电磁屏蔽的透明导电氧化物膜透过窗口往往仅限于可见光-近红外波段。根据Drude模型，为了将传统透明导电氧化物的透过窗口拓展至中红外波段，需要降低材料的自由电子浓度或者厚度来减少中红外波段的反射和吸收，而这往往会增加材料的电阻率，降低材料的电磁屏蔽性能。
因此，目前急需一种能够兼顾窗口膜层的红外透过率和电磁屏蔽性能的红外透明导电氧化铟膜。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其具有能够兼顾窗口的红外透过率和电磁屏蔽性能的红外透明导电氧化铟膜。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，所述红外透明窗口由蓝宝石基片及其上方的氧化铟基透明导电膜构成；所述红外透明窗口的方块电阻低于100Ω/sq，电子迁移率高于50cm2/Vs，0.78～2.5μm波长范围内具有平均大于或等于78％的透过率、2.5～5μm波长范围内具有平均大于或等于68％的透过率；所述氧化铟基透明导电膜为电子导电，自由电子浓度不高于5×1019cm-3；所述蓝宝石基片的表面与蓝宝石c晶面存在0°～10°的偏离角，厚度为100～10000μm；
所述红外透明窗口的制备方法如下：
S1.蓝宝石基片预处理：将蓝宝石基片表面清洗后，放入化学气相沉积反应室内，控制温度为300℃～900℃，压力为3～100Torr，处理1～60min；
S2.氧化铟基透明导电膜生长：调整反应室温度为400～900℃，气压为1～760Torr，通入保护气氛；将装有铟源、氧源和掺杂源的鼓泡瓶沉浸在恒温水槽中，并通过质量流量计和压力计控制鼓泡瓶的流量和压力；往反应室通入铟源和氧源，并通入掺杂源，在蓝宝石基片表面外延生长出0.2～200μm的氧化铟基透明导电膜。
本发明蓝宝石基片一方面能够作为氧化铟基透明导电膜的支撑衬底，另一方面也能够承担一种窗口装置的物理防护隔绝作用；通过控制蓝宝石衬底的规格参数，使其具有高红外透过率且更利于氧化铟基透明导电膜的生长。本发明所述氧化铟基透明导电膜通过控制制备工艺，得到氧化物膜的平均电子浓度不高于5×1019cm-3，厚度为0.2～200μm，防止电子等离子震荡效应造成的红外透过率下降，使其兼具电磁屏蔽和红外透过率高的双重功能。
优选地，所述蓝宝石基片的表面与蓝宝石c晶面存在0.2°～2°的偏离角。
优选地，所述清洗包括有机和无机酸碱清洗。
优选地，所述蓝宝石基片厚度为400～5000μm。
优选地，所述氧化铟基透明导电膜掺杂源为锡源，所含锡原子浓度不高于5×1019cm-3。
本发明所述锡原子浓度为平均浓度，但并未对锡元素在氧化铟膜中的具体浓度分布形式进行限定，锡元素在氧化铟膜中的浓度分布形态既可以是均匀分布、也可以是各种非均匀分布，只要平均浓度低于5×1019cm-3，即可认为属于本发明的保护范围。
优选地，所述铟源为三甲基铟。
优选地，所述氧源为氧气、水、笑气中的一种或多种的混合；
优选地，所述锡源为四(二甲氨基)锡、四甲基锡、四乙基锡中的一种或多种的混合。
所述氧化铟基透明导电膜采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法获得。MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。采用MOCVD的方法在蓝宝石窗口上沉积氧化铟基透明导电膜，可以提高材料电子迁移率，缓解透明导电膜中红外透过率与电磁屏蔽性能之间的矛盾。
本发明提供的一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口由蓝宝石基片及其上方的氧化铟基透明导电膜共同构成，但对是否在该窗口的上方或者下方叠加更多的类型不同、功能不同的膜层并未做特殊限定。只要采用本发明所述蓝宝石基片和氧化铟基透明导电膜作为电磁屏蔽红外透明窗口，则可认为属于本发明的保护范围。例如，在本发明氧化铟基透明导电膜层上方再沉积一层氟化镁红外增透膜。该氟化镁层仅用于进一步提高整个窗口的红外透过率，但并不改变蓝宝石基片和氧化铟基透明导电薄膜所构成的结构的基本功能，应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
本发明的有益效果：
1.本发明采用蓝宝石基片作为红外透明窗口的主体，具备优良的机械性能和化学稳定性。
2.本发明采用MOCVD方法制备氧化铟基透明导电膜，可同时兼顾近红外0.78～2.5μm和中红外2.5～5μm波段内的透过率和电磁屏蔽性能：0.78～2.5μm波长范围内具有平均大于或等于78％的透过率、2.5～5μm波长范围内具有平均大于或等于68％的透过率；方块电阻低于100Ω/sq，具有良好的电磁屏蔽性能。
3.本发明采用MOCVD方法进行制备，便于大规模大尺寸生产，在红外光电器件领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明红外透明窗口结构示意图。
图2是实施例1中红外透明窗口的霍尔测试结果图。
图3是实施例1中红外透明窗口的近红外透射谱测试结果图。
图4是实施例1中红外透明窗口的中红外透射谱测试结果图。
图5是实施例1中红外透明窗口的X射线衍射测试结果图。
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，以下结合说明书附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。
实施例1：
利用现有MOCVD设备，采用有机金属三甲基铟作为铟源，有机金属四(二甲氨基)锡作为掺杂源，纯度99.9999％以上的氧气作为氧源，纯度为99.999％以上的氩气作为生长保护气氛，制备红外透明窗口。
本实施例红外透明窗口的制备方法如下：
1)蓝宝石基片预处理：选用厚度为430μm的双面抛光蓝宝石基片作为红外窗口的主体，基片的表面与蓝宝石c晶面存在0.2°的偏离角。对蓝宝石基片表面进行有机和无机酸碱清洗后，放入MOCVD反应室内，控制温度在600℃，压力控制为10Torr，处理30min。
2)氧化铟基透明导电膜生长：调整生长温度保持在530℃，反应室气压控制在9Torr，通入氩气作为保护气氛的情况下。通入有机金属三甲基铟和氧气，流量分别控制在6.0×10-5mol/min和2.2×10-2mol/min，并掺入有机金属四(二甲氨基)锡，流量控制为与源瓶温度5℃，瓶压700Torr，流量15sccm时获得的摩尔流量相同，在蓝宝石基片表面外延生长出400nm的氧化铟透明导电膜。所含锡原子浓度不高于5×1019cm-3。
参见图2，本实施例中的氧化铟基透明导电薄膜经过HallHL5500测试仪测试，测得方阻低于80Ω/sq，电子迁移率69cm2V-1s-1，自由电子浓度低于2.9×1019cm-3。
参见图3，使用lambda 950紫外可见近红外分光光度计测试本实施例中的红外透明窗口的近红外透过谱，结果表明该红外透明窗口在0.78～2.5μm波长范围具有平均78％的透过率。
参见图4，使用傅里叶变化红外光谱测试本实施例中红外透明窗口的中红外透过谱，结果表明该红外透明窗口在中红外2.5-5μm波段具有平均69％的透过率。
图5为本实施例氧化铟基透明导电薄膜的X射线衍射图谱，由图知，本实施例制得的氧化铟基薄膜是具有特定(100)和(111)面外取向的多晶薄膜，具有较好的结晶质量。
实施例2：
本实施例红外透明窗口的制备方法如下：
1)蓝宝石基片预处理：选用厚度为430μm的双面抛光蓝宝石基片作为红外窗口的主体，基片的表面与蓝宝石c晶面存在0.2°的偏离角。对蓝宝石基片表面进行有机和无机酸碱清洗后，放入MOCVD反应室内，控制温度在600℃，压力控制为10Torr，处理30min。
2)氧化铟基透明导电膜生长：调整生长温度保持在530℃，反应室气压控制在9Torr，通入氩气作为保护气氛的情况下。通入有机金属三甲基铟和氧气，流量分别控制在6.0×10-5mol/min和2.2×10-2mol/min，并掺入有机金属四(二甲氨基)锡，流量控制为与源瓶温度5℃，瓶压700Torr，流量15sccm时获得的摩尔流量相同，在蓝宝石基片表面外延生长出800nm的氧化铟透明导电膜。所含锡原子浓度不高于5×1019cm-3。
本实施例制得的红外透明窗口方块电阻低于54Ω/sq，迁移率高于58cm2V-1s-1，自由电子浓度低于2.5×1019cm-3，在近红外0.78～2.5μm波长范围内具有平均80％的透过率，在中红外2.5-5μm波段具有平均70％的透过率。
实施例3：
本实施例红外透明窗口的制备方法如下：
蓝宝石基片预处理：选用厚度为100μm的双面抛光蓝宝石基片作为红外窗口的主体，基片的表面与蓝宝石c晶面存在0°的偏离角。对蓝宝石基片表面进行有机和无机酸碱清洗后，放入MOCVD反应室内，控制温度在300℃，压力控制为3Torr，处理60min。
氧化铟基透明导电膜生长：调整生长温度保持在400℃，反应室气压控制在760Torr，通入氩气作为保护气氛的情况下。通入有机金属三甲基铟和笑气，流量分别控制在6.0×10-5mol/min和2.2×10-2mol/min，并掺入有机金属四甲基锡，流量控制为与源瓶温度5℃，瓶压700Torr，流量15sccm时获得的摩尔流量相同，在蓝宝石基片表面外延生长出200nm的氧化铟透明导电膜。
本实施例制得的红外透明窗口方块电阻83Ω/sq，迁移率51cm2V-1s-1，自由电子浓度低于4.6×1019cm-3，在近红外0.78～2.5μm波长范围内具有平均81％的透过率，在中红外2.5-5μm波段具有平均69％的透过率。
实施例4:
本实施例红外透明窗口的制备方法如下：
蓝宝石基片预处理：选用厚度为10000μm的双面抛光蓝宝石基片作为红外窗口的主体，基片的表面与蓝宝石c晶面存在4°的偏离角。对蓝宝石基片表面进行有机和无机酸碱清洗后，放入MOCVD反应室内，控制温度在900℃，压力控制为100Torr，处理1min。
氧化铟基透明导电膜生长：调整生长温度保持在900℃，反应室气压控制在1Torr，通入氩气作为保护气氛的情况下。通入有机金属三甲基铟和去离子水，流量分别控制在6.0×10-5mol/min和2.2×10-2mol/min，并掺入有机金属四乙基锡，流量控制为与源瓶温度5℃，瓶压700Torr，流量5sccm时获得的摩尔流量相同，在蓝宝石基片表面外延生长出500nm的氧化铟透明导电膜。
本实施例制得的红外透明窗口方块电阻66Ω/sq，迁移率72cm2V-1s-1，自由电子浓度低于2.6×1019cm-3，在近红外0.78～2.5μm波长范围内具有平均84％的透过率，在中红外2.5-5μm波段具有平均72％的透过率。
实施例5:
选取表面与c晶面存在2°偏离角、厚度5000μm、双面抛光的洁净蓝宝石基片作为红外窗口的主体，其它操作步骤与实施例1相同，在蓝宝石基片表面外延生长出200μm的氧化铟透明导电膜。
本实施例制得的红外透明窗口方块电阻92Ω/sq，迁移率65cm2V-1s-1，自由电子浓度低于2.6×1019cm-3，在近红外0.78～2.5μm波长范围内具有平均78％的透过率，在中红外2.5-5μm波段具有平均69％的透过率。
实施例6:
选取表面与c晶面存在10°偏离角、厚度400μm、双面抛光的洁净蓝宝石基片作为红外窗口的主体，其它操作步骤与实施例1相同。
本实施例制得的红外透明窗口方块电阻87Ω/sq，迁移率66cm2V-1s-1，自由电子浓度低于2.7×1019cm-3，在近红外0.78～2.5μm波长范围内具有平均79％的透过率，在中红外2.5-5μm波段具有平均68％的透过率。
对比例1：
与实施例1相比，控制载气流量和生长时间使得氧化铟基透明导电膜的电子浓度为1.1×1020cm-3，其它操作步骤与实施例1相同
制得的红外透明窗口方块电阻26.5Ω/sq，电子迁移率47.5cm2V-1s-1，在中红外2.5-5μm波段平均透过率为50％。相比实施例1，本例方块电阻降低，电磁屏蔽效率将相应提高，但是同时却降低了红外透过率。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述红外透明窗口由蓝宝石基片及其上方的氧化铟基透明导电膜构成；所述红外透明窗口的方块电阻低于100Ω/sq，电子迁移率高于50cm2/Vs，0.78～2.5μm波长范围内具有平均大于或等于78％的透过率、2.5～5μm波长范围内具有平均大于或等于68％的透过率；所述氧化铟基透明导电膜为电子导电，自由电子浓度不高于5×1019cm-3；所述蓝宝石基片的表面与蓝宝石c晶面存在0°～10°的偏离角，厚度为100～10000μm；
所述红外透明窗口的制备方法如下：
S1.蓝宝石基片预处理：将蓝宝石基片表面清洗后，放入化学气相沉积反应室内，控制温度为300℃～900℃，压力为3～100Torr，处理1～60min；
S2.氧化铟基透明导电膜生长：调整反应室温度为400～900℃，气压为1～760Torr，通入保护气氛；将装有铟源、氧源和掺杂源的鼓泡瓶沉浸在恒温水槽中，并通过质量流量计和压力计控制鼓泡瓶的流量和压力；往反应室通入铟源和氧源，并通入掺杂源，在蓝宝石基片表面外延生长出0.2～200μm的氧化铟基透明导电膜。
2.根据权利要求1所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述蓝宝石基片的表面与蓝宝石c晶面存在0.2°～2°的偏离角。
3.根据权利要求1所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，S1所述清洗包括有机和无机酸碱清洗。
4.根据权利要求1所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述蓝宝石基片厚度为400～5000μm。
5.根据权利要求1所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述氧化铟基透明导电膜的掺杂源为锡源，所含锡原子浓度不高于5×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述铟源为三甲基铟。
7.根据权利要求1所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述氧源为氧气、水、笑气中的一种或多种的混合。
8.根据权利要求5所述具有电磁屏蔽功能的红外透明窗口，其特征在于，所述锡源为四(二甲氨基)锡、四甲基锡、四乙基锡中的一种或多种的混合。
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