CN110146943B - 一种硅基底中波红外增透膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基底上的中波红外增透膜，该增透膜使用了锗（Ge）作为高折射率镀膜材料、硫化锌（ZnS）和氟化镱（YbF3）作为低折射率镀膜材料，使用PVD方法进行光学薄膜镀制，并且采用离子源辅助沉积与特定的材料蒸发工艺条件，在基底的两个表面分别沉积5层非规整的膜层。该增透膜可以使得硅窗口在3~5μm波长区间内具有优良的透光效果，平均透过率＞98%。可以有效提高非制冷红外焦平面探测器的光学效率，提升红外热成像仪的成像质量。由于基底是硅片，可以在晶圆级光学封装窗口中应用。

Description

一种硅基底中波红外增透膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及红外光学镀膜技术，具体指一种以单晶硅为基底的可提高3~5μm 范围内红外光透过率的增透膜。
背景技术
增透膜又称减反射膜，在光学元件中，由于元件表面的反射作用而使光能损失，为了减少元件表面的反射损耗，常在光学元件表面沉积透明介质薄膜，使得元件达到减反增透的效果。红外增透膜在民用和军事方面都有着重要的作用。在民用方面，主要是应用在红外探测器的光学镜头，可用于物体测温、医疗诊断、安防监控、电气故障检测、消防等各个领域。在军事上，主要应用波段是1~3μm，3~5μm，8~12μm，用于红外制导技术。
红外探测器可以把光信号转换成电信号，进而通过运算，在红外热像仪显示器上生成热图像和温度值，红外探测器性能的好坏直接决定了热像仪的成像质量，因此红外探测器光学镜头中增透膜的光学性能是一项非常重要的技术指标。目前用于红外热成像的3~5μm增透膜透过率低，已经不适合市场的需要。
硅具有优良的红外光学特性和物理特性，由于硅晶体在大气中对1.5~14μm波段红外光具有良好的透明性，且成本低，是红外热像仪理想的窗口材料。随着晶圆级封装技术成为近年来走向实用的一种新型红外探测器封装技术，硅基光学窗口的应用前景变得越来越广阔。
发明内容
本发明提出设计了硅基底上的一种中波红外增透膜，可以使用在红外测温和热成像设备中以减少3~5μm红外光的反射损耗，增强信号强度，提高探测器响应。
本发明的技术方案是：在双面抛光的单晶硅基片的两个表面分别交替沉积Ge、ZnS和YbF3膜层。
本发明的增透膜由正面膜系（1）、基片（2）和背面膜系（3）组成，在硅基底的一面沉积正面膜系（1），在硅基底的另一面沉积背面膜系（3）。
正面膜系（1）的膜系结构为：
基底/ 0.096M 0.048H 0.331M 0.397L 0.045M/空气。
背面膜系（3）的膜系结构为：
基底/ 0.096M 0.048H 0.331M 0.397L 0.045M/空气。
其中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层，M表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层，L表示一个λ0/4光学厚度的YbF3膜层，λ0为中心波长，H、M与L前的数字为膜层的厚度比例系数。
由于本发明的增透膜对增透区对透过率要求高，采用正面和背面同样的膜系并使用YbF3材料提高透过率，使得红外探测器封装窗口在3~5μm波长范围内有很好的增透效果。
本发明优点在于：提出了一种以硅为基底的中波红外增透膜，增透区为3~5μm，即增透区利用中波红外大气窗口，平均透过率大于98%，可以应用于非制冷型红外焦平面探测器领域，增强信号强度，提高探测器响应率。并且可用于红外焦平面探测器晶圆级封装窗口领域。
附图说明
图1为硅基底中波红外增透膜正面和背面膜系剖面结构示意图。
图2为硅基底的光谱透过率曲线。
图3为硅基底中波红外增透膜光谱透过率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细说明。
参见图1，本发明的中波红外增透膜包括硅基底和两面光学薄膜，图中（1）为正面膜系，（2）为硅基底，（3）为背面膜系。
本发明的中波红外增透膜光谱增透区为3~5μm。选用在所需光谱范围内合适的光学薄膜材料，以Ge为高折射率镀膜材料，ZnS和YbF3为低折射率镀膜材料。
本发明的中波红外增透膜采用多层非规整膜系结构。镀膜过程采用石英晶振实时监控材料沉积厚度。选取中心波长为1.80μm，膜系结构通过Tfcalc膜系设计软件优化。
得到正面膜系（1）的膜系结构为：
基底/ 0.096M 0.048H 0.331M 0.397L 0.045M/空气。
背面膜系（3）的膜系结构为：
基底/ 0.096M 0.048H 0.331M 0.397L 0.045M/空气。
其中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层，M表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层，L表示一个λ0/4光学厚度的YbF3膜层，λ0为中心波长，H、M与L前的数字为膜层的厚度比例系数。
通过红外傅里叶光谱仪测量增透膜的光学性能。参见图2和图3，本发明的中波红外增透膜增透区为3~5μm，使硅窗口在该增透区内红外光平均透过率大于98%。
为减小增透区水汽吸收对透过率的影响，薄膜沉积采用离子源辅助轰击工艺，阳极电压为140伏特，阴极电流为3安培，以及合适的基片沉积温度、蒸发速率等工艺条件，可有效地控制和提高膜层可靠性。

Claims (1)

1.一种硅基底上的中波红外增透膜，其结构为：在基底的正面沉积正面膜系(1)，在基底的反面沉积结构相同的背面膜系(3)，其特征在于：
a、所述的正面膜系(1)的膜系结构为：
基底/0.096M 0.048H 0.331M 0.397L 0.045M/空气；
b、所述的背面膜系(3)的膜系结构为：
基底/0.096M 0.048H 0.331M 0.397L 0.045M/空气；
其中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层，M表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层，L表示一个λ0/4光学厚度的YbF3膜层，λ0为中心波长，H、M与L前的数字为膜层的厚度比例系数；以Ge为高折射率镀膜材料，ZnS和YbF3为低折射率镀膜材料；采用正面和背面同样的膜系并使用YbF3材料提高透过率。
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