CN110146948B - 一种硅基底长波通红外滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基底上的长波通红外滤光片，该滤光片使用了锗（Ge）作为高折射率镀膜材料、硫化锌（ZnS）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合适的材料蒸发等特定工艺条件，在基底的两个表面分别沉积28层和44层非规整的膜层。该滤光片可以使得在1~7μm波长区间内基本不透光，透过率<1%，在8~14μm波长区间具有良好的透光效果，平均透过率＞85%。可以有效提高非制冷红外焦平面探测器的光学效率，并且适合在晶圆级光学封装窗口中应用。
Description
技术领域
本发明涉及红外光学薄膜技术，具体指一种以单晶硅为基底的对波长为1~7μm 范围内的红外光进行截止，8~14μm范围内的红外光进行透射的长波通红外滤光片。
背景技术
光学滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件。长波通滤光片对长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止。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，使得元件在特定波长范围内达到减反增透的效果。而在其他波长范围内，则起到增反减透，即截止的作用。由于镀膜技术的不断发展，长波通滤光片作为一种非常实用的光学薄膜产品，已经广泛应用到工业、农业、科研、军事等领域的多种红外测温和成像器件中。
电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口，红外大气窗口主要包括近红外（0.78~1μm）、短波红外（1~2.5μm）、中波红外（3~5μm）、长波红外（8~14μm）。红外成像技术的发展是先从长波红外开始，之后才逐步扩展到中波红外和短波红外。在选择红外热成像仪工作波段时，遵循的原则就是最多利用红外辐射能量，利用大气红外透射窗口。实验表明探测-73℃~+349℃温度范围的物体，以选择长波红外有利。这个温度范围包括了大多数物体的温度，因此大量应用在我们的生产和生活中。
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两年走向实用的一种新型红外探测器封装技术，需要制造与微测辐射热计晶圆相对应的另一片硅窗晶圆，因此硅基滤光片的应用前景非常广阔，在红外光学领域具有不可替代的地位。
发明内容
本发明提出设计了硅基底上的一种长波通红外滤光片，可以使用在红外测温和热成像设备中以提高信噪比，改善光学系统性能，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和ZnS膜层。
本发明的滤光片由正面膜系（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反面膜系（3）。
正面膜系（1）的膜系结构为。
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其中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层，L表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层，λ0为中心波长，H与L前的数字为膜层的厚度比例系数。
由于本发明滤光片的截止区和增透区范围都较宽，故采用正面和反面不同的膜系结构，分别对不同波段的红外光进行截止和增透，得到在1~7μm截止和8 ~14μm 增透的滤光效果。
本发明优点在于：提出了一种以硅为基底的长波通红外滤光片，截止区为1~7μm，增透区为8~14μm，即增透区利用长波红外大气窗口，平均透过率大于85%，可以很好的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。为红外焦平面探测器晶圆级封装打下基础。
附图说明
图1为硅基底的长波通红外滤光片正面及反面膜系剖面结构示意图。图中（1）为正面膜系，（2）为硅基片，（3）为反面膜系。
图2为硅基底的光谱透过率曲线。
图3为硅基底的长波通红外滤光片正面膜系光谱透过率曲线。
图4为硅基底的长波通红外滤光片反面膜系光谱透过率曲线。
图5为硅基底的长波通红外滤光片光谱透过率曲线。
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。
本发明长波通滤光片光谱截止区为1~7μm，增透区为8~14μm。选用在所需光谱范围内合适的光学薄膜材料，以Ge为高折射率材料，ZnS为低折射率材料。
本发明长波通滤光片采用多层非规整膜系结构。膜系沉积采用石英晶体监控。选取中心波长λ0为1.82μm，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/0.137H 0.284L 0.348H 0.495L 0.258H 0.564L 0.192H 0.547L 0.294H0.492L 0.312H 0.463L 0.208H 0.606L 0.318H 0.494L 0.502H 0.614L 0.310H 0.771L0.464H 0.488L 0.367H 0.980L 0.296H 0.440L 0.602H 1.254L/空气。
反面膜系（3）的膜系结构为：
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其中，H表示一个λ0/4光学厚度的Ge膜层，L表示一个λ0/4光学厚度的ZnS膜层，λ0为中心波长，H与L前的数字为膜层的厚度比例系数。
为减小增透范围内的水汽吸收，薄膜沉积采用离子源辅助轰击，选择阳极电压为120伏特，阴极电流为3安培，以及合适的基片沉积温度、蒸发速率等工艺控制可有效地提高膜层可靠性。
Claims (1)
1.一种硅基底上的长波通红外滤光片，其结构为：在基底的正面沉积正面膜系(1)，在基底的另一面沉积反面膜系(3)，其特征在于：
所述的正面膜系(1)的膜系结构为：
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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