CN111505753B - 一种基于碳化硅基底的co2反射膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅基底的CO2反射膜及其制备方法，基于碳化硅基底的CO2反射膜，包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层。本发明基于碳化硅基底的CO2反射膜，该膜系具有在远红外10.6um波段的反射达到99.8％，并且能承受300度的高温，密度小，弹性模量高，热膨胀系数低，热导率高，附着力强，耐温性好，耐湿热性强，无热应力，线膨胀系数均匀，热性能和机械性能具有各向同性；制备简单，原料易得，成本低廉。

Description

一种基于碳化硅基底的CO2反射膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于碳化硅基底的CO2反射膜及其制备方法，属于碳化硅基底的反射膜领域。
背景技术
随着科学技术的迅猛发展，一些先进的光学系统，如侦察系统、气象观测系统等，对系统本身的反射镜性能提出了越来越高的要求。
碳化硅因其成本低、生产周期短的优点在各种碳化硅反射镜制备工艺中崭露头脚。碳化硅因其独特的晶体结构，表面呈现蜂窝状结构，虽然目前碳化硅表面粗糙度已经达到0.02微米以内，但膜层如何在这种镜片上镀牢，如何减免镜片表面晶状结构带来的散射问题，仍然是技术难点。
发明内容
为了提高碳化硅反射镜的反射率和膜层牢固度，以较低的成本制成实用的具有轻量化结构的反射镜，本发明提供一种基于碳化硅基底的CO2反射膜及其制备方法，该膜系附着力强，在远红外10.6um波段的反射达到99.8％，并且能承受300度的高温，可得到CO2波段的轻量化结构的反射镜。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于碳化硅基底的CO2反射膜，包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层。
上述基于碳化硅基底的CO2反射膜，从膜层材料的选材和应力匹配等方面对膜系结构进行了优化，通过加入底层的类金刚石膜消除了SIC基底晶体结构而引起的散射问题，进而提升了反射率；金刚石膜层和金属膜之间的镍铬合金粘接层解决了膜层间的应力问题，使得附着力显著提升。锗和硫化锌膜料因为本身的高低折射率，两对叠加后反射带宽满足10.6um波段的振镜角度(30-60度)反射率要求，又因振镜片需要红光指示光，考虑到抗激光损伤阈值的要求，故选择了YbF3和ZnSe膜料，保证了红光指示光要求的同时也达到了抗激光使用性能。
上述基于碳化硅基底的CO2反射膜，膜层间结合牢固，密度低，在远红外10.6um波段的反射达到99.8％，并且能承受300度的高温。
为了进一步提高反射率，同时兼顾低成本要求，交替设置的锗层与硫化锌层有两组，交替设置的YbF3层与ZnSe层有两组。
作为一种优选的实施方案，上述基于碳化硅基底的CO2反射膜，包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、第一锗层、第一硫化锌层、第二锗层、第二硫化锌层、第一YbF3层、第一ZnSe层、第二YbF3层和第二ZnSe层。
为了进一步提高膜层的附着力，同时确保高反射率和低密度，通过膜厚匹配不断优化后，提高了膜层之间的粘结度，解决了膜层间应力过大造成膜层不牢的问题，得到的优选方案为：类金刚石膜层的厚度为1～1.4μm，镍铬合金粘接层的厚度为0.1～0.3μm，金属膜的厚度为0.1～0.3μm，第一锗层的厚度为1.6～1.8μm，第一硫化锌层的厚度为 0.4～0.6μm，第二锗层的厚度为1.6～1.8μm，第二硫化锌层的厚度为0.4～0.6μm，第一 YbF3层的厚度为0.16～0.20μm，第一ZnSe层的厚度为0.06～0.10μm，第二YbF3层的厚度为0.16～0.20μm和第二ZnSe层的厚度为0.06～0.10μm。
上述通过各层厚度的优化，提高膜层之间的粘结度，解决了膜层间应力过大造成膜层不牢的问题，具有高反射率和低密度的优势，提高了薄膜的使用性能。
对膜系设计以及膜层厚度等工艺参数的调整，解决了膜层之间的粘结度问题从而提高了SIC基底的CO2反射镜镜的性能。
为了更好地兼顾膜的反射率和强度，优选，金属膜为金膜﹑银膜﹑铜膜或铝膜。为了保证性能的稳定性，进一步优选，金属膜为金膜。
上述基于碳化硅基底的CO2反射膜的制备方法，包括如下步骤：
1)采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在碳化硅基底上沉积类金刚石膜层；
2)在类金刚石膜层上依次蒸发镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层。
在基片与反射膜之间使用PECVD沉积工艺加入了类金刚石膜层，在基片表面制备了高反射率﹑附着性能优良﹑基于碳化硅基底的耐高温反射膜。
为了提高膜层的牢固度，步骤1)中，等离子体增强化学的气相沉积过程中，射频源功率为1000W，压力为15±0.1Pa，沉积时间为20±1min。
镍铬合金使用电子枪蒸发，金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层使用阻蒸蒸发。
为了进一步提高膜层的牢固度，步骤2)中，镍铬合金粘接层的沉积速率为 0.1-0.5nm/s，金属膜的沉积速率为0.8-30nm/s，锗层的沉积速率为0.1-0.4nm/s，硫化锌层的蒸发速率为0.2-2nm/s，YbF3层的沉积速率为0.3-1nm/s，ZnSe层的沉积速率为 0.2-2nm/s。前述各工艺参数的选择直接影响膜层的牢固度，各膜层沉积过快或过慢，均会导致膜层牢固度变差，前述各膜层沉积速率的结合，是确保产品性能最优的最优选择。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明基于碳化硅基底的CO2反射膜，该膜系具有在远红外10.6um波段的反射达到 99.8％，并且能承受300度的高温，密度小，弹性模量高，热膨胀系数低，热导率高，附着力强，耐温性好，耐湿热性强，无热应力，线膨胀系数均匀，热性能和机械性能具有各向同性；制备简单，原料易得，成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于碳化硅基底的CO2反射膜反射率设计曲线(横坐标为波长，单位nm；纵坐标为反射率，单位％)；
图2为本发明实施例1中基于碳化硅基底的CO2反射膜反射率设计曲线与实测曲线(横坐标为波长，单位nm；纵坐标为反射率，单位％)；
图3为本发明实施例1中基于碳化硅基底的CO2反射膜的结构示意图；
图中，1为碳化硅基底层侧，2为类金刚石膜层，3为镍铬合金粘接层，4为金属膜， 5为第一锗层，6为第一硫化锌层，7为第二锗层，8为第二硫化锌层，9为第一YbF3层， 10为第一ZnSe层，11为第二YbF3层，12为第二ZnSe层，13为空气侧。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
各例中薄膜的制备是在成都西沃克HLWT700-VI与Vacoat-900真空箱式镀膜机上共同完成的，前者控制时间，后者采用晶控控制系统控制膜厚。
实施例1
如图3所示，基于碳化硅基底的CO2反射膜，包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、第一锗层、第一硫化锌层、第二锗层、第二硫化锌层、第一YbF3层、第一ZnSe层、第二YbF3层和第二ZnSe层；类金刚石膜层的厚度为 1.2μm，镍铬合金粘接层的厚度为0.2μm，金属膜的厚度为0.2μm，第一锗层的厚度为 1.7μm，第一硫化锌层的厚度为0.5μm，第二锗层的厚度为1.7μm，第二硫化锌层的厚度为0.5μm，第一YbF3层的厚度为0.18μm，第一ZnSe层的厚度为0.08μm，第二YbF3层的厚度为0.18μm和第二ZnSe层的厚度为0.08μm。
上述基于碳化硅基底的CO2反射膜的制备方法，包括如下步骤：
1)采用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在碳化硅基底上沉积类金刚石膜层，射频源功率为1000W，压力为15Pa，沉积时间为20min；
2)在类金刚石膜层上依次蒸发镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层；镍铬合金使用电子枪蒸发，金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层使用阻蒸蒸发，镍铬合金粘接层的沉积速率为0.1nm/s，金属膜的沉积速率为0.8nm/s，第一、第二锗层的沉积速率均为0.1nm/s，第一、第二硫化锌层的蒸发速率均为0.2nm/s，第一、第二YbF3层的沉积速率均为0.3nm/s，第一、第二ZnSe层的沉积速率均为0.2nm/s。
使用红外分光光度计Spectrum100进行指标检测，如图2所示，10600nm处单面反射达到99.8％，红光处反射达到80％；且实际生产得出的镀膜曲线与理论值基本一致。
对比例1
与实施例1基本相同，所不同的是：无类金刚石膜层。使用红外分光光度计Spectrum100进行指标检测，10600nm处单面反射率为98.5％，红光处反射率为60％。
对比例2
与实施例1基本相同，所不同的是：无镍铬合金粘接层。使用红外分光光度计Spectrum100进行指标检测，10600nm处单面反射率为99.7％，红光处反射率为80％。
对比例3
与实施例1基本相同，所不同的是：无类金刚石膜层和镍铬合金粘接层，使用红外分光光度计Spectrum100进行指标检测，10600nm处单面反射率为98.5％，红光处反射率为60％。
实施例2
基于碳化硅基底的CO2反射膜，实施例1所不同的是：类金刚石膜层的厚度为1.1μm，镍铬合金粘接层的厚度为0.2μm，金属膜的厚度为0.2μm，第一锗层的厚度为1.6μm，第一硫化锌层的厚度为0.6μm，第二锗层的厚度为1.6μm，第二硫化锌层的厚度为0.6μm，第一YbF3层的厚度为0.19μm，第一ZnSe层的厚度为0.07μm，第二YbF3层的厚度为0.19μm和第二ZnSe层的厚度为0.07μm；制备方法参照实施例1；使用红外分光光度计Spectrum100进行指标检测，10600nm处单面反射达到99.8％，红光处反射达到80％；
为了保证光学元件的可靠性，根据使用要求对实施例1-2以及对比例1-3所得样品进行了环境试验：
1、附着力测试：用宽度1英寸的3M专用胶带紧贴镀膜表面，然后沿膜面垂直方向迅速拉起，反复拉扯30次以上，观察膜层是否有分层、起皮、起泡等现象，若膜层无变化，则通过。
2、湿热测试：在温度为50度的水里浸泡48小时后，观察膜层是否有分层、起皮、起泡等现象，若膜层无变化，则通过；
3、耐高温验证：常温升至300度烘烤1小时后降至常温后，观察膜层是否有分层、起皮、起泡等现象，若膜层无变化，则通过。
经测试，对比例1无法通过附着力测试，对比例2无法通过湿热测试，对比例3无法通过湿热测试和耐高温测试；而实施例1-2上述三种测试均通过；实施例1-2的密度不大于3.2g/cm3，弹性模量不小于480GPa，热膨胀系数不大于5.3*10-6/℃，高热导率不小于 40W/(m·K)，无热应力、线膨胀系数均匀，热性能和机械性能具有各向同性。

Claims (8)

1.一种基于碳化硅基底的CO2反射膜，其特征在于：包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层。
2.如权利要求1所述的基于碳化硅基底的CO2反射膜，其特征在于：金属膜为金膜﹑银膜﹑铜膜或铝膜。
3.如权利要求1或2所述的基于碳化硅基底的CO2反射膜，其特征在于：包括顺序相接的碳化硅基底层、类金刚石膜层、镍铬合金粘接层、金属膜、第一锗层、第一硫化锌层、第二锗层、第二硫化锌层、第一YbF3层、第一ZnSe层、第二YbF3层和第二ZnSe层。
4.如权利要求3所述的基于碳化硅基底的CO2反射膜，其特征在于：类金刚石膜层的厚度为1~1.4μm，镍铬合金粘接层的厚度为0.1~0.3μm，金属膜的厚度为0.1~0.3μm，第一锗层的厚度为1.6~1.8μm，第一硫化锌层的厚度为0.4~0.6μm，第二锗层的厚度为1.6~1.8μm，第二硫化锌层的厚度为0.4~0.6μm，第一YbF3层的厚度为0.16~0.20μm，第一ZnSe层的厚度为0.06~0.10μm，第二YbF3层的厚度为0.16~0.20μm和第二ZnSe层的厚度为0.06~0.10μm。
5.基于权利要求1-4任意一项碳化硅基底的CO2反射膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）采用等离子体增强化学的气相沉积法在碳化硅基底上沉积类金刚石膜层；
2）在类金刚石膜层上依次蒸发镍铬合金粘接层、金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中，等离子体增强化学的气相沉积过程中，射频源功率为1000W，压力为15±0.1Pa，沉积时间为20±1min。
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，镍铬合金使用电子枪蒸发，金属膜、一组以上交替设置的锗层与硫化锌层和一组以上交替设置的YbF3层与ZnSe层使用阻蒸蒸发。
8.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤2）中，步骤2）中，镍铬合金粘接层的沉积速率为0.1-0.5nm/s，金属膜的沉积速率为0.8-30nm/s，锗层的沉积速率为0.1-0.4nm/s，硫化锌层的蒸发速率为0.2-2nm/s，YbF3层的沉积速率为0.3-1nm/s，ZnSe层的沉积速率为0.2-2nm/s。
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