CN112251720B - 一种塑料基底硬质减反射膜及其镀膜方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种塑料基底硬质减反射膜及其镀膜方法，该镀膜方法包括以光学塑料为基底，交替沉积TiO2和SiON；TiO2采用电子束蒸发沉积，SiON采用磁控溅射沉积。该反射膜的镀膜装置包括真空腔体，真空腔体底部设置电子束蒸发镀膜装置，还包括设置于真空腔体外的旋转装置和磁控溅射镀膜装置，磁控溅射镀膜装置与旋转装置固定连接，旋转装置驱动磁控溅射镀膜装置做转动升降式运动，使磁控溅射镀膜装置能够移入和/或移出真空腔体。本发明的镀膜方法能够制得以光学塑料为基底的高硬度、低反射率高透射率的硬质减反射膜。

Description

一种塑料基底硬质减反射膜及其镀膜方法
技术领域
本公开涉及光学薄膜制备技术领域，尤其涉及一种塑料基底硬质减反射膜及其镀膜方法。
背景技术
光学塑料元件具有质量轻，加工易成型的优点，已逐渐取代光学玻璃，但其表面易划伤，硬度低，抗腐蚀能力差，因此需要通过在透镜表面镀制硬质减反射膜，不仅能够提高光学系统成像质量，还能保护塑料基板，延长光学塑料元件的使用寿命。
通常硬质减反射膜采用磁控溅射技术制备，使用SiN和SiO2分别作为高低折射率材料，尽管能保证膜层硬度，但是由于SiN的折射率只能做到2.03，与SiO2匹配设计减反射膜存在较高的反射率，影响成像系统的像质。而使用电子枪蒸镀TiO2和SiO2即使减反射膜的反射率能做到很低，但是仅通过SiO2作为最外层材料保护塑料基板，其硬度远远达不到使用要求。TiO2作为高折射率材料，通常采用电子束蒸发沉积，且与基板结合力好，如果采用磁控溅射沉积，Ti靶易中毒，不能完全发生溅射，折射率易发生渐变，而SiON混合介质薄膜，具有折射率低、硬度高、耐腐蚀及抗划伤的性能，可代替SiO2作为低折射率，但不能通过电子束蒸发获得。因此，现有的塑料基底硬质减反射膜的制备方法及设备均不能满足塑料基底硬质减反射膜在硬度、反射率等多个性能上实现最优。
发明内容
有鉴于此，本公开实施例提供一种塑料基底硬质减反射膜及其镀膜方法，通过该镀膜方法能够制得以光学塑料等较软的光学材料为基底的高硬度、低反射率高透射率的硬质减反射膜。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种塑料基底硬质减反射膜的镀膜方法，该镀膜方法包括：以光学塑料为基底，交替沉积TiO2和SiON；其中，TiO2采用电子束蒸发沉积，SiON采用磁控溅射沉积；
其中，所述塑料基底硬质减反射膜的镀膜装置，包括真空腔体，所述真空腔体底部设置电子束蒸发镀膜装置，真空腔体的顶部设置载台回转机构，所述载台回转机构用以挂载待镀膜基片；
还包括设置于所述真空腔体外的旋转装置和磁控溅射镀膜装置，所述磁控溅射镀膜装置与所述旋转装置固定连接，所述旋转装置驱动所述磁控溅射镀膜装置做转动升降式运动，使所述磁控溅射镀膜装置能够移入和/或移出所述真空腔体。
在一种优选的实施方式中，电子束蒸发沉积TiO2时，真空度为5×10-3Pa、基片温度为60℃、蒸发速率为0.3-0.5nm/s；磁控溅射沉积SiON时，真空度3×10-1Pa，基片温度为60℃，靶基距为120mm,溅射电压为400V，电流为15A，并充入氩气、氧气和氮气，其中，氩气充气量为60sccm,氧气流量为30sccm，氮气流量为20sccm。
在一种优选的实施方式中，还包括预置腔室，所述预置腔室与所述真空腔体连通，所述旋转装置设置于所述预置腔室内，用于驱动所述磁控溅射镀膜装置在所述真空腔体和预置腔室之间移动。
在一种优选的实施方式中，所述旋转装置包括气缸、拉杆和铰接连杆，所述气缸的拉伸输出轴与所述拉杆活动连接，所述拉杆与所述铰接连杆活动连接，所述铰接连杆上设置所述磁控溅射镀膜装置。
在一种优选的实施方式中，还包括控制系统，所述控制系统包括控制面板和控制器，所述控制面板和控制器电连接，所述控制器的输出端与所述旋转装置连接。
在一种优选的实施方式中，所述磁控溅射镀膜装置为孪生磁控溅射靶。
在一种优选的实施方式中，还包括磁控靶挡板，所述孪生磁控溅射靶的两靶背部均设置所述磁控靶挡板；所述磁控靶挡板上固定连接旋转轴，所述旋转轴与所述气缸的旋转输出轴连接，使所述旋转轴在所述气缸的驱动下带动所述磁控靶挡板进行旋转，以将所述孪生磁控溅射靶进行遮挡和打开。
本发明还提供一种采用上述的镀膜方法镀制得到的塑料基底硬质减反射膜，其特征在于，该减反射膜的膜系结构为：
Sub|0.23H0.43L0.92H0.12L0.89H0.54L0.12H0.15L1.07H0.54L0.11H0.19L1.05H0.98L |Air；
其中，Sub为塑料基底层，H代表高折射率材料TiO2层，光学厚度为1/4 λ，L代表低折射率材料SiON层,光学厚度为1/4 λ，波长λ为510nm，Air为空气层。
在一种优选的实施方式中，所述塑料基底层为光学塑料PMMA。
本发明的一种塑料基底硬质减反射膜及其镀膜方法，其有益效果在于：本发明的塑料基底硬质减反射膜采用低折射率材料SiON和高折射率材料TiO2镀制，可获得硬度高、低反射率高透射的硬质减反射膜。由于SiON的混合介质薄膜，具有折射率低、硬度高、耐腐蚀及抗划伤的性能，但不能通过电子束蒸发，需要通过磁控溅射获得；而TiO2作为高折射率材料，通常采用电子束蒸发沉积，且与基板结合力好，但需要通过电子枪蒸镀，因此本发明设置了具有电子束和溅射两种功能的镀膜设备，应用电子束蒸发与磁控溅射两种方法不间断的交替成膜，保证了镀制过程的连续性，解决了电子枪蒸镀不能获得混合介质薄膜，而磁控溅射可以获得混合介质薄膜的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的塑料基底硬质减反射膜光谱曲线图；
图2为本发明实施例的镀膜装置结构示意图；
图3为本发明实施例的镀膜装置另一结构示意图；
图4为本发明实施例的镀膜装置另一结构示意图；
图5为本发明实施例的镀膜装置中孪生磁控溅射靶结构示意图；
图6为本发明实施例的镀膜装置中孪生磁控溅射靶连接结构示意图；
图7为本发明实施例的镀膜装置中磁控靶挡板关闭状态结构示意图；
图8为本发明实施例的镀膜装置中磁控靶挡板打开状态结构示意图；
图9为本发明实施例的镀膜装置中磁控靶挡板连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种塑料基底硬质减反射膜的镀膜方法，该镀膜方法包括：以光学塑料为基底，交替沉积TiO2和SiON；其中，TiO2采用电子束蒸发沉积，SiON采用磁控溅射沉积。
在本发明的上述实施例中，采用低折射率材料SiON和高折射率材料TiO2镀制该塑料基底硬质减反射膜，由于TiO2采用磁控溅射沉积时，Ti靶易中毒，不能完全发生溅射，折射率易发生渐变，因此TiO2采用电子束蒸发沉积；而SiON不能通过电子束蒸发获得，因此采用磁控溅射沉积。上述两种不同的材料采用不同的方式交替镀制，能够得到硬度好、反射率低，性能优异的硬质减反射膜。
在一种优选的实施方式中，以光学塑料PMMA为基底，优选的镀制工艺参数如下：电子束蒸发沉积TiO2时，真空度为5×10-3Pa、基片温度为60℃、蒸发速率为0.3-0.5nm/s；磁控溅射沉积SiON时，真空度3×10-1Pa，基片温度为60℃，靶基距为120mm,溅射电压为400V，电流为15A，并充入氩气、氧气和氮气，其中，氩气充气量为60sccm,氧气流量为30sccm，氮气流量为20sccm。采用晶控控制膜层厚度，在PMMA的基底上，可以获得低反射高透射的硬质减反射膜。
由上述的镀膜方法镀制得到的塑料基底硬质减反射膜，该减反射膜的膜系结构为：
Sub|0.23H0.43L0.92H0.12L0.89H0.54L0.12H0.15L1.07H0.54L0.11H0.19L1.05H0.98L |Air；
其中，Sub为塑料基底层，H代表高折射率材料TiO2层，光学厚度为1/4 λ，L代表低折射率材料SiON层,光学厚度为1/4 λ，波长λ为510nm，Air为空气层，H和L前的系数为膜层光学厚度系数。
上述该塑料基底层优选为光学塑料PMMA，除了光学塑料之外，对一些基底材料较软的光学元件，如硫系玻璃、红外晶体材料等作为窗口时，也需要在其表面制备硬质减反射与保护膜。因此，在镀制这些特殊的薄膜时，应用电子束蒸发与磁控溅射两种方法交替成膜，解决了电子枪蒸镀不能获得混合介质薄膜，而磁控溅射可以获得混合介质薄膜的问题。
参考附图1，该硬质减反射膜的光谱曲线如图所示，从图中可知：在可见波段光谱具有极低的反射率，而且膜层的硬度可以达到保护膜的要求。
参考附图2，在TiO2和SiON的镀制过程中，由于TiO2采用电子束蒸发沉积，SiON采用磁控溅射沉积，并且二者需要不间断的交替沉积，为了保证镀制过程的连续性，本发明还提供一种用于镀制上述的塑料基底硬质减反射膜的镀膜装置，该镀膜装置具有电子束和溅射两种功能，用以完成上述硬质减反射膜的制备。
具体地，该装置包括真空腔体1，所述真空腔体1底部设置电子束蒸发镀膜装置2，真空腔体1的顶部设置载台回转机构104，所述载台回转机构104用以挂载待镀膜基片；还包括设置于所述真空腔体1外的旋转装置和磁控溅射镀膜装置3，所述磁控溅射镀膜装置3与所述旋转装置固定连接，所述旋转装置驱动所述磁控溅射镀膜装置3做转动升降式运动，使所述磁控溅射镀膜装置3能够移入和/或移出所述真空腔体1。
在本发明的上述镀膜装置中，设置可移动的磁控溅射镀膜装置3，当需要使用溅射功能沉积SiON时，可使用旋转装置将磁控溅射镀膜装置3移入真空腔体1内，并且到达所述载台回转机构104下方的固定位置处，直接作为溅射源使用。当需要使用电子束蒸发沉积TiO2时，使用旋转装置转动所述磁控溅射镀膜装置3，将磁控溅射镀膜装置3移出上述真空腔体1，使该镀膜装置又可单独作为热蒸发镀膜设备使用，且不会由于热蒸发过程中膜料气体分子的扩散污染磁控溅射靶平面阴极与溅射靶材，因此不会降低溅射功能的稳定性，保证了溅射靶平面阴极的使用寿命。
参考图3，在一种优选的实施方式中，还包括预置腔室5，所述预置腔室5与所述真空腔体1连通，所述旋转装置设置于所述预置腔室5内，用于驱动所述磁控溅射镀膜装置3在所述真空腔体1和预置腔室5之间移动。
该镀膜装置主机室与常规真空室不同的是额外增加了一个小腔室，即上述的预置腔室5，此预置腔室5主要为磁控溅射镀膜装置3的等待区。在蒸镀光学薄膜时，磁控溅射靶降到此工作区等待工作，当需要溅射镀膜时，磁控靶升至工作状态的位置进行工作，如图2所示。优选地，所述磁控溅射镀膜装置3为孪生磁控溅射靶，其本身采用双孪生平面机构，左右两边分别安装2个Si靶，配置2台中频电源功率为20KW，充气采用三路3段充气，一路充反应气体Ar，一路充氮气N2，另一路充氧气O2。整个孪生靶和充气固定在旋转装置上，靶本身的水和电软连接到真空腔体1内壁上。
继续参考图2，在一种优选的实施方式中，所述旋转装置包括气缸8、拉杆7和铰接连杆9，所述气缸8的拉伸输出轴与所述拉杆7活动连接，所述拉杆7与所述铰接连杆9活动连接，所述铰接连杆9上设置所述磁控溅射镀膜装置3。
具体地，上述预置腔室5位于真空腔体1壁后旁45度位置，尺寸为300mmX900mm，腔室旁设置有铰接连杆9的出口，铰接连杆9本身设置有真空密封，同时采用深沟球轴承保证拉杆7和铰接连杆9之间转动的精度。铰接连杆9转动角度130度，气缸8有效行程350，气缸8前端伸缩部分有行程调节螺母，可精确调整靶升降高度。
为了有效防止磁控溅射靶被污染，在一种优选的实施方式中，还包括磁控靶挡板4，所述孪生磁控溅射靶的两靶背部均设置所述磁控靶挡板4；所述磁控靶挡板4上固定连接旋转轴4-1，所述旋转轴4-1与所述气缸8的旋转输出轴连接，使所述旋转轴4-1在所述气缸8的驱动下带动所述磁控靶挡板4进行旋转，以将所述孪生磁控溅射靶进行遮挡和打开。
参考图4，当气缸8为拉伸的初始状态时，气缸8在最大行程点上，孪生溅射磁控靶在最低位置。此时磁控靶挡板4为关闭状态，也可做清洗磁控靶材预备位置，而此时整个真空腔体1内在磁控靶挡板4情况下构成无间歇防污，方便电子枪蒸镀。当需要溅射镀膜时候，磁控靶挡板4打开，升降气缸8开始运行，铰接连杆9开始从最低位置变化成中部位置，最后到最高位置。达到最高位置后，气缸8到达下行程的最大点。此时磁控镀膜开始工作。
具体地，在孪生磁控溅射靶结构中，双靶采用共同底板3-1安装，如图5所示。靶材采用螺钉压条安装，方便更换，双靶可以安装不同材料靶材，背面采用直接水冷铜背板。充气布局在靶旁的磁控靶挡板4夹角处。磁控靶挡板4与靶材底板3-1构成整体，用螺钉连接在铰接连杆9上，转轴3-2和靶材底板3-1用平键3-3保持转动方向，两侧有深沟轴承保持转动。深沟旁通过胶圈密封把靶材底板3-1的旋转角度转化到真空腔体1外部。外部连接部分采用铰接连杆9连接转轴3-2，采用平键3-3保持转轴3-2与铰接连杆9之间的角度，在转轴3-2另一端头中间，铰接一支拉杆7，拉杆7端头与定制气缸8连接，方便精确调整旋转角度，如图6所示。气缸8的尾部固定在预置腔室5的底部。当气缸8运行时，气缸8直线运动，通过拉杆7转动，再通过转轴3-2将孪生磁控溅射靶旋转到指定位置。
接下来，参考附图7说明上述磁控靶挡板4的具体设置。真空腔体1内的磁控靶挡板4在磁控靶移动到真空腔体1内时候，一侧磁控靶挡板和另一侧磁控靶挡板如图7所示，处于关闭状态，当需要开启磁控溅射时候，磁控靶挡板4需先打开，处于附图8的状态位置。参考图9，磁控靶挡板4本身是由气缸8驱动，气缸8的轴顺时针转动时，其转动通过同步传动给一侧旋转轴4-1，使其也顺时针转动，一侧旋转轴4-1将真空腔体1内的磁控靶挡板4转动，磁控靶挡板4的转动同心由深沟轴承4-3保持。气缸8本身通过齿轮4-2将转动传递给另一侧旋转轴4-1，使另一侧磁控靶挡板4逆时针转动，同时就构成两块磁控靶挡板4的开闭状态，从图7状态到图8状态。
在另一种优选的实施方式中，还包括控制系统，所述控制系统包括控制面板和控制器，所述控制面板和控制器电连接，所述控制器的输出端与所述旋转装置连接。
上述控制面板包括但不限于按钮开关、触摸屏开关等控制方式，控制面板可设于真空腔体1或预置腔室5的外壁，便于操作即可。上述控制面板与控制器电连接，控制器控制上述气缸8的伸缩和旋转，所述控制器的芯片型号采用常规型号即可，例如80C51单片机等。
另外，参考图2-3，该真空腔体1优选采用箱式结构，抽气口101后置，前开门；内部还包括电子枪修正挡板机构6，用于修正膜层厚度。上述载台回转机构104由公转电机102驱动，变频器调速，磁流体密封。真空腔体1顶部设置加热器103，周边室体配有冷却水循环系统；具体可配置两台电子枪蒸发源，左右分布，上述的孪生磁控溅射靶可配置2对，左右布局，方便蒸镀多种氧化物和氮化物及各种反应溅射时不同成分配比，如果是同种材料可以增加溅射速率，提高生产效率。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种塑料基底硬质减反射膜的镀膜方法，其特征在于，该镀膜方法包括：以光学塑料为基底，交替沉积TiO2和SiON；其中，TiO2采用电子束蒸发沉积，SiON采用磁控溅射沉积；
其中，所述塑料基底硬质减反射膜的镀膜装置，包括真空腔体，所述真空腔体底部设置电子束蒸发镀膜装置，真空腔体的顶部设置载台回转机构，所述载台回转机构用以挂载待镀膜基片；
还包括设置于所述真空腔体外的旋转装置和磁控溅射镀膜装置，所述磁控溅射镀膜装置与所述旋转装置固定连接，所述旋转装置驱动所述磁控溅射镀膜装置做转动升降式运动，使所述磁控溅射镀膜装置能够移入和/或移出所述真空腔体；
还包括预置腔室，所述预置腔室与所述真空腔体连通，所述旋转装置设置于所述预置腔室内，用于驱动所述磁控溅射镀膜装置在所述真空腔体和预置腔室之间移动；
所述旋转装置包括气缸、拉杆和铰接连杆，所述气缸的拉伸输出轴与所述拉杆活动连接，所述拉杆与所述铰接连杆活动连接，所述铰接连杆上设置所述磁控溅射镀膜装置；
所述磁控溅射镀膜装置为孪生磁控溅射靶；
还包括磁控靶挡板，所述孪生磁控溅射靶的两靶背部均设置所述磁控靶挡板；所述磁控靶挡板上固定连接旋转轴，所述旋转轴与所述气缸的旋转输出轴连接，使所述旋转轴在所述气缸的驱动下带动所述磁控靶挡板进行旋转，以将所述孪生磁控溅射靶进行遮挡和打开。
2.根据权利要求1所述的塑料基底硬质减反射膜的镀膜方法，其特征在于，电子束蒸发沉积TiO2时，真空度为5×10-3Pa、基片温度为60℃、蒸发速率为0.3-0.5nm/s；磁控溅射沉积SiON时，真空度3×10-1Pa，基片温度为60℃，靶基距为120mm,溅射电压为400V，电流为15A，并充入氩气、氧气和氮气，其中，氩气充气量为60sccm,氧气流量为30sccm，氮气流量为20sccm。
3.根据权利要求2所述的塑料基底硬质减反射膜的镀膜方法，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括控制面板和控制器，所述控制面板和控制器电连接，所述控制器的输出端与所述旋转装置连接。
4.一种采用如权利要求1所述的镀膜方法镀制得到的塑料基底硬质减反射膜，其特征在于，该减反射膜的膜系结构为：
Sub|0.23H0.43L0.92H0.12L0.89H0.54L0.12H0.15L1.07H0.54L0.11H0.19L1.05H0.98L |Air；
其中，Sub为塑料基底层，H代表高折射率材料TiO2层，光学厚度为1/4 λ，L代表低折射率材料SiON层,光学厚度为1/4 λ，波长λ为510nm，Air为空气层。
5.根据权利要求4所述的塑料基底硬质减反射膜，其特征在于，所述塑料基底层为光学塑料PMMA。
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