CN113774325A

CN113774325A - 抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系及其制备方法

Info

Publication number: CN113774325A
Application number: CN202110941846.5A
Authority: CN
Inventors: 张天行; 薛俊; 王航; 熊涛; 徐旭; 何光宗; 余雪宁
Original assignee: Hubei Jiuzhiyang Infrared System Co Ltd
Current assignee: Hubei Jiuzhiyang Infrared System Co Ltd
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2021-12-10

Abstract

本发明公开了一种抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，包括以下步骤：1)光学元件清洗；2)将清洗好的光学元件作为基底，在其上镀制光学过渡匹配层，该光学过渡匹配层包括多层膜系结构，在700nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段均具有高光学透过率；3)在光学过渡匹配层上制备高硬度、多光谱氮化铝薄膜。本发明有效提升了其光学透过率，且提升了抗砂尘侵蚀性能。

Description

抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系及其制备方法

技术领域

本发明属于光学薄膜制造领域，具备涉及一种抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系及其制备方法。

背景技术

当光电装备应用于砂尘环境下时，常因经受砂尘侵蚀影响光电装备的环境耐候性，其中，光学观察防护窗口作为光学系统的最外层，其在砂尘环境下的环境耐候性直接决定了光电装备的跟踪特性。因此，在兼顾光学观察防护窗口光学特性的同时，提升其抗砂尘特性对于光电装备具有显著的意义。

随着光电装备集成一体化的发展趋势，光学观察防护窗口常采用多光谱材料，为增强其光学观察作用，常在其表面制备保护型增透膜，该保护型增透膜多以常规氧化物为主，显微硬度较低(低于10GPa)，在普通环境下可满足光学系统的观察及跟踪需求。但随着光电装备应用环境的不断升级，当以氧化物为主的保护型增透膜应用于砂尘等恶劣环境下时，一段时间后膜层往往被侵蚀破坏，光学性能出现大幅下降，难以发挥应有的光学特性。因此，需在现有氧化物薄膜基础上进行针对性改进，寻找一个高硬度、多光谱的光学材料，并通过真空制备工艺方法成功制备出光学级高硬度、多光谱保护膜。

氮化铝作为一种性能优越的陶瓷材料，具有良好的机械及光学性能，纯净的AlN(氮化铝)陶瓷作为多光谱透明晶体，光学性能优异，可直接作为耐高温红外窗口材料。因制备AlN薄膜过程中控制N元素掺杂比较为困难，制备出的AlN薄膜往往具有较高的吸收特性，因此，目前国内尚无将其AlN材料作为光学保护膜应用于抗砂尘条件下。

发明内容

本发明针对现有多光谱保护增透膜硬度较低、不耐砂尘侵蚀的缺陷，提供一种高硬度、多光谱的AlN保护膜系制备工艺方法，在确保光学特性的同时有效提升了其显微硬度。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，包括以下步骤：

1)光学元件清洗；

2)将清洗好的光学元件作为基底，在其上镀制光学过渡匹配层，该光学过渡匹配层包括多层膜系结构，在700nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段均具有高光学透过率；

3)采用磁控溅射方法在光学过渡匹配层上制备高硬度、多光谱氮化铝薄膜。

接上述技术方案，该制备方法还包括步骤：

4)纳米压痕法测试

采用纳米压痕测试设备，利用固定载荷加载-卸载法进行测试，计算得出不同深度及载荷条件下氮化铝薄膜的光学硬度指标，包括显微硬度、弹性模量。

接上述技术方案，光学元件清洗时，将作为基底的光学元件置于超声波清洗线中进行无损清洗，去除表面的残留物，清洗过程加热至45℃～55℃，清洗1min～2min，清洗完成后利用异丙醇脱水烘干。

接上述技术方案，光学过渡匹配层采用Ta₂O₅/Nb₂O₅、SiO₂作为高、低折射率材料制作成多层高、低折射率间隔膜系层。

接上述技术方案，光学过渡匹配层采用离子辅助电子束蒸发方法制备，蒸发氧化物时，通入不低于10sccm流量的O₂，以确保制备出的氧化物具有较低的吸收特性。

接上述技术方案，光学过渡匹配层采用磁控溅射方法制备，制备氧化物时，采用与作为基底的光学元件反应的方法进行处理，溅射金属靶材产生的金属原子或分子沉积于基底，反应离子源离化O₂后在电场作用下轰击基片，在基底上反应生成氧化物薄膜。

接上述技术方案，镀制过程中采用晶振片控制厚度。

接上述技术方案，作为基底的光学元件的材料包括蓝宝石、尖晶石及氮氧化铝。

接上述技术方案，采用磁控溅射方法制备氮化铝薄膜，具体利用Al靶作为反应靶材，充入一定流量的N₂作为反应气体，直接溅射Al靶形成Al原子或分子沉积于基底上，并离化N₂形成N+离子，在电场作用下N+轰击基片生长为致密高硬度、多光谱氮化铝薄膜。

接上述技术方案，光学元件为蓝宝石镜片。

本发明产生的有益效果是：本发明将AlN材料作为保护膜材料应用于光电装备中，在基底材料与AlN保护膜材料间制备光学过渡层，并优化出了500nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段范围内的高透过率AlN膜系，成功制备出了光学级高硬度、多光谱AlN膜系，有效提升了其光学透过率，且提升了抗砂尘侵蚀性能。

进一步地，为实现光学级AlN薄膜，在常规反应磁控溅射的基础上，引入了N⁺定向轰击技术，在基片表面发生化学反应，生成致密度高的AlN薄膜。同时，通过优化调节Al靶的沉积速率与N₂流量，解决了Al靶与N元素易出现的反应不充分或过度反应、薄膜吸收特性较高等问题，成功解决了常规反应磁控溅射过程中靶压不稳、光洁度较差的问题。本发明制备出的AlN薄膜具有稳定性高、N元素掺杂比高等特点。经纳米压痕法测试具有较高的硬度(不小于20GPa)、同时，磁控溅射镀制过程中在清洗其基底表面的基础上，通过磁控溅射的方法制备出了高硬度、多光谱AlN保护膜。

同时，本发明在常规磁控溅射制备工艺基础上，采用溅射Al靶获取Al原子或分子及定向N⁺轰击基片的方法，实现了稳定控制AlN薄膜沉积过程中N元素的掺比量，有效解决了AlN薄膜吸收特性较高的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法流程图；

图2(a)是本发明实施例设计的高透过率AlN保护膜系设计示意图；

图2(b)是本发明实施例设计的可见光波段光学透过率示意图；

图2(c)是本发明实施例设计的AlN保护膜系红外波段透过率示意图；

图3(a)是本发明实施例AlN保护膜系的红外波段实际透过率示意图；

图3(b)是本发明实施例AlN保护膜系的可见光波段实际透过率示意图；

图4是本发明实施例基于纳米压痕手段测试出的AlN保护膜显微硬度。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对现有多光谱保护增透膜硬度较低、不耐砂尘侵蚀的特性，提供了一种高硬度、多光谱的AlN保护膜系制备工艺方法，在确保光学特性的同时有效提升了其显微硬度。

实施例1：

本发明实施例抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，包括以下步骤：

S1、光学元件清洗，清洗的目的是获得光洁的光学元件表面；

S2、将清洗好的光学元件作为基底，在其上镀制光学过渡匹配层，该光学过渡匹配层包括多层膜系结构。在可见光700nm～1000nm、近红外1064nm及中波红外3.7μm～4.8μm等波段范围内均具有较高光学透过率；

S3、在光学过渡匹配层上制备高硬度、多光谱氮化铝薄膜。

该制备方法还包括S4、对制备好的氮化铝薄膜进行光学硬度指标测试的步骤，主要是对光学硬度指标进行测试，可以采用多种方法进行测试，本发明实施例中主要采用纳米压痕法测试。具体采用纳米压痕测试设备，利用固定载荷加载-卸载法进行测试，计算得出不同深度及载荷条件下氮化铝薄膜的光学硬度指标，包括显微硬度、弹性模量等。

本发明将AlN材料作为保护膜材料应用于光电装备中，将制备出的高硬度、多光谱氮化铝薄膜作为抗砂尘保护膜应用于光学观察防护窗口时，可显著提升其抗砂尘侵蚀性能，有益于光电装备的砂尘环境耐候特性。

实施例2：

在实施例1的基础上，实施例2中通过离子辅助电子束蒸发沉积或磁控溅射的方式在清洗干净的光学元件表面制备高硬度AlN保护膜系，包含以下步骤：

1)光学元件清洗：将作为基底的光学元件置于超声波清洗线中进行无损清洗，去除表面的残留物，清洗过程加热至45℃～55℃，清洗1min～2min，清洗完成后利用异丙醇脱水烘干，获得光洁的光学元件表面；

2)过渡层镀制：在基底与最外层AlN保护膜之间制备光学过渡层，有效解决膜层应力较大引起的脱膜风险。针对光学特性的需求，光学过渡层采用Ta₂O₅、SiO₂作为高、低折射率材料，主要针对700nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段进行针对性设计多层光学膜系，并采用离子辅助电子束蒸发或磁控溅射的方式进行制备，在镀制过程中，采用晶振片监控膜层的物理厚度；

3)氮化铝薄膜制备：采用磁控溅射的沉积工艺制备，采用磁控溅射进行制备高硬度、多光谱AlN薄膜，采用Al靶作为反应靶材，充入一定流量的N2作为反应气体，直接溅射Al靶形成Al原子或分子沉积于基底上，并离化N2形成N+离子，在电场作用下N+轰击基片生长为致密AlN薄膜。

4)纳米压痕法测试：采用精密的三板电容器原位纳米压痕测试设备，利用固定载荷加载-卸载法进行测试，计算得出不同深度及载荷条件下AlN薄膜的显微硬度、弹性模量等光学硬度指标。

该实施例2为实现光学级AlN薄膜，在常规反应磁控溅射的基础上，引入了N⁺定向轰击技术，在基片表面发生化学反应，生成致密度高的AlN薄膜。同时，通过优化调节Al靶的沉积速率与N₂流量，解决了Al靶与N元素易出现的反应不充分或过度反应、薄膜吸收特性较高等问题。

此外，本发明成功解决了常规反应磁控溅射过程中靶压不稳、光洁度较差的问题，制备出的AlN薄膜具有稳定性高、N元素掺杂比高等特点，经纳米压痕法测试具有较高的硬度(不小于20GPa)、同时，磁控溅射镀制过程中在清洗其基底表面的基础上，通过磁控溅射的方法制备出了高硬度、多光谱AlN保护膜。作为抗砂尘保护膜应用于光学观察防护窗口时，可显著提升其抗砂尘侵蚀性能，有益于光电装备的砂尘环境耐候特性。

实施例3：

采用一片刚刚抛光完成的蓝宝石镜片，尺寸为Φ100mm×5mm，抛光完成判定其表面光洁度优于级别V后，开始进行AlN薄膜的制备工艺，工艺流程如图1所示。详细步骤如下：

1)光学元件清洗：将蓝宝石置于超声波清洗线中进行无损清洗，去除表面的残留物。洗剂清洗过程温度保持50℃，清洗1.5min，清洗完成后进入纯水槽进行漂洗。漂洗完成后利用纯水漂洗，纯水漂洗温度设定为45℃，清洗3槽，每槽清洗时间均为1min。纯水漂洗完成后进入异丙醇脱水并甩干，甩干完成后判定蓝宝石基底光洁度优于级别V后，进行过渡层镀制；

2)过渡层镀制：针对蓝宝石基底的光学透过率要求，采用Macleod膜系设计软件计算出过渡层膜系为Ta₂O₅ 23/SiO₂ 30/Ta₂O₅ 180/SiO₂ 43/Ta₂O₅ 21/SiO₂165/Ta₂O₅ 13/SiO₂49/AlN 465，其中，数字代表每层膜层的物理厚度。设计完成后的光学曲线如图2(a)所示。图2(b)、(c)为设计的多光谱AlN保护膜在可见光及红外波段的光学透过率。图2表明，设计的多光谱AlN保护膜在700nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段均具有良好的光学透过率。随即采用离子辅助电子束蒸发的工艺方法进行制备，镀制过程中采用晶振片每层膜层的物理厚度；

3)氮化铝薄膜制备：采用磁控溅射方法制备高硬度、多光谱AlN薄膜，采用Al靶作为反应靶材，充入不低于10sccm的N₂作为反应气体。在沉积制备过程中，施加不低于1KW的功率于Al靶上，确保溅射Al靶的沉积速率不低于0.2nm/s。溅射Al靶并旋转基片架过程中，充入不少于10sccm流量的N₂至离化源表面电离形成N⁺离子，在电场作用下N⁺轰击基片生长为致密AlN薄膜。制备完成后的AlN保护膜红外波段和可见光波段测得的光学透过率如图3(a)、图3(b)所示；

4)纳米压痕法测试：采用Ti980原位纳米压痕测试设备，利用固定载荷加载-卸载法进行测试，通过建立薄膜的面积函数后进行测试分析。通过初步压载测试分析，其硬度值不低于20GPa，因此，选择不低于5000μN的载荷力度，连续打入16个点。同时连续压载3次，最终计算得出薄膜的最大显微硬度不低于20.46GPa，如图4所示。图4表明了随着载荷的不断增强，薄膜的显微硬度受到基底影响，随之有所下降。在压入深度小于薄膜厚度1/10范围内，AlN薄膜具有较高的显微硬度。

本发明基于光学特性的需求，基于制备出的AlN保护膜光学常数，设计并优化出了500nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段范围内的高透过率AlN膜系，在膜系设计基础上，采用离子辅助电子束蒸发的工艺方法在基底材料与AlN保护膜材料间制备光学过渡层，有效提升了其光学透过率，成功制备出了光学级高硬度、多光谱AlN膜系。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光学元件清洗；

3)在光学过渡匹配层上制备高硬度、多光谱氮化铝薄膜。

2.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，该制备方法还包括步骤：

4)纳米压痕法测试

3.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，光学元件清洗时，将作为基底的光学元件置于超声波清洗线中进行无损清洗，去除表面的残留物，清洗过程加热至45℃～55℃，清洗1min～2min，清洗完成后利用异丙醇脱水烘干。

4.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，光学过渡匹配层采用Ta₂O₅/Nb₂O₅、SiO₂作为高、低折射率材料制作成多层高、低折射率间隔膜系层。

5.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，光学过渡匹配层采用离子辅助电子束蒸发方法制备，蒸发氧化物时，通入不低于10sccm流量的O₂，以确保制备出的氧化物具有较低的吸收特性。

6.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，光学过渡匹配层采用磁控溅射方法制备，制备氧化物时，采用与基底反应的方法进行处理，溅射金属靶材产生的金属原子或分子沉积于基底，反应离子源离化O₂后在电场作用下轰击基片，在基底上反应生成氧化物薄膜。

7.根据权利要求5或6所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，镀制过程中采用晶振片控制厚度。

8.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，作为基底的光学元件的材料包括蓝宝石、尖晶石及氮氧化铝。

9.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射方法制备氮化铝薄膜，具体利用Al靶作为反应靶材，充入一定流量的N₂作为反应气体，直接溅射Al靶形成Al原子或分子沉积于基底上，并离化N₂形成N+离子，在电场作用下N+轰击基片生长为致密高硬度、多光谱氮化铝薄膜。

10.根据权利要求1所述的抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系的制备方法，其特征在于，光学元件为蓝宝石镜片。

11.一种抗砂尘的高硬度多光谱氮化铝膜系，其特征在于，自下而上一依次包括基底、光学过渡匹配层、氮化铝薄膜，其中该光学过渡匹配层包括多层膜系结构，在700nm～1000nm、1064nm及3.7μm～4.8μm波段均具有高光学透过率；氮化铝薄膜微采用磁控溅射方法在光学过渡匹配层上溅射而成。