CN116536627A - 一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，采用独特的气路结构，让镀膜物质蒸汽在不断改变前进方向中，降低大颗粒物质的动能，使大颗粒物质丧失动能后落入蒸发系统底部，减少因大颗粒蒸发物质撞击导致膜层缺陷。同时利用布置在气路末端的高压电场和磁场，激发蒸发物质云使之离子化，将物质蒸汽中小颗粒物质动能提高，当这些物质沉积在零件表面后就可以形成更高致密度的优质薄膜。这样的设计可以有效降低大颗粒物质飞溅对膜层的破坏，同时有提高了小分子团的能量，提高了膜层的密度。本发明通过将离子化装置设置在蒸发源上，可以有效提高ZnS或SiO材料动能，结构相比分离设备更加紧凑，离子化效率更高。

Description

一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法

技术领域

本发明涉及蒸发源镀膜，属于一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法。

背景技术

红外镀膜材料中的SiO，ZnS材料光学性能优良，成膜容易，价格不高。因此用途广泛，特别是制备各种气体探测器滤光片，测温滤光片，都是首选材料。这类材料由于熔点高于蒸发温度，在蒸发过程中材料不会融化，会直接变为蒸汽，因此这类蒸发材料也被称为升华材料。由于在蒸发过程中材料没有转化为液态的过程，因此这类材料的蒸发过程具有难以控制速率和喷溅偏多的问题。在薄膜制备过程中，当材料加热开始蒸发，由于材料表面吸附的杂质和内部密度/温度的不均匀，导致物质转化未蒸汽的速率不均匀，一些颗粒物质会由于产生大量气体获得较高动能，撞击在零件表面后，可以破坏已经形成的膜层，造成膜层点缺陷，也就是喷溅点。随着蒸发的进行，喷溅点会累计增加，这些喷溅点打到薄膜上会形成散射中心，导致薄膜光洁度下降。厚度越厚问题就越严重。这对于多层滤光片的制备是十分不利的。由于气体滤光片本身是一种窄带滤光片，为了得到更好的滤光效果，需要其透过和截止的信号差越大越好，这就导致高性能的滤光片结构会更加复杂，设计的总厚度也会比较厚。因此高等级滤光片，随着精度提高，厚度增加很难避免。由于喷溅点的累计，大厚度镀膜很难控制好光洁度。

为了减少蒸发中喷溅，提高薄膜品质。人们采用的很多手段来改善。特别是改善蒸发工艺，对于提高升华类镀膜材料的蒸发稳性，改善薄膜光洁度和致密度等指标有着重要的意义。更好的光洁度可以带来更高的滤光分辨率，提高气体探测器灵敏度合准确度，也有助于探测器小型化。提高致密度可以改善薄膜的耐候性，以及性能的稳定性，这些指标对于高等级滤光片产品都是十分重要的。

目前SiO和ZnS镀膜材料目前主要有两种蒸发方法，一种是电子枪加热，电子束直接加热块体升华材料。这种方式由于电子束加热能量较高，其蒸发的分子动能较大，容易形成致密的薄膜。但过高的能量也容易导致喷溅更加剧烈，而且由于材料上方需要有电子束运行的空间，因此无法使用屏蔽的方式来阻挡喷溅。使用这种方式蒸发可以保证材料能量较高，形成的薄膜致密性较好，但由于喷溅较大，因此光洁度指标难以保证。因此这种方式不适合制备层数较多。对喷溅要求较高的薄膜。蒸发制备这类厚度较厚，对喷溅要求较高的薄膜，通常采用电阻加热的钼舟作为蒸发源，这是由于电阻蒸发加热过程比较稳定缓和，且可以在蒸汽发射的方向上增加滤网挡板等装置阻挡喷溅颗粒，对于改善薄膜质量效果明显。这种钼盒通常为多层设计，除最外层为打孔盖子结构，内部也会设计一层或隔板，这样材料蒸汽可以在隔板和盖子的地方转折多次来到盒子外，但喷溅起来的大颗粒物质碰撞多次后就会丧失动能，落回盒内，这样就起到了减少喷溅的作用。经过多层阻隔后可以有效减少大颗粒物质动能，使喷溅效果降低，但是由于蒸汽动能降低，其所形成的薄膜往往很难形成致密结构，会由于结构致密度不足导致薄膜出现光学性质漂移，更易受水汽侵蚀等问题。无法满足高能激光，高精度滤光片等高端应用。而且往往一个钼盒容纳的材料不足以支持制备一个复杂滤光片所需的全部膜层，因此还会采用旋转阻蒸的方式，多个钼盒接力蒸发，来达到膜层设计的厚度。但旋转阻蒸结构复杂，价格也较为昂贵。且无法解决蒸发材料蒸汽动能较低，膜层结构不够致密的问题。

为了解决升华材料蒸发喷溅过大的问题，国外一些公司开发了缓冲舟用于蒸发此类材料，这种舟由于具有较为复杂的气路结构，为了保证气路的封闭性，气路之间的隔板的焊接需要做的没有缝隙。而钨钼类材料的薄板焊接极为复杂，因此无法使用难以焊接的钨钼类材料，只能使用昂贵的钽。这导致此类蒸发舟价格昂贵。而蒸发舟使用寿命并不长，因此该类产品使用并不广泛。且这种蒸发舟也解决不了物质蒸汽动能较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法以解决背景技术中的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，采用离子化蒸发源制得，所述离子化蒸发源包括：

密封外壳，由石墨制得，包括底座和盖板，所述盖板设有一个中心孔洞和两个边孔，所述两个边孔可打开或关闭，

钼盒，设在所述密封外壳内，包括钼盒体和钼盒盖，所述钼盒盖两侧有两个钼孔，中间为下凹结构，所述两个钼孔与所述两个边孔相连通；以及

离子化装置，设在所述盖板上方，包括磁铁和容置在所述磁铁内的阴极和阳极环，阴极设在阳极环中心位置，所述阴极和阳极环与所述中心孔洞连通；

所述钼盒体和钼盒盖向外延伸有加热接线端子；所述阴极和阳极环还连接有金属端子；所述密封外壳和所述钼盒之间及所述盖板和所述离子化装置之间还填充有绝缘保温材料；所述绝缘保温材料为氧化铝或氧化锆；

包括以下步骤：

S1：取CVD ZnS或SiO在180-200℃条件下烘干1-2h,自然冷却；打开所述边孔，将烘干后的CVD ZnS或SiO放入所述钼盒体底部，然后将所述边孔关闭；

S2：将所述离子化装置安装在所述盖板上方；并测量所述钼盒两端电阻，以确保连接紧密；

S3：将1英寸单晶锗片和一片光学玻璃片作为基板放在所述镀膜机的伞架上，关闭所述镀膜机的室门，将镀膜机抽真至起始真空；

S4：将所述加热接线端子连接电源进行预熔，预熔结束后，待真空再次恢复后进行蒸发和镀膜；蒸发温度为1000~1200℃，预设定蒸发膜厚为1微米，蒸发过程中离子化装置中的所述金属端子接入高压电，对产生的物质蒸汽进行高压电离，以提高CVD ZnS或SiO颗粒动能。

优选的，步骤S4中金属端子接入电压为300-1000V。

优选的，步骤S4中预熔过程中所述加热接线端子通过的电流在1-2min时为300A，3-4min时为400A，5min时为500A。

优选的，步骤S3中伞架与所述离子化蒸发源的距离为30-100cm，镀膜机起始真空度为7-8×10-4Pa。

优选的，镀膜时间为30-40min，基板温度为150-180℃。

本发明的有益效果在于：

本发明开采用独特的气路结构，让镀膜物质蒸汽在不断改变前进方向中，降低大颗粒物质的动能，使大颗粒物质丧失动能后落入蒸发系统底部，减少因大颗粒蒸发物质撞击导致膜层缺陷。同时利用布置在气路末端的高压电场和磁场，激发蒸发物质云使之离子化，将物质蒸汽中小颗粒物质动能提高，当这些物质沉积在零件表面后就可以形成更高致密度的优质薄膜。这样的设计可以有效降低大颗粒物质飞溅对膜层的破坏，同时有提高了小分子团的能量，提高了膜层的密度。

本发明通过将离子化装置设置在蒸发源上，可以有效提高ZnS或SiO材料动能，结构相比分离设备更加紧凑，离子化效率更高，ZnS或SiO这两种升华蒸发材料熔点低，蒸发温度只有1000度左右，离子能量低，不容易电极材料轰击下来。第二采用磁场保护了电极，降低逸出电子撞击阳极的几率。带电离子在电场和磁场交互作用下发生螺旋运动，可以让大部分高能电子螺旋飞行而不会打击在电极上。

使用石墨和钼制备蒸发室内部气路，改善了单一使用钼材料导致的密封不良，和使用钽材料成本过高的缺点。

采用本发明的蒸发源进行ZnS或SiO镀膜，成膜致密，薄膜表面光洁度好。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为本发明采用的离子化蒸发源的爆炸图；

图2为本发明采用的离子化蒸发源的轴测图；

附图标记：

1、密封外壳；101、底座；102、盖板；1021、中心孔洞；1022、边孔；

2、钼盒；201、钼盒体；202、加热接线端子；203、钼盒盖；2031、下凹结构；2032、钼孔；

3、离子化装置；301、磁铁；302、阴极和阳极环；303、金属端子。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

离子化蒸发源，包括：

密封外壳1，由石墨制得，包括底座101和盖板102，盖板102设有一个中心孔洞1021和两个边孔1022，两个边孔1022进行蒸发时关闭，非工作状态可以打开用来装填蒸发材料。

钼盒2，设在密封外壳1内，包括钼盒体201和钼盒盖202，钼盒盖202两侧有两个钼孔2032，中间为下凹结构2031，两个钼孔2032与两个边孔1022相连通；底座101和盖板102包裹钼盒2，以及

离子化装置3，设在盖板102上方，包括磁铁301和容置在磁铁301内的阴极和阳极环302，阴极设置在阳极环中心位置，阴极和阳极环302与中心孔1021洞连通。

钼盒体和钼盒盖向外延伸有加热接线端子202。加热线端子202连通电源后使得钼盒2加热。

阴极和阳极环302还连接有金属端子303。金属端子303连接电源后，可以进行放电，形成电场，随着蒸发的进行，材料吸附的气体和材料本身物质的高温蒸汽流流经电场，会在电场作用下被电离并进一步提高能量。而阴极放出的电子流会受到磁场偏转，在阳极环内产生一个环形电流提高了电离效率，并保护了阳极。

密封外壳和钼盒之间及盖板和离子化装置之间还填充有绝缘保温材料。

绝缘保温材料为氧化铝或氧化锆。

实施例1 采用本发明的离子化装置进行镀膜

S1：取尺寸1mm的CVD ZnS在200℃条件下烘干2h,自然冷却；打开边孔，将烘干后的CVD ZnS放入钼盒体底部，然后将边孔关闭；

S2：将离子化装置安装在盖板上方；为了减少钼盒产生的热量对磁铁的影响，磁铁下方垫钼片和氧化铝毡隔环各一，并测量钼盒两端电阻，以确保连接紧密；

S3：将1英寸单晶锗片和一片光学玻璃片作为基板放在镀膜机的伞架上，基板温度设置为180℃，伞架与离子化蒸发源的距离为50cm，关闭镀膜机的室门，将镀膜机抽真至8×10^-4Pa。

S4：将加热接线端子连接电源进行预熔，预熔结束后，待真空再次恢复到8×10^-4Pa后，进行蒸发和镀膜；蒸发温度为1000℃，预设定蒸发膜厚为1微米，蒸发过程中离子化装置中的金属端子接入500V高压电，对产生的物质蒸汽进行高压电离，以提高CVD ZnS或SiO颗粒动能；镀膜时间为32min。

步骤S4中预熔过程中加热接线端子通过的电流在1-2min时为300A，3-4min时为400A，5min时为500A。电流必须逐渐升高，让温度逐渐升高，分别将不同熔点的杂质（空气/水汽/有机物）分别排出，依次排除。如果直接使用高温，过多的杂质会导致放气量太大，造成喷溅等问题，排杂效果降低。

将实施例1制备的样品号为E0，然后进行以下测试，

光洁度测试，使用显微镜对膜层上单位面积可见点状缺陷进行计数。

膜层折射率测试。

测试结果：

材料点子数量：平均大点子0/cm²，小点子零星。

材料折射率： 2.32

折射率接近理论值，说明薄膜结构致密，这说明材料成膜前动能较大，这和蒸发源离子化装置有关。材料喷溅点较少，这个和材料蒸发舟的结构有关，材料需要经过一次折返运动后材能离开蒸发舟，这样就过滤掉很多高动能的大颗粒。

对比例1 采用常规电子枪蒸发ZnS进行镀膜

1.工作准备，

(1)镀膜材料 使用ZnS颗粒镀膜材料如下：材料材质选用CVD ZnS碎颗粒，尺寸1mm，外观为淡黄色，半透明。

(2)蒸发装置，使用E型电子枪蒸发，坩埚使用环形铜质水冷坩埚。

(3)测试样片为玻璃片。

2.镀膜工艺流程：

(1)打开镀膜系统真空室，将基板清洁后放入伞架。将镀膜材料放入环形坩埚，并调整材料表面，使之尽量平整。

(2)关闭真空腔，并将真空抽至1x10^-3Pa。同时将基板温度加热到180℃。

(3)用离子源轰击待镀膜零件50s，以出去附着的水汽和空气。

(4)使用电子束轰击待镀膜的ZnS材料，开始镀膜。工艺参数如下：

沉积速率1nm/S，起始电流约150mA。总膜厚1微米。

(5)结束镀膜，静置10min后打开镀膜机取出零件。

将对比例1样品号为E1，然后进行以下测试，

光洁度测试，使用显微镜对膜层上单位面积可见点状缺陷进行计数。

膜层折射率测试。

3.测试结果：

材料点子数量：平均大点子21个/cm²，小点子密布。

材料折射率： 2.35

折射率接近理论值，说明薄膜结构致密。材料喷溅点较多，这个和电子束蒸发坩埚为开放坩埚有关，电子束激发的颗粒可以直接飞溅到零件表面。

对比例2 常规使用钼制电阻蒸发舟蒸发ZnS进行镀膜

1.工作准备，

(1)镀膜材料：使用ZnS颗粒镀膜材料如下：材料材质选用CVD ZnS碎颗粒，尺寸1mm，外观为淡黄色，半透明。

(2)蒸发装置，使用钼舟蒸发，加热方式为电阻加热，钼舟尺寸为总长110mm其中舟体46mm，宽40mm，高25mm，钼舟为三部分组成，舟体用于盛放材料，上部为盖板，盖板上中间部分打有4排直径1.7mm小圆孔，盖板和舟体之间加有隔板，隔板遮挡住中间部分材料直接流出，只允许边缘材料流出。这样材料就不能直接从周体内通过盖板上的小孔飞出，必须折返一次才能从蒸发舟内部逸出。

(3)测试样片为玻璃片。

2.镀膜工艺流程：

(1)打开镀膜系统真空室，将测试片清洁后放入伞架。将镀膜材料放入钼舟内，并调整材料表面，使之尽量平整，盖上隔板和钼舟盖板，用电极压紧并连接。

(2)关闭真空腔，并将真空抽至1x10^-3Pa。同时将基板温度加热到180℃。

(3)用离子源轰击待镀膜零件50s，以出去附着的水汽和空气。

(4)缓慢增加蒸发舟电压，开始镀膜。工艺参数如下：

沉积速率1nm/S，起始电流约100A。总膜厚1微米。

(5)结束镀膜，静置10min后打开镀膜机取出零件。

将对比例2样品号为E2，然后进行以下测试：

光洁度测试，使用显微镜对膜层上单位面积可见点状缺陷进行计数。

膜层折射率测试。

3.测试结果如下：

材料点子数量：平均大点子7个/cm²，小点子稀疏。

材料折射率： 2.12

折射率低于理论值，说明薄膜结构不够致密。材料喷溅点较少，这个和材料蒸发舟的结构有关，材料需要经过一次折返运动后材能离开蒸发舟，这样就过滤掉很多高动能的大颗粒。

经过对比 E0，E1，E2三个样品可以看出，本发明蒸发源具有电子束蒸发和电阻蒸发的优点，在保证膜层致密度的情况下，抑制了喷溅点。对于制备高致密度，高光洁度的ZnS红外光学薄膜具有明显的改善。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，其特征在于，采用离子化蒸发源制得，所述离子化蒸发源包括：

密封外壳，由石墨制得，包括底座和盖板，所述盖板设有一个中心孔洞和两个边孔，所述两个边孔可打开或关闭，

钼盒，设在所述密封外壳内，包括钼盒体和钼盒盖，所述钼盒盖两侧有两个钼孔，中间为下凹结构，所述两个钼孔与所述两个边孔相连通；以及

离子化装置，设在所述盖板上方，包括磁铁和容置在所述磁铁内的阴极和阳极环，阴极设在阳极环中心位置，所述阴极和阳极环与所述中心孔洞连通；

所述钼盒体和钼盒盖向外延伸有加热接线端子；所述阴极和阳极环还连接有金属端子；所述密封外壳和所述钼盒之间及所述盖板和所述离子化装置之间还填充有绝缘保温材料；所述绝缘保温材料为氧化铝或氧化锆；

包括以下步骤：

S1：取CVD ZnS或SiO在180-200℃条件下烘干1-2h,自然冷却；打开所述边孔，将烘干后的CVD ZnS或SiO放入所述钼盒体底部，然后将所述边孔关闭；

S2：将所述离子化装置安装在所述盖板上方；并测量所述钼盒两端电阻，以确保连接紧密；

S3：将1英寸单晶锗片和一片光学玻璃片作为基板放在所述镀膜机的伞架上，关闭所述镀膜机的室门，将镀膜机抽真至起始真空；

S4：将所述加热接线端子连接电源进行预熔，预熔结束后，待真空再次恢复后进行蒸发和镀膜；蒸发温度为1000-1200℃，预设定蒸发膜厚为1微米，蒸发过程中离子化装置中的所述金属端子接入高压电，对产生的物质蒸汽进行高压电离，以提高CVD ZnS或SiO颗粒动能。

2.根据权利要求1所述的一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，其特征在于，步骤S4中金属端子接入电压为300-1000V。

3.根据权利要求1所述的一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，其特征在于，步骤S4中预熔过程中所述加热接线端子通过的电流在1-2min时为300A，3-4min时为400A，5min时为500A。

4.根据权利要求1所述的一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，其特征在于，步骤S3中伞架与所述离子化蒸发源的距离为30-100cm，镀膜机起始真空度为7-8×10^-4Pa。

5.根据权利要求1所述的一种采用离子化蒸发源镀膜ZnS或SiO的方法，其特征在于，镀膜时间为30-40min，基板温度为150-180℃。