TWI646350B - Infrared anti-reflection film structure - Google Patents

Infrared anti-reflection film structure Download PDF

Info

Publication number
TWI646350B
TWI646350B TW106144327A TW106144327A TWI646350B TW I646350 B TWI646350 B TW I646350B TW 106144327 A TW106144327 A TW 106144327A TW 106144327 A TW106144327 A TW 106144327A TW I646350 B TWI646350 B TW I646350B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
reflection film
film layer
substrate
infrared
silicon
Prior art date
Application number
TW106144327A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201928402A (zh
Inventor
詹世豪
湯相峰
曾少澤
羅堃旂
陳昇暉
林文仁
Original Assignee
國家中山科學研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國家中山科學研究院 filed Critical 國家中山科學研究院
Priority to TW106144327A priority Critical patent/TWI646350B/zh
Priority to US15/847,925 priority patent/US10591646B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI646350B publication Critical patent/TWI646350B/zh
Publication of TW201928402A publication Critical patent/TW201928402A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/113—Anti-reflection coatings using inorganic layer materials only
    • G02B1/115—Multilayers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/113—Anti-reflection coatings using inorganic layer materials only

Abstract

一種紅外線抗反射膜結構，係包含：一基材，其材料係為矽；一抗反射膜層，其材料係包含氧化鋅，該抗反射膜層包含一上抗反射膜層及一下抗反射膜層，該上抗反射膜層設置於該基材之上表面，該下抗反射膜層設置於該基材之下表面；其中，該基材係使用浮融帶長晶法方式所製備而成，藉此，使用高純度長晶方式所製備的矽基材，來取代鍺作為高折射率材料以及基材，並在矽基材的表面鍍製可使長紅外線波段的抗反射膜層，以應用於熱成像技術。

Description

紅外線抗反射膜結構
本發明係關於一種抗反射膜結構，特別是關於一種紅外線抗反射膜結構。
習知紅外線有著極強的穿透力，能應用在通訊、醫療、探測或軍事等方面，用途廣泛，針對非大氣窗的應用，則常被使用在氣體偵測器，能夠偵測特定氣體的吸收波長進而判斷該氣體的濃度或是否有外洩的情形；若使用紅外線來做成像系統，所選的波長一般為8~15微米的長紅外線，因為該波段紅外線不需要額外照射，能在常溫下使用，不需通過額外的冷卻手段來抑制雜訊，另一方面，人體的黑體輻射波長峰值在10微米左右，因此在應用方面軍事可做為單兵夜間作戰射擊時使用，而在民生部分可作為車用的夜視輔助，例如自動駕駛等。
習知在紅外線系統的設計上，需要考慮元件的反射或是吸收等效應，為了使具有足夠能量的紅外線進入到感測器中，並避免被可見光或其他波長的光干擾，而影響成像品質，因此在感測器前需要有一片濾光片，使紅外穿透並 過濾掉可見光等波長，然而，目前所使用的濾光片材料對於應用在熱成像的波段而言，穿透率並不高，通常該波段的光經過濾光片後通常只剩下60%，因此需進一步透過抗反射膜來增加紅外光的穿透率。
目前常用的抗反射膜材料，在鍍膜的過程時，受到熱能的影響會開始產生分解，反而導致抗反射膜層吸收紅外線波長的光，以硫化物或硒化物為例，在鍍膜過程中，化合物的穩定性不容易控制，因此，這兩種化合物鍍膜材料對於該波段的紅外光而言，除了材料本身的吸收以及材料雜質的吸收之外，膜層的散射也會造成穿透度降低，由理論可以得知，高折射率材料會比低折射率材料有更高的吸收，主因是短波極限往長波長移動，因此長波極限也會往更長的波段移動，使得高折射率材料的透明區落在紅外光區，如果是化合物材料，則因為原子量大，離子性減少後，會使長波極限往長波段移動。
在選擇高折射率的材料時，通常可以選擇鍺(Ge)及矽(Si)這兩種材料，尤其鍺材料的選用最為普遍，雖然高折射率的鍺使得反射率比其他材料大，但鍺在中長紅外線的波段有較長的透明區，因此與適當的低折射率材料搭配成多層膜後，可以鍍出良好的長紅外線抗反射膜，矽材料在短紅外線的鍍膜是個理想的材料，然而在熱成像使用的波段8~15微米的穿透率不甚理想，因此，目前較少將矽材料使用 於熱成像系統中做為抗反射膜層或者是作為基材，而是使用取得成本較高的鍺材料。
因此，對於低折射率材料而言，開發其他適合於應用熱成像技術的材料仍為目前須努力的目標，該材料除了要對遠紅外光有較高的穿透率之外，還須兼顧成本、製程穩定性、對環境傷害較低等需求；對於高折射率材料或基材而言，矽材料雖然對遠紅外線的穿透率不如鍺材料，但相較於鍺材料而言，矽材料的價格較低廉也較容易取得，若能解決矽材料在9微米波段的吸收率偏高的問題，應可兼顧材料容易取得與對環境傷害較低等需求，而有利於進一步發展相關技術。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種紅外線抗反射膜結構，係包含：一基材，其材料係為矽；一抗反射膜層，其材料係包含氧化鋅，包含一上抗反射膜層及一下抗反射膜層，該上抗反射膜層設置於該基材之上表面，該下抗反射膜層設置於該基材之下表面；其中，該基材係使用浮融帶長晶法方式所製備而成，藉由使用高純度長晶方式所製備的矽基材，來取代鍺作為高折射率材料以及基材，並在矽基材的表面鍍製可使長紅外線波段的抗反射膜層，以應用於熱成像技術。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種紅外線抗反射膜結構，包括：一基材，其材料係為矽；一抗反射膜層，其材料係包含氧化鋅，包含一上抗反射膜層及一下抗反射膜層，該上抗反射膜層設置於該基材之上表面，該下抗反射膜層設置於該基材之下表面；其中，該基材係使用浮融帶長晶法方式所製備而成。
本發明之紅外線抗反射膜結構，其中，該抗反射膜層可為一單層氧化鋅。
本發明之紅外線抗反射膜結構，其中，該抗反射膜層可為複數層氧化鋅與複數層高折射率材料彼此交替堆疊而成。
本發明之紅外線抗反射膜結構，其中，該複數高折射率材料層之材料可為矽、鍺或砷化鎵。
本發明之紅外線抗反射膜結構，其中，該抗反射膜之厚度範圍可為2至4.5微米。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
10‧‧‧紅外線抗反射膜結構
20‧‧‧基材
30‧‧‧抗反射膜層
31‧‧‧上抗反射膜層
32‧‧‧下抗反射膜層
41‧‧‧複數層氧化鋅
42‧‧‧複數層高折射率材料
第一圖係為本發明紅外線抗反射膜結構之一實 施例示意圖；第二圖係為本發明紅外線抗反射膜結構之另一實施例示意圖；第三圖係為以FZ-Si進行紅外線穿透測試曲線圖；第四圖係為FZ-Si、在FZ-Si的單面形成氧化鋅以及在FZ-Si的雙面都形成氧化鋅對於長紅外線的穿透率曲線圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
本發明提出一種紅外線抗反射膜結構，可利用電子槍蒸鍍機(e-gun coater)與離子源輔助蒸鍍法(ion-beam-assisted deposition，IAD)將抗反射熱塗層製鍍在矽基材上，針對熱成像紅外線波段製作多層的抗反射膜層；使用浮融帶長晶法(Floating Zone，簡稱FZ)所製備的矽基材(簡稱FZ-Si)來取代鍺作為高折射率材料以及基材。
本發明使用無毒的ZnO作為抗反射膜層的低折射率材料，並搭配Ge、Si、或GaAs當作高折射率材料，利用等效導納的理論設計，將高低折射率材料鍍製在矽基材上，當抗反射膜層包括多層高低折射率材料時，各層材料的厚度與比例、光入射角度等結構參數可藉由以麥克斯威方程式為基 礎的麥克勞德(Macleod)軟體來模擬多層光學薄膜系統的光學特性，以找到最適當的結構參數。
矽做為紅外線穿透光窗使用，對於材料的特性要求是越純越好，以避免因為雜質過高，增加不必要的紅外線吸收，導致熱影像的光響應訊號不足，為製作高純度之矽基材，使用FZ長晶法製作矽基材，其製程是先以模子鑄出含摻雜物多晶矽棒，將種晶被熔融並接合於棒的下端後，射頻(RF)加熱線圈沿軸向上移動，過程中多晶棒重新熔融，原子排成種晶方向，透過FZ法可以生產含氧量非常低的單晶錠(含氧量可小於1017atoms/cm3)，針對使用矽基材對於波長9微米的長紅外線吸收率偏高的問題，本發明提出以浮融帶長晶法(FZ)所成長的矽材料來做為矽基材(FZ-Si)，以浮融帶長晶法所製造的矽材料較純，雜質較少，因而可避免對波長9微米的長紅外線有過高的吸收率，請參閱第三圖，該圖是以FZ-Si進行紅外線穿透測試，縱軸為穿透率，橫軸為光波長(單位為微米)，如圖所示，FZ-Si在長紅外線波段(波長8至15微米)都有50%以上之穿透率。
對長紅外線(波長8至15微米)透明的材料為氧化鋅(ZnO)，從可見光到紅外光都有不錯的透明度，文獻指出，ZnO從5微米~18微米都有高穿透率，於20~25微米有較高的吸收率，25微米過後的穿透率會再次上升，因此ZnO在紅外線波段有不錯的透明度(70%以上之穿透率)。
要抑制背景輻射必須先提升熱輻射訊號穿透率，提升熱輻射訊號穿透率的方法可以採用等效導納的觀念，也就是在基材上疊加抗反射膜層可用一個新的等值導納 來表示它，這種特性使得它在抗反射膜層設計上有很大的方便；假設入射介質折射率為y0，基材折射率為ys，在基材上成長上一層熱塗層，折射率為y，厚度為d，則可以用等效導納Q之單界面來代替，此等效導納值Q可由下式求之：，其中，，，將上式展開，取實數部份等於實數部份，虛數部份等於虛數部份，得下列式子：，(α-y s )cos δ= ，，為提升熱輻射訊號穿透率，熱塗層等效導納軌跡從基材ys出發，並終止在入射介電質y0上，使整個結構之熱輻射訊號反射等於零，此時該熱塗層(折射率為y)之等效導納Q若等於y0，即，因此該熱塗 層成為抗反射膜層，需有兩個條件，(1)折射率，(2) 膜厚度。
以上設計的抗反射膜層之厚度都是四分之一波長，如為適用於5微米至18微米波長之抗反射膜層，則該抗反射膜之厚度範圍可為2至4.5微米，這在實際蒸鍍時較為方便計算，但卻限制了材料的選用，因此在實作上，可以不必限定使用四分之一波長厚度之抗反射膜層來做設計，甚至以更多膜層來提升性質，抗反射膜層的特性可抑制熱輻波段以長，及增加熱輻射波段以內的光學穿透率。
以FZ長晶法形成的矽基材(以下稱FZ-Si)、在FZ-Si的單面形成氧化鋅以及在FZ-Si的雙面都形成氧化鋅對於長紅外線的穿透率，請參閱第四圖，該圖為FZ-Si、在FZ-Si的單 面形成氧化鋅以及在FZ-Si的雙面都形成氧化鋅對於長紅外線的穿透率，該圖縱軸為穿透率，橫軸為光波長(單位為微米)，方形圖示代表FZ-Si基材，圓形圖示代表FZ-Si基材及基材其中一面形成氧化鋅抗反射膜層，三角形圖示代表FZ-Si基材及基材雙面形成氧化鋅抗反射膜層，如圖所示，FZ-Si對於波長約9微米的光束的穿透率較先前技術之矽材料大幅提高，另外，在FZ-Si上鍍氧化鋅(單面以及雙面)之後，確實可增加長紅外光的穿透率，從而可應用在熱成像系統中，作為大氣觀景窗或遮罩結構。
請參閱第一圖，如圖所示，係為本發明紅外線抗反射膜結構之一實施例，一紅外線抗反射膜結構(10)包含一基材(20)及一抗反射膜層(30)，其中該抗反射膜層(20)可包含一上抗反射膜層(31)及下抗反射膜層(32)，該上抗反射膜層(31)設置於該基材(20)上層表面，該下抗反射膜層(32)設置於該基材(20)下層表面，但本發明不以此為限，更佳地，該抗反射膜層(20)亦可僅有該上抗反射膜層(31)或僅有該下抗反射膜層(32)，該抗反射膜層(20)可使用電子槍蒸鍍機與離子源輔助蒸鍍法製鍍在該基材(20)，該基材(20)之材料，可為以FZ長晶法或其他以具高純度方法製成之矽基材，該抗反射膜層(20)之材料，可為氧化鋅。
請參閱第二圖，如圖所示，係為本發明紅外線抗反射膜結構之另一實施例，一紅外線抗反射膜結構(10)包含一基材(20)及一抗反射膜層可包含一上抗反射膜層及下抗反射膜層，該上抗反射膜層設置於該基材(20)上層表面，該下抗反射膜層設置於該基材(20)下層表面，其中該上抗反射膜層由複數層氧化鋅(41)與複數層高折射率材料(42)彼此交替堆疊而 成，該下抗反射膜層亦由複數層氧化鋅與複數層高折射率材料彼此交替堆疊而成，該複數層氧化鋅(41)之材料為氧化鋅，該複數高折射率材料層(42)之材料可為矽、鍺或砷化鎵。
對於設備來說，若使用硒化材料或者硫化材料等具有毒性的材料，在製作紅外線鍍膜的設備時，只能使用專用的設備或機台，而該設備或機台無法應用於製作其他膜層，否則會對其他膜層造成汙染，另一方面，硫化物與硒化物與氫氣反應生成有毒氣體，如吸入人體會造成中毒，而使製程危險性增加，因此，本發明提出利用對人體及環境較無害的氧化鋅，來取代目前常用的硒化材料以及硫化材料，此外，使用高純度長晶(FZ-Si)方式所製備的矽，來取代鍺作為高折射率材料以及基材；綜上所述，本發明之紅外線抗反射膜結構可兼顧材料容易取得與對環境傷害較低等需求，而有利於進一步發展相關技術。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍，任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化，因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (4)

  1. 一種紅外線抗反射膜結構，包括：一基材，其材料係為矽；一抗反射膜層，其材料係包含氧化鋅，包含一上抗反射膜層及一下抗反射膜層，該上抗反射膜層設置於該基材之上表面，該下抗反射膜層設置於該基材之下表面；其中，該基材係使用浮融帶長晶法方式所製備而成，該上抗反射膜層及該下抗反射膜層之厚度範圍係各為2至4.5微米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線抗反射膜結構，其中，該抗反射膜層係為一單層氧化鋅。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線抗反射膜結構，其中，該抗反射膜層係為複數層氧化鋅與複數層高折射率材料彼此交替堆疊而成。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之紅外線抗反射膜結構，其中，該複數高折射率材料層之材料係為矽、鍺或砷化鎵。
TW106144327A 2017-12-18 2017-12-18 Infrared anti-reflection film structure TWI646350B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106144327A TWI646350B (zh) 2017-12-18 2017-12-18 Infrared anti-reflection film structure
US15/847,925 US10591646B2 (en) 2017-12-18 2017-12-20 Infrared anti-reflection film structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW106144327A TWI646350B (zh) 2017-12-18 2017-12-18 Infrared anti-reflection film structure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI646350B true TWI646350B (zh) 2019-01-01
TW201928402A TW201928402A (zh) 2019-07-16

Family

ID=65803626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106144327A TWI646350B (zh) 2017-12-18 2017-12-18 Infrared anti-reflection film structure

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10591646B2 (zh)
TW (1) TWI646350B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110794490A (zh) * 2019-11-25 2020-02-14 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种中波红外增透膜设计及制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110114171A1 (en) * 2010-01-08 2011-05-19 Suniva, Inc. Solar cell including sputtered reflective layer
TW201431110A (zh) * 2012-12-10 2014-08-01 Sunpower Corp 太陽能電池金屬化之強化化學鍍導電性之方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7794831B2 (en) * 2003-07-28 2010-09-14 Vampire Optical Coating, Inc. Anti-reflective coating
US20060029815A1 (en) * 2004-07-21 2006-02-09 Woodruff Daniel P Substrate coating
US7402880B2 (en) * 2005-04-20 2008-07-22 Texas Instruments Incorporated Isolation layer for semiconductor devices and method for forming the same
US8728634B2 (en) * 2007-06-13 2014-05-20 Ppg Industries Ohio, Inc. Appliance transparency
JP5617642B2 (ja) * 2011-01-06 2014-11-05 ソニー株式会社 赤外線光学系、赤外線撮像装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110114171A1 (en) * 2010-01-08 2011-05-19 Suniva, Inc. Solar cell including sputtered reflective layer
TW201431110A (zh) * 2012-12-10 2014-08-01 Sunpower Corp 太陽能電池金屬化之強化化學鍍導電性之方法

Also Published As

Publication number Publication date
US10591646B2 (en) 2020-03-17
US20190187334A1 (en) 2019-06-20
TW201928402A (zh) 2019-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. High performance and enhanced durability of thermochromic films using VO2@ ZnO core–shell nanoparticles
Jiang et al. Improved luminous transmittance and diminished yellow color in VO2 energy efficient smart thin films by Zn doping
CN102053288A (zh) 用于视频仿生隐身的变色膜
Khan et al. A mini review: Antireflective coatings processing techniques, applications and future perspective
TWI646350B (zh) Infrared anti-reflection film structure
CN210514674U (zh) 一种锗基底红外长波通滤光片
Chan et al. Potential passive cooling methods based on radiation controls in buildings
US9499436B2 (en) Light scattering coating for greenhouse applications, and/or coated article including the same
CN107367776B (zh) 一种热辐射可控的红外光学窗口薄膜设计方法
Welser et al. Broadband nanostructured antireflection coating on glass for photovoltaic applications
CN104730608B (zh) 一种远紫外宽带反射滤光片
Bhupathi et al. Sculptured thin film vanadium dioxide thermochromic coatings grown by oblique angle deposition: investigation of transmittance response and modulation enhancement by experiment and theoretical modeling
CN109943810A (zh) 一种三维锥形纳米层膜结构、制备方法及其应用
CN111479458B (zh) 一种基于层状倾斜ito纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件及其制备方法
Daza et al. AZO nanocolumns grown by GLAD: adjustment of optical and structural properties
Welser et al. Ultra-high transmittance through nanostructure-coated glass for solar cell applications
Long et al. Recent research progress in electrochromic materials for intelligent stealth (visible and infrared): a review
CN202614973U (zh) 利用各向异性介质构造的正方形柱状光波段隐身器件
Zhi-chang et al. A multilayer film based on thin-film interference and impedance matching for dual-laser and infrared stealth as well as thermal management
Ling et al. Doped semiconductor nanoparticles for possible daytime radiative cooling applications
Jalil et al. High refractive index Ti3O5 films for dielectric metasurfaces
Paloly et al. Ultraviolet antireflectance and high energy facets induced superhydrophilicity in SnO2 nano-arrayed thin films
Larbi et al. Structural, Morphological and Optical Properties of Sn 3 Sb 2 S 6 Thin Films Synthesized by Oblique Angle Deposition
CN109270602B (zh) 复合镀膜层、镜筒、镜头和拍摄设备
Yadav et al. Thickness-related variation in the structure, morphology and optical characteristics of nickel thin films for neutral density filtering