[发明专利]一种可见‑红外超宽带反射薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜，特别是涉及一种可见-红外光学反射薄膜的制备方法。

背景技术

在光学薄膜领域，反射膜的功能是使某一光谱范围内光学元件具有高反射率，在光电探测系统、光通讯、激光防护、空间探测等方面具有重要应用。金属反射膜的优点是工作的波长范围宽，主要用于反射红外波段(2um-12um)，缺点是光损耗大；不同材料的介质反射膜在相对应的波段(0.4um-0.7um)可以获得极高的反射率，缺点的是膜层厚度较厚，反射波段范围相对较窄。目前红外波段的反射膜多用金属薄膜或者多层介质薄膜得以实现，可见光波段反射膜一般采用电介质材料制备，没有关于同时反射可见与红外波段的光学薄膜研究报道。针对红外薄膜机械牢固度低，化学稳定性弱，而介质反射膜厚度太大的缺点，本发明公开了一种同时反射可见与红外波段的介质-金属结构光学薄膜。

本发明设计了一种可见-红外反射膜系，通过优化镀制工艺，实现了在Si基板上镀制反射带宽超宽、反射率高、附着力良好的可见-红外高反射光学薄膜。

发明内容

本发明目的在于提供一种可见-红外超宽带反射薄膜的制备方法，为了在可见-红外光学波段同时获得极高的反射率，针对金属膜与介质膜特性的不同，设计了一种可见-红外光学反射膜系。

本发明通过下述技术方案实现：

1、一种可见-红外超宽带反射薄膜的制备方法，包括利用金属膜提供红外波段的反射率，通过膜系结构的优化改善金属薄膜牢固度低，化学稳定性弱的缺点。

2、利用介质材料提高可见波段的反射率，通过制备工艺的优化，使介质-金属结构的薄膜具有良好的稳定性。

3、针对Si基板与金属膜热膨胀系数不同，结合牢固度低的特性，设置中间过渡膜层，提高Si基板与薄膜结合强度。

该膜系结构与厚度使用光学薄膜设计软件Macleod进行计算与优化，其膜系结构为:S/CD (HL)^6/Air，S为基板Si，C为Al₂O₃过渡层(厚度200nm)，D为Ag膜层(厚度150nm)， H与L为Ta₂O₅、SiO₂介质膜对(厚度分别为88nm与126nm)，一共6对。

在膜料方面，我们选用Ag作为金属膜材料，Al₂O₃作为过渡层材料，Ta₂O₅与SiO₂作为介质薄膜材料。其理由是Ag对红外光有着极高的反射率(反射比可达0.98)，同时对可见光有较高反射率(反射比在0.9左右)。但是Ag膜附着力差，机械性能和化学稳定性均不好， Al₂O₃膜层中的Al原子向Ag膜层扩散显著，因此A_l2O₃作为过渡层能显著增强Ag膜的附着力。选用Ta₂O₅与SiO₂作为介质薄膜材料，原因是其机械性能极为牢固，在可见光波段没有吸收，非常适合用于提供可见光波段的极高反射率。

本发明的具体制备工艺及步骤如下：

将抛光后的Si基板使用去离子水加洗涤剂擦洗，用去离子水冲洗干净；然后用醋酸溶液侵泡15分钟，取出后再次用去离子水冲洗；最后用乙醇乙醚混合液擦拭干净。

将清洗干净后的Si基板放入工件架上，装入真空镀膜设备中，待装件过程中导致的气流扰动停止后(约5分钟)后开始抽气，本底真空度抽至8×10^-4Pa以下。在抽气过程中同时对基板进行加热，加热温度设置为120摄氏度。

真空度与温度达标后，利用考夫曼离子源对基板表面进行清洁，除去基板表面附着的拂尘与微小颗粒污染物。离子源的离子束流180mA，加速电压200V，电子束流220mA。

利用电子束蒸发、离子束辅助方式镀制Al₂O₃过渡层，沉积速率为3A/s，离子源的离子束流300mA，加速电压240V，电子束流350mA。镀制Al₂O₃过渡膜层采用离子源辅助工艺，是为了改善薄膜在Si基板上的应力并获得较大的附着力。