一種dlc紅外抗反射保護膜及其制備方法

專利名稱：一種dlc紅外抗反射保護膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種DLC紅外抗反射保護膜及其制備方法。該紅外抗反射保護膜 通過非平衡磁控濺射法成膜于紅外透明光學元件的入射面或入射面與出射面上，
使入射面的反射光量得到降低，該紅外抗反射膜在較寬的紅外波段具有較好的抗 反射效果，同時該膜層具有耐磨抗蝕的作用。
二背景技術：
抗反射膜已廣泛用于減少空氣和光學元件邊界光線反射的光學領域。照相機 鏡頭、液晶顯示器、汽車窗玻璃、太陽能電池、紅外探測等便是這類應用的例子。
紅外窗口是探測器紅外探測等的前置保護部件，ZnSe、 Ge、 ZnS等是重要的 紅外窗口材料。由于探測器經常使用在惡劣的自然環境中，會受到各種塵粒和雨 滴的沖蝕，導致紅外窗口表面裂紋、腐蝕坑等的嚴重損傷，降低了紅外透過率和 材料強度，影響其探測。再者，紅外窗口材料本身有一定的紅外反射率，為了減 少其在工作波段的反射量，要求在其表面鍍制抗反射保護膜，同時起到耐磨抗蝕 的保護作用。
類金剛石薄膜(Diamond-Like Carbon)簡稱DLC薄膜，是一類物理化學性 質類似于金剛石且具有獨特性能的亞穩態非晶碳膜。DLC膜的硬度高，耐磨、抗 擦傷能力強，耐腐蝕性好，是理想的表面保護涂層，并且DLC膜具有較高的光學 透過率(尤其是在短波紫外、整個紅外波段)，微觀表面十分光滑，光散射吸收小， 其折射率依沉積技術和沉積條件的不同可在很寬的范圍內變化， 一般在1. 7-2. 5
之間。因此，通過調節DLC膜的折射率，可滿足不同紅外透明光學元件抗反射涂 層的要求。DLC膜在紅外光學中的應用已有學者進行過研究。專利號為 87105946. 0的專利(申請專利公開號為CN1033653A)，以丁烷和氬氣作為放電氣 體，在射頻電壓下產生輝光放電，使氣體電離，在電場力作用下，使正離子撞擊 到負電極，在基體Ge襯底上沉積的類金剛薄膜，使8-11.5;u/n范圍內的平均透 射率》90%。專利號為92108354.8的專利(申請專利公開號為CN1076552A)采 用高頻等離子體氣相淀積法在碲鎘汞(HgCdTe)材料的上沉積單層DLC薄膜，使 8 14/^z波段的紅外透射率平均提高了 16%。但是以上兩專利存在一個相同的問 題透過波段較窄。
非平衡磁控濺射技術與其他成膜方式相比，具有高速、低溫的特點，因此該方法比較經濟、高效，并且，薄膜與基體之間的附著性能高。本發明采用非平衡 磁控濺射法在ZnSe基體上鍍DLC紅外抗反射保護膜，使膜系在較寬的紅外范圍 內具有較好的抗反射效果，同時DLC膜具有較好的耐磨抗蝕的能力。尚未見在 ZnSe基體上釆用非平衡磁控濺射技術制備DLC膜作為紅外抗反射保護膜的專利 報道。

發明內容
本發明的目的是提供一種DLC紅外抗反射保護膜及其制備方法。所述的紅外 抗反射保護膜在較寬紅外波段具有抗反射效果的同時，提供耐磨抗蝕的保護。
為了實現上述目的，本發明的抗反射保護膜采用如下結構。
本發明的DLC抗反射保護膜成膜于ZnSe基體的入射面或者入射面與出射面 上，以降低入射光線的反射光量，所述抗反射保護膜的特征在于，其具有二層薄 膜沉積而成的結構在ZnSe基體的表面上順次沉積高折射率和低折射率的類金 剛石(DLC)薄膜。高折射率和低折射率DLC膜的折射率分別為n,和ri2，其厚度 分別為K25入/ ，d2=0.25A/n2。第一層高折射率(ni) DLC膜的折射率為 1. 8-2. 5，第二層低折射率DLC膜的折射率ri2至少比第一層DLC薄膜的折射率m 小0. 1 (入為該紅外抗反射膜的中心抗反射波長)。在ZnSe基體上沉積的DLC 膜為雙層膜，可以單面雙層膜也可以雙面雙層膜。
本發明的在ZnSe基體上沉積DLC抗反射保護膜的方法，是采用非平衡磁控 濺射法(包括射頻、中頻非平衡磁控濺射法)，以石墨(C)為耙源，以碳化物 氣體(包括甲烷、乙炔、丁院)和氬氣的混合氣體為放電氣體或以純氬氣為放電 氣體。拋光了的ZnSe在沉積前進行清洗、吹干、離子束濺射或反濺清洗等預處 理；沉積DLC增透保護膜時，真空度在O. 1Pa 2Pa之間，基體溫度為25°C 150 °C，中頻電流為50m^ 400wJ，基體偏壓為0V -400V，進氣分壓比例 [C//4/(C//4 + A)〕為l/6 5/6，通過控制中頻功率、偏壓和進氣分壓比例這 些沉積參數獲得所需要折射率的DLC膜。通過控制沉積時間獲得所需要的膜層厚 度， 一般單層膜沉積時間為15-30分鐘。
拋光了的基材在沉積前進行清洗予處理，在乙醇中超聲波清洗10分鐘，去 離子水反復沖洗后吹干。放入真空室后，基體再次進行清除表面污染的處理。可 以采用離子束濺射方法，條件如下離子束能量為 lkeV,束流密度為 0.1mA/cm2，時間為1 2分鐘；也可以采用反濺方法，條件如下向真空室內通 入氬氣，使真空室壓強變為0.8Pa左右，在基板上加負偏壓-700V，反濺射3 4 分鐘。然后關閉氣閥重新進氣，沉積DLC膜層。
為了使上述DLC抗反射保護膜具有較好的耐磨抗蝕的保護作用，應使最外層的DLC膜的SP3碳含量盡可能高，宜采用甲烷或丁烷作輔助氣體。
本發明制備方法薄膜沉積參數控制簡便，各沉積參數之間干擾少，抗反射效 果及耐磨抗蝕性能較好，具有較好的應用前景。
四

圖l.本發明的ZnSe基體上抗反射保護膜的結構示意圖。 圖2.本發明在ZnSe基體上沉積DLC抗反射保護膜的中頻磁控濺射裝置示 意圖。
圖3. ZnSe上雙面沉積DLC抗反射保護膜后的紅外反射率隨波長變化的曲線。
圖4. Ge上雙面沉積DLC抗反射保護膜后的紅外反射率隨波長變化的曲線。
五、 具體的實施方式 實施例(1):
實驗上采用了中頻非平衡磁控濺射法，以CH4和Ar的混合氣體作為放電氣 體，在ZnSe基體上沉積DLC雙層膜。所用的中頻頻率為40 kHz,占空比為80%。 CH4和Ar氣體從進氣口送入真空室，通過針閥控制兩種氣體比例。通過機械泵 和分子泵使薄膜沉積時的真空度為0.1~2 Pa。沉積過程中，CH4和Ar電離產生 的正離子在電場作用下轟擊石墨靶，濺射出來的C和CH4分解產生的碳氣等離 子體，在ZnSe基底上生成了DLC薄膜。ZnSe基底在放入真空室前需要進行拋 光、清洗等預處理；放入真空室后，采用離子束濺射或反濺方法，進一步除去表 面污染進行表面凈化和活化以提高沉積薄膜的結合力。
為了使薄膜具有較好的抗反射效果，需要制備出折射率高低不同和厚度在要 求范圍內的兩層膜。在實驗中主要控制中頻電源的電流、CH4/Ar的分壓比、基體 偏壓，制備出折射率不同的兩層DLC膜;確定每層膜鍍膜參數后，通過控制沉積 時間確定每層薄膜的厚度。為了使薄膜具有較好的耐磨抗蝕的保護作用，需要最 外層DLC膜的SP3碳含量盡量高，宜采用CH4或C晶。作為輔助氣體。
實施例(2):
以10//m為中心抗反射波長，在ZnSe基體(折射率為2.5) —面上先制備 折射率為2.1高折射率DLC薄膜2，厚度為 1. 2//m;然后在高折射率的DLC 膜2上制備折射率為1. 7的DLC薄膜3，厚度為 1. 5//w 。在ZnSe基體另一面 上按上述方法制備同樣的DLC雙層膜。其反射率隨波長變化曲線如圖3所示。 由圖3可見，在1.0-20//m波長范圍內，膜系的最小反射率達到5.4%( 7.3///77 和15.7/^);在6.5-20//m波長范圍內，反射率曲線比較平坦，平均反射率為8%，比沒有鍍抗反射保護膜前的反射率降低了 25%;在2.7-4.2//w波長范圍內 平均反射率為8%,比沒有鍍抗反射保護膜前的反射率降低了 25%。抗反射范圍較 寬，效果較為理想。 實施例(3):
以10.5//An為中心抗反射波長，在Ge基體(折射率為4.0) —面上先制備 折射率為2. 5高折射率DLC薄膜2，厚度為 1.0/zw;然后在高折射率的DLC 膜2上制備折射率為1. 7的DLC薄膜3，厚度為 1. 5///w 。在Ge基體另一面上 按上述方法制備同樣的DLC雙層膜。其反射率隨波長變化的曲線如圖4所示。 由圖可見，在 7.7//附和 16.5/// 處，膜系實現了零反射率；在13-21//m波 長范圍內膜系的反射率《10%;在7.0-23/^附波長范圍內膜系的反射率《20%。抗 反射范圍較寬，效果較為理想。
權利要求
1. 一種DLC紅外抗反射保護膜，所述DLC紅外抗反射保護膜成膜于ZnSe的入射面或者入射面和出射面上，以降低入射光線的反射光量，所述紅外抗反射保護膜的特征在于，其具有不同折射率的雙層薄膜層的結構，兩層薄膜材料均為類金剛石(DLC)材料。
2. 根據權利要求1所述的紅外抗反射保護膜，其特征在于，所述紅外抗反射保護膜 是在ZnSe的表面上依次沉積高折射率的DLC薄膜和低折射率的DLC薄膜。在ZnSe基 材(1)上沉積第一層高折射率的薄膜(2)，該膜層的折射率m為1.8-2.5，厚度山用下 式表示d尸0.25X/m;并且在第一層薄膜(2)上再沉積第二層低折射率的薄膜(3),這 層薄膜的折射率ri2至少比第一層薄膜的折射率m小0.1，其厚度(12用下式表示 d2=o.25x/n2。 a為該紅外抗反射保護膜的抗反射的中心波長)
3. 根據權利要求1或2所述的DLC紅外抗反射保護膜，其基材是ZnSe，也可以是 Ge， ZnS紅外透明材料。拋光了的基材在沉積前進行清洗預處理，在乙醇中超聲波清洗 10分鐘，去離子水反復沖洗后吹干。放入真空室后，基體再次進行清除表面污染的處理。 可以采用離子束濺射方法，條件如下離子束能量為 lkeV,束流密度為0.1mA/cm2，時 間為1 2分鐘；也可以采用反濺方法，條件如下向真空室內通入氬氣，使真空室壓強 變為0.8Pa左右，在基板上加負偏壓-700V，反濺射3 4分鐘。
4. 根據權利要求1或2所述的DLC紅外抗反射保護膜，其制備方法是采用非平衡磁 控濺射法，包括非平衡射頻磁控濺射法，非平衡中頻磁控濺射法。射頻電源頻率為 13.56MHz，中頻電源頻率為40KHz。
5. 根據權利要求1或2所述DLC紅外抗反射保護膜的制備方法，是以石墨為耙源， 其放電氣體可以是甲烷和氬的混合氣體、乙炔和氬的混合氣體、丁烷和氬的混合氣體或純 氬氣。
6. 根據權利要求1或2所述紅外抗反射保護膜的制備方法，沉積時的真空度在 0.1Pa-2Pa之間，基體溫度為25。C 150。C，中頻電流為50 ^ 400附丄基體偏壓為0V -400V,進氣分壓比[C/^/(C/^ + ^r)]為1/6 5/6,通過控制中頻功率、偏壓和進氣分壓 比例參數，獲得每層薄膜所需要的折射率；通過控制沉積時間，獲得所需要折射率薄膜的 厚度。
7. 根據權利要求5所述DLC紅外抗反射保護膜的制備方法，制備最外層的DLC膜 采用的輔助氣體為甲烷或丁烷為宜。
全文摘要
一種DLC紅外抗反射保護膜及其制備方法。所說的紅外抗反射保護膜是在較寬的紅外波段具有抗反射效果，同時使鍍膜后的光學元件具有耐磨抗蝕的能力。本發明的紅外抗反射保護膜，是在ZnSe(1)上制備雙層膜，第一層高折射率薄膜(2)的折射率n₁為1.8～2.5，厚度d₁在0.25λ/n₁左右范圍內；第二層低折射率薄膜(3)的折射率n₂至少比第一層薄膜的折射率n₁小0.1，并且其厚度d₂在0.25λ/n₂左右范圍內(其中λ是紅外抗反射膜的抗反射的中心波長)。制備方法是采用非平衡中頻或射頻磁控濺射法，以石墨為靶源，碳氫化合物和Ar的混合氣體或純Ar作為輔助放電氣體，在紅外透明基體上可雙面或單面沉積類金剛石(DLC)抗反射膜。通過沉積參數的控制制備出折射率不同的兩層DLC薄膜，通過時間的控制得到每層薄膜所需要的厚度。本發明方法薄膜沉積參數控制簡便，各沉積參數之間干擾少，抗反射效果及耐磨抗蝕性能較好。
文檔編號G02B1/10GK101464528SQ200810045240
公開日2009年6月24日 申請日期2008年1月23日 優先權日2008年1月23日
發明者代海洋, 陳劍瑄, 黃寧康 申請人:四川大學