专利名称：氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法，
背景技术：
红外探测器窗口/头罩将红外传感/成像系统与外界环境分隔开，对系统起着保护 作用，是红外探测系统中非常重要的组成部分。由于飞行器飞行条件十分恶劣，红外 探测器窗口/头罩除了将承受高速飞行下空气动力加热所产生的高温、高压、热冲击， 同时还会遭受到风沙、雨滴、大气中游离粒子等的侵蚀。因此，红外窗口/头罩材料除 了具有高红外透过率、低吸收系数等优良光学特性外，还应具有高机械强度、抗高压
、耐磨损、抗风沙雨蚀、抗化学腐蚀等性能，且在高温、低温及辐射作用等各种苛刻 条件下，其光学性能、热物理化学性能和力学性能保持良好。
目前，可用作3 5fim中波红外窗口/头罩材料有氧化钇、尖晶石、氮氧铝、蓝宝 石等。其中蓝宝石单晶具有透过性能好、硬度高、抗热冲击、耐辐射、抗氧化、耐摩 擦、化学性能稳定等一系列优点，而被认为是可用作中波红外窗口/头罩的最佳候选材 -料。但是，限于目前的蓝宝石原材料生长、制备和加工技术水平，蓝宝石的红外透过 率偏低，且在高温下的断裂强度急剧降低，从而使其无法满足高速、高温的应用条件。 美国海空作战中心采用射频磁控溅射方法在蓝宝石衬底上制备出了单层Si02薄
膜和三层Si02/Si3N4/Si02复合薄膜(L. F. Johnson, M. B. Moran. "COMPRESSIVE
COATINGS FOR STRENGTHENED SAPPHIRE. Proc. of the International Society for Optical Engineering on Window and Dome Technologies and Materials VI, April 1999,
Orlando, Florida.)用于提高蓝宝石的红外透过率和高温强度。无论单层Si02薄膜还是 三层SiCVSi3N4/Si02复合薄膜，与蓝宝石衬底直接接触的均是Si02薄膜，因此存在一 个共同的缺点，那就是由于Si02与蓝宝石的热膨胀系数相差较大(Si02的热膨胀系数
为0.5xl0—6 K—'，蓝宝石的热膨胀系数为5.3xlO^K—、在温度发生突变时会产生较 高的热应力，这种热应力会大大降低薄膜和衬底的附着力，甚至影响整个窗口/头罩的 热稳定性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜 的制备方法，该方法制备的氮化硅薄膜可满足化学计量比,.薄膜的致密性良好，且薄 膜与衬底的附着力较高；制备的氮化硅/氧化硅双层薄膜不仅能够增加蓝宝石衬底的红 外透过率，而且对蓝宝石衬底能够起到较好的保护作用。
技术方案
本发明的基本思想是采用射频磁控溅射方法先在蓝宝石衬底上制备Si3N4薄膜
(Si3N4的热膨胀系数为2.1xlO^K—b作为过渡层，然后在Si3N4上沉积Si02薄膜，制
备氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜。但是射频磁控溅射方法制备的氮化硅较难满足化
学计量比，氮化硅薄膜中氮的含量偏低，从而不能够有效地降低Si02薄膜和蓝宝石衬
底之间的热应力。
本发明的技术特征在于步骤如下-
步骤1:在微波电子回旋共振等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si靶 进行预溅射5 40分钟，除去Si靶表面的氧化层；
步骤2:采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法在蓝宝石衬底上沉积Si3N4薄膜， 形成镀膜蓝宝石；工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离为8.0 20.0cm、 ECR 功率为10 500W、射频功率为1 400W、 Ar气流量为0.1 40.0SCCM、 Nz气流量 为1.0 50.0 SCCM、反应室气压为0.1 15.0Pa、衬底温度为20 1000°C、溅射靶离
基片的距离为3.0 15.0cm、沉积时间为0.1 10.0h;
步骤3:对步骤2得到的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度400 IOO(TC、退火保护气氛N2气、退火时间0.1 8.0h;
步骤4:釆用ECR等离子体辅助溅射沉积方法对经过步骤3得到的沉积有Si3N4 薄膜的蓝宝石上再沉积Si02薄膜，工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离为 8.0 20.0 cm、 ECR功率为20 500 W、射频功率为40 400 W、 Ar气流量为3.0 40.0 SCCM、 02气流量范围为1.0 30.0 SCCM、反应室气压为0.1 15.0 Pa、衬底温度为 20 800°C、溅射耙离基片的距离为3.0 20.0cm、沉积时间为0.1 10.0h;
步骤5:对经过步骤4得到的镀膜蓝宝石进行退火处理，得到Si3N4/Si02双层增透 保护薄膜；工艺条件为退火温度为400 100(TC、退火保护气氛为02气、退火时间 为0.1 8.0h。
有益效果
本发明提出的氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法，主要优点是(l)能够
制备出满足化学计量比的Si3N4薄膜。(2)Si3N4薄膜与蓝宝石衬底结合牢固。(3)Si3N4 薄膜可有效降低Si02薄膜和蓝宝石衬底之间的热应力。(4)Si3N4的折射率(2.1)大于 蓝宝石衬底的折射率(1.7)，在蓝宝石衬底上沉积Si3N4薄膜后再沉积低折射率的Si02 薄膜(1.4)可有效地增加蓝宝石的红外透过性能。(5)氮化硅/氧化硅双层薄膜可明显 提高蓝宝石的高温断裂强度，能够对蓝宝石衬底起到较好的保护作用。
具体实施例方式
现结合实施例对本发明作进一步描述 实施例1:
(l)在微波电子回旋共振(ECR)等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si
靶进行预溅射5分钟，除去Si耙表面的氧化层；
(2) 采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法在蓝宝石衬底上沉积Si3N4薄膜，工艺条 件为ECR等离子体室口离基片的距离18.0cm、 ECR功率400W、射频功率80 W、 Ar气流量为30.0 SCCM、N2气流量为40.0 SCCM、反应室气压0.5 Pa、衬底温度IO(TC、 溅射靶离基片的距离14.0 cm、沉积时间9,3h;
(3) 对经过步骤(2)的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度400。C、退 火保护气氛N2气、退火时间6.0h;
(4) 采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法对经过步骤(3)沉积有Si3N4薄膜的蓝宝 石上再沉积Si02薄膜，工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离IO.O cm、 ECR 功率80W、射频功率300W、 Ar气流量为15.0SCCM、 02气流量范围为15.0 SCCM、 反应室气压15.0Pa、衬底温度8(TC、溅射耙离基片的距离3.0cm、沉积时间1.6h;
(5) 对经过步骤(4)的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度40(TC、退 火保护气氛02气、退火时间8.0h，得到Si3N4/Si02双层增透保护薄膜。
实施例2:
(1) 在微波电子回旋共振(ECR)等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si 耙进行预溅射10分钟，除去Si靶表面的氧化层；
(2) 采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法在蓝宝石衬底上沉积Si3N4薄膜，工艺条 件为ECR等离子体室口离基片的距离8.0cm、 ECR功率50 W、射频功率400 W、 Ar气流量为8.0 SCCM、N2气流量为15.0 SCCM、反应室气压14.0Pa、衬底温度500°C、 溅射靶离基片的距离5.0cm、沉积时间1.6h;
(3) 对经过步骤(2)的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度80(TC、退 火保护气氛N2气、退火时间3.0h;
(4) 釆用ECR等离子体辅助溅射沉积方法对经过步骤(3)沉积有SbN4薄膜的蓝宝 石上再沉积Si02薄膜，工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离15.0 cm、 ECR 功率400 W、射频功率60W、 Ar气流量为5.0 SCCM、 02气流量为1.0 SCCM、反应 室气压0.8Pa、衬底温度80(TC、溅射靶离基片的距离19.0 cm、沉积时间9.0h;
(5) 对经过步骤(4)的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度IOO(TC、
退火保护气氛02气、退火时间0.1h，得到Si3N4/Si02双层增透保护薄膜。
实施例3:
(1) 在微波电子回旋共振(ECR)等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si 耙进行预溅射30分钟，除去Si靶表面的氧化层；
(2) 采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法在蓝宝石衬底上沉积Si3N4薄膜，工艺条 件为ECR等离子体室口离基片的距离12.0 cm、 ECR功率300 W、射频功率300W、 Ar气流量为20.0 SCCM、N2气流量为30.0 SCCM、反应室气压8.0 Pa、衬底温度700°C、 溅射靶离基片的距离9.0 cm、沉积时间5.5h;
(3) 对经过步骤(2)的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度90(TC、退 火保护气氛N2气、退火时间0.8h;
(4) 采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法对经过步骤(3)沉积有Si3N4薄膜的蓝宝 石上再沉积Si02薄膜，工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离11.0 cm、 ECR 功率200 W、射频功率260 W、 Ar气流量为30.0 SCCM、 02气流量范围为25.0 SCCM、 反应室气压9.0Pa、衬底温度30(TC、溅射靶离基片的距离10.0 cm、沉积时间5.2h;
(5) 对经过步骤(4)的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度50(TC、退
火保护气氛02气、退火时间4.0h，得到Si3N4/Si02双层增透保护薄膜。
权利要求
1.一种氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法，其特征在于步骤如下步骤1在微波电子回旋共振等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si靶进行预溅射5～40分钟，除去Si靶表面的氧化层；步骤2采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法在蓝宝石衬底上沉积Si3N4薄膜，形成镀膜蓝宝石；工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离为8.0～20.0cm、ECR功率为10～500W、射频功率为1～400W、Ar气流量为0.1～40.0SCCM、N2气流量为1.0～50.0SCCM、反应室气压为0.1～15.0Pa、衬底温度为20～1000℃、溅射靶离基片的距离为3.0～15.0cm、沉积时间为0.1～10.0h；步骤3对步骤2得到的镀膜蓝宝石进行退火处理，工艺条件为退火温度400～1000℃、退火保护气氛N2气、退火时间0.1～8.0h；步骤4采用ECR等离子体辅助溅射沉积方法对经过步骤3得到的沉积有Si3N4薄膜的蓝宝石上再沉积SiO2薄膜，工艺条件为ECR等离子体室口离基片的距离为8.0～20.0cm、ECR功率为20～500W、射频功率为40～400W、Ar气流量为3.0～40.0SCCM、O2气流量范围为1.0～30.0SCCM、反应室气压为0.1～15.0Pa、衬底温度为20～800℃、溅射靶离基片的距离为3.0～20.0cm、沉积时间为0.1～10.0h；步骤5对经过步骤4得到的镀膜蓝宝石进行退火处理，得到Si3N4/SiO2双层增透保护薄膜；工艺条件为退火温度为400～1000℃、退火保护气氛为O2气、退火时间为0.1～8.0h。
全文摘要
本发明涉及一种氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法。技术特征在于步骤如下在微波电子回旋共振(ECR)等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si靶进行预溅射；采用ECR等离子体射频磁控溅射方法在蓝宝石衬底上沉积Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>薄膜后退火；采用ECR等离子体射频磁控溅射方法在沉积有Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>薄膜的蓝宝石上再沉积SiO<sub>2</sub>薄膜后再退火。本发明制备的氮化硅薄膜可满足化学计量比，薄膜的致密性良好，且能够有效降低SiO<sub>2</sub>薄膜和蓝宝石衬底之间的热应力；制备的氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜可明显提高蓝宝石的高温断裂强度，有效地增加蓝宝石的红外透过率。
文档编号C23C14/35GK101368263SQ20081015119
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者冯丽萍, 刘正堂 申请人:西北工业大学