一种基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法与流程

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法。

背景技术：

目前光学薄膜通常是按设计不同折射率的膜料、不同厚度和排列组合，以实现绝大多数符合具体技术要求的光学薄膜。由于可用的镀膜材料种类不多，因此可选择的折射率十分有限且为一常数，在一定程度上限制了光学薄膜的设计，在某些情况下不能得到所需的光谱性能。常见的局限性有：减反射膜中透射带的宽度、负滤光片中反射带的窄度，以及恶劣条件下的膜层耐久性等。

非常规折射率膜层，可以更好地匹配其他折射率膜层，或实现原先难以实现的光学性能，或简化原有的膜系设计，提高镀制的工艺性。

因此变折射率膜层，特别是高精度变折射率膜层工艺研究，对于突破高性能光学薄膜研制瓶颈，具有十分重要的意义。

关于变折射率膜层，目前常用的方法有：

(1)电子束共蒸发的方法：以瑞士balzers公司生产的镀膜设备为代表的利用电子束共蒸发的方法将高低折射率材料按不同比例混合，制备出非常规折射率材料。电子束共蒸发的方法由于混合膜料的熔点差异，蒸发速率难以控制，很难获得理想的变折射率薄膜。

(2)掠入射电子束蒸发方法：利用掠入射电子束蒸发方法制备出的多孔sio2/tio2渐变折射率薄膜(利用孔洞的多少可以调节薄膜的折射率)。掠入射电子束蒸发方法制备的材料由于多孔结构的先天不足，同时带来了稳定性、耐久性等问题，限制了其应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法，以解决背景技术中出现的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法，包括如下步骤：

步骤一、预溅射靶材至无飞溅点子；

步骤二、溅射混合膜层：钽靶阴极功率2.5-4kw、氩气55-65sccm，硅靶阴极功率1-3kw、氩气65-75sccm，离子源功率2.5-4kw、氧气60-70sccm，沉积时间≤2min，关闭挡板，重复多次；

步骤三、镀制结束，冷却取件。

进一步的，在预溅射靶材之前，所述基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法还包括以下准备步骤：

清洁阴极靶材，依次装好所需靶材；

夹具处理：为防止零件边缘与夹具出现夹具印等疵病出现，夹具使用前需进行喷砂处理；

将洗净的待镀零件放入处理好的镀膜夹具，置于镀膜机的零件盘内，压紧真空室门，开始抽真空，至真空度p≤3.0×10-6torr。

进一步的，所述依次装好所需靶材具体为：依次装好钽靶和硅靶。

进一步的，抽真空至背景真空度p≤3.0×10-6torr。

进一步的，所述镀膜机为带rf源的磁控溅射镀膜机。

进一步的，步骤二中所述重复多次，重复次数为≥10次。

进一步的，所述步骤一中钽靶预溅射时间50-70s，硅靶预溅射时间100-160s。

进一步的，本发明还提供了一种混合薄膜，所述混合薄膜为使用以上方法制的。

在本发明中提供了一种基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法，用于设计和制备非常规折射率混合材料，作为常规折射率膜料的补充。因磁控溅射技术制备的薄膜较热蒸发而言具有更加致密的结构，因此其耐久性与稳定性优于热蒸发沉积的膜层。

本发明主要是用磁控溅射镀制方法，通过调节工转转动速率，阴极溅射功率，氩气、氧气等气体流量及比例，离子束流影响，控制薄膜的氧化程度，形成一种可控的高精度多成份混合薄膜的制备方法。另外，本发明针对单次长时间混合膜材料沉积无吸收，多层膜成膜结果存在吸收的问题，通过多频次、短时间沉积成单层膜以获取多层膜设计中混合薄膜沉积参数，形成了一种可控的、无吸收的薄膜制备方法。

附图说明

图1是本发明实施例的非常规折射率混合薄膜在可见、近红外区的实测光谱示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

本发明提供一种基于磁控溅射的非常规折射率混合薄膜制备方法，包括如下步骤：

步骤一：清洁阴极靶材，依次装好所需靶材。其中所需靶材按顺序为：2号靶材为钽靶、3号靶材为硅靶。

步骤二：夹具处理：为防止零件边缘与夹具出现夹具印等疵病出现，使用夹具需进行喷砂处理。

步骤三：将洗净的待镀零件放入处理好的镀膜夹具，置于镀膜机的零件盘内，压紧真空室门，开始抽真空。其中，本发明使用的镀膜机为带rf源的磁控溅射镀膜机。

步骤四：背景真空度p≤3.0×10^-6torr时，启动镀膜程序。本步骤需要使用的设备为光学薄膜设计软件及计算机。

步骤五：预溅射靶材：预溅射靶材：钽靶预溅射时间50-70s，硅靶预溅射时间100-160s，直至无飞溅点子；

优选的，钽靶预溅射时间除长时间未使用情况，缩短预溅射时间，钽靶预溅射时间1分钟左右。硅靶由于其物理特性，预溅射时间适当延长，硅靶预溅射时间2分钟左右，直至无飞溅点子。

步骤六：溅射混合膜层：钽靶阴极功率3.2kw、氩气55-65sccm，硅靶阴极功率1.9kw、氩气65-75sccm，离子源功率3kw、氧气60-70sccm，沉积时间120s，关闭挡板，重复10次；

优选的，溅射混合膜层：钽靶阴极功率3.2kw、氩气60sccm，硅靶阴极功率1.9kw、氩气70sccm，离子源功率3kw、氧气65sccm，沉积时间120s，关闭挡板，重复10次。

步骤七：镀制结束，10分钟后取件。

在本发明中，步骤一至步骤七中，需要的条件为：环境要求：洁净；温度20～25℃；相对湿度30～50％。本发明制备的混合薄膜可采用紫外、可见、近红外分光光度计测试光谱。

计算机优化设计的膜系，常常折射率和厚度均为任意的。改变单种材料的氧化度、沉积速率虽然能在一定范围内调节折射率，但其调节范围窄，非常难以控制和重复，因此混合沉积是一个较好的解决方案。

本发明为气相混合方法。使用两个及以上的阴极溅射不同材料，通过同腔室内的离子源氧化氧气，在基底表面反应成膜，这就是本发明非常规折射率混合薄膜的制备原理。

混合膜的折射率可用洛伦茨-洛伦兹(lorentz-lorenz)色散理论给出。如果混合膜的体积等于各种成分的体积之和，则n种成分混合的折射率为：

其中，材料的极化率为α，ε0为材料真空介电常数，ε为材料相对于真空于真空的介电常数。

假设a和b材料混合，所占比例分别为fa和fb，两种材料介电常数分别为εa及εb，利用上述洛伦茨-洛伦兹(lorentz-lorenz)方程，可将此混合材料用一等效介电常数表示，其等效介电常数ε可用下式表示：

最终其折射率曲线如下图1所示，图中中间曲线代表本发明混合材料的折射率，另外两条曲线分别代表ta2o5和sio2两种氧化物的折射率，对比发现本发明通过调控两种混合材料的沉积混合比，并通过近似同时氧化以获取对应折射率的混合材料，混合材料的折射率介于多种单一氧化物组分的折射率之间。

本发明提出了一种非常规折射率混合材料沉积的方式及方法。本发明主要是用磁控溅射镀制方法，通过调节工转转动速率，阴极溅射功率，氩气、氧气等气体流量及比例，离子束流影响，控制薄膜的氧化程度，形成一种可控的高精度多成份混合薄膜的制备方法。

进一步来说，本发明中非常规折射率混合材料使用脉冲直流磁控溅射沉积，具体为使用阴极共同溅射钽、硅靶材，在同一腔室中利用射频离子源离化氧气，使其共同在基底表面反应成膜。其中的关键是可以通过调节阴极参数(阴极功率及氩气流量)精确地调控两种混合材料的沉积混合比，并通过近似同时氧化以获取对应折射率的混合材料。同时，因磁控溅射技术制备的薄膜较热蒸发而言具有更加致密的结构，因此其耐久性与稳定性优于热蒸发沉积的膜层。

同时，本发明提出了一种获取可控的、无吸收的非常规折射率混合材料的方式及方法。本发明中非常规折射率混合材料由于在膜系设计中其物理厚度较薄，而由于本设备沉积氧化硅时存在迟滞效应(氧化钽无此现象)，需要通过调节氧气流量以达到稳定阴极电压，从而稳定沉积速率(以下简称氧压控制方法)，若不使用氧压控制方法，氧化硅沉积速率容易出现逐渐下降的情况出现。相似的，混合材料不使用氧压控制易出现速率不稳定的现象，因此提出混合材料的沉积也使用氧压控制以达到可控、稳定的沉积混合材料的目的。

因常规制备单种材料时沉积时间久，前期电压趋于稳定的过程时间在整个沉积过程中可忽略，而在膜系设计中，混合材料沉积时间短，趋于稳定的时间无法忽略，最终沉积的膜层会存在吸收现象。因此，本发明提出一种高频次、短时间单层混合材料沉积方式以模拟实际沉积时的状态，通过该方式沉积得到的沉积参数更接近于实际沉积的参数。本发明针对单次长时间混合膜材料沉积无吸收，多层膜成膜结果存在吸收的问题，通过多频次、短时间叠加成单层膜以获取多层膜设计中混合薄膜沉积参数，形成了一种可控的、无吸收的薄膜制备方法。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。