大尺寸红外光学元件低应力保护增透薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于红外光学元件，具体涉及一种大尺寸红外光学元件低应力保护增透薄膜的制备方法。

背景技术

大尺寸(Φ≥500mm)红外光学元件(硅、锗及硫化锌等材料)作为光学保护窗口，具有优异的光学特性，已广泛应用于大视场、长焦距光学系统中，但基于红外光学元件机械性能较差的物理特性，在实际使用中易遭受外部恶劣环境的侵蚀，导致其性能严重下降影响光电装备整体性能，因此，常采用表面制备保护增透膜的方法提升大尺寸红外光学元件环境耐候性与可靠性。

基于红外光学元件的光学及力学特性，常在其表面制备硫化锌、锗及类金刚石等作为保护增透膜系，以提升红外光学元件的光学性能及环境适应性，满足恶劣环境下红外光学元件的长期正常使用。但随着红外光学窗口尺寸的不断增大，其表面膜层应力随之呈现大幅增长。有资料表明，当红外光学窗口尺寸突破450mm时，表面膜层应力将呈现指数级增长，出现外保护膜系剥离脱落的风险将显著提升。现阶段应用数据已证明，大尺寸光学窗口外表面保护膜系长期经受温度变化、风吹雨淋等侵蚀后，膜层出现剥离脱落的时间将大幅减小，影响了大尺寸红外光学元件的正常使用。因此，如何设计制备得到大尺寸红外光学元件低应力薄膜是当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大尺寸红外光学元件低应力保护增透薄膜的制备方法，实现了低应力保护增透膜系的制备，满足大尺寸红外光学元件低应力薄膜的光学性能需求，解决了大尺寸红外光学元件应力失配导致的膜层脱落问题，有效提升了大尺寸红外光学元件的环境下适应性及可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种大尺寸红外光学元件低应力薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)大尺寸红外光学元件无损清洗；

2)采用离子辅助电子束蒸发工艺在清洗后的大尺寸红外光学元件表面依次镀制光学过渡层及应力匹配层，形成张应力层，张应力层厚度不低于400nm，应力值不低于200MPa；

3)通过RF-PECVD法在步骤2)所得张应力层上制备类金刚石薄膜作为压应力层，厚度不高于700nm，压应力不高于350MPa，即得大尺寸红外光学元件低应力薄膜。

按上述方案，所述步骤1)中，大尺寸红外光学元件的尺寸为Φ≥500mm。

按上述方案，所述步骤1)中，大尺寸红外光学元件基底包括但不限于硅、锗及硫化锌窗口。

按上述方案，所述步骤1)中，无损清洗工艺为：大尺寸红外光学元件采用半自动连续型超声波清洗方式完成清洗，采用无水乙醇、去离子水作为清洗溶剂，并采用异丙醇作为烘干溶剂完成烘干步骤。

按上述方案，所述步骤2)中，光学过渡层采用锗及硫化锌为高、低折射率材料进行交错排布，层数不超过4层；采用Macleod膜系设计软件设计3.7μm～4.8μm及7.7μm～9.3μm双波段范围的光学增透膜系，在此双波段范围内具备高透过率；并采用氟化镱和锗作为应力匹配层。

按上述方案，所述步骤2)中，离子辅助电子束蒸发工艺为：采用霍尔源作为离子源制备形成Ar+离子，阳极电压不低于150-170V，阳极电流3-3.5A，中和电流15A～25A。

按上述方案，所述步骤2)中，张应力层的应力值为200-300MPa。

按上述方案，所述步骤3)中，RF-PECVD工艺为：功率为1.2KW～1.8KW，气压为5Pa～10Pa。

按上述方案，所述步骤3)中，制备所得大尺寸红外光学元件低应力薄膜的应力值不高于150MPa。

按上述方案，大尺寸红外光学元件低应力薄膜进行高温、低温、交变湿热、温度循环、温度冲击及盐雾等环境筛选试验，试验完成后在60W黄灯下进行观察，膜层应无肉眼可视的褶皱、起皮或脱落现象。

为解决大尺寸红外光学元件保护增透膜系内应力较高造成的膜层剥离脱落问题，同时满足红外光学元件的光学特性要求，本发明采用类金刚石膜作为外保护层，在外保护层与基底之间设计光学过渡层、应力匹配层并采用离子辅助电子束蒸发方法完成了制备。测试数据表明，光学过渡层与应力匹配层形成的张应力有效降低了类金刚石膜的压应力，外保护增透膜系应力值较小。经长期的环境筛选试验证明，本发明的大尺寸红外光学元件低应力保护增透薄膜具备良好的环境适应性及可靠性。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供了一种低应力薄膜的制备方法，基于大尺寸窗口薄膜生长机理、应力形成原理及膜层材料特性进行针对性设计，首先设计了光学过渡层及应力匹配层，并优化离子辅助电子束蒸发工艺完成制备，以形成张应力层，随即在其表面直接通过PECVD法镀制类金刚石薄膜作为压应力层，实现了应力匹配；所得薄膜应力低，满足大尺寸红外光学元件低应力保护增透膜系的工艺需求，解决了大尺寸红外光学元件成膜应力高的膜层脱落问题，有效提升了大尺寸红外光学元件的恶劣环境下的适应性及可靠性。

2.进一步地，采用低能、大能流密度及发射角大的霍尔离子源作为辅助离子源，配合过渡层及应力匹配层制备过程中的工艺参数优化及确定，有利于得到设计的高结合力张应力薄膜。

3.本发明所得大尺寸红外光学元件低应力保护增透薄膜应力值低于150MPa，具备红外3.7μm～4.8μm及7.7μm～9.3μm双波段范围的高透过率，并可一次性通过《GJB2485-2019光学膜层通用规范》内规定的高温、低温、交变湿热、温度循环、温度冲击及盐雾等环境适应性筛选实验，性能优异。

附图说明

图1为本发明实施例中红外光学元件低应力保护增透膜示意图。

图2为本发明实施例1的多光谱硫化锌膜系设计光学曲线。

图3为本发明实施例1的多光谱硫化锌光谱测试曲线。

图4为本发明实施例1中镀膜前大尺寸硫化锌元件面形测试。

图5为本发明实施例1中镀膜后大尺寸硫化锌元件面形测试。

图6为本发明实施例2的锗基底膜系设计光学曲线。

图7为本发明实施例2的锗基底光谱测试曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对大尺寸(Φ≥500mm)红外光学元件。

实施例1：

提供一种大尺寸红外光学元件低应力薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1采用Φ500mm硫化锌材料为红外窗口，利用连续超声波半自动清洗完成硫化锌窗口清洗，清洗完成后烘干表面，在60W黄灯下观察表面质量，看其是否符合相应光洁度表面；

2设计如图1所示的ZnS/Ge光学过渡层及YF

3通过离子辅助电子束蒸发工艺制备完成了光学过渡层及匹配层，形成了张应力275MPa，制备过程中，霍尔源阳极电压160V，阳极电流3.1A，中和电流15.5A；

4采用RF-PECVD方法在大尺寸硫化锌窗口上制备完成587nm厚度类金刚石薄膜(外保护膜)，镀制功率1.2KW～1.5KW，气压8Pa，形成了约321MPa的压应力，制备完成后测试其应力值，实测值为约50MPa。

图3为本实施例1的多光谱硫化锌光谱测试曲线，证明了制备完成的多光谱硫化锌窗口在红外中波及长波波段均具有良好的光学透过率。

将大尺寸硫化锌窗口置于环境试验箱中，依据《GJB2485-2019光学膜层通用规范》内要求进行为期1个周期的高温、低温、湿热及盐雾等环境实验。试验完成后，表面膜层无起皮、褶皱及脱落等现象。

图4为镀膜前硫化锌基底面形，图5为镀膜后硫化锌基底面形。图4和5说明了硫化锌基底膜层镀制前后表面面形相差较小，证明了其表面较低的应力值。

实施例2：

提供一种大尺寸红外光学元件低应力薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1采用Φ500mm锗材料为红外窗口，利用连续超声波半自动清洗完成硫化锌窗口清洗，清洗完成后烘干表面，在60W黄灯下观察表面质量，看其是否符合相应光洁度表面；

2设计如图表2所示的ZnS/Ge光学过渡层及YF

3通过离子辅助电子束蒸发工艺制备ZnS/Ge光学过渡层及YF

4采用RF-PECVD方法在大尺寸硫化锌窗口上制备完成约680nm厚度类金刚石薄膜，形成了约347MPa的压应力，镀制功率1.2KW～1.5KW，气压7.5Pa，制备完成后测试其应力值，实测值为75MPa。

5将大尺寸硫化锌窗口置于环境试验箱中，依据《GJB2485-2019光学膜层通用规范》内要求进行为期1个周期的高温、低温、湿热及盐雾等环境实验。试验完成后，表面膜层无起皮、褶皱及脱落等现象。

图6为理论设计的锗基底光学过渡层光谱，图中显示设计的光学过渡匹配层在红外3.7μm～4.8μm及7.7μm～9.3μm范围内均具有良好的透过率。

图7为实测的锗基底光学过渡层光谱，证明了其在红外中波及长波波段均具有良好的光学透过率。