背景技术

随着手机在人们生活中使用的频率越来越高,其功能随着技术的进步也越来越多,手机的拍照功能也是人们使用最多的功能之一,而摄像头的功能也从最初的拍照成像逐步被赋予了更多更强大的功能,比如生物识别,安全验证,红外成像,红外测温等。由于红外光谱的特殊性,其采用的滤光片在小于5μm的波段透过率很低,因此大气中的水汽、二氧化碳等特征吸收波段会被滤除掉,使得温度传感器不会受到干扰。在大于5μm的波段,特别是生命光线对应的9-14μm波段,具有高透光率,以使传感器具有更高的灵敏度。而本文涉及到的这种超宽带红外增透膜侧可以很好的解决2-5μm波段透过率低下问题,从而使目前红外则温仪普遍使用的5-14μm波段拓宽到2-14μm波段。

10.1 光谱特性

光谱要求:2-14μm双面镀膜后平均透过率大于75% ,下图是理论曲线:

图1

10.2 薄膜基板选择

对于红外滤光片,当前常用的红外基板主要有硅Si和锗Ge。常因此被称之为硅基薄膜或锗基薄膜。选用哪种基板镀膜的关键标准就是基板本身的光学特性。下面分析对比下这两种基板。

硅基板的光学特性与制备方法密切相关。一般来讲,1-8μm波段具有良好的透过率。也因此,硅基光电子学得到了非常广泛的应用。由于氧元素较为强烈的吸收,硅基在8-14μm波段的透过率相对较低;而碳元素的特征吸收,一般会导致硅基在16μm附近有强烈吸收。下面左图为某单位生产的硅基板的透过率。可以发现在8-18μm波段有明显的震荡吸收,这与基板中氧和碳元素的含量有关。下面右图为折射率,在2-25μm波段,最大不超过3.445,最小不低于3.42,因此在设计膜系时,可以考虑用单点波长折射率代替全波段。

图2

锗基板的透明带在2-12μm。如下面左图所示。在超过12μm后透过率开始下降,吸收开始逐渐变大。下面右图给出了基板的光学常数。15μm后吸收开始剧烈增强。在2-18μm波段,最大不超过4.11,最小不低于4,折射率色散关系可用柯西公式简单表征。

图3

综上,在2-14μm波段,锗基板的吸收相对较小,用于镀膜具有较好优势。但在2-20μm的更宽波段范围内,硅基板的整体透过率更高。

10.3 薄膜膜料选择

应用于红外波段的膜料,必须保证在应用波段具有良好的透过率,合适的折射率,以及优越的机械特性以应对复杂的环测。

设计滤光片的前提是选择组合一组高低折射率膜料搭配。搭配意味着应力须匹配,这样可以保证多层膜不膜裂;搭配同时意味着高低折合率差须足够大,这样膜层数和厚度才能尽可能少。在折射率小于2的常用膜料中, AlF3和MgF2对水汽吸收很强烈, BaF2和CaF2膜层松软容易吸潮,在类似滤光片的多层膜设计中,一般不会选用。

建议组合是Ge/ ZnS/YbF3。下图是Ge薄膜的折射率和消光系数。在大约2μm波段,折射率遵循正常色散。此数据的镀膜工艺是T. Amotchkina在2020年给出的,基板是1 mm厚度的ZnSe,电子束蒸发,沉积温度 120 °C。

图4

下图是ZnS薄膜的折射率和消光系数。在常规红外波段,薄膜几乎没有吸收。同时环境稳定性比较好,是理想的低折射率膜料。此数据的镀膜工艺同样是T. Amotchkina在2020年给出的,基板是3 mm厚度的Ge,电子束蒸发,沉积温度 120 °C,沉积厚度1.008μm。

图5

下图是YbF3薄膜的折射率和消光系数。此数据的镀膜工艺同样是T. Amotchkina在2020年给出的,基板是1 mm厚度的ZnSe,电子束蒸发,沉积温度 120 °C,沉积厚度1.95μm。

图6

10.4 薄膜设计

以前文参数来设计膜系。

Si|101.08nmZnS/41.68nmGe/250.91nmZnS/13.68nmGe/544nmZnS/199.37nmYbF3/105.59nmZnS/496nmYbF3/37.21nmZnS|Air

10.5 制备工艺

10.5.1沉积温度

考虑到温度过冲和薄膜沉积淬火等因素,建议温度是150℃。依据有关文献报道,随着沉积温度提高,迁移率提高,ZnS膜层与基板的结合力也随着变好。但在成膜温度超过170℃后,伴随着蒸发温度继续升高,薄膜与基底材料内部应力出现了不匹配效应,超出了提高表面粒子迁移率的影响,从而导致材料与基底的结合力开始下降。此外,过高的沉积温度也会导致ZnS分解。因此在有ZNS的镀膜中,沉积温度不宜设定过高。Ge随着温度升高,致密度和结合力都会变得更好。

10.5.2离子源清洁

离子源对基板的清洁作用,同时在处理YBF3材料的应力匹配上也有一明显的效果。需要注意的是,离子源功率需要适中,否则可能会破坏基板表面。预清洁后等待机器把杂气抽走后再开始镀膜。但预清洁和镀膜的时间间隔最好不要超过10分钟,否则预清洁就失去效果了。

10.5.3离子源助镀

由于有YbF3膜料,所以在第6层将离子源的能量做了调整,以更好的处理其应力。

表1:Ge/ZnS/YbF3离子源参数

10.5.4 ZnS/YbF3蒸发工艺

ZnS/YbF3通常用钼舟蒸发,本次全部采用电子枪蒸发。成膜外观与膜料的预处理息息相关,镀膜前须充分预融。如果为提高薄膜硬度或平衡应力而采用离子源辅助镀膜,则功率不宜过高,否则ZnS/YbF3材料会存在质变的可能。离子源对红外材料的表面的刻蚀会随离子源能量增大而变得严重,从而影响透过率,由于本工艺使用了YbF3,所以在成膜的过程中对其前后膜层使用了不同的离子源参数进行处理,以消除其应力导致的膜裂现象。

10.5.5 Ge蒸发工艺

通常用坩埚蒸发。Ge材料在熔料后和镀膜后一般在其内部会出现一个较明显的鼓包现象,严重的可能会影响到坩埚的旋转,因此在每次镀完Ge后电子枪的电流不要瞬间降为0mA,应该是有一个缓慢下降的过程,以尽可能消除鼓包。

表2:Ge/ZnS/YbF3蒸发工艺

10.5.6镀膜后的冷却。宏观上的成膜虽然结束了,但薄膜内部的分子迁移并未结束。这个过程是薄膜的老化过程。在老化没有结束之前开门进气,薄膜经历过快的温差和湿度变化,会使得薄膜的牢固度和外观等特性大大恶化。这在硫系玻璃镀膜上表现的尤其明显。

增加膜层硬度:使用了SIO2+AF的形式,对膜层进行加硬保护。

10.6 成品测试结果如下:

1、光谱曲线:

图7 双面成膜之后的透过率曲线

2、水煮和百格测试结果:

图8 放置6h后水煮30分钟无膜裂并通过百格测试   

10.7总结:

对现在市场上常用红外滤光片的透过带宽进行了拓展,使类似的产品使用范围得到了扩大。填补了相关滤光片在手机领域使用空白。

中远红外波段,基板和膜料多多少少都有一些吸收,因此选材至关重要。本工艺中使用的基板是硅,膜料组合是Ge/ZnS/YbF3。

依据Ge/ZnS/YbF3组合的特性,给出了沉积温度和镀膜蒸发工艺。

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