[發明專利]基于硅基底的寬光譜中短波紅外杜瓦窗口及制備工藝

有效

• 申請號: 201010234840.6
• 申請日: 2010-07-23
• 公開（公告）號: CN101907494A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 于天燕;梁俊華;秦楊;章衛祖;劉定權
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01J5/02
• 分類號: G01J5/02;G02B1/11
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本專利涉及光學薄膜元件，具體指一種基于硅基底的、具有高透射率的寬光譜中短波紅外金屬化窗口，該窗口適用于與探測器杜瓦窗架的密封焊接。

技術背景

光學窗口是成像光學系統的重要組成部分。要保證窗口與探測器杜瓦窗架封裝的可靠性，就需要金屬化層有較高的可靠性。同時，保證系統的光學效率，就需要高透射率高可靠性的減反射膜。

在已有的杜瓦窗口中，基底多為Ge和寶石片，且波段都比較窄，其金屬層為300-400埃的鉻層加上1um厚度的金層。這樣的工藝滿足不了中短波多光譜成像儀器中杜瓦窗口的使用要求。隨著多光譜紅外系統的發展應用，寬光譜薄膜器件也應運而生。而該發明中窗口基底為硅，對硅基底的金屬化工藝以及1.2-4.8um的寬光譜減反射膜的研究都存在較大困難。首先，這一光譜波段包含了2.7-2.9um這一大多數氟化物和氧化物低折射率材料都存在的水汽吸收，而這恰恰是中短波紅外成像儀的重要成像通道，不能很好地解決吸收問題將嚴重影響該通道的光學效率。其次，在硅基底上進行金屬化，需要解決硅基底與金層間的結合牢固性問題。因此解決上述問題具有重要的現實意義。

發明內容

本發明的目的是采用不同于以往的金屬化工藝，提供一種基于硅基底的具有高透射率和高可靠性的寬光譜中短波紅外窗口，用于中短波多光譜紅外遙感儀器的探測器杜瓦封裝。

本發明的技術方案是：

1.在窗口的一個表面的四周邊緣(具體尺寸根據要求而定)及側面進行金屬化鍍膜。為了保證金屬化層的厚度及可靠性，在鍍制金膜前，在對基底進行離子轟擊等預清洗后，首先在硅基底上沉積3-5nm厚度的鎳鉻粘合層，然后在粘合層上鍍制1.5-2um厚度的金層，該金層能夠經受介質減反射膜鍍制時的高溫考驗。

2.在第一個表面的中間區域及另外一個表面鍍制寬光譜(1.2-4.8um)減反射膜。由于增透區域包括了大多數材料在2.7-2.9um的水汽吸收，如何選擇膜層材料及沉積工藝，盡可能減少水汽吸收對透射率的影響，是亟需解決的問題。經過大量的材料試驗和工藝摸索試驗，最終選用ZnS和YF₃作為高低折射率材料，考慮到透射區的最短波長為1.2um，因此等效層選用ZnS和Si。為了解決與基底的折射率匹配問題，膜系設計時采用了非對稱等效層結構；為了展寬透射帶寬，采用了緩沖層，具體為：

n_s/0.5N?0.808H?1.092N?0.388H?0.369N?0.529L?0.829N?1.679L?0.2N/n₀各符號的含義分別為：n_s為基底；n₀為空氣；N表示光學厚度為λ₀/4的硫化鋅膜層；H表示光學厚度為λ₀/4的硅膜層；L表示光學厚度為λ₀/4的氟化釔膜層；λ₀為中心波長，N、H和L前的數字是λ₀/4光學厚度的比例系數乘數。

ZnS與YF3的搭配，對于減少短波區的水汽吸收比選用氧化物具有很大的優勢，水汽吸收影響集中在YF3，因此，合適的工藝控制將起關鍵性作用。多次的材料試驗結果表明，減小吸收增加透射率的合適工藝為：

A.Si和YF₃采用電子束沉積，沉積速率分別為2-3nm/s和1-2nm/S；ZnS采用電阻加熱方式沉積，沉積速率為3-5nm/s。

B.基底溫度為200℃。

C.所有膜層均采用低能高密度離子束輔助沉積，參數為：陽極電壓180-200V，陰極電流12-14A。

這些工藝對于減小水汽吸收影響，提高短、中波紅外的透射率起了重要作用。

本發明的有益效果如下：

1.本發明提供了一種基于Si基底的寬光譜中短波杜瓦窗口，金屬化層厚度大于1.5um，滿足探測器杜瓦封裝的焊接要求；1.2-4.8um的寬光譜透射區內，平均透射率大于95％。

2.本發明的技術方案合理可行，產品性能穩定，滿足使用要求。

3.本發明采用了新的金屬化工藝，提高了金層的可靠性，滿足了與杜瓦窗架焊接的要求；特定的光學鍍膜工藝，消除了氟化物材料在2.7-2.9um的水汽吸收影響，保證了中長波區域的高透過率。

附圖說明

圖1是杜瓦窗口的膜層結構示意圖，圖中：

1——基底(Si)；

2——鎳鉻(Ni-Cr)層；

3——金(Au)層；

4——短、中波紅外減反射膜。

圖2是窗口實測短中波紅外透射率曲線。

具體實施方式