[發明專利]一種低應力的多層薄膜濾光片及其制備方法

有效

• 申請號: 202010323455.2
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111399103B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 吳江波;劉璐;艾曼靈;金波;鄭臻榮;顧培夫
• 申請（專利權）人: 杭州科汀光學技術有限公司
• 主分類號: G02B5/28
• 分類號: G02B5/28
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳升華

本發明公開一種低應力的多層薄膜濾光片及其制備方法，基底為3.3硼硅玻璃，多層薄膜濾光片為雙半波窄帶干涉濾光片。3.3硼硅玻璃的線膨脹系數為3.3×10supgt;?6/supgt;/度；為減小濾光片的結累應力，采用基底加熱和離子輔助兩種技術。當基底溫度250℃時，TiOsubgt;2/subgt;和SiOsubgt;2/subgt;膜的聚集密度分別為接近于1和0.92，濾光片的結累張應力為10.8MPa；若選擇離子能量350eV，并保持到達基底的輔助離子數與淀積分子數之比Jsubgt;I/subgt;/Jsubgt;M/subgt;對TiOsubgt;2/subgt;和SiOsubgt;2/subgt;膜分別為0.15和0.05，則TiOsubgt;2/subgt;和SiOsubgt;2/subgt;的聚集密度分別為接近于1和0.96，濾光片的結累壓應力為?7MPa。這種低應力薄膜濾光片可廣泛應用于各種光電儀器。

技術領域

本發明涉及光學薄膜領域，具體涉及一種低應力的多層薄膜濾光片及其制備方法。

背景技術

大塊固體材料經過真空熱蒸發或濺射形成的光學薄膜，通常其應力是很大的。薄膜應力由表面張力、熱應力和內應力三部分共同組成。由于表面張力較小，且不同材料表面張力變化不大，故可將其忽略。熱應力是薄膜制備時和制備完成后冷卻到室溫時因溫差產生的基底和薄膜熱膨脹系數不同而引起的，如果基底的熱膨脹系數不等于薄膜的熱膨脹系數，必定產生熱應力，熱應力多呈現為張應力。內應力又稱本征應力，主要取決于薄膜的微觀結構和缺陷等多種因素，因此薄膜內應力與薄膜材料和制備工藝密切相關，盡管薄膜制備工藝和薄膜結構之間的關系極其復雜，但本發明提出，薄膜應力可簡單地歸結為與薄膜聚集密度的關系。薄膜聚集密度是表征薄膜疏松程度的一個物理量，若薄膜疏松，則聚集密度低，薄膜呈現張應力；反之，若薄膜致密，則聚集密度高，薄膜呈現壓應力。為了表示方便，習慣上把張應力取成正號，壓應力取負號，這種“習慣”是因為早期大部分“軟膜”都是張應力的緣故，但隨著“硬膜”制備技術和離子輔助(IAD)技術的進步，現在絕大部分氧化物薄膜都很致密，其內應力也就變成了壓應力，所以現時也有采用壓應力取正、張應力取負的表示方法。以上二種應力表示方法雖易混淆，但從分析薄膜應力性質是否相同或相反的角度講，并無大礙。有經驗的薄膜設計者和制造人員，總是力圖通過選擇薄膜材料或選擇制備工藝來確保組成多層膜的二種材料各自保持低的應力，且使其應力性質相反，從而使最終的多層膜結累應力相互抵消，但這是一種理想的愿望，實際工作中為了保證多層膜的各種特性，薄膜材料和制備工藝總是受到各種制約的，故薄膜應力總是難以掌控的。倘若選材不當或工藝不當，最終會造成多層膜是由二種應力性質相同的薄膜組成的，可想而知，其積累應力是不可容忍的。這樣大的薄膜結累應力勢必導致基底彎曲變形，于是，一方面，導致本發明作為窄帶干涉濾光片的多層膜光、機特性破壞，包括中心波長漂移且隨表面位置變得不均勻、濾光片透射曲線變差、光損耗增加等(如圖1所示)，以及使多層膜力學性能急劇降低，如果薄膜結累應力超過薄膜或基底的彈性限度，就會導致膜層或基底破裂，失去干涉濾光片的功能；另一方面，致使光學成像系統引入很大的像差，彎曲的薄膜濾光片使入射光波經濾光片反射、透射后波前產生很大的畸變，導致整個光學系統像差偏離設計指標，甚至完全不能工作。

正因為如此，人們對薄膜應力的研究一直都沒有松懈過，研究工作涉及到應力產生機理、測量方法和消除方法等。在機理研究方面，對應力的起源建立了多種理論模型，包括薄膜材料熱分子在基底表面的淬火效應，薄膜體積收縮產生張應力或膨脹產生壓應力的相轉移效應，薄膜內部空位缺陷的消除使體積收縮或粒子埋入使體積膨脹的空位消除或粒子埋入效應，還有晶格缺陷、微結構變化、再結晶和相變、雜質效應、表面張力模型和轟擊模型等等。由于薄膜產生應力的機理非常復雜，至今并未完全搞清楚。在測量技術上，主要有基底變形法和衍射法，其中前者又有懸臂梁法、光干涉法、曲率法等。在消除應力方面，包括離子輔助淀積(IAD)、UV輻照處理、調節基底和薄膜材料的熱膨脹系數、摻雜、改變淀積參數和退火處理等等。迄今，雖說薄膜應力研究取得了顯著的進展，但并沒有從根本上得到較好的解決，在某些重要的應用中依然是一個難以逾越的障礙。

發明內容