姚春龍+宋光輝+雷鵬+王銀河+張新敏

摘要：

依據(jù)紫外光學(xué)系統(tǒng)中紫外反光鏡的使用要求，并結(jié)合汞燈發(fā)光光譜，提出了R>93%@300～450 nm（R為反射率）；Tavg>85%@500～1 000 nm（Tavg表示平均透過率）的近紫外區(qū)寬帶高反射率的設(shè)計指標(biāo)。選用Ta2O5和SiO2分別作為高低折射率材料，并采用正交試驗法確定了Ta2O5和SiO2膜料的折射率、消光系數(shù)和制備工藝參數(shù)。在規(guī)整周期性膜系的基礎(chǔ)上，利用膜系設(shè)計軟件進行優(yōu)化設(shè)計，同時分析了膜層的敏感度，保證了鍍制的可重復(fù)性。通過曲線測試和環(huán)境試驗結(jié)果表明，該膜系滿足設(shè)計使用要求。

關(guān)鍵詞：

近紫外； 超寬帶； 高反射； 膜系設(shè)計； 折射率

中圖分類號： O 484.5文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.017

Abstract：

According to the operating requirements of ultraviolet reflector in the ultraviolet optical system，and with mercury lamp luminescent spectrum，the near ultraviolet broadband high reflectance design index of R>93%（300～450 nm） and Tavg>85%（500～1 000 nm） are presented.The refractive index，extinction coefficient and technological parameters of preparation of Ta2O5 and SiO2 coating materials are determined by orthogonal test，with Ta2O5 and SiO2 as high and low refractive index materials.Based on the regular periodic coating，the coating is optimally designed.Meanwhile，the sensitivity of the film is also analyzed to ensure the repeatability of coating.The results of curve test and environmental test show that the coating meets the design requirements.

Keywords：

near ultraviolet； ultra wide band； high reflective； film system； refractive index

引言

近紫外（NUV）是波長范圍在300～380 nm的紫外光線[1]，廣泛應(yīng)用于集成電路液晶顯示、曬版、LED、固化、醫(yī)療生化等領(lǐng)域。特別是隨著微電子等產(chǎn)品的超微細化，在微電子、超精密器件等產(chǎn)品的制造過程中，需要提高成品率的半導(dǎo)體器件、液晶顯示元件、光學(xué)制品等制造中，紫外線表面處理技術(shù)已成不可缺少的技術(shù)手段。而近紫外區(qū)寬帶反光鏡在紫外光學(xué)系統(tǒng)中是收集汞燈光源發(fā)出的光線、提高工作表面紫外光照度以及均勻性的重要光學(xué)元件。

本文針對紫外光學(xué)系統(tǒng)中紫外反光鏡的使用要求，并結(jié)合汞燈發(fā)光光譜，提出了反光鏡的光譜曲線要求。進而選取Ta2O5、SiO2兩種高、低折射率薄膜材料進行鍍制，通過正交試驗法確定兩種薄膜材料的光學(xué)常數(shù)，優(yōu)化設(shè)計膜系，制備了波長在300～450 nm寬帶高反射率紫外反射膜。

1膜系設(shè)計

根據(jù)汞燈光源的發(fā)光光譜，并結(jié)合紫外光學(xué)系統(tǒng)中對365 nm、405 nm、436 nm譜線的反射率要求，提出近紫外區(qū)超寬帶反光鏡薄膜的光譜曲線指標(biāo)如下：R>93%@300～450 nm；Tavg>85%@500～1 000 nm。達到反射紫外光，濾除紫外光學(xué)系統(tǒng)中不需要的可見及紅外光的目的[2]。

汞燈光源發(fā)光光譜及膜系目標(biāo)光譜見圖1。

1.1材料的選擇

依據(jù)反光鏡薄膜的光譜要求，應(yīng)選擇近紫外光波段消光系數(shù)小、透明度高、相互匹配、機械牢固度和化學(xué)穩(wěn)定性好的材料。在300～1 000 nm區(qū)間常用高折射率薄膜材料主要有HfO2和Ta2O5等，一般情況下HfO2薄膜折射率n=1.95（λ=0.55 μm）相對較低，會使膜系中膜層的數(shù)量增加，雖然HfO2薄膜的折射率會隨著沉積速率的增大而有所提高，但會產(chǎn)生較高的吸收能力進而影響近紫外光的反射率，如果采用較低的沉積速率則會增加鍍制時間和成本；Ta2O5薄膜的透明區(qū)波長范圍為0.3～10 μm，其折射率n=2.1（λ=0.55 μm），該膜料機械性能極為牢固，強堿也不能將它腐蝕，所以其還可以作為保護涂層，特別是在高溫環(huán)境中的應(yīng)用[3]。所以高折射率材料選擇Ta2O5，與之匹配的低折射率薄膜材料有MgF2和SiO2等，但MgF2薄膜在累計厚度超過1.4 μm時，會由于張應(yīng)力較大而導(dǎo)致膜層皴裂。而SiO2薄膜的折射率、機械牢固度、膜層內(nèi)應(yīng)力和化學(xué)特性等都非常穩(wěn)定。所以為了保證膜層與基底之間結(jié)合牢固，最終確定選用Ta2O5和SiO2兩種高、低折射率材料。

1.2鍍膜材料光學(xué)常數(shù)確定

Ta2O5薄膜的光學(xué)常數(shù)隨沉積工藝條件如真空度、沉積速率、基片溫度、離子輔助等的不同而不同。本文采用正交實驗法[4-5]，深入開展Ta2O5薄膜在不同鍍膜溫度、不同離子輔助（IAD）能量條件下，300～1 000 nm波長范圍內(nèi)的折射率、消光系數(shù)等光學(xué)性能研究工作，然后根據(jù)正交實驗表（見表1、表2）所得的結(jié)果進行分析，確定鍍制Ta2O5薄膜的最佳工藝參數(shù)。

Ta2O5紫外薄膜材料光學(xué)性能研究在EPD-1300鍍膜機上進行。即在石英玻璃表面分別鍍制460 nm厚度的Ta2O5薄膜，然后進行透過率測試，測試的透過率曲線見圖2。

從圖2可以看出，在300～1 000 nm波長范圍內(nèi)，透過率平均值均在88%以上，極值點透過率約

為93.8%，接近石英玻璃基片的透過率，其中，6號試樣

的平均透過率最高，達到88.8%，尤其在300～500 nm有較高的透過率。同時可以看出，三個參數(shù)對近紫外區(qū)透過率影響重要程度依次為離子輔助能量、溫場、沉積速率。

根據(jù)實驗號6的透過率曲線中的極大值和極小值，運用包絡(luò)線法，它是在一定的光譜范圍內(nèi)，把極大值和極小值分別用包絡(luò)線相連，得到曲線T+（λ）和T-1（λ），在基片折射率n已知的情況下，T+（λ）和T-1（λ）唯一確定薄膜的光學(xué)常數(shù)[6]。計算出的Ta2O5的折射率、消光系數(shù)如表3所示。

由于在計算Ta2O5薄膜的光學(xué)常數(shù)過程中已經(jīng)確定了沉積工藝條件中的溫場、離子輔助的工藝參數(shù)，因此在確定SiO2薄膜的光學(xué)常數(shù)，正交試驗時只考慮沉積速率這一試驗因素，運用包絡(luò)線法計算出的SiO2折射率、消光系數(shù)[7]如表4所示。

1.3膜系優(yōu)化

針對近紫外區(qū)寬帶高反射率的光譜要求，傳統(tǒng)的規(guī)整膜系是無法達到設(shè)計要求的，必須在規(guī)整膜系基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。膜系在優(yōu)化設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)考慮到在滿足薄膜的光譜要求下，盡量減少膜系的層數(shù)以減少鍍制的誤差累積，避免出現(xiàn)過薄層（<10 nm）導(dǎo)致厚度難以精確控制，避免出現(xiàn)膜層靈敏度[8]過高的單層膜，保證鍍制生產(chǎn)的重復(fù)性。

利用商業(yè)膜系設(shè)計軟件TFCalc對基礎(chǔ)膜系進行變尺度優(yōu)化[9]，最終膜系共41層，最薄層為39層（d=16.45 nm），第一階膜層靈敏度見圖3所示，所有膜層靈敏度均在可控范圍內(nèi)。得到的優(yōu)化設(shè)計的光譜曲線如圖4所示，由圖4可知優(yōu)化設(shè)計曲線滿足：R>93%@300～450 nm；Tavg>85%@500～1 000 nm的指標(biāo)。

2近紫外反光鏡的制備

薄膜制備工作是在北京中方蓋德公司制造EPD1300型真空鍍膜機上完成的，該鍍膜機配有EEG-10型電子槍2臺，WSL-15離子源2臺，氣體流量計3臺，加熱溫度最高可達350 ℃，同時配有MDC360膜厚控制儀，具備制備寬帶近紫外膜的能力。主要制備過程如下：

鍍前過程：將反光鏡用超聲波清洗機清洗干凈，裝入夾具，放在基片架上，抽真空，并開啟加溫裝置，對基片進行加熱，烘烤溫度設(shè)定為300℃；行星式轉(zhuǎn)動機構(gòu)轉(zhuǎn)速設(shè)定為8 r/min；當(dāng)真空室壓力不大于2.0×10-2Pa時，對Ta2O5與SiO2兩種膜料進行預(yù)熔處理，去除膜料中殘存氣體和雜質(zhì)；當(dāng)真空室壓力低于4.0×10-3Pa時，開啟流量計，充入比例為3∶1的氧氣與氬氣的混合氣體，同時接通兩個霍爾離子源的電源，轟擊玻璃表面，對基片進行蝕刻，起到活化基片表面和離子清洗的目的。

鍍膜過程：多層膜厚度參數(shù)輸入到晶控儀中，利用石英晶體監(jiān)控技術(shù)來控制介質(zhì)膜層的鍍制厚度。使用電子槍將Ta2O5與SiO2兩種膜料交替沉積在基片內(nèi)表面，整個鍍制過程中應(yīng)用離子輔助沉積技術(shù)，它可以提高沉積粒子的遷移率，從而增加膜層的致密度，保證膜層光學(xué)特性的穩(wěn)定。

3光譜及環(huán)境適應(yīng)性測試

3.1光譜測試

制備的寬帶近紫外反光鏡光譜指標(biāo)采用cary300紫外可見分光光度計進行測試，測試結(jié)果如圖5。從多次制備的測試結(jié)果來看，符合R>93%@300～450 nm，Tavg>85%@500～1 000 nm的近紫外區(qū)超寬帶反光鏡膜系的設(shè)計指標(biāo)，較常規(guī)近紫外冷反射鏡[2]的反射率有大幅提高。

3.2環(huán)境適應(yīng)性測試

附著力試驗：附著力試驗按環(huán)境試驗GB/T 26331—2010附著力試驗的規(guī)定進行。在反光鏡膜層表面粘貼寬度為12～13 mm，剝離強度不小于6.86 N（2 cm寬）的膠帶，以垂直于膜層表面方向的力沿膠帶一端快速拉起，目視檢驗?zāi)颖砻?，未發(fā)現(xiàn)膜層發(fā)生變化。

高溫試驗：將反光鏡放置于烤箱中，加熱至400 ℃±5 ℃，恒溫30 min，在烤箱中自然冷卻后取出，目視檢驗?zāi)颖砻?。若無其他規(guī)定，烘箱溫度變化率不超過3 ℃/min。然后進行附著力試驗，試驗后未發(fā)現(xiàn)膜層發(fā)生變化。

浸泡試驗：浸泡試驗按環(huán)境試驗GB/T 26331—2010中浸泡和煮沸試驗的規(guī)定進行。將反光鏡完全浸入水中，24 h后，目視檢驗?zāi)颖砻?。然后進行附著力試驗，試驗后未發(fā)現(xiàn)膜層發(fā)生變化。

4結(jié)語

本文采用Ta2O5和SiO2作為高低折射率材料，以規(guī)整周期膜系為基礎(chǔ)，并結(jié)合商用膜系設(shè)計軟件TFCalc進行變尺度法優(yōu)化，實現(xiàn)了該近紫外區(qū)寬帶高反射率反光鏡膜系的設(shè)計，并分析了膜層敏感度，該膜系膜層敏感度相對較低，保證了鍍制可重復(fù)性。采用電子束真空鍍膜及雙離子輔助沉積的方法，制備紫外區(qū)寬帶高反射率反光鏡，經(jīng)過測試分析和環(huán)境試驗，該薄膜性能穩(wěn)定，易于批量生產(chǎn)。通過客戶使用反饋完全滿足其使用要求，達到國外同樣產(chǎn)品的生產(chǎn)水平。

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