近紫外區(qū)寬帶反光鏡的膜系優(yōu)化設計與制備

姚春龍+宋光輝+雷鵬+王銀河+張新敏

摘要：

依據紫外光學系統(tǒng)中紫外反光鏡的使用要求，并結合汞燈發(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)寬帶高反射率的設計指標。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、消光系數和制備工藝參數。在規(guī)整周期性膜系的基礎上，利用膜系設計軟件進行優(yōu)化設計，同時分析了膜層的敏感度，保證了鍍制的可重復性。通過曲線測試和環(huán)境試驗結果表明，該膜系滿足設計使用要求。

關鍵詞：

近紫外； 超寬帶； 高反射； 膜系設計； 折射率

中圖分類號： O 484.5文獻標志碼： 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]，廣泛應用于集成電路液晶顯示、曬版、LED、固化、醫(yī)療生化等領域。特別是隨著微電子等產品的超微細化，在微電子、超精密器件等產品的制造過程中，需要提高成品率的半導體器件、液晶顯示元件、光學制品等制造中，紫外線表面處理技術已成不可缺少的技術手段。而近紫外區(qū)寬帶反光鏡在紫外光學系統(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元件。

本文針對紫外光學系統(tǒng)中紫外反光鏡的使用要求，并結合汞燈發(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常數，優(yōu)化設計膜系，制備了波長在300～450 nm寬帶高反射率紫外反射膜。

1膜系設計

根據汞燈光源的發(fā)光光譜，并結合紫外光學系統(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)光光譜及膜系目標光譜見圖1。

1.1材料的選擇

依據反光鏡薄膜的光譜要求，應選擇近紫外光波段消光系數小、透明度高、相互匹配、機械牢固度和化學穩(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，會由于張應力較大而導致膜層皴裂。而SiO2薄膜的折射率、機械牢固度、膜層內應力和化學特性等都非常穩(wěn)定。所以為了保證膜層與基底之間結合牢固，最終確定選用Ta2O5和SiO2兩種高、低折射率材料。

1.2鍍膜材料光學常數確定

Ta2O5薄膜的光學常數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波長范圍內的折射率、消光系數等光學性能研究工作，然后根據正交實驗表（見表1、表2）所得的結果進行分析，確定鍍制Ta2O5薄膜的最佳工藝參數。

Ta2O5紫外薄膜材料光學性能研究在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，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。

根據實驗號6的透過率曲線中的極大值和極小值，運用包絡線法，它是在一定的光譜范圍內，把極大值和極小值分別用包絡線相連，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常數[6]。計算出的Ta2O5的折射率、消光系數如表3所示。

由于在計算Ta2O5薄膜的光學常數過程中已經確定了沉積工藝條件中的溫場、離子輔助的工藝參數，因此在確定SiO2薄膜的光學常數，正交試驗時只考慮沉積速率這一試驗因素，運用包絡線法計算出的SiO2折射率、消光系數[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計要求的，必須在規(guī)整膜系基礎上進行優(yōu)化設計。膜系在優(yōu)化設計過程中應當考慮到在滿足薄膜的光譜要求下，盡量減少膜系的層數以減少鍍制的誤差累積，避免出現過薄層（<10 nm）導致厚度難以精確控制，避免出現膜層靈敏度[8]過高的單層膜，保證鍍制生產的重復性。

利用商業(yè)膜系設計軟件TFCalc對基礎膜系進行變尺度優(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。得到的優(yōu)化設計的光譜曲線如圖4所示，由圖4可知優(yōu)化設計曲線滿足：R>93%@300～450 nm；Tavg>85%@500～1 000 nm的指標。

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，烘烤溫度設定為300℃；行星式轉動機構轉速設定為8 r/min；當真空室壓力不大于2.0×10-2Pa時，對Ta2O5與SiO2兩種膜料進行預熔處理，去除膜料中殘存氣體和雜質；當真空室壓力低于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：多層膜厚度參數輸入到晶控儀中，利用石英晶體監(jiān)控技術來控制介質膜層的鍍制厚度。使用電子槍將Ta2O5與SiO2兩種膜料交替沉積在基片內表面，整個鍍制過程中應用離子輔助沉積技術，它可以提高沉積粒子的遷移率，從而增加膜層的致密度，保證膜層光學特性的穩(wěn)定。

3光譜及環(huán)境適應性測試

3.1光譜測試

制備的寬帶近紫外反光鏡光譜指標采用cary300紫外可見分光光度計進行測試，測試結果如圖5。從多次制備的測試結果來看，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計指標，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，目視檢驗膜層表面，未發(fā)現膜層發(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，目視檢驗膜層表面。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，目視檢驗膜層表面。然后進行附著力試驗，試驗后未發(fā)現膜層發(fā)生變化。

4結語

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，并結合商用膜系設計軟件TFCalc進行變尺度法優(yōu)化，實現了該近紫外區(qū)寬帶高反射率反光鏡膜系的設計，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。通過客戶使用反饋完全滿足其使用要求，達到國外同樣產品的生產水平。

參考文獻：

[1]復旦大學電光源實驗室.電光源原理[M].上海：上?？茖W技術出版社，1979：2-3.

[2]姚春龍，王銀河，張輝.近紫外冷反射鏡的鍍制研究[J].真空，2007，44（3）：9-11.

[3]鐘迪生.真空鍍膜[M].沈陽：遼寧大學出版社，2001：216-221，245-252.

[4]張光勇，薛亦渝，郭培濤，等.電子束蒸發(fā)沉積Ta2O5光學薄膜的研究[J].壓電與聲光，2008，30（1）：12-15.

[5]劉洪祥，熊勝明，李凌輝，等.離子束濺射沉積Ta2O5光學薄膜的實驗研究[J].光電工程，2004，31（3）：41-43，55.

[6]陳燕平，余飛鴻.薄膜厚度和光學常數的主要測試方法[J].光學儀器，2006，28（6）：84-88.

[7]王胭脂，張偉麗，范正修，等.SiO2薄膜折射率的準確擬合分析[J].中國激光，2008，35（5）：760-763.

[8]付秀華，張于帥，寇洋，等.智能眼鏡影像系統(tǒng)寬光譜廣角度分光膜的研制[J].光子學報，2015，44（3）：0331002.

[9]付秀華，孫英杰，劉冬梅，等.可見與近紅外寬帶減反膜的研制[J].光學學報，2013，33（3）：0331002.