專利名稱：空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜及制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學石英玻璃薄膜及制備方法，尤其適用于航天器用光學材料耐 輻照濾紫外薄膜及制備方法，屬于耐輻照濾紫外薄膜制備技術領域。
背景技術：
衛(wèi)星控制系統(tǒng)中數字式太陽敏感器采用的光學材料為一種石英玻璃，由于使用環(huán) 境的特殊性對所用的光學材料玻璃有特殊的要求，既要有良好的光學性能，同時還要具備 良好的耐輻照濾紫外性能。目前所用材料的制備為摻雜工藝，通過摻雜實現石英玻璃的濾紫外特性，但是它 降低了材料的耐輻照性能，對光學性能也有些不利的影響，如材料的均勻性。摻雜有效地解 決了濾紫外特性，然而摻入的雜質對材料本身的耐輻照性能有直接影響，使其耐輻照性能 下降。輻照試驗表明摻雜石英玻璃的耐輻照性能與非摻雜石英玻璃相比，根據輻照劑量不 同在可見光波段(工作波段)可相差20% 40%。摻雜石英玻璃制備工藝包括摻雜元素、 原料均化，需經過2000°C高溫、IfetH壓力下多次熱鍛處理等工序；工藝復雜，成本高，氫氧 熔制系統(tǒng)會造成一定的環(huán)境污染。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種有效改善太陽敏感器 用光學材料質量狀況和質量穩(wěn)定性的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜及制備方法。本發(fā)明的技術解決方案是空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，包括石英玻 璃基片和多層膜，多層膜通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上， 所述的多層膜為L1層/H層/L2層結構，L1層為SiA層或SiO層，L2層為S^2層或SiO層， H層為CeO2層或ZnO層。所述的L1層和L2層厚度為60 62nm。所述的H層厚度為240 250nm。所述的L1層和L2層相同或不同。一種制備空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征在于通過以下步 驟實現第一步，準備石英玻璃基片；第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備L1層，A3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中并加熱至110°C 士 10°C ；A3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備進行L1層的蒸鍍；A3. 3、將SiO2或SiO在不低于1000°C下預熱；A3. 4、將SW2或SiO預蒸發(fā)不低于1分鐘；A3. 5、SiO2或SiO蒸發(fā)至膜厚達60 62nm，停止蒸發(fā)；
第四步，在L1層上通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備H層，A4. 1、切換蒸發(fā)源準備蒸發(fā)H層；A4. 2、將CeR在不低于1400°C預熱或將ZnO在不低于1200°C預熱；A4. 3、將CeR或加0預蒸發(fā)不低于1分鐘；A4. 4、將( 或ZnO蒸發(fā)至膜厚達240 250nm，停止蒸發(fā)；第五步，在H層上通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備L2層，A5. 1、切換蒸發(fā)源準備蒸發(fā)L2層；A5. 2、將SiA或SiO在不低于1000°C下預熱；A5. 3、將SW2或SiO預蒸發(fā)不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO蒸發(fā)至膜厚達60 62nm，停止蒸發(fā)；第六步，堅膜，A6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的 烘箱內；A6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時；A6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃 耐輻照濾紫外薄膜。一種制備空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征在于通過以下步 驟實現第一步，準備石英玻璃基片；第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過磁控濺射鍍膜法制備L1層，B3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中；B3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備濺射鍍L1層；B3. 3、真空室充入氬氣并將真空度穩(wěn)定在8X KT1 2X IOtlHa的狀態(tài)下，將SiO2靶 或SiO靶在190 200W下預熱；B3. 4、將SiO2或SiO預濺射不低于1分鐘；B3. 5、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第四步，在L1層上通過磁控濺射鍍膜法制備H層，B4. 1、切換靶材準備濺射H層；B4. 2、將CeA靶或辦0靶在190 200W下預熱；B4. 3、將CeA或ZnO預濺射不低于1分鐘；B4. 4、將CeA或ZnO濺射至膜厚達240 250nm，停止濺射；第五步，在H層上通過磁控濺射鍍膜法制備L2層，B5. 1、切換靶材準備濺射L2層；B5. 2、將SiO2靶或SiO靶在190 200W下預熱；B5. 3、將SW2或SiO預濺射不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第六步，堅膜，B6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的烘箱內；B6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時；B6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃 耐輻照濾紫外薄膜。所述第二步清洗石英玻璃基片通過以下步驟實現，A2. 1、用碳酸鈣擦拭石英玻璃基片；A2. 2、將石英玻璃基片用水沖洗干凈后，置入酸性液體中浸泡2小時以上；A2. 3、將步驟A2. 2浸泡過玻璃洗液的石英玻璃基片取出用去離子水沖洗干凈，用 無水乙醇脫水；A2. 4、將經步驟A2. 3脫水后石英玻璃基片用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈。所述步驟A2. 2酸性液體的PH值彡3。本發(fā)明設計原理采用真空鍍膜技術以普通高純石英玻璃為基體材料，在其表面上鍍制耐輻照濾紫 外薄膜而形成的耐輻照濾紫外石英玻璃，其耐輻照性能、濾紫外效果均優(yōu)于摻雜工藝制備 濾紫外耐輻照石英玻璃的性能；可以有效地改善太陽敏感器用光學材料質量狀況和質量穩(wěn) 定性。空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的制備方法，主要包括膜系設計、鍍膜材 料選擇及薄膜工藝等內容。膜系設計的原則是使工藝簡單，盡可能的利用薄膜材料本身的本征吸收特性構成 截止濾光膜；即所需要的截止濾光膜與某種材料的本征吸收限相一致，利用這種本征吸 收特性就可以制作截止濾光膜，同時為提高截止特性采用了多層膜機構。采用的膜系為-L1
層/H層/L2結構。選擇具有良好化學穩(wěn)定性和機械強度并且具有較強抗輻照能力的氧化物作為濾 紫外薄膜的鍍膜材料。考慮到工藝簡單性，選用那些材料本征特性與所要求膜層特性相近 的材料可以使設計和工藝都簡化。根據這一原則，選用Ce02、Zn0材料作為制備耐輻照濾紫 外薄膜的鍍膜材料效果良好。目前薄膜制備的方法以氣相沉積為主，包括物理氣相沉積(HVD)和化學氣相沉積 (CVD)。本發(fā)明采用物理氣相沉積法制備耐輻照濾紫外薄膜。包括真空熱蒸發(fā)鍍膜法，磁控 濺射鍍膜法，分別對Ce02、ZnO等材料進行薄膜制備均可實現耐輻照濾紫外薄膜。本發(fā)明與現有技術相比有益效果為(1)本發(fā)明采用石英玻璃基片和多層膜復合結構，提高了材料的耐輻照性能， 輻照試驗結果表明采用普通石英加薄膜的材料的耐輻照性能遠遠優(yōu)于摻雜石英，經 過5X108Rad(Si)累計劑量的輻照后在工作波段GOO IOOOnm)光譜透過率平均值 T彡90%，摻雜材料為T彡70% ；(2)本發(fā)明濾紫外耐輻照的一致性易于控制，因為采用薄膜結構可有效地減少由 于摻雜工藝復雜、不易控制而引起的批產品之間濾紫外耐輻照性能的差異。薄膜工藝是在 真空條件下完成的，受環(huán)境影響很小，只要成膜用材料相對穩(wěn)定，工藝技術相對穩(wěn)定，即可 保證產品的一致性滿足設計要求，截止區(qū)內次峰的透過率小于5%，而摻雜材料為10%左
6右；(3)本發(fā)明采用高折射率材料與低折射率材料交替成膜的多層膜結構，其優(yōu)點在 于可有效地解決單層膜截止區(qū)陡度不夠的問題，即單層膜從透過率開始下降到完全截止 需要200 300nm的波長范圍，斜率較緩，而多層膜這一過程僅需約IOOnm的波長范圍。這 有利于產品的穩(wěn)定應用，同時本多層膜中的上、下層的膜層材料均與石英玻璃有良好的附 著力，有利于其它工藝的實施；(4)本發(fā)明多層膜各膜層厚度的設定原則是膜層盡可能薄，有利于滿足產品的精 度要求。H層膜厚為240 250nm時具有良好的濾紫外性能，且在透光區(qū)有較高的透過率， 峰值透過率可達93%，截止波長位于400 450nm處，實驗結果表明，與H層膜厚相比，上、 下L層膜厚各為1/4H構成的多層膜，可有效地平抑透光區(qū)域的透光性能，使峰-谷之間的 差減小到5%以內(單層膜可達20% )，平均透過率達到90%，同時增加截止區(qū)的陡度；(5)本發(fā)明降低材料成本90 %，減少環(huán)境污染。


圖1為本發(fā)明結構示意圖；圖2為本發(fā)明制備工藝流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明如圖1所示，包括石英玻璃基片和多層膜，多層膜通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法 和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上，所述的多層膜為L1層/H層/L2層結構，L1層為SW2 層或SiO層，L2層為SW2層或SiO層，H層為( 層或ZnO層。本發(fā)明制備工藝如圖2所示，主要包括石英玻璃基片加工、清洗、在基片上制備 SiO2(SiO)薄膜、在 SiO2(SiO)膜層上制備 CeO2 (ZnO)薄膜、在 CeO2 (ZnO)上制備 SiO2(SiO) 薄膜、堅膜及光譜測試步驟。以下結合具體實施例來說明本發(fā)明。實施例11、按要求將普通石英玻璃基片加工成型；2、清洗處理用碳酸鈣擦拭基片，用水沖洗干凈置入玻璃洗液中浸泡2小時以上， 取出用去離子水沖洗干凈，用無水乙醇脫水，用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈；本實例采用55g重鉻酸鉀、IOOml水及IOOOml濃硫酸配置的玻璃洗液，PH值< 3。3、在石英基片上，用真空熱蒸發(fā)法制備SW2薄膜過程如下a)將基片置于真空室中并加熱至110°C 士 10°C ；b)當真空度達到2X KT3Ha以下時開始進行蒸鍍工作，蒸發(fā)材料預熱、預蒸發(fā)、蒸 發(fā)；膜厚要求為60 62nm ；c)膜厚達到要求時結束蒸發(fā)，切換蒸發(fā)源準備蒸發(fā)( 薄膜。4、在SiA薄膜表面用真空熱蒸發(fā)法制備( 薄膜過程如下d)蒸發(fā)材料預熱、預蒸發(fā)、蒸發(fā)；膜厚要求為240 250nm ；e)膜厚達到要求時結束蒸發(fā)，切換蒸發(fā)源準備蒸發(fā)Si02薄膜。5、在( 表面用真空熱蒸發(fā)法制備SW2薄膜過程如下
f)蒸發(fā)材料預熱、預蒸發(fā)、蒸發(fā)；膜厚要求為60 62nm ；g)膜厚達到要求時結束蒸發(fā)。6、堅膜工藝過程如下h)開啟烘箱，溫度設置為250士 10°C并開始升溫；i)待烘箱溫度穩(wěn)定后，將基片從鍍膜機真空室中取出放入烘箱；j)當基片到達堅膜溫度時開始計時，堅膜時間為2小時；k)堅膜時間到達后關閉烘箱，自然冷卻至室溫取出。7、進行光譜透過率測試，記錄其數據，完成普通石英基片的耐輻照濾紫外薄膜的 制備。實施例21、按要求將普通石英玻璃基片加工成型；2、清洗處理用碳酸鈣擦拭基片，用水沖洗干凈置入玻璃洗液中浸泡2小時以上， 取出用去離子水沖洗干凈，用無水乙醇脫水，用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈；3、在石英基片上，用磁控濺射法制備SiO2薄膜過程如下a)將基片置于真空室中，基片溫度為真空室溫度；b)當真空度達到2X10_3Ha以下時開始進行濺射鍍膜工作，真空室充入氬氣并將 真空度穩(wěn)定在8 X ICT1 2 X IOtlHa的狀態(tài)下，靶材預熱、預濺射、濺射；膜厚要求為60 62nm ；c)膜厚達到要求時結束蒸發(fā)，切換靶材，準備濺射ZnO薄膜。4、在SiO2薄膜表面用磁控濺射法制備ZnO薄膜過程如下d)濺射靶材預熱、預濺射、濺射；膜厚要求為240 250nm ；e)膜厚達到要求時結束濺射，切換靶材準備濺射Si02薄膜。5、在ZnO表面用磁控濺射法制備SiO2薄膜過程如下f)濺射靶材預熱、預濺射、濺射；膜厚要求為60 62nm ；g)膜厚達到要求時結束濺射。6、堅膜工藝過程如下h)開啟烘箱，溫度設置為250°C并開始升溫；i)待烘箱溫度穩(wěn)定后，將基片從鍍膜機真空室中取出放入烘箱；j)當基片到達堅膜溫度時開始計時，堅膜時間為2小時；k)堅膜時間到達后關閉烘箱，自然冷卻至室溫取出。7、進行光譜透過率測試，記錄其數據，完成普通石英基片的耐輻照濾紫外薄膜的 制備。本發(fā)明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于包括石英玻璃基片和多層 膜，多層膜通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上，所述的多層膜 為L1層/H層/L2層結構，L1層為SW2層或SiO層，L2層為SW2層或SiO層，H層為( 層 或ZnO層。
2.根據權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于所述 的L1層和L2層厚度為60 62nm。
3.根據權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于所述 的H層厚度為240 250nm。
4.根據權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于所述 WL1層和L2層相同或不同。
5.一種制備權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征 在于通過以下步驟實現第一步，準備石英玻璃基片； 第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備L1層，A3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中并加熱至110°C 士 10°C ；A3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備進行L1層的蒸鍍；A3. 3、將SW2或SiO在不低于1000°C下預熱；A3. 4、將SW2或SiO預蒸發(fā)不低于1分鐘；A3. 5、SiO2或SiO蒸發(fā)至膜厚達60 62nm，停止蒸發(fā)；第四步，在L1層上通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備H層，A4. 1、切換蒸發(fā)源準備蒸發(fā)H層；A4. 2、將( 在不低于1400°C預熱或將ZnO在不低于1200°C預熱；A4. 3、將( 或ZnO預蒸發(fā)不低于1分鐘；A4. 4、將( 或ZnO蒸發(fā)至膜厚達240 250nm，停止蒸發(fā)；第五步，在H層上通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法制備L2層，A5. 1、切換蒸發(fā)源準備蒸發(fā)L2層；A5. 2、將SW2或SiO在不低于1000°C下預熱；A5. 3、將SW2或SiO預蒸發(fā)不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO蒸發(fā)至膜厚達60 62nm，停止蒸發(fā)；第六步，堅膜，A6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的烘箱內；A6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時； A6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃耐輻 照濾紫外薄膜。
6.一種制備權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征 在于通過以下步驟實現第一步，準備石英玻璃基片；第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過磁控濺射鍍膜法制備L1層， B3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中； B3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備濺射鍍L1層； B3. 3、真空室充入氬氣并將真空度穩(wěn)定在8X KT1 2X IOtlHa的狀態(tài)下，將SiO2靶或 SiO靶在190 200W下預熱；B3. 4、將SW2或SiO預濺射不低于1分鐘；B3. 5、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第四步，在L1層上通過磁控濺射鍍膜法制備H層，B4. 1、切換靶材準備濺射H層；B4. 2、將CeO2靶或ZnO靶在190 200W下預熱；B4. 3、將( 或ZnO預濺射不低于1分鐘；B4. 4、將CeR或ZnO濺射至膜厚達240 250nm，停止濺射；第五步，在H層上通過磁控濺射鍍膜法制備L2層，B5. 1、切換靶材準備濺射1^2層；B5. 2、將SiO2靶或SiO靶在190 200W下預熱；B5. 3、將SW2或SiO預濺射不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第六步，堅膜，B6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的烘箱內；B6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時； B6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃耐輻 照濾紫外薄膜。
7.根據權利要求5或6所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜制備方法，其特 征在于所述第二步清洗石英玻璃基片通過以下步驟實現，A2. 1、用碳酸鈣擦拭石英玻璃基片；A2. 2、將石英玻璃基片用水沖洗干凈后，置入酸性液體中浸泡2小時以上； A2. 3、將步驟A2. 2浸泡過玻璃洗液的石英玻璃基片取出用去離子水沖洗干凈，用無水 乙醇脫水；A2. 4、將經步驟A2. 3脫水后石英玻璃基片用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈。
8.根據權利要求7所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜制備方法，其特征在 于所述步驟A2. 2酸性液體的PH值彡3。
全文摘要
空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜及制備方法，包括石英玻璃基片和多層膜，多層膜通過真空熱蒸發(fā)鍍膜法和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上，所述的多層膜為L1層/H層/L2層結構，L1層為SiO2層或SiO層，L2層為SiO2層或SiO層，H層為CeO2層或ZnO層。本發(fā)明采用石英玻璃基片和多層膜復合結構，提高了材料的耐輻照性能，輻照試驗結果表明采用普通石英加薄膜的材料的耐輻照性能遠遠優(yōu)于摻雜石英，經過5×108Rad(Si)累計劑量的輻照后在工作波段(400～1000nm)光譜透過率平均值T≥90％，摻雜材料為T≥70％。
文檔編號G02B1/10GK102096136SQ20101061162
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權日2010年12月17日
發(fā)明者劉江, 王俊杰, 王周好, 石建民, 秦素然, 范漢超, 高修濤 申請人:北京控制工程研究所