一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜的制備方法，采用的膜層序列為Sub/CrNx/Ag/CrNx/SiOx/Air，制備過程中所有的蒸發(fā)源位于鏡面上方，逆向熱蒸發(fā)；承載鉻(Cr)材料的主要部件為鎢桿，承載銀(Ag)材料的主要部件為鎢絲環(huán)，保護(hù)膜材料為一氧化硅(SiO)，裝載于鉭蒸發(fā)舟中；在氮?dú)?N2)環(huán)境中蒸發(fā)Cr形成CrNx，在氧氣(O2)環(huán)境中蒸發(fā)SiO形成SiOx。本發(fā)明具有工藝簡單、操作方便、設(shè)備與材料成本低的優(yōu)點(diǎn)，能夠規(guī)避大型光學(xué)元件翻面帶來的風(fēng)險(xiǎn)。
【專利說明】一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制備銀反射膜的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì) 保護(hù)膜層的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在所有的金屬中，銀膜的反射率是最高的，并且反射曲線比較穩(wěn)定。在可見和紅外 波段，銀的反射率最高，熱輻射率最小，傾斜使用時(shí)所引入的偏振效應(yīng)最小，是最為合適的 金屬反射層材料。
[0003] 由于銀與常用的蒸發(fā)舟材料不存在浸潤性的特性，而自身在受熱后會(huì)熔化為液體 狀，使得通用的銀蒸發(fā)方式為自下向上蒸發(fā)，也因此把銀反射膜的應(yīng)用限制在中小口徑光 學(xué)元件范圍內(nèi)。目前，對(duì)大口徑光學(xué)元件的需求量變得原來越大，反射率等性能要求也提的 越來越高；另一方面，由于大口徑光學(xué)元件自身重力的限制，使其面形控制難度大，膜系制 備完成后鏡面的翻轉(zhuǎn)也會(huì)影響主鏡面形，安全系數(shù)低；因此鏡面朝上放置、逆向蒸發(fā)的制備 方式是薄膜技術(shù)的要求和發(fā)展趨勢(shì)。
[0004] 如何使銀逆向蒸發(fā)是關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，獲得初步成果的有磁控濺 射和電阻熱蒸發(fā)兩種方式。雙子星望遠(yuǎn)鏡（Gemini，美國）本世紀(jì)初逆向?yàn)R射銀靶等實(shí)現(xiàn) 膜系制備，膜系結(jié)構(gòu)為：Sub/65ANiCrN X/110〇AAg/6ANiCrNx/85ASiNX;存在的缺點(diǎn)為需要 投入昂貴的磁控濺射鍍膜設(shè)備和靶材，并且材料利用率較低，推廣困難。1998年3月，日本 Takeshi Noguchi等人為Subaru望遠(yuǎn)鏡I. 3m次主鏡成功逆向蒸發(fā)鍍制了銀反射膜，他們 將一根銀絲和三根鉭絲扭合為成一個(gè)螺線圈放置真空室上部，利用電阻加熱向下蒸發(fā)銀膜 層；存在的缺點(diǎn)為螺旋圈加工復(fù)雜，成本高，不可重復(fù)利用；不過其為低設(shè)備成本制備銀反 射膜提供了一條可行性途徑。
[0005] 相關(guān)資料表明，逆向電阻熱蒸發(fā)制備銀反射膜的嘗試有使用特殊設(shè)計(jì)的密封式蒸 發(fā)舟、鎢絲籃、加鉬金鎢絲環(huán)等，都存在蒸發(fā)不易控制、蒸發(fā)速率過低、成本過于昂貴等缺 點(diǎn)，難以普遍使用，需要尋求新的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出了一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法， 尤其是一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜層的制備方法，選擇常見的鎢絲環(huán)作為承載銀材料的主要 部件，一氧化硅（SiO)作為保護(hù)膜層材料，采用自上向下的熱蒸發(fā)方式，能夠制備出具有優(yōu) 良性能的反射膜層和保護(hù)膜層，其為光學(xué)元件尤其是大口徑光學(xué)元件提高反射率以及加介 質(zhì)保護(hù)層延長反射膜的壽命提供技術(shù)段。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法， 把待鍍光學(xué)元件鏡面朝上放置于鍍膜設(shè)備底部，所有材料蒸發(fā)源位于鏡面上方，電阻加熱 式逆向熱蒸發(fā)。
[0008] 該方法采用的膜層序列為Sub/CrNx/Ag/CrNx/SiOx/Air，包括如下步驟：
[0009] 步驟（I)、在高純氮?dú)猓∟2)環(huán)境中加熱鍍鉻（Cr)鎢桿，受熱后鉻分子向四周逸散； 所述的鍍鉻鎢桿為鉻電鍍于單根普通鎢桿上，鎢桿為鉻的承載體并提供熱量來源；鉻分子 與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)生成CrNx，其中x>0 ;
[0010] 步驟⑵、加熱鎢絲蒸發(fā)舟，銀受熱蒸發(fā)；所述的鎢絲蒸發(fā)舟由高純銀絲 (99. 95% )、鎳鉻合金絲、鎢絲環(huán)三部分組成，高純銀絲與鎳鉻合金絲一起按照小段密集纏 繞方式纏繞在鎢絲環(huán)的螺旋環(huán)圈上；所述鎢絲蒸發(fā)舟中銀絲的直徑為1mm，能夠兼顧到纏 繞加工所需的柔韌性和蒸發(fā)厚度足量性；所述鎢絲蒸發(fā)舟中鎳鉻合金絲中鎳與鉻含量比例 為9 :1，絲的直徑為0. 5mm，鉻起到固定銀液滴的作用，鎳用來提高鉻絲的柔韌性以方便纏 繞加工；所述鎢絲蒸發(fā)舟中鎢絲環(huán)由三根直徑Imm的鎢絲繞制而成，鎢絲環(huán)中的螺旋環(huán)圈 的間距不小于5mm，以保證相鄰環(huán)圈之間的銀液滴不會(huì)發(fā)生接觸；
[0011] 步驟（3)、在高純氮?dú)猓∟2)環(huán)境中加熱鍍鉻（Cr)鎢桿，金屬鉻受熱蒸發(fā)；
[0012] 步驟（4)、一氧化硅（SiO)材料裝載于盒子狀鉭蒸發(fā)舟內(nèi)，受熱后沿著氣體運(yùn)行 通道從出射口向下方蒸發(fā)；一氧化硅氣體運(yùn)動(dòng)于高純氧氣環(huán)境中，氧化生成近二氧化硅 (SiO 2)的物質(zhì) SiOx，其中 l〈x〈2 ;
[0013] 進(jìn)一步地，所述的高純氮?dú)饬髁糠秶鸀?5sccm-100sccm。
[0014] 進(jìn)一步地，所述的鎳鉻合金絲也可以用直徑不小于0. 5mm的鉭絲。
[0015] 進(jìn)一步地，所述的小段密集纏繞是指在鎢絲環(huán)的每個(gè)螺旋環(huán)圈上只選擇一小段區(qū) 域（2mm-6mm)用來承載銀絲和鎳鉻合金絲，按照所需量把銀絲和鎳鉻合金絲交叉密集纏繞 在螺旋環(huán)圈的鎢絲上。
[0016] 進(jìn)一步地，所述的鎳鉻合金絲中鎳、鉻含量的比例大于等于7 :3。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的鉭蒸發(fā)舟也可用同類型的鑰蒸發(fā)舟和鎢蒸發(fā)舟。
[0018] 進(jìn)一步地，所述的高純氧氣的流量范圍為25sccm_100sccm。
[0019] 本發(fā)明的原理是：在常溫狀態(tài)下，金屬銀的熔點(diǎn)約961 °C，鎳鉻合金的熔點(diǎn)約 1350°C，在銀蒸發(fā)過程中，熱量不足以使得鎳鉻金屬發(fā)生明顯的蒸發(fā)，保證了銀反射膜的高 反射率特性。兩種金屬的浸潤性（潤濕性）指的是在固態(tài)-液態(tài)表面表現(xiàn)的接觸情況，用液 態(tài)表面與固體表面形成的接觸角大小來表征。通常浸潤性好的兩種金屬的膜層粘結(jié)牢固度 也優(yōu)異。鉻膜常用作銀膜與其他膜層或者界面的粘結(jié)層，與銀膜有良好的粘結(jié)牢固度；銀液 滴在鎢表面形成的接觸角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于90°，表現(xiàn)出完全不浸潤；鉻可以作為一載體使銀液滴 收縮在一定范圍內(nèi)。加鎳在金屬鉻內(nèi)可以改變鉻的柔韌性，便于操作。實(shí)際上銀液滴會(huì)完全 包裹鎳鉻合金絲，表現(xiàn)出良好的浸潤性；同時(shí)在高溫下鎳鉻合金和鎢在接觸面會(huì)發(fā)生一定 作用而生成三元合金狀態(tài)使得鎢與銀液滴也表現(xiàn)出一定的浸潤性；浸潤性不僅與原子最外 層電子排列有關(guān)還與固體表面的粗糙程度有關(guān)，鎢絲環(huán)由三根直徑Imm的鎢絲扭合而成， 表面的溝槽增加了承載銀的能力。另外，金屬鉻具有升華的物理性質(zhì)也有良好的導(dǎo)熱性，包 裹鎢桿的金屬鉻受熱后均勻傳導(dǎo)到表面并由表面開始蒸發(fā)，在氮?dú)猸h(huán)境中經(jīng)過氮化作用生 成CrNx(x>0)。同樣一氧化硅具有低熔點(diǎn)（1200°C-1600°C )升華的物理特性，因此可提供 裝載于密閉容器中受熱向下蒸發(fā)的可行性和安全性。一氧化硅高溫升華為氣體，并通過蒸 發(fā)源下方的出射口向下運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)非充分氧化生成SiO x(l〈x〈2)堆積形成保護(hù) 膜層。Si0x(l〈x〈2)膜層為無色介質(zhì)膜層，折射率介于一氧化硅（SiO)和二氧化硅（SiO 2)之 間，隨著氧化的程度表現(xiàn)為一氧化硅（SiO)或二氧化硅（SiO2)的特性。
[0020] 本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于通過加入鎳鉻合金絲作為中間載體而制作的鎢絲蒸發(fā) 舟能夠?qū)崿F(xiàn)銀反射膜的逆向熱蒸發(fā)。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：提供一種逆向電阻熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保 護(hù)膜層的方法，設(shè)備要求與投入成本低，鍍銀蒸發(fā)舟結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)安全、可 控、高速率地逆向熱蒸發(fā)銀反射膜，可廣泛應(yīng)用于大口徑光學(xué)元件領(lǐng)域，規(guī)避由于翻面和長 時(shí)間吊掛鍍膜造成面形變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明中銀絲和鎳鉻合金絲小段密集纏繞于鎢絲環(huán)上的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面舉例闡述【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0024] 本發(fā)明實(shí)際實(shí)施的設(shè)備為ZZS3200鍍膜機(jī)，該鍍膜機(jī)由中國科學(xué)院光電技術(shù)研究 所與成都南光機(jī)器有限公司聯(lián)合研制的腔體內(nèi)徑3200mm的鐘罩式鍍膜機(jī)。全部蒸發(fā)源位 于真空室上方自上向下沉積薄膜，共設(shè)置有金屬（如鋁）阻蒸系統(tǒng)和介質(zhì)阻蒸系統(tǒng)，前者為 72個(gè)非獨(dú)立的蒸發(fā)點(diǎn)均勻分布于直徑2600mm的同一圓環(huán)上；后者由三組獨(dú)立的蒸發(fā)點(diǎn)呈 120°分布于直徑約2000mm的同一圓環(huán)上。這里設(shè)定金屬阻蒸系統(tǒng)來沉積銀反射膜，介質(zhì) 阻蒸系統(tǒng)來制備粘結(jié)層CrNx和保護(hù)膜層SiOx。
[0025] 制備過程中主鏡鏡面朝上，蒸發(fā)舟位于主鏡鏡面上方，采用逆向熱蒸發(fā)方法。蒸發(fā) 過程中要充入高純氮?dú)獍呀饘巽t氮化為CrNx (x>0)，充入高純氧氣把一氧化硅（SiO)氣體 氧化為透明、高硬度的Si0x(l〈x〈2)。高純氮?dú)獾牧髁糠秶鸀?5 SCCm-10〇SCCm，氧氣流量范 圍為 25sccm -lOOsccm。
[0026] 具體實(shí)施過程按照以下步驟進(jìn)行。
[0027] 1、對(duì)主鏡進(jìn)行整體清潔，尤其鏡面要特別擦拭。吊裝處理好的主鏡面朝上放置于 多面支撐也可以為多點(diǎn)支撐（例如18點(diǎn)柔性面支撐）上。封閉真空室，抽取真空。
[0028] 2、真空度越高越好，這里在壓強(qiáng)4. OX l(T4pa-5. OX l(T4pa下，充入氦氣（Ar)。當(dāng) 壓強(qiáng)穩(wěn)定在4. Opa左右開始打開輝光放電裝置對(duì)主鏡鏡面以及真空室進(jìn)行輝光清洗并排 除雜質(zhì)。清洗大約10-20分鐘后，關(guān)閉輝光放電裝置，關(guān)閉氬氣閥，抽取恢復(fù)高真空。
[0029] 3、為提高膜層附著力，恢復(fù)高真空的時(shí)間一般控制在15分鐘以內(nèi)。充氬氣之前真 空度越高，恢復(fù)時(shí)間越短。
[0030] 4、當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到6. OX KT4Pa以下，打開轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)源，使主鏡勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速合適范 圍為5rad/min_10rad/min。開始充入高純氮?dú)?，流量?5sccm-100sccm范圍內(nèi)，這里取 5〇 SCCm。按照ZZS3200鍍膜機(jī)狀態(tài)，壓強(qiáng)穩(wěn)定在6. 5 X 10_3pa附近，開始對(duì)鉻進(jìn)行預(yù)熔和蒸 發(fā)。蒸發(fā)速率在〇.〇6nm/s-〇. 15nm/s之間，蒸發(fā)實(shí)際厚度可以在5nm-40nm之間。完成后關(guān) 閉氮?dú)忾y。
[0031] 5、開始對(duì)銀進(jìn)行預(yù)烙和蒸發(fā)。最大蒸發(fā)速率范圍為I. 8nm/s-3. Onm/s，蒸發(fā)厚度約 為 120nm。
[0032] 6、完成銀反射膜制備后需要恢復(fù)高真空。抽取真空時(shí)間10-20分鐘后，壓強(qiáng)顯示 在6. OX l(T4pa以下打開氮?dú)忾y，充入高純氮?dú)猓髁吭?5sccm-100sccm范圍內(nèi)，這里取 50sccm。壓強(qiáng)穩(wěn)定在6. 5Xl(T3pa附近，開始對(duì)鉻進(jìn)行預(yù)烙和蒸發(fā)。蒸發(fā)速率在0. 02nm/ s-0. 06nm/s，蒸發(fā)實(shí)際厚度可以在0. 2nm-〇. 5nm之間。完成后關(guān)閉氮?dú)忾y。
[0033] 7、打開氧氣閥，持續(xù)充入高純氧氣，流量為25sccm-100sccm，這里選取50sccm。壓 強(qiáng)穩(wěn)定在6. 5 X l(T3pa附近，開始對(duì)一氧化娃進(jìn)行預(yù)烙和蒸發(fā)。蒸發(fā)速率控制在0. 06nm/ s-1.2nm/s，蒸發(fā)實(shí)際厚度約150nm。完成后關(guān)閉氧氣閥。
【權(quán)利要求】
1. 一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特征在于：待鍍光學(xué)元件 鏡面朝上放置鍍膜設(shè)備底部，所有材料蒸發(fā)源位于鏡面上方，電阻加熱式逆向熱蒸發(fā)。
2. -種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特征在于：該方法采用的 膜層序列為Sub/CrNx/Ag/CrNx/SiOx/Air，包括如下步驟： 步驟（1)、在高純氮?dú)猓∟2)環(huán)境中加熱鍍鉻（Cr)鎢桿，受熱后鉻分子向四周逸散；所述 的鍍鉻鎢桿為鉻電鍍于單根普通鎢桿上，鎢桿為鉻的承載體并提供熱量來源；鉻分子與氮 氣發(fā)生反應(yīng)生成CrNx，其中x>0 ; 步驟（2)、加熱鎢絲蒸發(fā)舟，銀受熱蒸發(fā)；所述的鎢絲蒸發(fā)舟由高純銀絲（99. 95% )、鎳 鉻合金絲、鎢絲環(huán)三部分組成，高純銀絲與鎳鉻合金絲一起按照小段密集纏繞方式纏繞在 鎢絲環(huán)的螺旋環(huán)圈上；所述鎢絲蒸發(fā)舟中銀絲的直徑為1mm，能夠兼顧到纏繞加工所需的 柔韌性和蒸發(fā)厚度足量性；所述鎢絲蒸發(fā)舟中鎳鉻合金絲中鎳與鉻含量比例為9 :1，鎳鉻 合金絲的直徑為0. 5mm，鉻起到固定銀液滴的作用，鎳用來提高鉻絲的柔韌性以方便纏繞加 工；所述鎢絲蒸發(fā)舟中鎢絲環(huán)由三根直徑1mm的鎢絲繞制而成，鎢絲環(huán)中的螺旋環(huán)圈的間 距不小于5mm，以保證相鄰環(huán)圈之間的銀液滴不會(huì)發(fā)生接觸； 步驟（3)、在高純氮?dú)猓∟2)環(huán)境中加熱鍍鉻（Cr)鎢桿，金屬鉻受熱蒸發(fā)； 步驟（4)、一氧化硅（SiO)材料裝載于盒子狀鉭蒸發(fā)舟內(nèi)，受熱后沿著氣體運(yùn)行通道從 出射口向下方蒸發(fā)；一氧化娃氣體運(yùn)動(dòng)于高純氧氣環(huán)境中，氧化生成近二氧化娃（Si02)的 物質(zhì)SiOx，其中l(wèi)〈x〈2。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特 征在于：所述步驟（1)的高純氮?dú)饬髁糠秶鸀?5sccm-100sccm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特 征在于：所述步驟（2)的鎳鉻合金絲用直徑不小于0. 5mm的鉭絲代替。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其 特征在于：所述步驟（2)的小段密集纏繞是指在鎢絲環(huán)的每個(gè)螺旋環(huán)圈上只選擇一小段區(qū) 域，長度為之間，用來承載銀絲和鎳鉻合金絲，按照所需量把銀絲和鎳鉻合金絲交 叉密集纏繞在螺旋環(huán)圈的鎢絲上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特 征在于：所述步驟（2)的鎳鉻合金絲中鎳、鉻含量的比例大于等于7 :3。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特 征在于：所述步驟（4)的鉭蒸發(fā)舟用同類型的鑰蒸發(fā)舟和鎢蒸發(fā)舟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種逆向熱蒸發(fā)銀反射膜加介質(zhì)保護(hù)膜層的制備方法，其特 征在于：所述步驟（4)的高純氧氣的流量范圍為25sccm-100sccm。
【文檔編號(hào)】C23C14/18GK104328378SQ201410614079
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】裴文俊, 劉洪祥 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所