一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜的制备方法，采用的膜层序列为Sub/CrNx/Ag/CrNx/SiOx/Air，制备过程中所有的蒸发源位于镜面上方，逆向热蒸发；承载铬(Cr)材料的主要部件为钨杆，承载银(Ag)材料的主要部件为钨丝环，保护膜材料为一氧化硅(SiO)，装载于钽蒸发舟中；在氮气(N2)环境中蒸发Cr形成CrNx，在氧气(O2)环境中蒸发SiO形成SiOx。本发明具有工艺简单、操作方便、设备与材料成本低的优点，能够规避大型光学元件翻面带来的风险。
【专利说明】一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及制备银反射膜的【技术领域】，特别涉及一种逆向热蒸发银反射膜加介质 保护膜层的制备方法。
【背景技术】
[0002] 在所有的金属中，银膜的反射率是最高的，并且反射曲线比较稳定。在可见和红外 波段，银的反射率最高，热辐射率最小，倾斜使用时所引入的偏振效应最小，是最为合适的 金属反射层材料。
[0003] 由于银与常用的蒸发舟材料不存在浸润性的特性，而自身在受热后会熔化为液体 状，使得通用的银蒸发方式为自下向上蒸发，也因此把银反射膜的应用限制在中小口径光 学元件范围内。目前，对大口径光学元件的需求量变得原来越大，反射率等性能要求也提的 越来越高；另一方面，由于大口径光学元件自身重力的限制，使其面形控制难度大，膜系制 备完成后镜面的翻转也会影响主镜面形，安全系数低；因此镜面朝上放置、逆向蒸发的制备 方式是薄膜技术的要求和发展趋势。
[0004] 如何使银逆向蒸发是关键技术之一。据相关文献报道，获得初步成果的有磁控溅 射和电阻热蒸发两种方式。双子星望远镜（Gemini，美国）本世纪初逆向溅射银靶等实现 膜系制备，膜系结构为：Sub/65ANiCrN X/110〇AAg/6ANiCrNx/85ASiNX;存在的缺点为需要 投入昂贵的磁控溅射镀膜设备和靶材，并且材料利用率较低，推广困难。1998年3月，日本 Takeshi Noguchi等人为Subaru望远镜I. 3m次主镜成功逆向蒸发镀制了银反射膜，他们 将一根银丝和三根钽丝扭合为成一个螺线圈放置真空室上部，利用电阻加热向下蒸发银膜 层；存在的缺点为螺旋圈加工复杂，成本高，不可重复利用；不过其为低设备成本制备银反 射膜提供了一条可行性途径。
[0005] 相关资料表明，逆向电阻热蒸发制备银反射膜的尝试有使用特殊设计的密封式蒸 发舟、钨丝篮、加钼金钨丝环等，都存在蒸发不易控制、蒸发速率过低、成本过于昂贵等缺 点，难以普遍使用，需要寻求新的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出了一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法， 尤其是一种逆向热蒸发银反射膜层的制备方法，选择常见的钨丝环作为承载银材料的主要 部件，一氧化硅（SiO)作为保护膜层材料，采用自上向下的热蒸发方式，能够制备出具有优 良性能的反射膜层和保护膜层，其为光学元件尤其是大口径光学元件提高反射率以及加介 质保护层延长反射膜的寿命提供技术段。
[0007] 本发明的技术解决方案：一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法， 把待镀光学元件镜面朝上放置于镀膜设备底部，所有材料蒸发源位于镜面上方，电阻加热 式逆向热蒸发。
[0008] 该方法采用的膜层序列为Sub/CrNx/Ag/CrNx/SiOx/Air，包括如下步骤：
[0009] 步骤（I)、在高纯氮气（N2)环境中加热镀铬（Cr)钨杆，受热后铬分子向四周逸散； 所述的镀铬钨杆为铬电镀于单根普通钨杆上，钨杆为铬的承载体并提供热量来源；铬分子 与氮气发生反应生成CrNx，其中x>0 ;
[0010] 步骤⑵、加热钨丝蒸发舟，银受热蒸发；所述的钨丝蒸发舟由高纯银丝 (99. 95% )、镍铬合金丝、钨丝环三部分组成，高纯银丝与镍铬合金丝一起按照小段密集缠 绕方式缠绕在钨丝环的螺旋环圈上；所述钨丝蒸发舟中银丝的直径为1mm，能够兼顾到缠 绕加工所需的柔韧性和蒸发厚度足量性；所述钨丝蒸发舟中镍铬合金丝中镍与铬含量比例 为9 :1，丝的直径为0. 5mm，铬起到固定银液滴的作用，镍用来提高铬丝的柔韧性以方便缠 绕加工；所述钨丝蒸发舟中钨丝环由三根直径Imm的钨丝绕制而成，钨丝环中的螺旋环圈 的间距不小于5mm，以保证相邻环圈之间的银液滴不会发生接触；
[0011] 步骤（3)、在高纯氮气（N2)环境中加热镀铬（Cr)钨杆，金属铬受热蒸发；
[0012] 步骤（4)、一氧化硅（SiO)材料装载于盒子状钽蒸发舟内，受热后沿着气体运行 通道从出射口向下方蒸发；一氧化硅气体运动于高纯氧气环境中，氧化生成近二氧化硅 (SiO 2)的物质 SiOx，其中 l〈x〈2 ;
[0013] 进一步地，所述的高纯氮气流量范围为25sccm-100sccm。
[0014] 进一步地，所述的镍铬合金丝也可以用直径不小于0. 5mm的钽丝。
[0015] 进一步地，所述的小段密集缠绕是指在钨丝环的每个螺旋环圈上只选择一小段区 域（2mm-6mm)用来承载银丝和镍铬合金丝，按照所需量把银丝和镍铬合金丝交叉密集缠绕 在螺旋环圈的钨丝上。
[0016] 进一步地，所述的镍铬合金丝中镍、铬含量的比例大于等于7 :3。
[0017] 进一步地，所述的钽蒸发舟也可用同类型的钥蒸发舟和钨蒸发舟。
[0018] 进一步地，所述的高纯氧气的流量范围为25sccm_100sccm。
[0019] 本发明的原理是：在常温状态下，金属银的熔点约961 °C，镍铬合金的熔点约 1350°C，在银蒸发过程中，热量不足以使得镍铬金属发生明显的蒸发，保证了银反射膜的高 反射率特性。两种金属的浸润性（润湿性）指的是在固态-液态表面表现的接触情况，用液 态表面与固体表面形成的接触角大小来表征。通常浸润性好的两种金属的膜层粘结牢固度 也优异。铬膜常用作银膜与其他膜层或者界面的粘结层，与银膜有良好的粘结牢固度；银液 滴在钨表面形成的接触角远远大于90°，表现出完全不浸润；铬可以作为一载体使银液滴 收缩在一定范围内。加镍在金属铬内可以改变铬的柔韧性，便于操作。实际上银液滴会完全 包裹镍铬合金丝，表现出良好的浸润性；同时在高温下镍铬合金和钨在接触面会发生一定 作用而生成三元合金状态使得钨与银液滴也表现出一定的浸润性；浸润性不仅与原子最外 层电子排列有关还与固体表面的粗糙程度有关，钨丝环由三根直径Imm的钨丝扭合而成， 表面的沟槽增加了承载银的能力。另外，金属铬具有升华的物理性质也有良好的导热性，包 裹钨杆的金属铬受热后均匀传导到表面并由表面开始蒸发，在氮气环境中经过氮化作用生 成CrNx(x>0)。同样一氧化硅具有低熔点（1200°C-1600°C )升华的物理特性，因此可提供 装载于密闭容器中受热向下蒸发的可行性和安全性。一氧化硅高温升华为气体，并通过蒸 发源下方的出射口向下运动，在运动过程中经非充分氧化生成SiO x(l〈x〈2)堆积形成保护 膜层。Si0x(l〈x〈2)膜层为无色介质膜层，折射率介于一氧化硅（SiO)和二氧化硅（SiO 2)之 间，随着氧化的程度表现为一氧化硅（SiO)或二氧化硅（SiO2)的特性。
[0020] 本发明的关键技术点在于通过加入镍铬合金丝作为中间载体而制作的钨丝蒸发 舟能够实现银反射膜的逆向热蒸发。
[0021] 本发明与现有技术相比的优点在于：提供一种逆向电阻热蒸发银反射膜加介质保 护膜层的方法，设备要求与投入成本低，镀银蒸发舟结构简单、成本低廉，能够实现安全、可 控、高速率地逆向热蒸发银反射膜，可广泛应用于大口径光学元件领域，规避由于翻面和长 时间吊挂镀膜造成面形变化带来的风险。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明中银丝和镍铬合金丝小段密集缠绕于钨丝环上的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面举例阐述【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0024] 本发明实际实施的设备为ZZS3200镀膜机，该镀膜机由中国科学院光电技术研究 所与成都南光机器有限公司联合研制的腔体内径3200mm的钟罩式镀膜机。全部蒸发源位 于真空室上方自上向下沉积薄膜，共设置有金属（如铝）阻蒸系统和介质阻蒸系统，前者为 72个非独立的蒸发点均匀分布于直径2600mm的同一圆环上；后者由三组独立的蒸发点呈 120°分布于直径约2000mm的同一圆环上。这里设定金属阻蒸系统来沉积银反射膜，介质 阻蒸系统来制备粘结层CrNx和保护膜层SiOx。
[0025] 制备过程中主镜镜面朝上，蒸发舟位于主镜镜面上方，采用逆向热蒸发方法。蒸发 过程中要充入高纯氮气把金属铬氮化为CrNx (x>0)，充入高纯氧气把一氧化硅（SiO)气体 氧化为透明、高硬度的Si0x(l〈x〈2)。高纯氮气的流量范围为25 SCCm-10〇SCCm，氧气流量范 围为 25sccm -lOOsccm。
[0026] 具体实施过程按照以下步骤进行。
[0027] 1、对主镜进行整体清洁，尤其镜面要特别擦拭。吊装处理好的主镜面朝上放置于 多面支撑也可以为多点支撑（例如18点柔性面支撑）上。封闭真空室，抽取真空。
[0028] 2、真空度越高越好，这里在压强4. OX l(T4pa-5. OX l(T4pa下，充入氦气（Ar)。当 压强稳定在4. Opa左右开始打开辉光放电装置对主镜镜面以及真空室进行辉光清洗并排 除杂质。清洗大约10-20分钟后，关闭辉光放电装置，关闭氩气阀，抽取恢复高真空。
[0029] 3、为提高膜层附着力，恢复高真空的时间一般控制在15分钟以内。充氩气之前真 空度越高，恢复时间越短。
[0030] 4、当压强达到6. OX KT4Pa以下，打开转动点源，使主镜匀速转动，转速合适范 围为5rad/min_10rad/min。开始充入高纯氮气，流量在25sccm-100sccm范围内，这里取 5〇 SCCm。按照ZZS3200镀膜机状态，压强稳定在6. 5 X 10_3pa附近，开始对铬进行预熔和蒸 发。蒸发速率在〇.〇6nm/s-〇. 15nm/s之间，蒸发实际厚度可以在5nm-40nm之间。完成后关 闭氮气阀。
[0031] 5、开始对银进行预烙和蒸发。最大蒸发速率范围为I. 8nm/s-3. Onm/s，蒸发厚度约 为 120nm。
[0032] 6、完成银反射膜制备后需要恢复高真空。抽取真空时间10-20分钟后，压强显示 在6. OX l(T4pa以下打开氮气阀，充入高纯氮气，流量在25sccm-100sccm范围内，这里取 50sccm。压强稳定在6. 5Xl(T3pa附近，开始对铬进行预烙和蒸发。蒸发速率在0. 02nm/ s-0. 06nm/s，蒸发实际厚度可以在0. 2nm-〇. 5nm之间。完成后关闭氮气阀。
[0033] 7、打开氧气阀，持续充入高纯氧气，流量为25sccm-100sccm，这里选取50sccm。压 强稳定在6. 5 X l(T3pa附近，开始对一氧化娃进行预烙和蒸发。蒸发速率控制在0. 06nm/ s-1.2nm/s，蒸发实际厚度约150nm。完成后关闭氧气阀。
【权利要求】
1. 一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特征在于：待镀光学元件 镜面朝上放置镀膜设备底部，所有材料蒸发源位于镜面上方，电阻加热式逆向热蒸发。
2. -种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特征在于：该方法采用的 膜层序列为Sub/CrNx/Ag/CrNx/SiOx/Air，包括如下步骤： 步骤（1)、在高纯氮气（N2)环境中加热镀铬（Cr)钨杆，受热后铬分子向四周逸散；所述 的镀铬钨杆为铬电镀于单根普通钨杆上，钨杆为铬的承载体并提供热量来源；铬分子与氮 气发生反应生成CrNx，其中x>0 ; 步骤（2)、加热钨丝蒸发舟，银受热蒸发；所述的钨丝蒸发舟由高纯银丝（99. 95% )、镍 铬合金丝、钨丝环三部分组成，高纯银丝与镍铬合金丝一起按照小段密集缠绕方式缠绕在 钨丝环的螺旋环圈上；所述钨丝蒸发舟中银丝的直径为1mm，能够兼顾到缠绕加工所需的 柔韧性和蒸发厚度足量性；所述钨丝蒸发舟中镍铬合金丝中镍与铬含量比例为9 :1，镍铬 合金丝的直径为0. 5mm，铬起到固定银液滴的作用，镍用来提高铬丝的柔韧性以方便缠绕加 工；所述钨丝蒸发舟中钨丝环由三根直径1mm的钨丝绕制而成，钨丝环中的螺旋环圈的间 距不小于5mm，以保证相邻环圈之间的银液滴不会发生接触； 步骤（3)、在高纯氮气（N2)环境中加热镀铬（Cr)钨杆，金属铬受热蒸发； 步骤（4)、一氧化硅（SiO)材料装载于盒子状钽蒸发舟内，受热后沿着气体运行通道从 出射口向下方蒸发；一氧化娃气体运动于高纯氧气环境中，氧化生成近二氧化娃（Si02)的 物质SiOx，其中l〈x〈2。
3. 根据权利要求2所述的一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特 征在于：所述步骤（1)的高纯氮气流量范围为25sccm-100sccm。
4. 根据权利要求2所述的一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特 征在于：所述步骤（2)的镍铬合金丝用直径不小于0. 5mm的钽丝代替。
5. 根据权利要求2所述的一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其 特征在于：所述步骤（2)的小段密集缠绕是指在钨丝环的每个螺旋环圈上只选择一小段区 域，长度为之间，用来承载银丝和镍铬合金丝，按照所需量把银丝和镍铬合金丝交 叉密集缠绕在螺旋环圈的钨丝上。
6. 根据权利要求2所述的一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特 征在于：所述步骤（2)的镍铬合金丝中镍、铬含量的比例大于等于7 :3。
7. 根据权利要求2所述的一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特 征在于：所述步骤（4)的钽蒸发舟用同类型的钥蒸发舟和钨蒸发舟。
8. 根据权利要求2所述的一种逆向热蒸发银反射膜加介质保护膜层的制备方法，其特 征在于：所述步骤（4)的高纯氧气的流量范围为25sccm-100sccm。
【文档编号】C23C14/18GK104328378SQ201410614079
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】裴文俊, 刘洪祥 申请人:中国科学院光电技术研究所