本發(fā)明屬于功能光學(xué)薄膜設(shè)計與研制領(lǐng)域，涉及一種高性能ZnS基底復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的制備方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代光電成像技術(shù)的發(fā)展，要求紅外探測系統(tǒng)的窗口元件不僅要具有較高的紅外透過率而且要具有良好的機械性能和環(huán)境適應(yīng)能力。ZnS作為目前應(yīng)用最廣泛的長波紅外窗口材料存在著透過率較低、機械強度較低的缺陷。

在ZnS表面沉積Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護膜，不僅可以通過膜層材料和基底之間良好的折射率匹配來提高ZnS基底的透過率；而且可以通過選擇高硬度的薄膜作為最外層材料，為ZnS基底提供良好的復(fù)雜環(huán)境下的保護能力。

目前，各國研究人員通過采用化學(xué)氣相沉積法和射頻磁控濺射法在ZnS基底制備了Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護膜。單純使用化學(xué)氣相沉積法制備的Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護膜含H量較高，紅外透過率較低。單純使用磁控濺射法制備的Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護膜的硬度較低。而分別使用兩種方法制備Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護膜會造成較大的吸收，同時對膜層的外觀、穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，并且增加了工藝復(fù)雜性。因此，發(fā)明一種簡單的可連續(xù)鍍制具有良好的光學(xué)特性和力學(xué)特性Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的工藝方法是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是：提供一種高性能ZnS基底復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的制備方法，選擇離子束反應(yīng)濺射法連續(xù)制備由弱吸收、高強度、與基地結(jié)合較好的Ge_1-xC_x薄膜和高硬度、低折射率的DLC薄膜組成的復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜，克服ZnS基底應(yīng)用中存在的透過率較低和機械強度較差的缺陷。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種高性能ZnS基底復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的制備方法，其包括以下步驟：

S1：離子束反應(yīng)濺射法制備Ge_1-xC_x過渡層

選用ZnS基片作為基底，通過離子束反應(yīng)濺射法在ZnS基底上制備Ge_1-xC_x薄膜；

S2：離子束反應(yīng)濺射法制備DLC薄膜

在Ge_1-xC_x薄膜上方，通過離子束反應(yīng)濺射法制備DLC薄膜。

其中，所述步驟S1中，離子束反應(yīng)濺射法制備Ge_1-xC_x過渡層包括以下步驟：

S11：清洗基片

S12：預(yù)濺射

將清洗后的ZnS基片放入離子束反應(yīng)濺射鍍膜機內(nèi)，作為基底，以Ge作為靶材，Ar作為離子源工作氣體，CH₄作為反應(yīng)氣體，開始預(yù)濺射；

S13：預(yù)轟擊

對基底進行預(yù)轟擊，清除基底表面的吸附氣體分子和其他雜質(zhì)；

S14：濺射鍍膜

向主離子源內(nèi)充入Ar，向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄，反應(yīng)濺射沉積Ge_1-xC_x過渡層。

其中，所述步驟S2中，離子束反應(yīng)濺射法制備DLC薄膜包括以下步驟：

S21：預(yù)濺射

將基片轉(zhuǎn)動至非鍍膜區(qū)，轉(zhuǎn)動靶材，將石墨靶轉(zhuǎn)動到濺射位置。開始預(yù)濺射靶材；

S22：濺射鍍膜

向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄，將基片轉(zhuǎn)動至鍍膜區(qū)，淀積DLC薄膜。

其中，所述步驟S11中，清洗基片的過程為：用蘸有體積比為1:1的無水乙醇和乙醚的混合液的脫脂紗布初步擦拭凈基片，隨后用脫脂紗布蘸氧化鈰拋光液對基片進行拋光，然后依次用蘸有無水乙醇和乙醚的混合液的脫脂紗布和脫脂棉布擦拭基片表面。

其中，所述步驟S12中，預(yù)濺射時，主離子源和中和器內(nèi)Ar總流量在30sccm-55sccm之間；主離子源束壓控制為500V-1000V；束流控制在300mA以內(nèi)；時間為2min-5min。

其中，所述步驟S13中，預(yù)轟擊時，向輔助離子源和中和器內(nèi)充入的Ar，流量控制在24sccm-55sccm之間；輔助離子源束壓控制為150V-600V；束流控制在300mA以內(nèi)；將基底轉(zhuǎn)動到鍍膜位置，時間為2min-15min。

其中，所述步驟S14中，濺射鍍膜時，主離子源內(nèi)充入Ar流量為30sccm-55sccm，真空室通入反應(yīng)氣體CH₄流量在25sccm-40sccm之間，調(diào)節(jié)離子源束壓為800V-1200V，束流為300mA-400mA，鍍膜時間控制在40min-80min。

其中，所述步驟S21中，預(yù)濺射時，主離子源和中和器內(nèi)Ar總流量在25sccm-55sccm之間；主離子源束壓控制為500V-1000V；束流控制在300mA以內(nèi)；時間為2min-5min。

其中，所述步驟S22中，濺射鍍膜時，調(diào)節(jié)主離子源束壓為600V-1200V，束流為300mA-400mA，向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄流量在16sccm-64sccm之間。

其中，所述步驟S22中，濺射鍍膜時間為8小時-18小時。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的高性能ZnS基底復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的制備方法，通過采用簡單、可靠的離子束反應(yīng)濺射法制備高性能Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜，克服傳統(tǒng)鍍膜方法制備復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜性能的不足，從總體上提高整個ZnS基底膜層的性能。

附圖說明

圖1是ZnS基底膜層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是離子束反應(yīng)濺射鍍膜機結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例鍍膜前后的ZnS基底透過率對比曲線圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。

為了克服傳統(tǒng)方法在ZnS基底制備的Ge_1-xC_x/DLC復(fù)合硬質(zhì)保護膜的缺點和不足，如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供了高性能ZnS基底復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的制備方法，包括以下步驟：

1)離子束反應(yīng)濺射法制備Ge_1-xC_x過渡層

清洗基片

基片選用ZnS基片，用蘸有無水乙醇和乙醚的混合液(體積比為1:1)的脫脂紗布初步擦拭凈基片，隨后用脫脂紗布蘸氧化鈰拋光液對基片進行拋光，然后依次用蘸有無水乙醇和乙醚的混合液的脫脂紗布和脫脂棉布擦拭基片表面，直至擦拭干凈為止。

預(yù)濺射

將清洗后的ZnS基片放入離子束反應(yīng)濺射鍍膜機內(nèi)，作為基底，打開真空泵抽真空。以Ge作為靶材，Ar作為離子源工作氣體，CH₄作為反應(yīng)氣體。當(dāng)真空室內(nèi)壓強降至10-³Pa以下時，開始預(yù)濺射。條件為：主離子源和中和器內(nèi)Ar總流量在30sccm-55sccm之間；主離子源束壓控制為500V-1000V；束流控制在300mA以內(nèi)；時間為2min-5min。隨后關(guān)閉主離子源以及中和器。

該步驟可以有效清除靶材表面附著的污染物，降低薄膜中雜質(zhì)含量。

預(yù)轟擊

向輔助離子源和中和器內(nèi)充入的Ar，流量控制在24sccm-55sccm之間；輔助離子源束壓控制為150V-600V；束流控制在300mA以內(nèi)；將基底轉(zhuǎn)動到鍍膜位置，時間為2min-15min。

該步驟通過對基底進行預(yù)轟擊，清除基底表面的吸附氣體分子和其他雜質(zhì)，使基底表面達到較高的潔凈水平，極大地提高了膜層與基底之間的附著力。

濺射鍍膜

關(guān)閉輔助離子源及其流量計，開始反應(yīng)濺射沉積Ge_1-xC_x過渡層。向主離子源內(nèi)充入Ar流量為30sccm-55sccm，向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄，流量在25sccm-40sccm之間，調(diào)節(jié)離子源束壓為800V-1200V，束流為300mA-400mA。鍍膜時間控制在40min-80min。

該步驟沉積的薄膜可以與基底之間形成良好的附著力，也可與外層DLC薄膜形成良好的折射率匹配，同時具有吸收小、硬度較高的優(yōu)點，可以很大程度提高復(fù)合硬質(zhì)保護薄膜的整體性能。

2)離子束反應(yīng)濺射法制備DLC薄膜

預(yù)濺射

將基片轉(zhuǎn)動至非鍍膜區(qū)。轉(zhuǎn)動靶材，將石墨靶轉(zhuǎn)動到濺射位置。開始預(yù)濺射靶材。條件為：主離子源和中和器內(nèi)Ar總流量在25sccm-55sccm之間；主離子源束壓控制為500V-1000V；束流控制在300mA以內(nèi)；時間為2min-5min。

濺射鍍膜

調(diào)節(jié)主離子源束壓為600V-1200V，束流為300mA-400mA，向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄，流量在16sccm-64sccm之間，真空室壓強在8×10-²Pa以下。當(dāng)離子源工作狀態(tài)穩(wěn)定后，將基片轉(zhuǎn)動至鍍膜區(qū)，淀積DLC薄膜，鍍膜時間為8小時-18小時。

該步驟在Ge_1-xC_x過渡層制備完成基礎(chǔ)上連續(xù)鍍膜，工藝簡單、可靠，同時很好地避免了分次鍍膜對薄膜性能造成的影響。

下面以具體的實例對本發(fā)明方法做進一步詳細描述。

實施例1

1)離子束反應(yīng)濺射法制備Ge_1-xC_x過渡層

用蘸有無水乙醇和乙醚的混合液(體積比為1:1)的脫脂紗布初步擦拭凈基片，隨后用脫脂紗布蘸氧化鈰拋光液對基片進行拋光，然后依次用蘸有無水乙醇和乙醚的混合液的脫脂紗布和脫脂棉布擦拭基片表面，直至擦拭干凈為止。將清洗后的ZnS基片放入離子束反應(yīng)濺射鍍膜機內(nèi)，打開真空泵抽真空。以Ge作為靶材，Ar作為離子源工作氣體，CH₄作為反應(yīng)氣體。當(dāng)真空室內(nèi)壓強降至10^-3Pa以下時，開始預(yù)濺射。條件為：主離子源和中和器內(nèi)Ar總流量在32sccm；主離子源束壓為1000V；束流為300mA；濺射時間為5min。隨后將基底轉(zhuǎn)動到鍍膜位置，對基片進行預(yù)轟擊。條件為：向輔助離子源和中和器內(nèi)充入Ar，流量控制為30sccm；輔助離子源束壓為200V；束流為100mA；時間為10min。預(yù)轟擊后，關(guān)閉輔助離子源及其流量計，開始反應(yīng)濺射沉積Ge_1-xC_x過渡層。向主離子源和中和器內(nèi)充入Ar流量為32sccm，向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄，流量為32sccm，調(diào)節(jié)離子源束壓為1000V，束流為300mA。鍍膜時間為60min。

2)離子束反應(yīng)濺射法制備DLC薄膜

將基片轉(zhuǎn)動至非鍍膜區(qū)。轉(zhuǎn)動靶材，將石墨靶轉(zhuǎn)動到濺射位置。開始預(yù)濺射。條件為：主離子源和中和器內(nèi)Ar總流量為32sccm；主離子源束壓為1000V；束流為300mA；時間為5min。調(diào)節(jié)主離子源束壓為600V，束流為400mA，向真空室通入反應(yīng)氣體CH₄，流量為32sccm。當(dāng)離子源工作狀態(tài)穩(wěn)定后，將基片轉(zhuǎn)動至鍍膜區(qū)，淀積DLC薄膜，鍍膜時間為12.5小時。

從圖3可看出，鍍膜后ZnS基底的平均透過率從73％提高到89.8％。此外，膜層硬度達到15GPa。通過鍍制硬質(zhì)保護膜層大幅度提高了ZnS基底的光學(xué)特性和機械特性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。