專利名稱：氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜的制備方法，
背景技術(shù)：
紅外探測(cè)器窗口/頭罩將紅外傳感/成像系統(tǒng)與外界環(huán)境分隔開，對(duì)系統(tǒng)起著保護(hù) 作用，是紅外探測(cè)系統(tǒng)中非常重要的組成部分。由于飛行器飛行條件十分惡劣，紅外 探測(cè)器窗口/頭罩除了將承受高速飛行下空氣動(dòng)力加熱所產(chǎn)生的高溫、高壓、熱沖擊， 同時(shí)還會(huì)遭受到風(fēng)沙、雨滴、大氣中游離粒子等的侵蝕。因此，紅外窗口/頭罩材料除 了具有高紅外透過率、低吸收系數(shù)等優(yōu)良光學(xué)特性外，還應(yīng)具有高機(jī)械強(qiáng)度、抗高壓
、耐磨損、抗風(fēng)沙雨蝕、抗化學(xué)腐蝕等性能，且在高溫、低溫及輻射作用等各種苛刻 條件下，其光學(xué)性能、熱物理化學(xué)性能和力學(xué)性能保持良好。
目前，可用作3 5fim中波紅外窗口/頭罩材料有氧化釔、尖晶石、氮氧鋁、藍(lán)寶 石等。其中藍(lán)寶石單晶具有透過性能好、硬度高、抗熱沖擊、耐輻射、抗氧化、耐摩 擦、化學(xué)性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，而被認(rèn)為是可用作中波紅外窗口/頭罩的最佳候選材 -料。但是，限于目前的藍(lán)寶石原材料生長(zhǎng)、制備和加工技術(shù)水平，藍(lán)寶石的紅外透過 率偏低，且在高溫下的斷裂強(qiáng)度急劇降低，從而使其無法滿足高速、高溫的應(yīng)用條件。 美國(guó)海空作戰(zhàn)中心采用射頻磁控濺射方法在藍(lán)寶石襯底上制備出了單層Si02薄
膜和三層Si02/Si3N4/Si02復(fù)合薄膜(L. F. Johnson, M. B. Moran. "COMPRESSIVE
COATINGS FOR STRENGTHENED SAPPHIRE. Proc. of the International Society for Optical Engineering on Window and Dome Technologies and Materials VI, April 1999,
Orlando, Florida.)用于提高藍(lán)寶石的紅外透過率和高溫強(qiáng)度。無論單層Si02薄膜還是 三層SiCVSi3N4/Si02復(fù)合薄膜，與藍(lán)寶石襯底直接接觸的均是Si02薄膜，因此存在一 個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是由于Si02與藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)相差較大(Si02的熱膨脹系數(shù)
為0.5xl0—6 K—'，藍(lán)寶石的熱膨脹系數(shù)為5.3xlO^K—、在溫度發(fā)生突變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較 高的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力會(huì)大大降低薄膜和襯底的附著力，甚至影響整個(gè)窗口/頭罩的 熱穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜 的制備方法，該方法制備的氮化硅薄膜可滿足化學(xué)計(jì)量比,.薄膜的致密性良好，且薄 膜與襯底的附著力較高；制備的氮化硅/氧化硅雙層薄膜不僅能夠增加藍(lán)寶石襯底的紅 外透過率，而且對(duì)藍(lán)寶石襯底能夠起到較好的保護(hù)作用。
技術(shù)方案
本發(fā)明的基本思想是采用射頻磁控濺射方法先在藍(lán)寶石襯底上制備Si3N4薄膜
(Si3N4的熱膨脹系數(shù)為2.1xlO^K—b作為過渡層，然后在Si3N4上沉積Si02薄膜，制
備氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜。但是射頻磁控濺射方法制備的氮化硅較難滿足化
學(xué)計(jì)量比，氮化硅薄膜中氮的含量偏低，從而不能夠有效地降低Si02薄膜和藍(lán)寶石襯
底之間的熱應(yīng)力。
本發(fā)明的技術(shù)特征在于步驟如下-
步驟1:在微波電子回旋共振等離子體射頻磁控濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對(duì)Si靶 進(jìn)行預(yù)濺射5 40分鐘，除去Si靶表面的氧化層；
步驟2:采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法在藍(lán)寶石襯底上沉積Si3N4薄膜， 形成鍍膜藍(lán)寶石；工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離為8.0 20.0cm、 ECR 功率為10 500W、射頻功率為1 400W、 Ar氣流量為0.1 40.0SCCM、 Nz氣流量 為1.0 50.0 SCCM、反應(yīng)室氣壓為0.1 15.0Pa、襯底溫度為20 1000°C、濺射靶離
基片的距離為3.0 15.0cm、沉積時(shí)間為0.1 10.0h;
步驟3:對(duì)步驟2得到的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度400 IOO(TC、退火保護(hù)氣氛N2氣、退火時(shí)間0.1 8.0h;
步驟4:釆用ECR等離子體輔助濺射沉積方法對(duì)經(jīng)過步驟3得到的沉積有Si3N4 薄膜的藍(lán)寶石上再沉積Si02薄膜，工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離為 8.0 20.0 cm、 ECR功率為20 500 W、射頻功率為40 400 W、 Ar氣流量為3.0 40.0 SCCM、 02氣流量范圍為1.0 30.0 SCCM、反應(yīng)室氣壓為0.1 15.0 Pa、襯底溫度為 20 800°C、濺射耙離基片的距離為3.0 20.0cm、沉積時(shí)間為0.1 10.0h;
步驟5:對(duì)經(jīng)過步驟4得到的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，得到Si3N4/Si02雙層增透 保護(hù)薄膜；工藝條件為退火溫度為400 100(TC、退火保護(hù)氣氛為02氣、退火時(shí)間 為0.1 8.0h。
有益效果
本發(fā)明提出的氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜的制備方法，主要優(yōu)點(diǎn)是(l)能夠
制備出滿足化學(xué)計(jì)量比的Si3N4薄膜。(2)Si3N4薄膜與藍(lán)寶石襯底結(jié)合牢固。(3)Si3N4 薄膜可有效降低Si02薄膜和藍(lán)寶石襯底之間的熱應(yīng)力。(4)Si3N4的折射率(2.1)大于 藍(lán)寶石襯底的折射率(1.7)，在藍(lán)寶石襯底上沉積Si3N4薄膜后再沉積低折射率的Si02 薄膜(1.4)可有效地增加藍(lán)寶石的紅外透過性能。(5)氮化硅/氧化硅雙層薄膜可明顯 提高藍(lán)寶石的高溫?cái)嗔褟?qiáng)度，能夠?qū)λ{(lán)寶石襯底起到較好的保護(hù)作用。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 實(shí)施例1:
(l)在微波電子回旋共振(ECR)等離子體射頻磁控濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對(duì)Si
靶進(jìn)行預(yù)濺射5分鐘，除去Si耙表面的氧化層；
(2) 采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法在藍(lán)寶石襯底上沉積Si3N4薄膜，工藝條 件為ECR等離子體室口離基片的距離18.0cm、 ECR功率400W、射頻功率80 W、 Ar氣流量為30.0 SCCM、N2氣流量為40.0 SCCM、反應(yīng)室氣壓0.5 Pa、襯底溫度IO(TC、 濺射靶離基片的距離14.0 cm、沉積時(shí)間9,3h;
(3) 對(duì)經(jīng)過步驟(2)的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度400。C、退 火保護(hù)氣氛N2氣、退火時(shí)間6.0h;
(4) 采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法對(duì)經(jīng)過步驟(3)沉積有Si3N4薄膜的藍(lán)寶 石上再沉積Si02薄膜，工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離IO.O cm、 ECR 功率80W、射頻功率300W、 Ar氣流量為15.0SCCM、 02氣流量范圍為15.0 SCCM、 反應(yīng)室氣壓15.0Pa、襯底溫度8(TC、濺射耙離基片的距離3.0cm、沉積時(shí)間1.6h;
(5) 對(duì)經(jīng)過步驟(4)的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度40(TC、退 火保護(hù)氣氛02氣、退火時(shí)間8.0h，得到Si3N4/Si02雙層增透保護(hù)薄膜。
實(shí)施例2:
(1) 在微波電子回旋共振(ECR)等離子體射頻磁控濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對(duì)Si 耙進(jìn)行預(yù)濺射10分鐘，除去Si靶表面的氧化層；
(2) 采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法在藍(lán)寶石襯底上沉積Si3N4薄膜，工藝條 件為ECR等離子體室口離基片的距離8.0cm、 ECR功率50 W、射頻功率400 W、 Ar氣流量為8.0 SCCM、N2氣流量為15.0 SCCM、反應(yīng)室氣壓14.0Pa、襯底溫度500°C、 濺射靶離基片的距離5.0cm、沉積時(shí)間1.6h;
(3) 對(duì)經(jīng)過步驟(2)的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度80(TC、退 火保護(hù)氣氛N2氣、退火時(shí)間3.0h;
(4) 釆用ECR等離子體輔助濺射沉積方法對(duì)經(jīng)過步驟(3)沉積有SbN4薄膜的藍(lán)寶 石上再沉積Si02薄膜，工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離15.0 cm、 ECR 功率400 W、射頻功率60W、 Ar氣流量為5.0 SCCM、 02氣流量為1.0 SCCM、反應(yīng) 室氣壓0.8Pa、襯底溫度80(TC、濺射靶離基片的距離19.0 cm、沉積時(shí)間9.0h;
(5) 對(duì)經(jīng)過步驟(4)的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度IOO(TC、
退火保護(hù)氣氛02氣、退火時(shí)間0.1h，得到Si3N4/Si02雙層增透保護(hù)薄膜。
實(shí)施例3:
(1) 在微波電子回旋共振(ECR)等離子體射頻磁控濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對(duì)Si 耙進(jìn)行預(yù)濺射30分鐘，除去Si靶表面的氧化層；
(2) 采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法在藍(lán)寶石襯底上沉積Si3N4薄膜，工藝條 件為ECR等離子體室口離基片的距離12.0 cm、 ECR功率300 W、射頻功率300W、 Ar氣流量為20.0 SCCM、N2氣流量為30.0 SCCM、反應(yīng)室氣壓8.0 Pa、襯底溫度700°C、 濺射靶離基片的距離9.0 cm、沉積時(shí)間5.5h;
(3) 對(duì)經(jīng)過步驟(2)的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度90(TC、退 火保護(hù)氣氛N2氣、退火時(shí)間0.8h;
(4) 采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法對(duì)經(jīng)過步驟(3)沉積有Si3N4薄膜的藍(lán)寶 石上再沉積Si02薄膜，工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離11.0 cm、 ECR 功率200 W、射頻功率260 W、 Ar氣流量為30.0 SCCM、 02氣流量范圍為25.0 SCCM、 反應(yīng)室氣壓9.0Pa、襯底溫度30(TC、濺射靶離基片的距離10.0 cm、沉積時(shí)間5.2h;
(5) 對(duì)經(jīng)過步驟(4)的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度50(TC、退
火保護(hù)氣氛02氣、退火時(shí)間4.0h，得到Si3N4/Si02雙層增透保護(hù)薄膜。
權(quán)利要求
1.一種氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜的制備方法，其特征在于步驟如下步驟1在微波電子回旋共振等離子體射頻磁控濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對(duì)Si靶進(jìn)行預(yù)濺射5～40分鐘，除去Si靶表面的氧化層；步驟2采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法在藍(lán)寶石襯底上沉積Si3N4薄膜，形成鍍膜藍(lán)寶石；工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離為8.0～20.0cm、ECR功率為10～500W、射頻功率為1～400W、Ar氣流量為0.1～40.0SCCM、N2氣流量為1.0～50.0SCCM、反應(yīng)室氣壓為0.1～15.0Pa、襯底溫度為20～1000℃、濺射靶離基片的距離為3.0～15.0cm、沉積時(shí)間為0.1～10.0h；步驟3對(duì)步驟2得到的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，工藝條件為退火溫度400～1000℃、退火保護(hù)氣氛N2氣、退火時(shí)間0.1～8.0h；步驟4采用ECR等離子體輔助濺射沉積方法對(duì)經(jīng)過步驟3得到的沉積有Si3N4薄膜的藍(lán)寶石上再沉積SiO2薄膜，工藝條件為ECR等離子體室口離基片的距離為8.0～20.0cm、ECR功率為20～500W、射頻功率為40～400W、Ar氣流量為3.0～40.0SCCM、O2氣流量范圍為1.0～30.0SCCM、反應(yīng)室氣壓為0.1～15.0Pa、襯底溫度為20～800℃、濺射靶離基片的距離為3.0～20.0cm、沉積時(shí)間為0.1～10.0h；步驟5對(duì)經(jīng)過步驟4得到的鍍膜藍(lán)寶石進(jìn)行退火處理，得到Si3N4/SiO2雙層增透保護(hù)薄膜；工藝條件為退火溫度為400～1000℃、退火保護(hù)氣氛為O2氣、退火時(shí)間為0.1～8.0h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜的制備方法。技術(shù)特征在于步驟如下在微波電子回旋共振(ECR)等離子體射頻磁控濺射系統(tǒng)中通入Ar氣，對(duì)Si靶進(jìn)行預(yù)濺射；采用ECR等離子體射頻磁控濺射方法在藍(lán)寶石襯底上沉積Si₃N₄薄膜后退火；采用ECR等離子體射頻磁控濺射方法在沉積有Si₃N₄薄膜的藍(lán)寶石上再沉積SiO₂薄膜后再退火。本發(fā)明制備的氮化硅薄膜可滿足化學(xué)計(jì)量比，薄膜的致密性良好，且能夠有效降低SiO₂薄膜和藍(lán)寶石襯底之間的熱應(yīng)力；制備的氮化硅/氧化硅雙層增透保護(hù)薄膜可明顯提高藍(lán)寶石的高溫?cái)嗔褟?qiáng)度，有效地增加藍(lán)寶石的紅外透過率。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101368263SQ20081015119
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者馮麗萍, 劉正堂 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)