一种高硬度折射率可变的碳化锗薄膜的制备方法

摘要

本发明提出了一种高硬度的折射率可变的碳化锗(Ge

说明书

技术领域

本发明属于功能光学薄膜设计与研制领域，涉及高性能红外硬质 保护薄膜制备技术，进一步涉及一种高硬度折射率可变的碳化锗薄膜 的制备方法。

背景技术

超声速红外技术的发展，对红外光学窗口提出了更高的要求，不 仅要具有较好的红外光学性能，而且要求其具有很好的机械性能，可 以承受高速飞行所带来的气动热和气动力冲击。现阶段，常用的红外 窗口(Si、Ge、ZnS)存在着硬度小，脆性大，抗化学侵蚀特性差的 缺点，因此，必须在红外窗口表面淀积高性能的红外硬质保护薄膜， 满足超声速飞行条件。

Ge_1-xC_x薄膜具有折射率可变以及与红外窗口基底结合好的优点， 是一种理想的红外增透硬质保护薄膜。制备高机械性能的折射率可变 的Ge_1-xC_x薄膜，对于设计和研制应用于高速飞行的红外窗口硬质保 护薄膜，提高红外窗口的光学特性和机械特性，是十分必要的。

现阶段，制备Ge_1-xC_x薄膜的主要方法有磁控溅射法和化学气相沉 积法。然而上述两种方法制备的薄膜硬度较低(6-9GPa)，不完全满 足红外硬质保护薄膜的实际应用要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：克服一般工艺方法制备的Ge_1-xC_x薄膜硬度较低的缺点和不足，提供一种高硬度的折射率可变的Ge_1-xC_x薄膜的制备方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高硬度折射率可变的碳 化锗薄膜的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：基片清洗；

步骤二：预溅射：在离子束溅射镀膜机内，对Ge靶进行预溅射， 离子源束压控制在500-1000V；

步骤三：离子束反应溅射淀积Ge_1-xC_x薄膜。

其中，步骤一中，清洗的具体过程为：首先用蘸有体积比为1:1 的酒精和乙醚的混合液的脱脂纱布初步擦拭净基片；随后用脱脂纱布 蘸抛光液对基片进行抛光；然后依次用蘸有体积比为1:1的酒精和乙 醚的混合液的脱脂纱布和脱脂棉布擦拭基片表面，直至擦拭干净为 止。

其中，步骤二中，清洗后的基片放入离子束溅射镀膜机内，以纯 度为99.95％的Ge作为靶材，纯度为99.999％的Ar作为离子源工作 气体，纯度为99.999％的CH₄作为反应气体。

其中，步骤二中，预溅射的具体过程为：打开真空泵抽真空，当 真空室内压强降至10^-3Pa以下时，向离子源和中和器内充入Ar，流 量分别控制在20-45sccm之间以及5-10sccm之间，启动中和器和离 子源，对Ge靶进行预溅射，离子源束压控制在500-1000V，束流控 制在300mA以内，时间为2-10min。

其中，步骤三中，离子束反应溅射淀积Ge_1-xC_x薄膜的具体过程 为：预溅射后调节离子源束压为300-1000V，束流为150-300mA，向 真空室通入反应气体CH₄，流量在0-80sccm之间，真空室压强在 8×10^-2Pa以下；当离子源工作状态稳定后，开启转动系统，进行Ge_1-xC_x薄膜淀积，时间控制在1-4h。

(三)有益效果

通过上述技术方案，可以获得更高硬度的Ge_1-xC_x薄膜；采用单 一Ge原料作为靶材，CH₄作为反应气体的离子束反应溅射过程简单 可控；可以通过改变离子源束压、束流、甲烷流量等参数，来控制 Ge_1-xC_x薄膜的折射率和硬度的变化。

附图说明

图1是本发明实施例制备Ge_1-xC_x薄膜的离子束反应溅射淀积系 统的内部结构示意图；

图2是本发明实施例1制备的Ge_1-xC_x薄膜的纳米压痕硬度测试 曲线图；

图3是本发明实施例1制备的Ge_1-xC_x薄膜的折射率和消光系数 的分析曲线图；

图4是本发明实施例2制备的Ge_1-xC_x薄膜的纳米压痕硬度测试 曲线图；

图5是本发明实施例2制备的Ge_1-xC_x薄膜的折射率和消光系数 的分析曲线图；

图6是本发明实施例3制备的Ge_1-xC_x薄膜的纳米压痕硬度测试 曲线图；

图7是本发明实施例3制备的Ge_1-xC_x薄膜的折射率和消光系数 的分析曲线图；

图8是本发明实施例4制备的Ge_1-xC_x薄膜的纳米压痕硬度测试 曲线图；

图9是本发明实施例4制备的Ge_1-xC_x薄膜的折射率和消光系数的 分析曲线图。

图中：1-离子源；2-Ge靶；3-基片；4-转动系统；5-中和器；A-CH4 气体；B-真空室；

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施 例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

离子束反应溅射法是一种高性能光学薄膜的制备方法。采用离子 束反应溅射法可以制备出更高硬度的折射率可变的Ge_1-xC_x薄膜。这 主要是由于：1.通过高能离子束溅射出的Ge原子具有非常高的能量， 它与CH₄碰撞后，更容易引起CH₄裂解，形成高硬度的Ge-C键，从 而增加薄膜的硬度；2.离子束反应溅射法单纯使用Ge材料作为锗源， 而并非GeH₄等含氢气体作为Ge源，这就降低了薄膜中H的含量， 提高了薄膜的硬度。

本发明提供的高硬度折射率可变的碳化锗薄膜的制备方法的具 体步骤如下：

1)基片清洗

首先用蘸有酒精和乙醚的混合液(体积比为1:1)的脱脂纱布初 步擦拭净基片；随后用脱脂纱布蘸抛光液对基片进行抛光；然后依次 用蘸有酒精和乙醚的混合液(体积比为1:1)的脱脂纱布和脱脂棉布 擦拭基片表面，直至擦拭干净为止。

2)预溅射

采用图1所示的离子束反应溅射镀膜装置镀制Ge_1-xC_x薄膜。

将清洗后的基片放入离子束溅射镀膜机内，以纯度为99.95％的 Ge作为靶材，纯度为99.999％的Ar作为离子源工作气体，纯度为 99.999％的CH₄作为反应气体。打开真空泵抽真空，当真空室B内压 强降至10^-3Pa以下时，向离子源1和中和器5内充入Ar，流量分别 控制在20-45sccm之间以及5-10sccm之间，启动中和器5和离子源1， 对Ge靶2进行预溅射，离子源束压控制在500-1000V，束流控制在 300mA以内，时间为2-10min。

3)离子束反应溅射淀积Ge_1-xC_x薄膜

预溅射后调节离子源束压为300-1000V，束流为150-300mA，向 真空室通入反应气体CH₄气体A，流量在0-80sccm之间，真空室压 强在8×10^-2Pa以下。当离子源工作状态稳定后，将基片3转动至镀膜 区，开启转动系统4，进行Ge_1-xC_x薄膜淀积，时间控制在1-4h。

溅射过程结束后关闭离子束溅射镀膜机，即得到Ge_1-xC_x薄膜。

对不同制备条件下得到的Ge_1-xC_x薄膜进行纳米压痕测试以及红 外透射光谱测试拟合，即可得到Ge_1-xC_x薄膜的硬度以及光学常数。

本方法制备的Ge_1-xC_x薄膜硬度较高，为8-11GPa。使用本方法制 备Ge_1-xC_x薄膜，可以改进化学气相沉积法和磁控溅射法等传统方法制 得的Ge_1-xC_x薄膜硬度较低(6-9GPa)的不足。此外，通过调整制备工 艺条件，可以使Ge_1-xC_x薄膜的折射率在2.45-3.75之间变化。

下面结合几种具体的实施例来对上述技术方案进行进一步说明。

实施例1

本实施例高硬度折射率可变的碳化锗薄膜的制备方法包括以下 步骤：

1)选取直径为20mm，厚度为1mm的Ge作为基片。首先用蘸 有酒精和乙醚的混合液(体积比为1:1)的脱脂纱布初步擦拭净基片， 随后用脱脂纱布蘸抛光液对基片进行抛光，然后依次用蘸有酒精和乙 醚的混合液(体积比为1:1)的脱脂纱布和脱脂棉布擦拭基片表面， 直至擦拭干净为止；

2)预溅射

将清洗后的Ge基片放入离子束溅射镀膜机内，以纯度为99.95％ 的Ge作为靶材，纯度为99.999％的Ar作为离子源工作气体，纯度为 99.999％的CH₄作为反应气体。打开真空泵抽真空，当真空室内压强 降至10^-3Pa以下时，向离子源和中和器内充入Ar，流量分别为24sccm 和8sccm，依次启动中和器和离子源，对Ge靶进行预溅射，预溅射 时离子源束压为800V，束流为200mA，时间为5min。

3)离子束反应溅射淀积Ge_1-xC_x薄膜

预溅射后调节离子源束压为300V，束流为150mA，向真空室通 入CH₄，流量为80sccm。当离子源工作状态稳定后，开启转动系统， 进行Ge_1-xC_x薄膜淀积，镀膜时间为2h。

制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度测试曲线如图2所示。薄膜的折射率 和消光系数测试分析曲线如图3所示。制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度为 8.0GPa，8-12um的折射率约为2.45，消光系数在0.01以下。

实施例2

本实施例与实施案1相似，不同之处在于，步骤3)中离子源束 压为1000V，束流为300mA，CH₄流量为80sccm，镀膜时间为1h。 制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度测试曲线如图4所示。薄膜的折射率和消 光系数测试分析曲线如图5所示。制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度为 9.2GPa，8-12um的折射率约为3.35，消光系数在0.01以下。

实施例3

本实施例与实施例1相似，不同之处在于，步骤3)中离子源束 压为1000V，束流为300mA，CH₄流量为64sccm，镀膜时间为1h。 制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度测试曲线如图6所示。薄膜的折射率和消 光系数测试分析曲线如图7所示。制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度为 11.0GPa，8-12um的折射率约为3.42，消光系数在0.01以下。

实施例4

本实施例与实施例1相似，不同之处在于，步骤3)中离子源束 压为1000V，束流为300mA，CH₄流量为32sccm，镀膜时间为1h。 制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度测试曲线如图8所示。薄膜的折射率和消 光系数测试分析曲线如图9所示。制备的Ge_1-xC_x薄膜的硬度为 8.4GPa，8-12um的折射率约为3.75，消光系数在0.01以下。

以上实施例可以看出，通过调整工艺参数，可以使Ge_1-xC_x薄膜的 折射率在2.45-3.75之间变化。同时，薄膜具有8-11GPa的硬度。高于 化学气相沉积法和磁控溅射法得到的Ge_1-xC_x薄膜的硬度值(6-9GPa)。 使用此方法可以制备出高硬度的折射率变化的Ge_1-xC_x薄膜。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。