專利名稱：空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種光學石英玻璃薄膜及制備方法，尤其適用于航天器用光學材料耐 輻照濾紫外薄膜及制備方法，屬于耐輻照濾紫外薄膜制備技術領域。
背景技術：
衛星控制系統中數字式太陽敏感器采用的光學材料為一種石英玻璃，由于使用環 境的特殊性對所用的光學材料玻璃有特殊的要求，既要有良好的光學性能，同時還要具備 良好的耐輻照濾紫外性能。目前所用材料的制備為摻雜工藝，通過摻雜實現石英玻璃的濾紫外特性，但是它 降低了材料的耐輻照性能，對光學性能也有些不利的影響，如材料的均勻性。摻雜有效地解 決了濾紫外特性，然而摻入的雜質對材料本身的耐輻照性能有直接影響，使其耐輻照性能 下降。輻照試驗表明摻雜石英玻璃的耐輻照性能與非摻雜石英玻璃相比，根據輻照劑量不 同在可見光波段(工作波段)可相差20% 40%。摻雜石英玻璃制備工藝包括摻雜元素、 原料均化，需經過2000°C高溫、IfetH壓力下多次熱鍛處理等工序；工藝復雜，成本高，氫氧 熔制系統會造成一定的環境污染。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種有效改善太陽敏感器 用光學材料質量狀況和質量穩定性的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜及制備方法。本發明的技術解決方案是空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，包括石英玻 璃基片和多層膜，多層膜通過真空熱蒸發鍍膜法和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上， 所述的多層膜為L1層/H層/L2層結構，L1層為SiA層或SiO層，L2層為S^2層或SiO層， H層為CeO2層或ZnO層。所述的L1層和L2層厚度為60 62nm。所述的H層厚度為240 250nm。所述的L1層和L2層相同或不同。一種制備空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征在于通過以下步 驟實現第一步，準備石英玻璃基片；第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過真空熱蒸發鍍膜法制備L1層，A3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中并加熱至110°C 士 10°C ；A3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備進行L1層的蒸鍍；A3. 3、將SiO2或SiO在不低于1000°C下預熱；A3. 4、將SW2或SiO預蒸發不低于1分鐘；A3. 5、SiO2或SiO蒸發至膜厚達60 62nm，停止蒸發；
第四步，在L1層上通過真空熱蒸發鍍膜法制備H層，A4. 1、切換蒸發源準備蒸發H層；A4. 2、將CeR在不低于1400°C預熱或將ZnO在不低于1200°C預熱；A4. 3、將CeR或加0預蒸發不低于1分鐘；A4. 4、將( 或ZnO蒸發至膜厚達240 250nm，停止蒸發；第五步，在H層上通過真空熱蒸發鍍膜法制備L2層，A5. 1、切換蒸發源準備蒸發L2層；A5. 2、將SiA或SiO在不低于1000°C下預熱；A5. 3、將SW2或SiO預蒸發不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO蒸發至膜厚達60 62nm，停止蒸發；第六步，堅膜，A6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的 烘箱內；A6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時；A6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃 耐輻照濾紫外薄膜。一種制備空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征在于通過以下步 驟實現第一步，準備石英玻璃基片；第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過磁控濺射鍍膜法制備L1層，B3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中；B3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備濺射鍍L1層；B3. 3、真空室充入氬氣并將真空度穩定在8X KT1 2X IOtlHa的狀態下，將SiO2靶 或SiO靶在190 200W下預熱；B3. 4、將SiO2或SiO預濺射不低于1分鐘；B3. 5、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第四步，在L1層上通過磁控濺射鍍膜法制備H層，B4. 1、切換靶材準備濺射H層；B4. 2、將CeA靶或辦0靶在190 200W下預熱；B4. 3、將CeA或ZnO預濺射不低于1分鐘；B4. 4、將CeA或ZnO濺射至膜厚達240 250nm，停止濺射；第五步，在H層上通過磁控濺射鍍膜法制備L2層，B5. 1、切換靶材準備濺射L2層；B5. 2、將SiO2靶或SiO靶在190 200W下預熱；B5. 3、將SW2或SiO預濺射不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第六步，堅膜，B6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的烘箱內；B6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時；B6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃 耐輻照濾紫外薄膜。所述第二步清洗石英玻璃基片通過以下步驟實現，A2. 1、用碳酸鈣擦拭石英玻璃基片；A2. 2、將石英玻璃基片用水沖洗干凈后，置入酸性液體中浸泡2小時以上；A2. 3、將步驟A2. 2浸泡過玻璃洗液的石英玻璃基片取出用去離子水沖洗干凈，用 無水乙醇脫水；A2. 4、將經步驟A2. 3脫水后石英玻璃基片用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈。所述步驟A2. 2酸性液體的PH值彡3。本發明設計原理采用真空鍍膜技術以普通高純石英玻璃為基體材料，在其表面上鍍制耐輻照濾紫 外薄膜而形成的耐輻照濾紫外石英玻璃，其耐輻照性能、濾紫外效果均優于摻雜工藝制備 濾紫外耐輻照石英玻璃的性能；可以有效地改善太陽敏感器用光學材料質量狀況和質量穩 定性。空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的制備方法，主要包括膜系設計、鍍膜材 料選擇及薄膜工藝等內容。膜系設計的原則是使工藝簡單，盡可能的利用薄膜材料本身的本征吸收特性構成 截止濾光膜；即所需要的截止濾光膜與某種材料的本征吸收限相一致，利用這種本征吸 收特性就可以制作截止濾光膜，同時為提高截止特性采用了多層膜機構。采用的膜系為-L1
層/H層/L2結構。選擇具有良好化學穩定性和機械強度并且具有較強抗輻照能力的氧化物作為濾 紫外薄膜的鍍膜材料。考慮到工藝簡單性，選用那些材料本征特性與所要求膜層特性相近 的材料可以使設計和工藝都簡化。根據這一原則，選用Ce02、Zn0材料作為制備耐輻照濾紫 外薄膜的鍍膜材料效果良好。目前薄膜制備的方法以氣相沉積為主，包括物理氣相沉積(HVD)和化學氣相沉積 (CVD)。本發明采用物理氣相沉積法制備耐輻照濾紫外薄膜。包括真空熱蒸發鍍膜法，磁控 濺射鍍膜法，分別對Ce02、ZnO等材料進行薄膜制備均可實現耐輻照濾紫外薄膜。本發明與現有技術相比有益效果為(1)本發明采用石英玻璃基片和多層膜復合結構，提高了材料的耐輻照性能， 輻照試驗結果表明采用普通石英加薄膜的材料的耐輻照性能遠遠優于摻雜石英，經 過5X108Rad(Si)累計劑量的輻照后在工作波段GOO IOOOnm)光譜透過率平均值 T彡90%，摻雜材料為T彡70% ；(2)本發明濾紫外耐輻照的一致性易于控制，因為采用薄膜結構可有效地減少由 于摻雜工藝復雜、不易控制而引起的批產品之間濾紫外耐輻照性能的差異。薄膜工藝是在 真空條件下完成的，受環境影響很小，只要成膜用材料相對穩定，工藝技術相對穩定，即可 保證產品的一致性滿足設計要求，截止區內次峰的透過率小于5%，而摻雜材料為10%左
6右；(3)本發明采用高折射率材料與低折射率材料交替成膜的多層膜結構，其優點在 于可有效地解決單層膜截止區陡度不夠的問題，即單層膜從透過率開始下降到完全截止 需要200 300nm的波長范圍，斜率較緩，而多層膜這一過程僅需約IOOnm的波長范圍。這 有利于產品的穩定應用，同時本多層膜中的上、下層的膜層材料均與石英玻璃有良好的附 著力，有利于其它工藝的實施；(4)本發明多層膜各膜層厚度的設定原則是膜層盡可能薄，有利于滿足產品的精 度要求。H層膜厚為240 250nm時具有良好的濾紫外性能，且在透光區有較高的透過率， 峰值透過率可達93%，截止波長位于400 450nm處，實驗結果表明，與H層膜厚相比，上、 下L層膜厚各為1/4H構成的多層膜，可有效地平抑透光區域的透光性能，使峰-谷之間的 差減小到5%以內(單層膜可達20% )，平均透過率達到90%，同時增加截止區的陡度；(5)本發明降低材料成本90 %，減少環境污染。
圖1為本發明結構示意圖；圖2為本發明制備工藝流程圖。
具體實施例方式本發明如圖1所示，包括石英玻璃基片和多層膜，多層膜通過真空熱蒸發鍍膜法 和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上，所述的多層膜為L1層/H層/L2層結構，L1層為SW2 層或SiO層，L2層為SW2層或SiO層，H層為( 層或ZnO層。本發明制備工藝如圖2所示，主要包括石英玻璃基片加工、清洗、在基片上制備 SiO2(SiO)薄膜、在 SiO2(SiO)膜層上制備 CeO2 (ZnO)薄膜、在 CeO2 (ZnO)上制備 SiO2(SiO) 薄膜、堅膜及光譜測試步驟。以下結合具體實施例來說明本發明。實施例11、按要求將普通石英玻璃基片加工成型；2、清洗處理用碳酸鈣擦拭基片，用水沖洗干凈置入玻璃洗液中浸泡2小時以上， 取出用去離子水沖洗干凈，用無水乙醇脫水，用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈；本實例采用55g重鉻酸鉀、IOOml水及IOOOml濃硫酸配置的玻璃洗液，PH值< 3。3、在石英基片上，用真空熱蒸發法制備SW2薄膜過程如下a)將基片置于真空室中并加熱至110°C 士 10°C ；b)當真空度達到2X KT3Ha以下時開始進行蒸鍍工作，蒸發材料預熱、預蒸發、蒸 發；膜厚要求為60 62nm ；c)膜厚達到要求時結束蒸發，切換蒸發源準備蒸發( 薄膜。4、在SiA薄膜表面用真空熱蒸發法制備( 薄膜過程如下d)蒸發材料預熱、預蒸發、蒸發；膜厚要求為240 250nm ；e)膜厚達到要求時結束蒸發，切換蒸發源準備蒸發Si02薄膜。5、在( 表面用真空熱蒸發法制備SW2薄膜過程如下
f)蒸發材料預熱、預蒸發、蒸發；膜厚要求為60 62nm ；g)膜厚達到要求時結束蒸發。6、堅膜工藝過程如下h)開啟烘箱，溫度設置為250士 10°C并開始升溫；i)待烘箱溫度穩定后，將基片從鍍膜機真空室中取出放入烘箱；j)當基片到達堅膜溫度時開始計時，堅膜時間為2小時；k)堅膜時間到達后關閉烘箱，自然冷卻至室溫取出。7、進行光譜透過率測試，記錄其數據，完成普通石英基片的耐輻照濾紫外薄膜的 制備。實施例21、按要求將普通石英玻璃基片加工成型；2、清洗處理用碳酸鈣擦拭基片，用水沖洗干凈置入玻璃洗液中浸泡2小時以上， 取出用去離子水沖洗干凈，用無水乙醇脫水，用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈；3、在石英基片上，用磁控濺射法制備SiO2薄膜過程如下a)將基片置于真空室中，基片溫度為真空室溫度；b)當真空度達到2X10_3Ha以下時開始進行濺射鍍膜工作，真空室充入氬氣并將 真空度穩定在8 X ICT1 2 X IOtlHa的狀態下，靶材預熱、預濺射、濺射；膜厚要求為60 62nm ；c)膜厚達到要求時結束蒸發，切換靶材，準備濺射ZnO薄膜。4、在SiO2薄膜表面用磁控濺射法制備ZnO薄膜過程如下d)濺射靶材預熱、預濺射、濺射；膜厚要求為240 250nm ；e)膜厚達到要求時結束濺射，切換靶材準備濺射Si02薄膜。5、在ZnO表面用磁控濺射法制備SiO2薄膜過程如下f)濺射靶材預熱、預濺射、濺射；膜厚要求為60 62nm ；g)膜厚達到要求時結束濺射。6、堅膜工藝過程如下h)開啟烘箱，溫度設置為250°C并開始升溫；i)待烘箱溫度穩定后，將基片從鍍膜機真空室中取出放入烘箱；j)當基片到達堅膜溫度時開始計時，堅膜時間為2小時；k)堅膜時間到達后關閉烘箱，自然冷卻至室溫取出。7、進行光譜透過率測試，記錄其數據，完成普通石英基片的耐輻照濾紫外薄膜的 制備。本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于包括石英玻璃基片和多層 膜，多層膜通過真空熱蒸發鍍膜法和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上，所述的多層膜 為L1層/H層/L2層結構，L1層為SW2層或SiO層，L2層為SW2層或SiO層，H層為( 層 或ZnO層。
2.根據權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于所述 的L1層和L2層厚度為60 62nm。
3.根據權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于所述 的H層厚度為240 250nm。
4.根據權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜，其特征在于所述 WL1層和L2層相同或不同。
5.一種制備權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征 在于通過以下步驟實現第一步，準備石英玻璃基片； 第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過真空熱蒸發鍍膜法制備L1層，A3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中并加熱至110°C 士 10°C ；A3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備進行L1層的蒸鍍；A3. 3、將SW2或SiO在不低于1000°C下預熱；A3. 4、將SW2或SiO預蒸發不低于1分鐘；A3. 5、SiO2或SiO蒸發至膜厚達60 62nm，停止蒸發；第四步，在L1層上通過真空熱蒸發鍍膜法制備H層，A4. 1、切換蒸發源準備蒸發H層；A4. 2、將( 在不低于1400°C預熱或將ZnO在不低于1200°C預熱；A4. 3、將( 或ZnO預蒸發不低于1分鐘；A4. 4、將( 或ZnO蒸發至膜厚達240 250nm，停止蒸發；第五步，在H層上通過真空熱蒸發鍍膜法制備L2層，A5. 1、切換蒸發源準備蒸發L2層；A5. 2、將SW2或SiO在不低于1000°C下預熱；A5. 3、將SW2或SiO預蒸發不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO蒸發至膜厚達60 62nm，停止蒸發；第六步，堅膜，A6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的烘箱內；A6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時； A6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃耐輻 照濾紫外薄膜。
6.一種制備權利要求1所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜的方法，其特征 在于通過以下步驟實現第一步，準備石英玻璃基片；第二步，清洗石英玻璃基片；第三步，在清洗后的石英玻璃基片上通過磁控濺射鍍膜法制備L1層， B3. 1、將清洗后的石英玻璃基片置于真空室中； B3. 2、當真空室的真空度達到2 X KT3Ha以下時開始準備濺射鍍L1層； B3. 3、真空室充入氬氣并將真空度穩定在8X KT1 2X IOtlHa的狀態下，將SiO2靶或 SiO靶在190 200W下預熱；B3. 4、將SW2或SiO預濺射不低于1分鐘；B3. 5、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第四步，在L1層上通過磁控濺射鍍膜法制備H層，B4. 1、切換靶材準備濺射H層；B4. 2、將CeO2靶或ZnO靶在190 200W下預熱；B4. 3、將( 或ZnO預濺射不低于1分鐘；B4. 4、將CeR或ZnO濺射至膜厚達240 250nm，停止濺射；第五步，在H層上通過磁控濺射鍍膜法制備L2層，B5. 1、切換靶材準備濺射1^2層；B5. 2、將SiO2靶或SiO靶在190 200W下預熱；B5. 3、將SW2或SiO預濺射不低于1分鐘；A5. 4、SiO2或SiO濺射至膜厚達60 62nm，停止濺射；第六步，堅膜，B6. 1、將制備了 L1層/H層/L2層多層膜的石英玻璃基片放入溫度為250士 10°C的烘箱內；B6. 2、在石英玻璃基片溫度到達烘箱溫度后，堅膜不少于2小時； B6. 3、關閉烘箱，自然冷卻至室溫后取出石英玻璃基片，得到空間用光學石英玻璃耐輻 照濾紫外薄膜。
7.根據權利要求5或6所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜制備方法，其特 征在于所述第二步清洗石英玻璃基片通過以下步驟實現，A2. 1、用碳酸鈣擦拭石英玻璃基片；A2. 2、將石英玻璃基片用水沖洗干凈后，置入酸性液體中浸泡2小時以上； A2. 3、將步驟A2. 2浸泡過玻璃洗液的石英玻璃基片取出用去離子水沖洗干凈，用無水 乙醇脫水；A2. 4、將經步驟A2. 3脫水后石英玻璃基片用50%無水乙醇加50%乙醚洗液擦拭干凈。
8.根據權利要求7所述的空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜制備方法，其特征在 于所述步驟A2. 2酸性液體的PH值彡3。
全文摘要
空間用光學石英玻璃耐輻照濾紫外薄膜及制備方法，包括石英玻璃基片和多層膜，多層膜通過真空熱蒸發鍍膜法和磁控濺射鍍膜法鍍在石英玻璃基片上，所述的多層膜為L1層/H層/L2層結構，L1層為SiO2層或SiO層，L2層為SiO2層或SiO層，H層為CeO2層或ZnO層。本發明采用石英玻璃基片和多層膜復合結構，提高了材料的耐輻照性能，輻照試驗結果表明采用普通石英加薄膜的材料的耐輻照性能遠遠優于摻雜石英，經過5×108Rad(Si)累計劑量的輻照后在工作波段(400～1000nm)光譜透過率平均值T≥90％，摻雜材料為T≥70％。
文檔編號G02B1/10GK102096136SQ20101061162
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者劉江, 王俊杰, 王周好, 石建民, 秦素然, 范漢超, 高修濤 申請人:北京控制工程研究所