[发明专利]氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法。

背景技术

红外探测器窗口/头罩将红外传感/成像系统与外界环境分隔开，对系统起着保护作用，是红外探测系统中非常重要的组成部分。由于飞行器飞行条件十分恶劣，红外探测器窗口/头罩除了将承受高速飞行下空气动力加热所产生的高温、高压、热冲击，同时还会遭受到风沙、雨滴、大气中游离粒子等的侵蚀。因此，红外窗口/头罩材料除了具有高红外透过率、低吸收系数等优良光学特性外，还应具有高机械强度、抗高压、耐磨损、抗风沙雨蚀、抗化学腐蚀等性能，且在高温、低温及辐射作用等各种苛刻条件下，其光学性能、热物理化学性能和力学性能保持良好。

目前，可用作3～5μm中波红外窗口/头罩材料有氧化钇、尖晶石、氮氧铝、蓝宝石等。其中蓝宝石单晶具有透过性能好、硬度高、抗热冲击、耐辐射、抗氧化、耐摩擦、化学性能稳定等一系列优点，而被认为是可用作中波红外窗口/头罩的最佳候选材料。但是，限于目前的蓝宝石原材料生长、制备和加工技术水平，蓝宝石的红外透过率偏低，且在高温下的断裂强度急剧降低，从而使其无法满足高速、高温的应用条件。

美国海空作战中心采用射频磁控溅射方法在蓝宝石衬底上制备出了单层SiO₂薄膜和三层SiO₂/Si₃N₄/SiO₂复合薄膜(L.F.Johnson，M.B.Moran.“COMPRESSIVECOATINGS FOR STRENGTHENED SAPPHIRE.Proc.of the International Society forOptical Engineering on Window and Dome Technologies and Materials VI，April1999，Orlando，Florida.)用于提高蓝宝石的红外透过率和高温强度。无论单层SiO₂薄膜还是三层SiO₂/Si₃N₄/SiO₂复合薄膜，与蓝宝石衬底直接接触的均是SiO₂薄膜，因此存在一个共同的缺点，那就是由于SiO₂与蓝宝石的热膨胀系数相差较大(SiO₂的热膨胀系数为0.5×10^-6K^-1，蓝宝石的热膨胀系数为5.3×10^-6K^-1)，在温度发生突变时会产生较高的热应力，这种热应力会大大降低薄膜和衬底的附着力，甚至影响整个窗口/头罩的热稳定性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜的制备方法，该方法制备的氮化硅薄膜可满足化学计量比，薄膜的致密性良好，且薄膜与衬底的附着力较高；制备的氮化硅/氧化硅双层薄膜不仅能够增加蓝宝石衬底的红外透过率，而且对蓝宝石衬底能够起到较好的保护作用。

技术方案

本发明的基本思想是：采用射频磁控溅射方法先在蓝宝石衬底上制备Si₃N₄薄膜(Si₃N₄的热膨胀系数为2.1×10^-6K^-1)作为过渡层，然后在Si₃N₄上沉积SiO₂薄膜，制备氮化硅/氧化硅双层增透保护薄膜。但是射频磁控溅射方法制备的氮化硅较难满足化学计量比，氮化硅薄膜中氮的含量偏低，从而不能够有效地降低SiO₂薄膜和蓝宝石衬底之间的热应力。

本发明的技术特征在于步骤如下：

步骤1：在微波电子回旋共振等离子体射频磁控溅射系统中通入Ar气，对Si靶进行预溅射5～40分钟，除去Si靶表面的氧化层；