一种铝加铬薄膜及其制备方法和应用与流程

本发明涉及光学膜系技术领域，尤其涉及一种铝加铬薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

铝膜从紫外区到红外区具有平坦而且很高的反射率，被广泛用作各类反射器件的反射膜。铝膜表面在空气中能自然形成一层厚度约为0.01～0.1微米的氧化膜，但这层氧化膜是非晶态的，薄而多孔，耐蚀性差，易形成铝凹陷。故传统工艺会在铝膜表面再镀制一层氧化硅或其它较稳定性的膜层进行保护，阻碍大气环境下的腐蚀。但这些保护膜层都不适合通过蚀刻的方式进行微米级的图案制作。因此，选取一种既能保护铝膜层不受环境腐蚀同时又适于光刻制图的膜层尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝加铬薄膜及其制备方法和应用，本发明的铝加铬薄膜不但在大气环境下耐腐蚀，而且适于光刻制图。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铝加铬薄膜，包括在基底单侧表面上依次层叠的al2o3膜、al膜和cron膜；所述al2o3膜与基底接触；

所述cron膜中cr、o和n的原子个数比为6:1:(2～3)。

优选的，所述al2o3膜的厚度为所述al膜的厚度为所述cron膜的厚度为

优选的，所述al2o3膜的厚度为所述al膜的厚度为所述cron膜的厚度为

本发明提供了上述方案所述铝加铬薄膜的制备方法，包括以下步骤：采用磁控溅射依次在基底表面沉积al2o3膜、al膜和cron膜，得到铝加铬膜；

所述磁控溅射沉积cron膜时，阴极靶材为cr靶材；所述磁控溅射沉积膜cron膜在ar-n2-co2混合气体中进行；所述ar、n2和co2的气体流量比为11:(2～4):1。

优选的，所述磁控溅射沉积膜cron膜时，所述n2的气体流量为15～20sccm。

优选的，所述磁控溅射沉积al2o3膜时，阴极靶材为al靶材；磁控溅射功率为2500～3500w；基底的运行速度为850～950mm/min。

优选的，所述磁控溅射沉积al2o3膜在ar-n2-co2混合气体中进行；所述ar、n2和co2的气体流量比为1:1:(3～4)；所述ar的气体流量为25～35sccm。

优选的，所述磁控溅射沉积al膜时，阴极靶材为al靶材；磁控溅射功率为1000～2000w；基底的运行速度为200～400mm/min。

优选的，所述磁控溅射沉积al膜在ar气氛中进行；所述ar的气体流量为40～80sccm。

本发明提供了一种光学元件，包括基底和附着在所述基底单侧表面的铝加铬薄膜，所述铝加铬薄膜为上述方案所述的铝加铬薄膜或上述方案所述制备方法制备得到的铝加铬薄膜。

本发明提供了一种铝加铬薄膜，包括在基底单侧表面上依次层叠的al2o3膜、al膜和cron膜；所述al2o3膜与基底接触；所述cron膜中cr、n和o的原子个数比为6:1:(2～3)。

所述al2o3膜的厚度为

本发明在传统的al膜上增加了al2o3层，al2o3层设置在基材和al膜之间，利用al2o3膜层具有应力过渡层的特点，解决al膜和玻璃基底由于应力差异导致的膜层附着力差的问题；本发明利用特定原子比例的cron膜层具有高致密性的特点，保护al膜层不易被大气环境侵蚀，从而具有良好的稳定性及耐腐蚀性；此外，本发明的铝加铬薄膜中，各膜层均易光刻，因此铝加铬薄膜还具有易光刻的优点，光刻制图最小分辨率为1.5±0.5微米(如光刻机更优，分辨率可更高)。

进一步的，本发明通过控制al2o3膜的膜层厚度，使得al2o3膜既能起到过渡层的效果，又不至于影响反射率。

实施例的结果表明，本发明制备的铝加铬薄膜基材侧的反射率在78％以上；在180℃环境下烘烤1小时未发生铝凹陷，说明具有良好的稳定性；水蒸气淋浴1小时未发生铝凹陷，说明耐腐蚀性好。

本发明还提供了上述方案所述铝加铬薄膜的制备方法，本发明提供的制备方法简单，容易操作，易于工业化生产。同时还适用于任意需要利用铝膜层作为高反射且需要通过光刻制作精细图案的光学元器件的薄膜制备。

附图说明

图1为本发明的铝加铬薄膜的结构示意图；

图2为本发明实施例1制备的产品稳定性测试图；

图3为本发明实施例2制备的产品稳定性测试图；

图4为本发明实施例3制备的产品稳定性测试图；

图5为本发明对比例1制备的产品稳定性测试图；

图6为本发明对比例2制备的产品稳定性测试图；

图7为本发明实施例1制备的产品耐腐蚀性测试图；

图8为本发明实施例2制备的产品耐腐蚀性测试图；

图9为本发明实施例3制备的产品耐腐蚀性测试图；

图10为本发明对比例1制备的产品耐腐蚀性测试图；

图11为本发明对比例2制备的产品耐腐蚀性测试图；

图12为本发明实施例1制备的产品的反射图谱；

图13为本发明实施例2制备的产品的反射图谱；

图14为本发明实施例3制备的产品的反射图谱；

图15为本发明对比例1制备的产品的反射图谱；

图16为本发明对比例2制备的产品的反射图谱；

图17为本发明实施例1制备的产品进行光刻制图后的照片；

图18为本发明实施例2制备的产品进行光刻制图后的照片；

图19为本发明实施例3制备的产品进行光刻制图后的照片。

具体实施方式

本发明提供了一种铝加铬薄膜，包括在基底单侧表面上依次层叠的al2o3膜、al膜和cron膜；所述al2o3膜与基底接触；

所述cron膜中cr、n和o的原子个数比为6:1:(2～3)。

本发明对所述基底没有特殊的限定，可根据薄膜的应用场景选择，具体的可以为但不局限于普通玻璃、光学玻璃、水晶和蓝宝石。

本发明的铝加铬薄膜包括附着于基底单侧表面的al2o3膜。在本发明中，所述al2o3膜的厚度优选为进一步优选为更优选为al2o3膜层具有强吸附力，本发明将al2o3膜设置在基底和al膜之间，并通过控制al2o3膜的膜层厚度，在不影响al膜高反射效果的情况下，解决al膜和基底由于应力差异导致的膜层附着力差的问题。

本发明的铝加铬薄膜包括附着于al2o3膜表面的al膜。在本发明中，所述al膜的厚度优选为更优选为进一步优选为本发明所述al膜具有良好的光学特性，反射率高，易光刻。本发明将al膜的厚度控制在上述范围，使得基材侧可见光波段的反射率达到78％以上。

本发明的铝加铬薄膜包括附着于al膜表面的cron膜，所述cron膜中cr、n和o的原子个数比为6:1:(2～3)，优选为6:1:(2.2～2.8)，更优选为6:1:(2.4～2.6)。本发明利用特定原子比例的cron膜层具有高致密性的特点，保护al膜层不易被大气环境侵蚀，从而具有良好的稳定性及耐腐蚀性。此外，cron膜还具有易光刻的特点。

在本发明中，所述cron膜的厚度优选为更优选为进一步优选为本发明控制cron膜的厚度在上述范围，有利于既能起到保护层的作用，同时还易于进行蚀刻。

图1为本发明的铝加铬薄膜的结构示意图，包括在基底(在图1中为玻璃)单侧表面上依次层叠的al2o3膜、al膜和cron膜；所述al2o3膜与基底接触。

本发明提供了上述方案所述铝加铬薄膜的制备方法，包括以下步骤：采用磁控溅射依次在基底表面沉积al2o3膜、al膜和cron膜，得到铝加铬膜；所述磁控溅射沉积cron膜时，阴极靶材为cr靶材；所述磁控溅射沉积膜cron膜在ar-n2-co2混合气体中进行；所述ar、n2和co2的气体流量比为11:(2～4):1。

在本发明中，所述磁控溅射镀膜前优选还包括对基底进行清洗；本发明对所述清洗的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的清洗方法，能够将基底表面杂质清洗干净即可，在本发明的具体实施例中，优选使用超声清洗机清洗。本发明对所述基底没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的镀膜用基底即可，具体的如普通玻璃、光学玻璃、水晶、蓝宝石。

在镀膜前，本发明优选还包括对清洗后的基底进行预热；所述预热的温度优选为80～180℃，更优选为90℃；所述预热的时间优选为3～8min，更优选为4～6min；在本发明的具体实施例中，优选将基底装入磁控溅射专用工装夹具，将基底装入真空室内，然后开启抽气系统开始抽真空，真空度达到1×10^-3pa时，开启加热烘烤设备，对基底进行预热。

基底加热完成后，本发明采用磁控溅射依次在基底表面沉积al2o3膜、al膜和cron膜。

在本发明中，所述磁控溅射沉积al2o3膜时，阴极靶材优选为al靶材；所述磁控溅射功率优选为2500～3500w，更优选为2800～3200w；所述基底的运行速度优选为850～950mm/min，更优选为870～920mm/min。

在本发明中，所述磁控溅射沉积al2o3膜优选在ar-n2-co2混合气体中进行；所述ar、n2和co2的气体流量比优选为1:1:(3～4)，更优选为1:1:4；在本发明中，所述ar的气体流量优选为25～35sccm，更优选为28～33sccm。

在磁溅射沉积al2o3膜的过程中，al靶材在等离子体环境下被ar⁺离子轰击，从靶材溅射出来后，又与co2电离出的o^2-发生反应生成al2o3，al2o3在基底表面不断堆积，从而得到al2o3膜层。

在本发明中，所述磁控溅射沉积al膜时，阴极靶材优选为al靶材；溅射功率优选为1000～2000w，更优选为1200～1800w，进一步优选为1300～1600w；基底运行速度优选为200～400mm/min，更优选为250～350mm/min，进一步优选为280～330mm/min。在本发明中，所述磁控溅射沉积al膜优选在ar气氛中进行；所述ar的气体流量优选为40～80sccm，更优选为50～60sccm，进一步优选为52～58sccm。

在本发明中，所述磁控溅射沉积cron膜时，阴极靶材为cr靶材；溅射功率优选为4500～5500w，更优选为4700～5200w，进一步优选为4800～5100w；基底的运行速度优选为200～500mm/min，更优选为250～450mm/min，进一步优选为300～400mm/min。在本发明中，所述磁控溅射沉积al膜在ar-n2-co2混合气体中进行；所述ar、n2和co2的气体流量比优选为11:(2～4):1，更优选为11:(2.5～3.5):1；所述n2的气体流量优选为15～20sccm；在本发明的实施例中，具体为15sccm或20sccm。

在磁溅射沉积cron膜的过程中，cr靶材在等离子体环境下被ar+离子轰击，从靶材溅射出来后，又与n2电离出的n^-及co2电离出的o^2-发生反应生成cron，cron在基底表面不断堆积，从而得到cron膜层。本发明通过控制制备cron膜层时各气体的流量比例，获得具有特定原子比的cron膜。

在本发明的具体实施例中，优选将上述镀膜程序导入磁控溅射镀膜系统中，然后开始镀膜。在本发明中，整个镀膜过程都在真空条件下进行；所述镀膜过程的真空度优选为1.0～2.0×10^-3pa，更优选为1.0×10^-3pa。

本发明还提供了一种光学元件，包括基底和附着在所述基底单侧表面的铝加铬膜。在本发明中，所述基底的种类和上述方案相同，在此不再赘述。在本发明中，所述基底的镀膜侧表面优选设置有图案；本发明对所述图案的形状没有特殊要求，根据对光学元件的具体需求进行设置即可；本发明对设置图案的具体方法没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的方法即可，具体的如先镀膜后光刻制图的减法工艺。

下面结合实施例对本发明提供的铝加铬薄膜及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将清洗后的b270光学玻璃基底装入专用工装夹具，再装入真空室内，导入预先设计好的镀膜程序，开始镀膜，步骤如下：

启动抽气系统，真空室内真空度达到1×10^-3pa时，开启加热烘烤设备；加热基底到90℃，保温6分钟，然后开始镀膜，镀膜过程如下：

沉积al2o3膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为3000w，基底的运行速度900mm/min，气体流量：ar30sccm、n230sccm、co2120sccm；所得al2o3膜堆积厚度为

沉积al膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为1500w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm；所得al膜厚度为

沉积cron膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为5000w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm，n215sccm，co25sccm；所得cron膜厚度cron膜中cr、o和n的原子个数比为6:1:3，制得铝加铬薄膜。

实施例2

将清洗后的b270光学玻璃基底装入专用工装夹具，装入真空室内，导入预先设计好的镀膜程序，开始镀膜，步骤如下：

启动抽气系统，真空室内真空度达到1×10^-3pa时，开启加热烘烤设备；加热基底到90℃，保温6分钟，然后开始镀膜，镀膜过程如下：

沉积al2o3膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为3000w，基底的运行速度900mm/min，气体流量：ar30sccm、n230sccm、co2120sccm；所得al2o3膜堆积厚度为

沉积al膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为1500w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm；所得al膜厚度为

沉积cron膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为5000w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm，n220sccm，co25sccm；所得cron膜厚度cron膜中cr、n和o的原子个数比为12:7:2，制得铝加铬薄膜。

实施例3

将清洗后的b270光学玻璃基底装入专用工装夹具，装入真空室内，导入预先设计好的镀膜程序，开始镀膜，步骤如下：

启动抽气系统，真空室内真空度达到1×10^-3pa时，开启加热烘烤设备；加热基底到90℃，保温6分钟，然后开始镀膜，镀膜过程如下：

沉积al2o3膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为3000w，基底的运行速度850mm/min，气体流量：ar30sccm、n230sccm、co2120sccm；所得al2o3膜堆积厚度为

沉积al膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为1800w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm；所得al膜厚度为

沉积cron膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为5000w，基底的运行速度170mm/min，气体流量：ar55sccm，n215sccm，co25sccm；所得cron膜厚度cron膜中cr、n和o的原子个数比为6:3:1，制得铝加铬薄膜。

对比例1

将清洗后的b270光学玻璃基底装入专用工装夹具，再装入真空室内，导入预先设计好的镀膜程序，开始镀膜，步骤如下：

启动抽气系统，真空室内真空度达到1×10^-3pa时，开启加热烘烤设备；加热基底到90℃，保温6分钟，然后开始镀膜，镀膜过程如下：

沉积al2o3膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为3000w，基底的运行速度900mm/min，气体流量：ar30sccm、n230sccm、co2120sccm；所得al2o3膜堆积厚度为

沉积al膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为1500w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm；所得al膜厚度为

沉积cr膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为5000w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm；所得cr膜厚度约

对比例2

将清洗后的b270光学玻璃基底装入专用工装夹具，再装入真空室内，导入预先设计好的镀膜程序，开始镀膜，步骤如下：

启动抽气系统，真空室内真空度达到1×10^-3pa时，开启加热烘烤设备；加热基底到90℃，保温6分钟，然后开始镀膜，镀膜过程如下：

沉积al2o3膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为3000w，基底的运行速度900mm/min，气体流量：ar30sccm、n230sccm、co2120sccm；所得al2o3膜堆积厚度为

沉积al膜：阴极靶材为al靶材，磁控溅射功率为1500w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm；所得al膜厚度为

沉积cron膜：阴极靶材为cr靶材，磁控溅射功率为5000w，基底的运行速度300mm/min，气体流量：ar55sccm，n210sccm，co210sccm；所得cron膜厚度cron膜中cr、n和o的原子个数比为6:2:2，制得铝加铬薄膜。

性能测试：

1、将实施例1～3及对比例1～2制备的薄膜在180℃环境下分别烘烤1小时进行稳定性测试，结果依次见图2～6。

由图2～6可知，本发明实施例1～3制备的薄膜在180℃环境下烘烤1小时未发生任何铝凹陷，而对比例1和对比例2制备的薄膜均发生铝凹陷，说明表面采用cr膜或者当cron膜中cr、n和o的原子个数比超出6:1:(2～3)范围时，得到的膜层的稳定性均较差。

2、将实施例1～3及对比例1～2制备的薄膜进行耐腐蚀性能测试，具体是将测试片放在持续烧开的纯水上方约5cm处，利用挥发出来的水蒸气淋浴1小时，然后测定薄膜的耐腐蚀性能，结果见图7～11。

由图7～11可知，本发明实施例1～3制备的薄膜在近100℃水蒸气当中淋浴1小时未发生任何铝凹陷，而对比例1和对比例2制备的薄膜均发生铝凹陷，且比烘烤后的情况更严重。

3、将实施例1～3及对比例1～2制备的薄膜进行反射率测定，结果如图12～16所示。图12～16显示，实施例1～3及对比例1～2薄膜的反射率(测试波长为450nm)依次为79.524％、80.130％、78.842％、79.448％、80.206％；说明本发明的薄膜具有高反射率。

4、将实施例1～3的薄膜进行光刻制图，结果见图17～19。由图17～19可知，本发明制备的铝加铬薄膜易刻蚀，分辨率分别为10.3μm、10.8μm、10.6μm。其设计值为10.5μm，可说明该膜层可制作精度在0.5μm以内的图形。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。