一种用于1550nm波段的复合减反增透膜及其制备方法

本发明涉及光学薄膜，特别是涉及一种用于1550nm波段的复合减反增透膜及其制备方法。

背景技术：

1、1550nm波段是光纤通信的核心窗口，具备光纤传输损耗最低（约0.2db/km）和掺铒光纤放大器增益最平坦的双重优势，构成了密集波分复用系统和相干光通信的物理基础。同时，1550nm波段属于人眼安全波段，在车载激光雷达和自动驾驶领域正获得广泛应用。在上述应用中，光信号需频繁穿越半导体/空气、玻璃/空气等多种光学界面，未经镀膜处理的界面存在强烈的菲涅耳反射，导致系统光能利用率大幅下降。因此，高性能减反增透膜是1550nm波段光电器件不可或缺的关键技术。

2、目前，1550nm波段减反增透膜主要采用以下技术方案：（1）单层减反膜。以单层氮化硅最具代表性，利用单层薄膜的干涉效应实现特定波长的增透。该方案结构简单、制备成本低，但受限于单一材料的色散特性，仅能在较窄的波长范围内实现理想的减反效果，且对膜厚偏差极为敏感，难以满足现代光电器件对宽谱段、高稳定性的应用需求。（2）全化学气相沉积（cvd）多层减反膜。采用等离子体增强化学气相沉积（pecvd）技术交替沉积二氧化硅和氮化硅多层膜，利用多层干涉效应拓宽减反带宽，是目前产业界的主流技术路线。然而，该方案存在以下不足：一方面，pecvd工艺的沉积速率较快，成膜过程为非自限制生长，膜层内部不可避免存在针孔、微裂纹等缺陷，致密性不足，导致膜层在长期使用过程中容易受环境因素影响而性能退化，同时膜层界面处的缺陷会增加光散射损耗；另一方面，pecvd的厚度控制精度有限，对于厚度在10nm以下的超薄界面层，沉积时间仅数秒至数十秒，工艺窗口极为狭窄，批次间重复性差。（3）全原子层沉积（ald）多层减反膜。利用ald技术的自限制表面反应特性，可实现原子级别的厚度控制和较高的膜层致密性。但ald沉积速率极低，制备总厚度数百纳米的膜系需数千个沉积循环，生产效率低下、设备成本高昂，难以满足大规模工业化量产的需求。

3、此外，在上述cvd或ald多层膜体系中，不同材料之间以及不同工艺制备的同种材料之间存在热膨胀系数差异和本征应力差异，容易导致膜层间应力不匹配，影响膜层附着力和长期可靠性。同时，现有针对1550nm波段的减反膜设计多采用简单的双层或三层结构，未能充分利用多膜层的光学干涉效应来实现更优的宽谱段减反性能，缺乏针对1550nm波段光学特性的系统性膜系优化和参数精细匹配。

4、综上，现有用于1550nm波段的减反增透膜在膜层致密性、宽谱段减反性能、层间应力匹配以及超薄层精确控制等方面尚存在一定的局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种用于1550nm波段的复合减反增透膜及其制备方法。通过采用cvd工艺与ald工艺相结合的方式，在光学基底表面依次形成cvd氮化硅层、ald氮化硅层、cvd二氧化硅层和ald二氧化硅层的四层复合膜系，以获得宽谱段减反性能优良、膜层致密性高的复合减反增透膜。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于1550nm波段的复合减反增透膜，设置于光学基底表面，所述复合减反增透膜由基底向外包括依次层叠的以下膜层：

3、cvd氮化硅层、ald氮化硅层、cvd二氧化硅层、ald二氧化硅层。

4、在一些可选的实施方式中，所述cvd氮化硅层的厚度为100-150nm，所述ald氮化硅层的厚度为1-10nm，所述cvd二氧化硅层的厚度为250-350nm，所述ald二氧化硅层的厚度为1-10nm。

5、在一些可选的实施方式中，所述cvd氮化硅层的厚度为116nm，所述ald氮化硅层的厚度为5nm，所述cvd二氧化硅层的厚度为314nm，所述ald二氧化硅层的厚度为5nm。

6、其中，cvd氮化硅层采用等离子体增强化学气相沉积技术制备。氮化硅材料在1550nm波段的折射率为1.8-2.0，属于高折射率材料。所述厚度设置使得该层在1550nm波段提供四分之一波长光学厚度的相位调制，与后续的低折射率层共同实现反射光的干涉相消。该层作为底层直接与光学基底接触，用于提供基底附着力。

7、ald氮化硅层采用原子层沉积技术制备，利用原子层沉积的自限制表面反应特性实现原子级别的厚度控制。该超薄层用作cvd氮化硅层与cvd二氧化硅层之间的界面缓冲层，通过原子层沉积的逐层生长模式形成致密、无针孔的过渡界面，以改善异质材料界面质量；同时其超薄厚度使其对整体膜系光学性能的影响可精确调控，且不影响主膜系的光学干涉设计；ald氮化硅层比cvd氮化硅层具有更高的致密性和更低的缺陷密度，用于阻隔cvd氮化硅层中存在的针孔向后续膜层扩展。

8、cvd二氧化硅层采用等离子体增强化学气相沉积技术制备。二氧化硅在1550nm波段的折射率为1.4-1.5，属于低折射率材料。所述厚度设置使得该层在1550nm波段提供接近四分之三波长光学厚度的相位调制。

9、ald二氧化硅层采用原子层沉积技术制备。

10、上述各膜层的厚度组合基于麦克劳德光学薄膜设计理论进行优化：通过特征矩阵法计算多层膜系的反射率，以1550nm为中心波长，在1400-1700nm波段范围内进行多目标优化，确定各膜层的厚度组合。

11、本发明还提供了所述的用于1550nm波段的复合减反增透膜的制备方法，包括以下步骤：

12、s1.在光学基底表面，采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积cvd氮化硅层；

13、s2.在cvd氮化硅层表面，采用原子层沉积工艺沉积ald氮化硅层；

14、s3.在ald氮化硅层表面，采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积cvd二氧化硅层；

15、s4.在cvd二氧化硅层表面，采用原子层沉积工艺沉积ald二氧化硅层，得到所述的用于1550nm波段的复合减反增透膜。

16、在一些可选的实施方式中，s1中，沉积cvd氮化硅层之前还包括对光学基底进行预清洗：使用去离子水对基底表面进行清洗以去除杂质；随后使用乙醇和丙酮对基底表面进行浸泡清洗；清洗完毕后进行烘干处理，以去除表面化学污染物。

17、在一些可选的实施方式中，s1中，所述沉积cvd氮化硅层的条件为：以三甲硅烷基胺和氮气为反应气体，衬底温度为250-350℃，射频功率为800-1200w。

18、在一些可选的实施方式中，s2中，所述沉积ald氮化硅层的条件为：将腔室内抽真空至0-20pa，以三甲硅烷基胺为硅前驱体，以氮气等离子体为氮源，沉积温度为250-350℃，单个ald循环包括依次进行的脉冲硅前驱体、吹扫、氮气等离子体处理和吹扫，循环的重复次数为40-80次。

19、在一些可选的实施方式中，s3中，所述沉积cvd二氧化硅层的条件为：将腔室内抽真空至0-20pa，以二异丙氨基硅烷和氧气为反应气体，衬底温度为250-350℃，射频功率为1200-1800w。

20、在一些可选的实施方式中，s4中，所述沉积ald二氧化硅层的条件为：将腔室内抽真空至0-20pa，以二异丙氨基硅烷为硅前驱体，以氧气等离子体为氧源，沉积温度为250-350℃，单个ald循环包括依次进行的脉冲硅前驱体、吹扫、氧气等离子体处理和吹扫，循环的重复次数为30-50次。

21、在一些可选的实施方式中，s1至s4中的沉积在同一真空反应腔室内通过原位切换原子层沉积工艺与等离子体增强化学气相沉积工艺连续完成。

22、在一些可选的实施方式中，s4中，还包括对完成沉积的膜层进行退火处理；所述退火处理在氮气气氛下进行；所述退火处理的温度为250-350℃，时间为5-15min，用于消除膜层内应力和界面缺陷，促进膜层致密化。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、（1）本发明提供的复合减反增透膜采用cvd氮化硅层、ald氮化硅层、cvd二氧化硅层和ald二氧化硅层的四层膜系结构，通过高折射率氮化硅层与低折射率二氧化硅层的交替组合，利用多层干涉效应实现宽谱段减反增透。以1550nm为中心波长，在1400-1700nm波段范围内进行多目标优化确定各膜层厚度，可实现宽谱段范围内较低的反射率。

25、（2）本发明在cvd氮化硅层与cvd二氧化硅层之间设置ald氮化硅层，该超薄层通过原子层沉积的逐层生长模式形成致密、无针孔的过渡界面，能够改善异质材料界面质量；同时该超薄层对整体膜系光学性能的影响可调控，且不影响主膜系的光学干涉设计；ald氮化硅层比cvd氮化硅层具有更高的致密性和更低的缺陷密度，能够阻隔cvd氮化硅层中存在的针孔向后续膜层扩展。

26、（3）本发明在cvd二氧化硅层之上设置ald二氧化硅层，该超薄层通过原子层沉积形成致密、无针孔的表面层，能够对cvd二氧化硅层表面的纳米级缺陷形成保形覆盖，从而获得良好的表面密封效果。

27、（4）本发明的制备方法采用cvd工艺制备氮化硅层和二氧化硅层作为主要膜层，保证了较高的制备效率，同时采用ald工艺制备超薄界面层和超薄表面层，保证了膜层致密性和厚度控制精度。cvd工艺与ald工艺相结合，有利于兼顾制备效率与膜层质量。

28、（5）本发明的制备方法优选中，各膜层的沉积在同一真空反应腔室内通过原位切换ald工艺与cvd工艺连续完成，各膜层之间无需破真空或转移基底，有利于避免大气暴露导致的颗粒污染和自然氧化层形成，提高膜层间界面纯净度；同时有利于减少工序间的装载、对准和加热等待时间，提高制备效率。

29、综上，本发明提供的复合减反增透膜具有宽谱段减反性能优良、膜层致密性高、界面质量好、可靠性高、制备效率高等特点，适用于1550nm波段光电器件。