1.1微米长波通滤光片的设计与制备
本章内容将会讲述这款红外滤光片的设计和制备，覆盖从基板选材、膜料选材、膜系设计、镀膜工艺和镀膜机配置的全流程解决方案。
1.2光谱特性
温度传感器的滤光片，需要过滤掉小于5μm波长的杂散光，让大于5μm波长的有效光通过，下图是典型光谱。
滤光片在小于5μm的波段透过率很低，因此大气中的水汽、二氧化碳等特征吸收波段会被滤除掉，使得温度传感器不会受到干扰。在大于5μm的波段，特别是生命光线对应的9-14μm波段，具有高透光率，以使传感器具有更高的灵敏度。
1.3薄膜基板选择对于红外滤光片，当前常用的红外基板主要有硅Si和锗Ge。常因此被称之为硅基薄膜或锗基薄膜。选用哪种基板镀膜的关键标准就是基板本身的光学特性。下面分析对比下这两种基板。
硅基板的光学特性与制备方法密切相关。一般来讲，1-8μm波段具有良好的透过率。也因此，硅基光电子学得到了非常广的应用。由于氧元素较为强烈的吸收，硅基在8-14um波段的透过率相对较低；而碳元素的特征吸收，一般会导致硅基在16um附近有强烈吸收。下面左图为某单位生产的硅基板的透过率。可以发现在8-18μm波段有明显的震荡吸收，这与基板中氧和碳元素的含量有关。下面右图为折射率，在2-25μm波段，比较高不超过3.，比较低不低于3.42，因此在设计膜时，可以考虑用单点波长折射率代替全波段。
锗基板的透明带在2-12μm。如下面左图所示。在超过12μm后透过率开始下降，吸收开始逐渐变大。下面右图给出了基板的光学常数。15μm后吸收开始剧烈增强。在2-18μm波段，比较高不超过4.11，比较低不低于4，折射率色散关系可用柯西公式简单表征。
综上，在5-12μm波段，锗基板的吸收相对较小，用于镀膜具有较好优势。但在5-20μm的更宽波段范围内，硅基板的整体透过率更高。
1.4薄膜膜料选择
应用于红外波段的膜料，必须保证在应用波段具有良好的透过率，合适的折射率，以及优越的机械特性以应对复杂的环测。设计滤光片的前提是选择组合一组高低折射率膜料搭配。搭配意味着应力须匹配，这样可以保证多层膜不膜裂；搭配同时意味着高低折合率差须足够大，这样膜层数和厚度才能尽可能少。在折射率小于2的常用膜料中，AlF3和MgF2对水汽吸收很强烈，BaF2和CaF2膜层松软容易吸潮，YbF3张应力较大，等因为种种原因，在类似滤光片的多层膜设计中，一般不会选用。
编者给的建议组合是Ge/ZnS。下图是Ge薄膜的折射率和消光系数。在大约2μm波段，折射率遵循正常色散。此数据的镀膜工艺是T.Amotchkina在年给出的，基板是1mm厚度的ZnSe，电子束蒸发，沉积温度°C。
下图是ZnS薄膜的折射率和消光系数。在常规红外波段，薄膜几乎没有吸收。同时环境稳定性比较好，是理想的低折射率膜料。此数据的镀膜工艺同样是T.Amotchkina在年给出的，基板是3mm厚度的Ge，电子束蒸发，沉积温度°C，沉积厚度1.μm。
1.5薄膜设计以前文参数来设计膜系。过渡带在5.5μm附近，因此建议参考波长设置在5μm附近。
单一传统高反膜堆（HL）^S并不能满足截止带宽，因此需要多个膜堆叠加。
为了保持初始膜堆的规整性，确保制备精度，尽量不要采用needle法优化膜系。下面是优化后的结果。透过带达不到%，是由于Ge参数在这个波段的消光系数比较大导致。
1.6制备工艺接下来，依次讨论沉积温度，离子源预清洁，蒸发工艺。
沉积温度。考虑到温度过冲和薄膜沉积淬火等因素，建议温度是℃。依据有关文献报道，随着沉积温度提高，迁移率提高，ZnS膜层与基板的结合力也随着变好。但在成膜温度超过℃后，伴随着蒸发温度继续升高，薄膜与基底材料内部应力出现了不匹配效应，超出了提高表面粒子迁移率的影响，从而导致材料与基底的结合力开始下降。此外，过高的沉积温度也会导致ZnS分解。因此在有ZNS的镀膜中，沉积温度不宜设定过高。Ge随着温度升高，致密度和结合力都会变得更好。
离子源清洁。离子源对基板的清洁作用。需要注意的是，离子源功率需要适中，否则可能会破坏基板表面。预清洁后等待机器把杂气抽走后再开始镀膜。但预清洁和镀膜的时间间隔比较好不要超过10分钟，否则预清洁就失去效果了。
ZnS蒸发工艺。ZnS通常用钼舟蒸发。成膜外观与钼舟形状息息相关，镀膜前须充分预融。如果为提高薄膜硬度或平衡应力而采用离子源辅助镀膜，则功率不宜过高，否则ZnS材料会存在质变的可能。离子源对红外材料的表面的刻蚀会随离子源能量增大而变得严重，从而影响透过率。
Ge蒸发工艺。通常用坩埚蒸发。Ge材料在熔料后和镀膜后一般在其内部会出现一个较明显的鼓包现象，严重的可能会影响到坩埚的旋转，因此在每次镀完Ge后电子仪器的电流不要瞬间降为0mA，应该是有一个缓慢下降的过程，以尽可能消除鼓包。
表1:Ge/ZnS蒸发工艺膜料速率电压电流烘烤温度恒温时间冷却时间Ge5/S-8KVmA-℃30-50min60minZnS15/S12VA镀膜后的冷却。宏观上的成膜虽然结束了，但薄膜内部的分子迁移并未结束。这个过程是薄膜的老化过程。在老化没有结束之前开门进气，薄膜经历过快的温差和湿度变化，会使得薄膜的牢固度和外观等特性严重恶化。这在硫系玻璃镀膜上表现的尤其明显。1.7镀膜设备配置从抽气系统，真空室大小，离子源、工件盘、蒸发系统和厚度控制系统几个方面讲述如何配置机器。
红外镀膜忌水和油分，因此比较好是无油抽气系统，比如干泵加冷凝泵。如果不选择冷凝泵，则必须配置深冷。在某种程度上，水分含量随机器尺寸呈两次方增多，红外膜普遍较厚，吸水效应更加明显，因此不建议使用直径大于mm的腔体。
离子源的选用。建议灯丝型霍尔源或考夫曼型离子源。霍尔源对膜层致密度的贡献有限，从源头之外充入的气体越多，增大致密度的功效就会被降低的越厉害，因此，不建议配置含中和器的霍尔源。
工件盘
红外膜料的蒸发，绕射效应比较强，因此均匀性比较难以控制。公自转结构的膜厚均匀性天生优于公转球伞；但装载量远少于球伞。因此，如果生产增透膜等对均匀性要求较低的薄膜，球伞性价比更高。如果是滤光片等要求高的薄膜，建议公自转的行星盘。
1.8总结：对测温仪器用5μm长波通薄膜的全流程制备工艺进行了讲解。
中远红外波段，基板和膜料多多少少都有一些吸收，因此选材至关重要。文中推荐的基板是硅，膜料组合是Ge/ZnS。
依据Ge/ZnS组合的特性，给出了沉积温度和镀膜蒸发工艺。并由此推荐了相应的镀膜机配置。
补充两点。一是红外薄膜的点子、牢固度、和耐摩擦等是常见的不良,这需要工程师在镀膜工艺细节上下功夫。二是红外常见膜料制备的薄膜通常较软，需要在外面加DLC等保护膜来提高硬度和耐环境能力。