Дипломная (вкр): Электронно-лучевой синтез интерференционных покрытий оптического назначения

Электронно-лучевой синтез интерференционных покрытий оптического назначения

Введение

Интерференционные фильтры, в силу возможной вариативности своих спектральных характеристик, находят широкое применение в различных областях науки и техники. Для их реализации требуются прозрачные оптические плёнки с различными коэффициентами преломления и минимальным коэффициентом поглощения в требуемой области спектра. При синтезе многослойных интерференционных покрытий также необходим учет дисперсии показателей преломления и поглощения плёнкообразующих веществ. Однако оптические свойства тонких плёнок зависят от условий их получения и, как правило, отличаются от известных справочных данных, приведенных для монокристаллов или массивных образцов. Существующие в настоящее время данные по оптическим константам плёнок недостаточны.

Возможность варьировать не только толщину слоя, но и его показатель преломления является дополнительной степенью свободы при проектировании оптических покрытий. В этом смысле получение новых материалов и исследование оптических констант плёнок на их основе в совокупности с созданием методов и средств получения тонких плёнок из этих материалов позволяет и в дальнейшем совершенствовать как технологию изготовления интерференционных покрытий, так и их эксплуатационные, спектральные и экономические характеристики. Поэтому, поиск новых материалов, а также работы по совершенствованию технологии получения и исследование тонких плёнок и оптических покрытий на их основе являются актуальной и весьма перспективной, с позиции накопления новых знаний и опыта, областью исследований.

Уникальные свойства тонкоплёночных оптических покрытий позволяют формировать разнообразные спектральные характеристики фильтров. Современные средства откачки, прецизионные системы контроля толщины, новые методы изготовления и контроля оптических плёнок, позволяют получать плёнки тех материалов, которые до недавнего времени еще не были освоены и дают возможность существенно расширить не только рабочий спектральный диапазон получаемых оптических покрытий, но и множество их спектральных характеристик.

При реализации на практике многослойных интерференционных покрытий их спектры пропускания (отражения), в силу множества причин, всегда отличаются от расчётных. Поэтому вопросы синтеза дополнительных структур, которые позволяют скорректировать ошибки, возникающие при изготовлении оптических покрытий, путем добавления одного или нескольких слоев поверх готового покрытия, представляют несомненный практический интерес для конструкторов, занимающихся проектированием интерференционных фильтров. А исследование влияния этих ошибок на оптические характеристики покрытий позволяет судить о сравнительной устойчивости нескольких структур, реализующих сходные спектральные характеристики. Однако эти вопросы слабо отражены в литературе.

В процессе изготовления, наряду с оптическими и эксплуатационными свойствами, особое внимание уделяется равномерности осаждаемого покрытия по толщине, а при промышленном производстве этот фактор становится наиболее актуальным. Возможность получения однородных по толщине покрытий на подложках значительной площади, а также реализация за один технологический цикл большого количества некрупных оптических деталей с идентичными оптическими характеристиками существенно расширяет область их применения и снижает себестоимость.

1. Физико-технологические особенности электронно-лучевого синтеза оптических покрытий функционального назначения

Внедрение оптических приборов и методов исследования в различные области науки и техники приводит к необходимости создания многослойных диэлектрических, металлодиэлектрических систем с уникальными требованиями к их свойствам. Это в первую очередь оптические, физико-механические, химические и другие свойства. Из оптических свойств следует упомянуть непрерывно расширяющей спектральный диапазон работы приборов, ужесточение требований к лучевой стойкости и прочности покрытий, сочетание возможности отражения (пропускания) и формирования волнового фронта отражённого (прошедшего) излучения. В некоторых случаях требуется работа покрытий со сходящимися или расходящимися пучками, т.е. ужесточаются требования к их поляризационным свойствам. Поэтому разумно рассмотреть отдельные типы покрытий: просветляющие, зеркальные, свето- и спектроделительные, фильтрующие и поляризующие.

Особой задачей является осаждение покрытий на нестойких стёклах, кристаллах и полимерах. Плёнки, нанесённые на преломляющие и отражающие грани оптических элементов позволяют формировать требуемые, разнообразные, часто уникальные спектральные кривые, которые могут быть реализованы благодаря уникальному свойству тонкоплёночных систем. Этим уникальным свойством является интерференция света в плёнках, реализуемая практически для всех источников света, в виду малой длины когерентности источников излучения, необходимой для тонкослойных систем. Незначительная масса и относительная простота реализации (например, путём термического или электронно-лучевого испарения вещества в вакууме, осаждение покрытий из растворов или паров плёнкообразующих соединений и др.), позволяют широко применять интерференционные покрытия.

Просветляющие покрытия. Основная, почти классическая задача, просветляющих покрытий это увеличение спектрального диапазона и уменьшение остаточного отражения. Решение её при создании покрытий, работающих в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную часть спектра, осложняется тем, что оно существенно зависит от показателя преломления просветляемого материала. Показатель преломления просветляемых материалов лежит для ультрафиолетового диапазона излучения в интервале от 1,35 до 2,20; видимого диапазона от 1,35 до 2,40; инфракрасного диапазона от 1,35 до 9.0. В качестве плёнкообразующих материалов в основном используются оксиды, фториды, сульфиды элементов 3 - 5 групп таблицы Д.И. Менделеева и некоторые более сложные соединения. Создание таких покрытий в настоящее время сдерживается из-за отсутствия знаний о показателях преломления плёнкообразующих материалов, прозрачных в этой области спектра и приборов, позволяющих аттестовать эти материалы с достаточной точностью. Особый интерес в последние годы проявляется к просветляющим покрытиям с переменным по толщине показателем преломления. Хотя свойства таких покрытий известно очень давно их экспериментальная реализация к настоящему времени почти отсутствует. В последнее время, в связи с экспериментальными исследованиями, посвящёнными одновременному испарению двух и более плёнкообразующих материалов в вакууме, появляется надежда на создание таких покрытий.

Свето и спектроделительные покрытия. Спектроделительное покрытия это покрытие, которые делят падающий световой поток на отражённый и прошедший, но с разным спектральным составом. При этом, например, излучение, лежащее в коротковолновой, относительно некоторой длины волны, отражается, а длинноволновое излучение пропускается. Для спектроделительных покрытий, особенно применяемых в оптоэлектронике и оптической связи, основная проблема заключается в уменьшении спектрального диапазона зоны, в которой коэффициент отражения или пропускания меняется быстро. Классический путь её преодоления -использование систем, состоящих из большого числа четвертьволновых слоёв с малой разницей в показателях преломления плёнкообразующих материалов. Однако при этом зона максимального отражения уменьшается пропорционально разнице в показателях преломления. Аналогичный результат может быть достигнут при использовании материалов с большой разницей показателей преломления плёнкообразующих материалов при меньшем числе слоёв, что не всегда возможно в ультрафиолетовой и видимой областях спектра из-за отсутствия таковых. Этот компромисс определяется свойствами плёнкообразующих материалов (собственные напряжения и коэффициент термического расширения плёнок) и материала подложки.

Зеркальные покрытия. Создание систем с максимальным коэффициентом отражения как на кратных длинах, так и некратных целому числу длинах волн и расширение спектрального диапазона, захватывающего спектральный диапазон от ультрафиолетовой до ближней ИК-области спектра, создание узкополосных зеркал с минимальной шириной области максимального отражения является актуальными задачами, во многом противоречащими друг другу. Разработка конструкции таких зеркал в принципе может быть решена с помощью современных методов синтеза многослойных диэлектрических систем. Увеличение коэффициента отражения до величины, максимально приближенной к ста процентам, значительно увеличивает общую толщину диэлектрической системы. Это увеличение общей толщины приводит к тому, что система начинает разрушаться под действием механических напряжений, возникающих в слоях. Особый интерес представляют системы, в состав которых входят слои с заданным распределением показателя преломления по толщине. Такие системы не только исключают границы раздела между слоями, изготовленными из различных материалов, что значительно увеличивает механическую прочность и лучевую стойкость покрытия, но и позволяют реализовать узкополосные системы, работающие как на кратных, так и не кратных длинах волн.

Поляризующие покрытия. В работе современных оптико-электронных приборов часто используется поляризованное излучение. Ориентация плоскости поляризации или соотношение между поляризациями, ориентированными в разных плоскостях. Свойства покрытий (поляризующих покрытий) зависят существенным образом от угла падения излучения и расходимости падающего потока. Если для лазерных источников расходимость излучения мала, то для ряда других источников расходимость может достигать величины нескольких десятков градусов. Эти источники характеризуются не только большой расходимостью, но и достаточно широким спектральным диапазоном излучения. Возможность получения покрытий, обладающих воспроизводимыми спектральными характеристиками, при падении излучения с заданным состоянием поляризации и расходимостью определяется точностью контроля и стабильностью режимов осаждения.

Основная сложность, которая возникает при изготовлении перечисленных выше покрытий, заключается в непостоянстве показателей преломления плёнкообразующих материалов слоёв, входящих в состав диэлектрических и металлодиэлектрических систем, а также в недостаточной точности контроля толщины слоёв в процессе осаждения. Основная сложность при изготовлении таких покрытий состоит в воспроизведении расчетного распределения толщин слоёв по поверхности элемента и их контроле в процессе осаждения, что требует проведения соответствующих исследований. Особый интерес здесь представляет исследование оптических параметров плёнок с большим градиентом толщины, которая меняется от нуля до четверти длины волны, во времени.

1.1 Особенности синтеза интерференционных покрытий электронно-лучевым методом

При электронно-лучевом нанесении вакуумных покрытий нагрев и испарение вещества осуществляются в результате теплового действия электронов, бомбардирующих испаряемую мишень. Данным методом получают покрытия из сплавов металлов, полупроводников и даже диэлектриков. Электронно-лучевое нанесение покрытий характеризуется следующими преимуществами:

. Возможность получения высоких по плотности потока энергий в электронном пучке jэ ~ 5·108 Вт/см2 (для испарения металлов достаточны потоки с энергией в 103 раз ниже). При этом в зоне действия электронов может развиваться температура ~ 10000 °C, поэтому этим методом осуществляется испарение практически любых, даже очень тугоплавких материалов.

. Парообразование происходит на поверхности. Это очень важная особенность процесса. При резистивном испарении более высокая температура достигается в зоне контакта расплавленного металла с поверхностью испарителя. При этом образующиеся пары проходят через расплав металла, что вызывает появление в газовом потоке капельной фазы. При электронно-лучевом испарении капельная фаза практически отсутствует.

. Представляется возможным сканировать поток электронов по поверхности мишени, и, таким образом, при использовании составных тиглей достаточно просто изменять химический состав испаряемых частиц и их пространственное распределение.

. Возможность автоматизации процесса испарения и, соответственно, нанесения покрытия в целом.

. Получение химически чистых покрытий, т.к. нагревается только испаряемый материал.

Разработано большое число конструкций электронно-лучевых испарителей, в которых, например, для поворота потока электронов используются внешние магнитные поля.

Основным недостатком электронных пушек является то, что для их устойчивой работы необходимо достаточно низкое давление (p <10-2 Па). В плохом вакууме возможно образование электрических разрядов между электродами, что нарушает стабильность работы пушки. Поэтому, как видно из рисунка 1.1, электронно-лучевой источник имеет вакуумную систему откачки.

Характерными основными параметрами электронно-лучевого нанесения покрытий являются:

а) ускоряющее напряжение электронно-лучевой пушки до 10 кВ;

б) плотность тока j~104 ÷ 105 Вт/см2;

в) скорость испарения 2·103 ÷ 2·10-2 г/см2·с;

г) скорость роста покрытий 10 ÷ 60 нм/с.

1 - анод (тигель с веществом); 2 - катод; 3 - электронный луч; 4 - подложка

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема процесса нанесения покрытий электронно-лучевым нагревом

Известны электронно-лучевые пушки для напыления мощностью до 100 кВт и более. При столкновении электрона с поверхностью испаряемого материала примерно 70 - 90 % его кинетической энергии в тонком поверхностном слое превращается в тепловую, остальная часть расходуется на возбуждение вторичной эмиссии и рентгеновского излучения.

Для характеристики процесса испарения вводят параметр - эффективность процесса испарения или удельная испаряемость β. Это величина численно равна количеству вещества, испаряемого в данных условиях при энергозатратах, равных 1 Дж. Для электронно-лучевого испарителя параметр

β = 3·10-6 г/Дж.

Испаренные под действием потока электронов частицы имеют кинетическую энергию порядка 0,1 ÷ 0,3 эВ (при резистивном испарении эта величина значительно ниже и составляет 0,01 ÷ 0,001 эВ, что способствует формированию покрытий с более высокими свойствами (адгезией, сплошностью).

Электронно-лучевые методы нанесения покрытий имеют следующие основные недостатки:

необходимо использование источников высокого напряжения (до 10 кВ), что определяет сложности их эксплуатации;

относительно невысокий КПД электронно-лучевых устройств. Более

% потребляемой мощности идет на вторичное электронное и рентгеновское излучение, нагрев тигля;

- в процессе роста покрытия поверхность подложки подвергается воздействию высокоэнергетичных электронов. Эти электроны способны генерировать дефекты в растущей плёнке, вызывать ее распыление. При попадании этих электронов на поверхность технологической оснастки возможно дополнительное газовыделение, которое отрицательно сказывается на качестве наносимых покрытий [1 - 3].

1.2 Особенности электронно-лучевого испарения диэлектрических материалов

Электронно-лучевое испарение диэлектриков имеет ряд особенностей, основная из которых состоит в том, что их поверхность имеет высокое электрическое сопротивление и при взаимодействии с ней потока электронов происходит накопление электронов в поверхностном слое (зарядка поверхности) и образование, в итоге, тормозящего электрического поля.

В общем случае в зоне действия потока электронов кроме зарядки поверхности протекают следующие основные процессы:

) вторичная электронная эмиссия;

) унос адсорбированного заряда с поверхности испаренными частицами.

Тогда с учетом данных процессов дифференциальное уравнение, описывающее кинетику зарядки поверхности и составленное на основе закона сохранения электрического заряда, может быть представлено в виде: