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

                                                                     (1.1)

Здесь q - плотность поверхностного заряда, адсорбированного на диэлектрике; jэ -плотность потока электронов; vу - ускоряющее напряжение электронной пушки; - скорость изменение массы мишени или скорость испарения (величина отрицательная); βэ - степень ионизации испаренных частиц; αэ - коэффициент вторичной электронной эмиссии, который численно равен количеству электронов, выбиваемых с поверхности при действии на нее одного первичного электрона.

Значениеопределяется природой материала подложки и очень сильно зависит от энергии электронов. В первом приближении эта зависимость может быть описана выражением:

                                                                                     (1.2)

где a0, d - величины, зависящие от природы диэлектрика; е - заряд электрона.

Если электрон обладает большой энергией, то коэффициент вторичной электронной эмиссии меньше единицы, и при отсутствии испарения будет происходить зарядка поверхности до величины потенциала, равного потенциалу ускоряющего электрода пушки. В общем случае потенциал поверхности определяется величиной адсорбированного заряда q и емкостью поверхностного слоя С. Тогда эффективная энергия электронов, бомбардирующих поверхность равна:

                                                                            (1.3)

где U - эффективное ускоряющее напряжение; Uу - ускоряющий потенциал электронной пушки.

При решении уравнения (1.1) учтем соотношения (1.2), (1.3) и то, что dm/dt= - αр jэ (αр-приведенный коэффициент распыления) и dq/dt=-cdU/dt.

Тогда уравнение (1.1) преобразуется к виду:

                                                             (1.4)

Решением данного дифференциального уравнения при начальном условии U(t=0)=Uу является выражение:

                                                              (1.5)

где U0 и tэ - характерные параметры процесса.

Графически кинетическая зависимость энергии электронов Е=еU представлена на рисунке 1.2. По своему физическому смыслу представленный на рисунке параметр U0=Ео/е, где Ео - энергия электронов, при которой на поверхности не происходит зарядка поверхности (нет накопления зарядов).

Ео зависит от природы испаряемой мишени. Для большинства полимеров она имеет значения 1 ÷ 2,5 кэВ, для политетрафторэтилен «Тефлон» - Ео = 1,5кэВ.

Рисунок 1.2 - Изменение энергии электронов в процессе обработки диэлектрической поверхности

Из данного аналитического рассмотрения следует, что основным технологическим параметром, изменением которого можно регулировать скорость испарения, является плотность потока электронов jэ. Ускоряющее напряжение электронной пушки не оказывает заметного влияния на скорость диспергирования и, как правило, при оптимальных режимах не должно значительно превышать значение U0.

Для увеличения скорости испарения диэлектриков можно предложить следующие технологические приемы:

. Предварительный нагрев поверхности мишени до температуры, при которой поверхностная электрическая проводимость возрастает и снижается, соответственно, эффективность зарядки поверхности.

2. Испарение диэлектрика с помощью двух и более электронных пушек, одна их которых является источником медленных электронов, при взаимодействии которых с поверхностью происходит снятие электрического заряда.

. Использование электронных потоков с изменяющей во времени энергией (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Изменение энергии электронов в процессе испарения

Это достигается путем подачи на ускоряющий электрод переменного потенциала. При таком режиме работы электронной пушки в промежуток времени от t1 до t2 будет происходить снятие поверхностного заряда вследствие интенсивной вторичной эмиссии.

. Введение в зону испарения металлических электродов, например, медных, которые при действии на них высокоэнергетичных электронов являются источником рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение, в свою очередь, при взаимодействии с поверхностью диэлектрика вызывает фотоэлектронную эмиссию. Металлические электроды также повышают эффективную электрическую проводимость слоя и способствуют, таким образом, стеканию с поверхности диэлектрика адсорбированных электрических зарядов.

При воздействии потока электронов на поверхность полимера протекают сложные физико-химические процессы, приводящие, например, к разрушению макромолекул, протеканию электронно-стимулированных реакций. В результате на поверхности образуются низкомолекулярные фрагменты - продукты электронно-лучевого диспергирования, которые при определенных условиях переходят в газовую фазу (десорбируются). Состав этих летучих продуктов различен и при определенных условиях они способны к процессам вторичной полимеризации, как в газовой фазе, так и на поверхности с образованием тонкого полимерного слоя. Данные процессы лежат в основе технологии формирования тонких полимерных покрытий из активной газовой фазы [2, 3].

.3 Электронно-лучевой синтез просветляющих покрытий на основе тугоплавких оксидов

Просветление поверхностей элементов оптических систем используют по двум причинам. Во-первых, если оптическая система состоит из элементов с высокими показателями преломления или если количество элементов велико, потери света из-за отражения могут быть недопустимо большими. Во-вторых, в плоскость изображения попадает свет, претерпевший многократное отражение от поверхностей элементов, что приводит к уменьшению контрастности и четкости изображения [4].

Пропускание пластины (без учета интерференции проходящего света) равно:

                                                                        (1.6)

где Rs =(1-ns)/(1+ns), ns - показатель преломления подложки.

На рисунке 1.4 представлена зависимость пропускания плоскопараллельной подложки от её коэффициента преломления.

Рисунок 1.4 - Зависимость пропускания плоскопараллельной подложки от ее коэффициента преломления

Для увеличения пропускания оптических деталей на их преломляющие поверхности наносятся просветляющие покрытия, которые уменьшают коэффициент отражения преломляющих поверхностей до 0,001 на одной и до 0,05 в широком спектральном диапазоне. Просветляющие оптические покрытия получают обычно в ИК области спектра осаждением в вакууме.

В зависимости от конструктивных и эксплуатационных условий работы детали выбирается конструкция просветляющего покрытия (количество и толщины слоев, составляющие покрытие материалы, способы их осаждения в вакууме). Наиболее дешевыми и простыми в изготовлении являются однослойные четвертьволновые покрытия, минимальная отражательная способность которых при нормальном падении света определяется выражением:

                                                                           (1.7)

- показатель преломления воздуха,- показатель преломления плёнки с оптической толщиной n1d1=λ0- показатель преломления подложки.

λ0 - длина волны, при которой и производится контроль осаждения слоя,- геометрическая толщина плёнки.

Минимальная отражательная способность R = 0 реализуется при условии,

                                                                                          (1.8)

Применительно к оптическим материалам, прозрачным в инфракрасной области спектра ns подложки изменяется от 1,4 - 1.45 (фторид бария, кальция) до 4.0 (германий) показатель преломления n1 должен иметь величину от 1,20 до 2.0. Плёнкообразующих веществ, обладающих достаточной механической прочностью и стабильностью с показателем преломления меньше чем 1,38 (на длине волны 1 мкм) нет. Часто для однослойного просветления применяют плёнки фтористого магния (MgF2 n = 1,38 на сапфире с ns = 1.68 для 4 мкм) или фтористого свинца (PbF2 n = 1,6 для λ0 = 10 мкм на селениде цинка), которые дают нулевое отражение для подложек с ns = 1,90 и 2.6 соответственно.

Хотя однослойные покрытия удовлетворительны для ряда применяемых задач и просты в изготовлении, они обладают некоторыми серьезными ограничениями. Так для крона наименьшее отражение с плёнкой фторида магния равно 1.33%. Для веществ с большими показателями преломления можно реально получить и нулевое отражение. Однако, отражение весьма быстро возрастает при отклонении длины волны в ту или иную сторону. Даже небольшие ошибки в толщине плёнки могут существенно снизить просветление на рабочей длине волны. Эти трудности можно преодолеть, используя покрытия из нескольких (двух-трех) слоев. Уменьшение отражательной способности материалов до величин близких к нулю в широкой области спектра, как в видимой, УФ и ближней ИК областях спектра, достигают применением многослойных просветляющих покрытий.

Уменьшения отражательной способности материалов до величин близких к нулю, прозрачных в видимой, УФ и ближней ИК областях спектра, достигают применением многослойных просветляющих покрытий.

Наиболее часто используют двухслойные покрытия, состоящие из следующих компонентов Ge, Sb2S3, ZnS, ZnSe, PbF2, MgF2, ZrO2 и др. Оптическая толщина слоев этих материалов определяет положение спектральной кривой остаточного коэффициента отражения и зависит от значений показателей преломления слоев и подложки. Значения оптических толщин определяют в зависимости от показателей преломления плёнкообразующих материалов и подложки из условия

=0, при λ=λ 0

где λ - длина волны, на которой измеряется R для заданного спектрального интервала (обычно R < 0,008).

Величина показателей преломления зависит от условий осаждения диэлектриков, т.е. величины остаточного давления в вакуумной камере, состава остаточных газов, изменения стехиометрического состава вещества во время осаждения слоя, скорости испарения, температуры подложки. Отклонения в величинах показателей преломления и оптических толщинах слоев вызывает в экспериментальной спектральной кривой отличия от теоретической. Поскольку в формировании покрытия участвует не один материал, то количество факторов, влияющих на отклонение спектральной кривой увеличивается с увеличением числа слоев просветляющего покрытия. Поэтому при выборе конструкции просветляющего покрытия желательно обходиться минимальным количеством слоев.

Покрытия, состоящие из тугоплавких веществ (ZrO2, HfO2, MgO, Ge, PbF2) изготавливаются способом электронно-лучевого испарения вещества в вакууме, покрытия, содержащие остальные элементы, могут изготавливаться также с помощью резистивного испарения. Режимы осаждения (температура подложки, остаточное давление в камере, скорость испарения) определяются технико-эксплуатационными условиями применения детали. Режимы испарения (ток накала, эмиссии, ускоряющее напряжение) для электронно-лучевого испарения и ток накала для резистивного испарения выбираются в зависимости от плёнкообразующего материала и типа испарителя [5].

Прежде чем рассматривать конкретные просветляющие диэлектрические системы выведем несколько соотношений, полезных для более подробного анализа. Условие просветления означает равенство нулю энергетического коэффициента отражения, т.е. R=0. По определению R=r02 , отсюда следует, что условие просветления может быть записано в виде r0=0. Амплитудный коэффициент отражения непоглощающей системы слоев, выраженный через элементы матрицы интерференции равен:

                                                     (1.9)

Нетрудно показать, что равенство нулю амплитудного коэффициента отражения будут выполняться, если одновременно равны нулю действительная и мнимая части числителя:

{                                                                              (1.10)

При условии, что (n0m11+nsm22)2+(n0nsm12+m21)2=0

Наиболее часто используются двухслойные покрытия, оптические толщины которых не равны друг другу.

Матрица интерференции, описывающая такие покрытия, имеет вид:

                          (1.11)

где n1 - показатель преломления слоя, граничащего с воздухом,

πn1d1 - оптическая толщина слоя, граничащего с воздухом,- показатель преломления слоя, прилегающего к подложке,

πn2d2 - оптическая толщина слоя, прилегающего к подложке а значения элементов матрицы интерференции, выраженные через параметры слоев, равны:

;

                                                     (1.12)

;

.

Условие просветления, после подстановки (1.12) в (1.10) имеет вид:

                               (1.13)

Полагая, что из требований к механической прочности, химической стойкости и влагоустойчивости выбраны некоторые плёнкообразующие материалы, т.е. известны возможные значения показателей преломления плёнкообразующих материалов n1 и n2. Задача определения конструкции просветляющего покрытия сводится к нахождению оптической толщины плёнкообразующих слоёв. Подставляя известные величины (n0, ns, n1, n2, 0) и неизвестные величины.

;                                                                           (1.14)

Найдем оптические толщины слоев n1d1, n2d2, определив предварительно  , здесь d1, d2 - геометрические толщины соответствующих слоёв.

Решая систему (1.12), получим:

                                                  (1.15)

                                                   (1.16)

поскольку j1, j2 действительные числа, то для решения этой системы необходимо, чтобы подкоренное выражение было больше нуля. С учетом того, что ns-n0>0 при падении света из воздуха система имеет решения при выполнении одного из следующих условий:

а)  б)                                                     (1.17)

в)  г)

Условию просветления будут удовлетворять значения n1, n2, лежащие в заштрихованных областях диаграммы, определяемых из неравенств, показанных на рисунке 1.5. Эту диаграмму называют диаграммой Шустера по имени ее создателя. Она позволяет определить соотношение между коэффициентами преломления двухслойных плёнок, которые дают нулевое отражение на заданной длине волны.