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

Рисунок 1.5 - Диаграмма Шустера для определения соотношений коэффициента преломления двойных плёнок

                                     (1.18)

                                    (1.19)

Если решена задача с двухслойным просветляющем покрытием у которого n0 < n1 < ns < n2, то расширение области просветления до 2N можно получить вставив между двумя плёнками третью, с толщиной 0/2. Коэффициент преломления третье плёнки должен быть больше, чем у каждой из первых. Его реальное значение можно подобрать, используя программы расчета спектров покрытий на основе численных методов [6 - 8].

Контроль толщины слоёв при изготовлении их методом термического испарения в вакууме целесообразно осуществлять одним из двух фотометрических способов: по изменению коэффициентов пропускания или отражения при фиксированной длине волны.

Экстремальным значениям пропускания (отражения) соответствует толщина плёнки (nd) кратная значениям λ0/4, где λ0 - длина волны излучения на выходе монохроматора, n - коэффициент преломления наносимого вещества.

2. Синтез интерференционных покрытий оптического назначения электронно-лучевым методом

Методы термического (резистивного и электронно-лучевого) испарения широко используются для получения оптических покрытий. Основное достоинство методов - их универсальность. На однотипном вакуумном оборудовании имеется возможность получать однородные слои металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков различной толщины. Вакуумное оборудование, а также основные технологические подходы, которые используются при термическом осаждении тонких плёнок.

При термическом испарении плёнкообразующее вещество нагревается в вакуумной камере до температуры, при которой происходит его интенсивное испарение в условиях высокого вакуума. Это соответствует давлению насыщенных паров порядка 1 Па. Обычно температуру, при которой давление насыщенных паров составляет 1,33 Па, называют условной температурой.

Испаряемое вещество оседает на подложках и создает оптическую плёнку.

Метод электронно-лучевого испарения широко применяется для получения оптических плёнок в вакууме, как в лабораторных исследованиях, так и при промышленном изготовлении интерференционных покрытий. Основными достоинствами метода являются:

- незначительное взаимодействие испаряемого материала с материалом водоохлаждаемого тигля;

возможность испарения большого количества материала с большой скоростью;

испарение тугоплавких материалов.

2.1 Особенности синтеза интерференционных оптических покрытий

В зависимости от конструкции многослойного интерференционного покрытия и диапазона длин волн его работы выбираются покрытия различных материалов. Поскольку эти покрытия создаются методами напыления, то важно, чтобы качество оптических плёночных материалов удовлетворяло ряду важных критериев:

прозрачность;

оптимальный показатель преломления;

оптическая однородность;

относительная плотность;

высокие адгезия и твердость, низкие механические напряжения;

подходящие к эксплуатации определённые химические свойства диктуемые условиями эксплуатации (растворимость, реактивность);

стабильность поведения в условиях среды эксплуатации.

Остановимся на рассмотрении некоторых требований к плёночным материалам, подробная информация о которых может быть найдена в [7].

Прозрачность. Световые потери в плёнках должны быть минимальны, что особенно важно при создании многослойных оптических покрытий из разных материалов. Обычно считается, что полные потери в многослойных системах - это сумма потерь на рассеяние и истинное поглощение. Какой из этих факторов является доминирующим, во многом зависит от конкретной ситуации. Потери, связанные с рассеянием, уменьшаются технологически при получении плёнок максимально оптически однородных, не содержащих на поверхности и в объеме пор, трещин, пузырьков и других подобных дефектов. Потери, обусловленные истинным, присущим данному материалу, поглощением, могут быть уменьшены только правильным подбором вида материала к длине волны. Учитывая дисперсию показателя поглощения k выбираемого материала, для рабочей длины волны λ0 используется область дисперсии достаточно далекая от края поглощения материала. Чтобы световые потери в многослойных оптических покрытиях оставались незначительными, они должны быть менее 0,01 %. Это соответствует k ≈ 0,44×10-4 или α ≈ 10 см-1. Показатель преломления диэлектрических и полупроводниковых плёнок зависит от нескольких факторов:

от природы материала или, точнее, от типа химической связи в материале. Обычно показатель преломления возрастает с увеличением атомного веса элемента; например, для углерода n = 2,38, для Si n = 3,4, для Ge n = 4,0 (на λ = 4 мкм). В химических соединениях с преимущественно ионными связями показатель преломления ниже, чем в соединениях с доминирующей ковалентной связью. Так, для PbF2 n = 1,76, для PbO n = 2,6, для PbTe n = 3,9;

от кристаллической структуры. Для плёнок TiO2 характерна сильная зависимость n от температуры подложки (Ts), определяющая структуру плёнок. Так, в интервале от 20 °С до 400 °С плёнки могут быть либо аморфные, либо со структурой анатаза или рутила, либо представлять смесь аморфной и кристаллической фаз. При таком ΔTs показатель преломления на длине волны 550 нм может меняться в пределах 1,9 ÷ 2,6; - от изменения размера зерен, плотности, концентрации поглощенных паров воды и состава плёнок.

Относительная плотность ρ есть отношение плотности плёнки (ρf) к плотности массивного образца (ρm). Относительная плотность и показатель преломления связаны соотношением: где nf и nm - показатели преломления для плёнки и массивного образца, соответственно.

                                                                      (2.1)

Уменьшение ρ может быть связано со структурными дефектами, обусловленными внедрением в плёнку молекул газа, реиспарением внедренных молекул, наличием микропор. Увеличение Ts обычно приводит к возрастанию ρ. Рассмотренным требованиям к плёночным материалам многослойных интерференционных покрытий удовлетворяют диэлектрические и полупроводниковые материалы. Среди диэлектриков чаще всего применимы оксиды, фториды, некоторые хлориды, сульфиды и селениды. Среди полупроводников - кремний, германий и теллур. В таблице 2.1 приведены значения оптических постоянных наиболее распространенных диэлектрических и полупроводниковых плёночных материалов, полученных различными методами. Следует отметить, что оптические постоянные существенно зависят как от способа получения плёнок, так и от технологических режимов. Следовательно, их следует рассматривать как ориентировочные. Подробные данные по представленным и некоторым другим материалам, с технологическими особенностями их получения, можно найти в [7,8] и других справочных изданиях [9 - 11].

Таблица 2.1 - Параметры и методы получения плёночных материалов оптических покрытий

Диэлектрические материалы, используемые в интерференционной оптике, делятся на группы в соответствии с их химическим составом [7].

Галогениды и, в частности, фториды принадлежат к классу материалов, которые легко испаряются и конденсируются, сохраняя стехиометрию. Исключительно важное значение среди фторидов имеют криолит (Na3AlF6 - соединение NaF и AlF3), MgF2 и ThF4.

Криолит испаряют из тиглей, изготовленных из тугоплавких металлов. Масс-спектрометрический анализ показывает, что криолит диссоциирует при нагревании. При более низких температурах испарителя в газовой фазе преобладает NaF, а при более высоких - AlF3. Поэтому состав получаемых плёнок зависит от температуры резистивного испарителя и скорости испарения. Плёнки криолита прозрачны и имеют низкий коэффициент поглощения в области длин волн 0,2 - 14 мкм. Их показатель преломления зависит от условий испарения и состава полученной плёнки nNaF = 1,29 ÷ 1,31, nAlF3 = 1,385. Значения показателя преломления плёнок криолита nNa3AlF6 = 1,28 ÷ 1,36. Средней величиной считается n = 1,35. Плёнки поглощают пары воды в процессе и после испарения, что накладывает дополнительные требования к условиям эксплуатации покрытий.

Плёнки AlF3 наносятся сублимацией при 1100 °С из молибденовых тиглей. Они прозрачны в области 0,195 ÷ 10 мкм; показатель преломления в вакууме равен 1,23, на воздухе - 1,38. Такая большая разница объясняется малой плотностью плёнки по отношению к объемному кристаллу. MgF2 легко испаряется из танталовых или вольфрамовых лодочек, а также с помощью электронного луча. Плёнки MgF2 используются в диапазоне длин волн 0,115 ÷

мкм. Выше этого значения в четвертьволновой плёнке появляются трещины из-за высоких внутренних механических напряжений. Кроме того, в плёнках микронной толщины поглощение отсутствует только до λ = 4 мкм, выше которой ощутимое поглощение дают структурные дефекты плёнки. В более тонких плёнках верхняя граничная длина волны высокой степени пропускания может достигать 10 мкм. Показатель преломления плёнок из фторида магния, из-за высокой пористости, в видимой области зависит от температуры подложки и количества поглощенной влаги. Увеличение температуры подложки увеличивает показатель преломления и усиливает зависимость от других технологических параметров - таких, как давление пара. Плёнки MgF2 всегда имеют поликристаллическую структуру, хотя в тонких плёнках и плёнках, осажденных на холодные подложки, величина зерна значительно меньше, чем в толстых плёнках или плёнках, осажденных на нагретые подложки. При толщинах более 100 нм плёнки становятся оптически неоднородными. В плёнках MgF2 обнаружены очень высокие растягивающие напряжения (300 ÷ 500 МПа при толщине 100 нм). Механические и химические свойства плёнок в основном зависят от плотности. Плёнки с высокой плотностью, полученные при температуре подложки 300 °С или путем отжига после осаждения, очень стабильны, тверды и обладают хорошей адгезией.

Плёнки ThF4 чаще используются в диэлектрических зеркалах, особенно в лазерной технике. Для испарения ThF4 используются лодочки из тантала. Получаемые плёнки прозрачны в диапазоне длин волн 0,2 ÷ 15 мкм. Показатель преломления при λ = 550 нм равен 1,52. Плёнки очень стабильны механически и химически устойчивы. Плотность плёнок зависит от условий их приготовления. В плёнках ThF4 наблюдаются растягивающие напряжения ~ 110 ÷ 150 МПа, которые при выдержке на воздухе заметно уменьшаются. Толстые плёнки ThF4 не растрескиваются и не отслаиваются, что делает их вполне пригодными для использования в инфракрасном диапазоне. ThF4 - радиоактивен. Необходимо соблюдать все меры предосторожности, предусмотренные при работе с радиоактивными материалами, в соответствии с имеющимися правилами.

Кроме рассмотренных материалов, в интерференционной оптике применяют и другие фториды - такие, как CeF3, LiF, BaF2, PbF2. Достоинства и недостатки описанных выше фторидов приведены в таблице 2.2.

Сульфиды и селениды. ZnS применяется в оптических покрытиях для видимой и ИК- областей спектра. Плёнки ZnS часто используются в комбинации с плёнками фторидов типа Na3AlF6, MgF2, ThF4, обладающими низкими показателями преломления. Также ZnS очень хорошо совмещается с полупроводниковыми материалами (например с PbTe, Ge), так как образует толстые плёнки, которые не растрескиваются и не отслаиваются при работе в ИК-диапазоне. Полоса пропускания таких покрытий перекрывает видимый и ИК-60 диапазон вплоть до 14 мкм.

Показатель преломления в видимой области изменяется от 2,6 до 2,3, обнаруживая вблизи края поглощения сильную дисперсию. В ИК-области показатель преломления ~ 2,3. В УФ-диапазоне плёнки ZnS полностью поглощают. Плёнки обладают высокой относительной плотностью. Стабильность плёнок ZnS сильно зависит от чистоты и способа предварительной обработки подложки. ZnS испаряется при температуре 1200 °С. При нагреве ZnS диссоциирует на Zn и S. При конденсации Zn и S снова ассоциируют в ZnS. Этим объясняется сильная зависимость коэффициента конденсации от температуры подложки даже в области 20 ÷ 300 °С. ZnS испаряют из молибденовых и вольфрамовых лодочек.во многом аналогичен ZnS. Плёнки ZnSe используют в производстве лазерных зеркал. Недостатком этих плёнок является наличие поглощения в коротковолновой части видимого диапазона (до 0,46 мкм), а преимуществом - высокий показатель преломления (n = 2,65 при λ = 550 нм). Sb2S3 имеет высокий показатель преломления в красной части видимого диапазона. В более коротковолновой области он сильно поглощает. Показатель преломления Sb2S3 2,35 при λ = 600 нм. Достоинства и недостатки приведены в таблице 1.2.

Оксиды обладают высокой механической прочностью и химической стабильностью. Показатели преломления оксидов перекрывают широкий диапазон. Для покрытий с низким показателем преломления используют плёнки SiO2 и Si2O3. Промежуточные значения показателей преломления имеют плёнки SiO, Al2O3, MgO, ThO2, ZrO2 и редкоземельные окислы. CeO2 и TiO2 обладают высокими показателями преломления.

Плёнки SiO2 лучше всего получать электронно-лучевым способом. При этом для получения плотных и стабильных плёнок подложку необходимо нагревать до 150 °С. Плёнки SiO2 получают также реактивным испарением SiO в ионизированном кислороде. Плёнки SiO2 прозрачны в области 0,2 ÷ 9 мкм, n = 1,46 при λ = 550 нм. Плёнки, осажденные на горячие подложки, обладают высокой относительной плотностью, хорошей адгезией и очень высокой химической и механической стабильностью.

Плёнки Si2O3 образуются при испарении моноокиси кремния в атмосфере кислорода. Эти плёнки имеют показатель преломления 1,55 и поглощают в УФ-области. Однако УФ- поглощение можно устранить УФ-облучением.

Плёнки SiO образуются при испарении SiO без кислорода. Они поглощают в видимой области, но прозрачны в ИК-диапазоне вплоть до 8 мкм. Плёнки SiO имеют показатель преломления ~ 2 в видимой области и ~1,8 в инфракрасной. Плёнки обладают высокой химической и механической стабильностью и являются прекрасными покрытиями для ИК-диапазона.