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

3. Исследование спектральных и морфологических характеристик интерференционных просветляющих покрытий синтезированных электронно-лучевым методом

.1 Спектральные характеристики пропускания и отражения оптических интерференционных покрытий

Ниже описываются спектральные характеристики пропускания и отражения полученные спектрометром «Varian Cary 50».

На рисунке 3.1 представлены спектральные зависимости покрытий состоящих из четверть волновых слоёв ZrO2+SiO2 и 3λ/4 слоёв SiO2, ZrO2, ZnS, TiO2 и Al2O3 нанесённые на стекло с показателем преломления 1,45. Как видно из рисунка 3.1 на длине волны 550 нм покрытия из ZnS и Al2O3 имеют максимальный коэффициент пропускания 97,3%.

Рисунок 3.1 - Спектральная зависимость коэффициента пропускания просветляющих покрытий на основе плёнок SiO2, TiO2, ZrO2+SiO2, Al2O3, ZrO2, ZnS на подложке из оптического стекла

На рисунке 3.2 представлены спектральные зависимости покрытий состоящих из четверть волновых слоёв ZrO2+SiO2 и 3λ/4 слоёв SiO2, ZrO2, ZnS, TiO2 и Al2O3 нанесённые на монокристаллическом кремнии с показателем преломления 3,4. Как видно из рисунка 3.2 на длине волны 490 нм пятислойное покрытие из четверть волновых слоёв ZrO2+SiO2 имеет максимальный коэффициент отражения 52,3%.

Рисунок 3.2 - Спектральная зависимость коэффициента отражения просветляющих покрытий на основе плёнок SiO2, TiO2, ZrO2+SiO2, Al2O3, ZrO2, ZnS на подложке из монокристаллического кремния

На рисунке 3.3 представлены спектральные зависимости покрытий состоящих из четверть волновых слоёв ZrO2+SiO2 и 3λ/4 слоёв SiO2, ZrO2, ZnS для λ=550 нм, покрытия нанесены на материал с показателем преломления с 1,51 (стекло К8). Как видно из рисунка 3.3 коэффициент пропускания для всех покрытий монотонно увеличивается, но покрытие из пяти слоёв имеет наиболее выраженый пик на длине волны 480 нм и коэффициент пропускания 13%.

Рисунок 3.3 - Спектральная зависимость коэффициента пропускания просветляющих покрытий на основе плёнок SiO2, ZrO2+SiO2, ZrO2, ZnS на подложке из стекла К8

На рисунке 3.4 представлены спектральные зависимости коэффициентов пропускания 3λ/4 слоя нанесённые на кварц с показателем преломления 1,46. Как видно из рисунка 3.4 на длине волны 530 нм покрытия из TiO2 и ZrO2 имеют высокие значения коэффициента пропускания 98,2% и 97,1%.

Рисунок 3.4 - Спектральная зависимость коэффициента пропускания просветляющих покрытий на основе плёнок TiO2, ZrO2, ZnS на подложке из кварца

3.2 Исследования морфологии однослойных и многослойных покрытий методами атомно-силовой микроскопии

С целью изучения влияния неровностей поверхности на оптические характеристики многослойных систем, изучена морфология синтезируемых покрытий. Измерения топографии поверхности проводились с помощью атомно-силового микроскопа «Solver P47 PRO» (рисунок 3.5) в полуконтактном режиме (максимальный размер скана - 100 на 100 мкм). Для анализа данных использовалось программное обеспечение.

Рисунок 3.5 - Атомно-силовой микроскоп Solver P47 PRO

На рисунках 3.6 - 3.11 приведены результаты атомно-силовой микроскопии по исследованию топографии поверхности плёнок ZrO2+SiO2, SiO2, ZrO2, ZnS, TiO2 и Al2O3, полученных электронно-лучевым испарением при температуре подложки 100 °С. Численные результаты исследования топологии покрытий методом атомно-силовой микроскопии представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Топологические параметры поверхности покрытий

а                                               б

а - топография; б - фазовый контраст

Рисунок 3.6 - Изображение поверхности покрытия Al2O3, полученное методом атомно-силовой микроскопии

а                                               б

а - топография; б - фазовый контраст

Рисунок 3.7 - Изображение поверхности покрытия SiO2, полученное методом атомно-силовой микроскопии

а - топография; б - фазовый контраст

Рисунок 3.8 - Изображение поверхности покрытия ZnS, полученное методом атомно-силовой микроскопии

а - топография; б - фазовый контраст

Рисунок 3.9 - Изображение поверхности покрытия ZrO2, полученное методом атомно-силовой микроскопии

а - топография; б - фазовый контраст

Рисунок 3.10 - Изображение поверхности покрытия TiO2, полученное методом атомно-силовой микроскопии

а - топография; б - фазовый контраст

Рисунок 3.11 - Изображение поверхности покрытия ZrO2+SiO2, полученное методом атомно-силовой микроскопии

На основании результатов анализа можно отметить, что наилучшим покрытием является ZnS так как имеет наименьшую шероховатость (таблица 3.1, рисунок 3.8) поверхности и имеющее относительно однородную структуру, что позволяет использовать его в оптических приборах. Наименее подходящим для применения в оптических устройствах является покрытие Al2O3 (таблица 3.1, рисунок 3.6), так как на ряду с высоким значением шероховатости обладает поверхностью с явно выраженным зернами большого размера.

.3 Оптические характеристики просветляющих покрытий синтезированных электронно-лучевым методом

При разработке методов расчета и контроля плёнок основой служит модель идеальной плёнки, аналогичной плоскопараллельной пластинке из однородного, непоглощающего вещества. Толщина ее мала по сравнению с окружающими средами. В зависимости от состояния исходного вещества и условий нанесения структура плёнок может быть различной. Вещество в виде тонкой плёнки может быть аморфным и кристаллическим. Кристаллическая структура может характеризоваться размером зерен и степенью их упорядоченности. Различные модификации одного и того же вещества могут иметь различные показатели преломления.

Плёнка обычно содержит поры, величина и количество которых зависят от метода нанесения. Вследствие этого показатель преломления вещества плёнки обычно ниже, чем вещества в массе. Пористость плёнки можно характеризовать «коэффициентом заполнения», который представляет собой отношение каких-либо постоянных для вещества в виде плёнки и в виде массы, например отношение их плотностей, показателей преломления и др. Коэффициент заполнения плёнок почти всегда меньше единицы.

Экспериментально получаемые плёнки в той или иной степени неоднородны, что необходимо учитывать при определении оптических постоянных, иначе это может служить причиной неправильного истолкования полученных результатов значительная неоднородность плёнок может препятствовать применению обычных методов исследования. Все сказанное говорит о том, что совпадение теоретических и экспериментальных данных в значительной степени зависит от того, насколько близка реальная плёнка к идеальной модели, лежащей в основе разрабатываемых методов. Наблюдаемые расхождения могут привести к ошибочным толкованиям, однако в ряде случаев, при внимательном рассмотрении, могут служить указанием на те особенности структуры, которые вызвали эти отклонения.

Для слабо поглощающих плёнок применяется метод расчета оптических постоянных по спектральной интерференционной кривой коэффициента пропускания Т (или отражения R). К наиболее важным оптическим характеристикам плёнки относятся показатель преломления n2.

Для проведения расчетов необходимо интерференционная кривая пропускания образца «плёнки на подложке» в функции длинны волны λ.

Обозначим показатели преломления последовательно расположенных сред: n1 - для воздуха, n2 - для плёнки, n3 - для подложки, n4 - для воздуха.

Рисунок 3.12 - Структура однослойного покрытия

Величина коэффициентов отражения R1 на границе 1 - 2 и R2 на границе 2 - 3 определяются следующим образом:

                                      (3.1)

Контрастность С интерференционного фильтра определяется:

                                                                      (3.2)=T'max+T"max; Tmin=T'min+T"min;                                 (3.3)

где T'max, T'min - значение максимума и минимума пропускания по экспериментальной кривой; T"max =R3 - (1 - T'max)R3, T"min =R3 - (1 - T'min)R3 - слагаемые, учитывающее R3 - отражение на границе 3 - 4.

Оптическая толщина плёнок равна:

                                                                                          (3.4)

где λ - длина волны излучения; m - количество экстремумов на кривой.

Совокупность уравнений (3.2), (3.3), (3.4) являются системой, в результате решения которой определяются значения основных оптических параметров плёнки D и n2. Вычисление показателя преломления плёнки n2 в области с минимальным поглощением с помощью следующего соотношения:

                                          (3.5)

Толщина плёнки определяется из (3.4), а затем на основе формул (3.1) рассчитываются коэффициенты отражения от системы «воздух - плёнка» и «плёнка - подложка» [15]. Таким образом, все оптические константы плёнки рассчитаны и результаты расчёта показаны в приложении А.

Приведенные на рисунке 3.13 результаты характеризуют показатель преломления плёнок в области прозрачности.

Рисунок 3.13 - Область прозрачности и показатели преломления плёнок

Разработан алгоритм и программа в среде Microsoft Excel (рисунки
3.14 - 3.17) по расчету:

коэффициента отражения от системы «воздух - плёнка» и «плёнка - подложка»,

показателя преломления плёнки,

оптической толщины плёнки.

Рисунок 3.14 - Схема коэффициентов отражения и показателей преломления для ZnS

Рисунок 3.15 - График зависимости оптической толщины покрытия на заданном интервале длин волн для ZnS

Рисунок 3.16 - Спектральная интерференционная кривая пропускания

Рисунок 3.17 - Вид программы в среде Microsoft Excel

Различие теоретического и практического значения показателя преломления связаны с тем что теоретическая модель не учитывает всех факторов влияющих на оптические характеристики покрытия таких как шероховатость поверхности, оксидные слои поверхности покрытия, загрязнения получаемые в процессе эксперимента.

Заключение

В данной дипломной работе были рассмотрены физико-технологические особенности электронно-лучевого синтеза оптических покрытий функционального назначения. Изучены особенности синтеза интерференционных покрытий формируемых электронно-лучевым методом. Установлены особенности электронно-лучевого испарения диэлектрических материалов. С помощью электронно-лучевого синтеза получены покрытия на основе тугоплавких оксидов.

Проведены экспериментальные работы по нанесению оптических покрытий на основе тугоплавких оксидов. Нанесение осуществлялось в лабораторных условиях на установке электронно-лучевого испарения (ВУ-1А).

Экспериментально проведены исследования спектральных характеристик пропускания и отражения оптических интерференционных покрытий.

Методами атомно-силовой микроскопии изучена морфология однослойных и многослойных покрытий. Разработана программа в среде Microsoft Excel по расчёту коэффициента отражения, показателя преломления и оптической толщины тонких плёнок.

По результатам дипломной работы имеется акт внедрения лабораторной работы «Основы корпускулярно-фотонных и ионно-лучевых технологий» и «Основы современных технологических процессов» в учебный процесс кафедры оптики физического факультета.

электромагнитный волна плазменный оптический

Список использованных источников

1 Особенности нанесения покрытия методом электроннолучевого испарения Г.В. Пантелеев, М.Г. Черенков, Б.В. Шафиркин, В.И. Ямпольский, В.Н. Егоров // Оптико-механическая промышленность. - 1983. - № 9. - С. 30 - 32.

Синтез просветляющих покрытий методом прямого поиска Г.Я. Колодный, Е.А. Левчук, Б.Б. Мешков, П.П. Яковлев // Квантовая электроника. - 1978.-Т.5, № 1. - С. 83-88.

Карпенко, Г. Д. Современные методы генерации осаждаемого вещества при нанесении тонкоплёночных покрытий в вакууме / Г.Д. Карпенко, В.Л. Рубинштейн. - Минск: БелНИИНТИ, 1990. - 36 с.

Фурман, Ш. А. Тонкослойные оптические покрытия / Ш.А. Фурман. -Л.: Машиностроение, 1977. - 264 с.

Крылова, Т.Н. Интерференционные покрытия / Т.Н. Крылова. - Л.: Машиностроение, 1973. - 224с.

Риттер, Э. Плёночные диэлектрические материалы для оптических применений / Э. Риттер, М. Франкомбра, Р. Гофмана. - М.: Мир, 1978. - 60 с.

Кузнецова, С.М. Справочник технолога-оптика. / С.М. Кузнецова, М.А. Окатова. - Л; Машиностроение. 1983. - 414 с.

Многослойные интерференционные покрытия в квантовой электронике / Г.Я. Колодный, Е.А. Левчук, Ю.Д. Порядин, П.П. Яковлев // Электронная промышленность. - 1981. - № 5, 6. - С. 93 - 101.

Яковлев, П.П. Проектирование интерференционных покрытий П.П. Яковлев, Б.Б. Мешков. - М.: Машиностроение, 1987 -185 с.

Майссела, Л. Технология тонких плёнок: справочник / Л. Майссела, Р. Глэнга. - М.: Сов. радио, 1977. - 662 с.

Глудкин, О.П. Устройства и методы фотометрического контроля в технологии производства ИС / О.П. Глудкин, А.Е. Густов. - М.: Радио и связь, 1981. - 112 с.

13 Никитин, М.М. Технология и оборудование вакуумного напыления. - М.: Металлургия, 1992. - 161 с.

14 Покрытия оптических деталей. Типы, основные параметры и методы контроля. - Введ. 1995.07.06. - М.: ЦНИИ «Комплекс», 1995. - 190 с.

Рогачев, А.В. Основы корпускулярно-фотонных и ионно-лучевых технологий: практическое пособие. / А.В. Рогачев, Н.Н. Федосенко, М.А. Ярмоленко. - Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2012. - 13 c.

Приложение А

Результат расчета показателя преломления и оптической толщины в среде Microsoft Excel