Технология оптического приборостроения

гибается до равновесного положения, и что сцепление между пленкой и подложкой достаточно сильно и проскальзывание отсутствует. В этом приближении в уравнении отсутствуют упругие постоянные пленки, так как напряжения в покрытии рассчитываются по наблюдаемой деформации подложки.

Расчет напряжений обычно ведут по формуле Стоуни

F Eh2 / 6rd.

Здесь F – напряжение в пленке, E – модуль Юнга подложки, h – толщина подложки, r – радиус кривизны изогнутой полоски, d – толщина пленки. Напряжение можно выразить через прогиб бруска или другого элемента. Приведенная формула не учитывает все детали опыта. Например, не учтено изменение напряжения в пленке в результате изменения кривизны подложки в процессе конденсации и т. д. Однако поправки, которые можно сделать, вносят вклад в результирующую величину в пределах всего лишь около 0,4 %, т. е. пренебрежимо малы.

Существуют и другие осложнения. Так, рассчитываемые напряжения считают однородными по толщине, что, вообще говоря, не соответствует действительности и подтверждается простым часто наблюдаемым фактом закручивания отслоенного покрытия в сторону от подложки. Градиент температуры по подложке во время нанесения покрытия или впоследствии также приводит к изгибу «бутерброда» «пленка–подложка», который ошибочно можно принять за результат собственных напряжений в покрытии.

Напряжения в пленках, кроме того, можно определить рентгенографическими и электронно-графическими методами измерений постоянных решетки пленки и сравнением их с постоянными массивных образцов.

Глава 17. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ

17.1. Металлические покрытия

Остановимся на оптических свойствах металлических пленок, используемых на практике. К ним относятся покрытия, которые обладают заметной прозрачностью. Их толщина составляет от единиц до десятков нанометров. При такой толщине слои имеют гранулярную структуру, сильно изменяющуюся по мере роста толщины слоя. Поэтому говорить о такой пленке как об однородном образовании можно только с большой степенью приближения, когда речь идет о больших площадях, линейные размеры которых, как минимум, имеют порядок длины световой волны или превосходят ее в несколько раз.

Для практики имеют значение следующие оптические характеристики металлических слоев: энергетические коэффициенты отражения R , пропускания T , поглощения A , фазовые сдвиги при отражении и прохождении света сквозь покрытие. Эти величины можно определить на практике

210

в результате прямых измерений. Указанные выше характеристики зависят не только от свойств покрытия, но и от показателей преломления обрамляющих сред, т. е. от показателей преломления подложки и окружающей среды. Поскольку обычно это разные материалы, то их показатели преломления также разнятся. В связи с этим оптические характеристики металлической пленки будут зависеть от того, с какой стороны на нее падает свет: со стороны подложки или со стороны металлического покрытия. Условимся, что характеристики, относящиеся к случаю падения излучения со стороны подложки, будут помечаться штрихом ( R , A и т. д.).

На практике металлические слои применяются или при создании светоделителей, или при изготовлении зеркал, обладающих коэффициентом отражения, близким к единице. Поглощение в таких пленках должно быть сведено к минимуму при сохранении высокой механической прочности и длительного срока службы. В видимой области спектра этим требованиям удовлетворяют пленки Ag . Их используют при изготовлении интерферометров.

Однако в ультрафиолетовой (УФ) области спектра коэффициент отражения серебряных пленок мал. Высоким коэффициентом отражения в УФ-области обладают пленки алюминия. Их можно использовать и в видимой области спектра, если не очень важны потери на поглощение. Кроме того, пленки Al обладают высокой антикоррозийной устойчивостью. В тех случаях, когда нужна особая химическая и механическая прочность покрытия, используются пленки родия. Однако коэффициент поглощения этих пленок выше, чем пленок Al. Пленки платины используются в ослабителях излучения, поскольку коэффициент отражения этих пленок практически не зависит от .

Рассмотрим отражение и пропускание света тонкими металлическими пленками с точки зрения электродинамики. Поскольку рассматриваемые пленки поглощающие, то показатель преломления будет комплексной величиной

nˆ1 n1 ik1,

где k1 – показатель ослабления амплитуды волны.

Возможность поглощения излучения в подложке также не следует исключать, т. е. nˆ2 n2 ik2 . На всех границах раздела должно выполняться

условие синусов, т. е.

n0 sin 0 nˆ1 sin ˆ1 nˆ2 sin ˆ 2.

Здесь n0 – показатель преломления окружающей среды (воздуха), 0 – угол падения излучения на пленку, ˆ1 и ˆ 2 – углы преломления в пленке

и подложке. Поскольку пленка и подложка – среды поглощающие, то углыˆ1 и ˆ 2 также будут комплексными величинами, не имеющими реального

физического смысла.

211

Заметим, что в металлических пленках отсутствуют интерференционные эффекты, которые имеют место в диэлектрических покрытиях и играют там основную роль. Поглощение света в металлических слоях очень высоко. В связи с этим они становятся непрозрачными прежде, чем достигнут толщины, соответствующей первому интерференционному экстремуму в соответствующей области спектра. Поэтому при достаточной толщине покрытий нет необходимости рассматривать многократное отражение луча, хотя коэффициент отражения таких покрытий может быть очень высоким. Следует учитывать только однократное отражение. Однако если рассматривать очень тонкие пленки, то учет многократного отражения необходим.

Предварительно рассмотрим предполагаемый характер зависимости R и R от d . При d ∞ R и R будут стремиться к значениям коэффици-

ентов отражения для массивных образцов. Поскольку n0 n1 > n1 n2 , то

R должен превышать R при любых значениях d .

Вначале рассмотрим отражение от металлического слоя при падении излучения со стороны воздуха (рис. 17.1, сплошные линии).

Рис. 17.1. Отражение луча от металлического слоя

В этом случае коэффициент отражения от поверхности I выше, чем от поверхности II, т. е. при любой толщине покрытия преобладает волна, отраженная от поверхности I (луч 1). В то же время интенсивность луча 2 в результате поглощения излучения в пленке по мере роста толщины слоя будет падать.

С помощью формул Френеля можно показать, что разность фаз между лучами 1 и 2, а также 1' и 2' приблизительно равна 2d / 3, т. е. отраженные волны ослабляют друг друга, хотя и не гасят полностью. Поэтому по мере падения интенсивности луча 2 интенсивность отраженного излучения будет возрастать, пока не достигнет значения, соответствующего отражению от массивного образца (луч 2 полностью поглотится), т. е. с ростом d R будет постепенно возрастать, стремясь к некоторой постоянной величине.

При отражении от металлического слоя со стороны подложки (пунктирные лучи) коэффициент отражения от поверхности I по-прежнему выше коэффициента отражения от поверхности II, т. е. в начальный момент интенсивность луча 2' выше интенсивности луча 1'. Напомним, что лучи

212

ослабляют друг друга. По мере роста толщины слоя интенсивность луча 2' будет падать при неизменной интенсивности луча 1', что приведет к падению R . Со временем (тем меньшим, чем выше k1) их интенсивности вы-

равниваются и R примет нулевое значение. В дальнейшем главенствующая роль перейдет к лучу 1'. По мере роста d в результате уменьшения интенсивности луча 2' R будет расти, приближаясь к значению R для массивного образца. Таким образом, на кривой R (d ) при малых d воз-

можно появление минимума, существование которого, как следует из вышесказанного, обусловлено амплитудными, а не фазовыми эффектами при интерференции отраженных волн.

17.2.Неметаллические покрытия

Взависимости от цели к тонким диэлектрическим пленкам предъявляются разнообразные требования. Критериями качества покрытий являются следующие их свойства: прозрачность, коэффициент преломления, однородность, относительная плотность, адгезия, твердость, механические напряжения, химическая и температурная стабильность, устойчивость к радиации.

Рассмотрим свойства некоторых наиболее часто используемых в оптике диэлектрических материалов. Ниже в таблице приведен их перечень

суказанием показателя преломления n на определенной длине волны для конкретной температуры T подложки и области прозрачности.

Свойства диэлектрических материалов

213

Разобьем материалы на группы по их химическому составу и рассмотрим свойства наиболее часто используемых на практике веществ.

17.2.1. Фториды и другие галогениды

Наиболее часто используются криолит (смесь NaF и AlF3 ), фториды

магния и тория. Все вещества рассматриваемой группы легко испаряются и конденсируются. Некоторые из них легко растворимы в воде.

Криолит Na3AlF6 испаряют в тиглях из тугоплавких материалов. При

нагревании криолит диссоциирует. При более низких температурах испарителя испаряется в основном NaF, показатель преломления которого колеблется в пределах 1,29–1,31, а при более высоких – AlF3 (n = 1,385). Поэтому

состав покрытия зависит от температуры испарителя и скорости испарения. Показатель преломления пленок криолита находится в области 1,28–1,36. Средней величиной считается n = 1,35. Как в процессе испарения, так и после него пленки поглощают пары воды. Поскольку NaF растворим в воде, то при высокой влажности пленки неустойчивы. Несмотря на отмеченные недостатки, пленки криолита часто используются в сочетании с ZnS , поскольку имеют самый низкий в настоящий момент показатель преломления.

Широкое распространение получили пленки MgF2 . Материал испа-

ряют из танталовых или вольфрамовых лодочек. Длинноволновая граница пропускания составляет 4 мкм, поскольку при толщине покрытия 1 мкм ( / 4) в пленке начинают появляться трещины. Показатель преломления слоя зависит от температуры подложки и количества поглощенной воды. В вакууме показатель преломления пористого слоя составляет 1,32−1,33. Поглощение паров воды (n = 1,33) на воздухе приводит к возрастанию показателя преломления до 1,38. Пленки имеют кристаллическую структуру. Призматические кристаллиты растут в направлении падения струи пара. Величина зерна зависит от температуры осаждения и толщины покрытия. Механические свойства пленок зависят от их плотности. Плотные пленки очень стабильны, тверды, обладают высокой адгезией. Если пленка нанесена на холодную подложку, то адгезия невысока.

Пленки ThF4 используют в многослойных зеркалах в лазерной техни-

ке. Они хорошо совместимы с пленками ZnS и образуют толстые слои, которые не отслаиваются и не растрескиваются, что позволяет использовать их в ИК-области спектра. Недостатком ThF4 является его радиоактивность.

Кроме того, в оптических системах используются слои CeF3, LiF, BaF2, PbF2 и др.

17.2.2. Сульфиды и селениды

Слои ZnS используются в сочетании с пленками MgF2, ThF4, Na3AlF6 . Пленки ZnS могут работать в ИК-диапазоне, поскольку толстые слои ZnS

214

не растрескиваются и не отслаиваются, значения их показателя преломления колеблются в видимой области от 2,6 до 2,3. В ИК-диапазоне n ≈ 2,3. Пленки стабильны, не подвержены старению. Адгезия покрытий зависит от чистоты и предварительной обработки подложки. Испаряется ZnS приблизительно при 1200 °С, при нагреве диссоциирует на Zn и S, при конденсации вновь ассоциирует в ZnS . Этим объясняется зависимость коэффициента конденсации от температуры подложки. Испаряют сульфид цинка из молибденовых и вольфрамовых лодочек.

Кроме ZnS иногда используют слои ZnSe и Sb2S3.

17.2.3. Оксиды

Пленки оксидов обладают высокой механической прочностью, химически стабильны. Их показатели преломления перекрывают широкий диапазон. Однако процесс нанесения окисных слоев более сложен, так как они зачастую взаимодействуют с материалом тиглей или диссоциируют при высокой температуре. Низкие значения показателя преломления имеют слои SiO2 и Si2O3 , средние – SiO, Al2O3, MgO, ThO2, ZrO2 и окислы ред-

коземельных металлов, высокие – CeO2, TiO2.

Качественные пленки SiO2 получают в результате испарения SiO2

дефокусированным электронным лучом на нагретой до 150 °С подложке. Возможно также их получение в результате реактивного испарения SiO. Пленки, осажденные на горячую подложку, обладают хорошей адгезией, высокой механической и химической стабильностью. Пленки SiO2 исполь-

зуются в многослойных покрытиях.

Пленки Si2O3 получают реактивным испарением SiO в атмосфере

кислорода. Их используют в многослойных системах, а также в качестве покрытий, стабилизирующих температуру спутников.

Если моноокись кремния испарять в отсутствие кислорода, то вырастают пленки SiO . При быстром испарении в высоком вакууме получают пленки с высокой механической и химической стабильностью. На воздухе пленки покрываются тонким (около 2 нм) слоем SiO2 , предотвращающим

дальнейшее окисление. Работают в ИК-диапазоне.

Пленки Al2O3 получают только электронно-лучевым испарением.

Пленки аморфны. Адгезия чрезвычайно высока. Используются в многослойных просветляющих покрытиях, в качестве защитных покрытий металлических зеркал, а также для стабилизации температуры спутников.

ThO2 радиоактивен. Испаряют его электронным лучом. Используют в сочетании с SiO2 в многослойных системах для УФ-области.

Слои ZrO2 получают электронно-лучевым испарением. Их показатель

преломления зависит от температуры подложки. Возможно образование неоднородных пленок, обусловленное структурными эффектами. Пленки

215

ZrO2 обладают отличными механическими и химическими свойствами, хорошо сочетаются с пленками других окислов и MgF2.

Показатель преломления слоев окислов редкоземельных элементов

( La2O3, Pr6O4, Nd2O3, Sc2O3, Y2O3) колеблется в пределах 1,9–2,1. Слои

прозрачны в области ближнего УФ и видимой области. Испаряют материалы из лодочек. Однородность пленок и воспроизводимость их свойств повышаются при реактивном испарении на горячую подложку. Все пленки, за исключением La2O3 , достаточно стабильны.

Слои CeO2 наносят электронно-лучевым и резистивным испарением.

Применение в ИК-диапазоне ограничено из-за повышенного рассеянья. Показатель преломления сильно зависит от температуры подложки, что обусловлено различной концентрацией границ зерен. Кристаллы имеют кубическую структуру. Слои стабильны, тверды, обладают высокой адгезией. Используются в многослойных системах совместно со слоями MgF2 и SiO2 .

Пленки TiO2 химически устойчивы, тверды, обладают высокой адге-

зией. Способы получения разнообразны. Наиболее высококачественные слои получают реактивным испарением TiO. Рост температуры подложки приводит к изменению структуры пленок. Наблюдается переход от аморфных пленок к пленкам со структурой анатаза или рутила. Кроме того, показатель преломления слоев зависит от скорости конденсации и давления в камере. В пленках TiO2 , полученных реактивным испарением, наблю-

даются повышенные растягивающие напряжения. Используются в многослойных системах в сочетании со слоями SiO2.

Слои из шоттовского стекла 8329 можно наносить без заметной декомпозиции. Показатель преломления таких слоев 1,47. Покрытие используется для защиты линз, изготовленных из органических материалов, а также как антикоррозионное.

Используются также окислы других материалов, например, MgO, Sb2O3, As2O3 и т. д.

17.2.4. Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые слои обладают высокими показателями преломления. При испарении слоев Si, Ge, Te следует устранить взаимодействие

с материалом тигля и остаточными газами. Необходимо следить за структурой пленок в процессе конденсации и после ее завершения. Полупро-

водниковые соединения, особенно AIIIBV, при испарении диссоциируют,

поэтому при нанесении таких слоев используют взрывное испарение или другие сложные методы.

Пленки кремния тверды и устойчивы. Используются в многослойных просветляющих покрытиях.

216

Показатель преломления слоев германия (4,4) выше, чем у массивного образца (4,0), и зависит от способа нанесения. Пленки Ge прочны. Используются в многослойных системах совместно с пленками SiO и ZnS.

Слои теллура не обладают достаточной механической прочностью.

17.2.5. Органические пленки и пленки из многокомпонентных смесей

Пленки кремнийорганических соединений используются для получения световодов с предельно низкими потерями. Влагозащитные покрытия получают с помощью пленок фтористого углерода. Существуют и другие виды применения, о которых будет упомянуто ниже.

Поскольку круг веществ, пригодных для нанесения оптических покрытий, ограничен, предпринимаются попытки получения слоев с необходимым значением n в результате напыления многокомпонентных смесей.

Существует несколько методов нанесения таких систем. Очевидно, проще всего наносить заранее приготовленную смесь из одного испарителя. Но в ряде случаев, когда температуры испарения компонентов смеси значительно различаются, фракционирование ограничивает применение этого способа. Возможно использование взрывного испарения, но еще более удобен метод распыления, когда каждый из компонентов наносится на подложку П (рис. 17.2) из отдельного испарителя

( S1 S4 ). В этом случае необходим конт-

роль за скоростью напыления из каждого из источников, который осуществляют с помощью датчиков X1 X4 . От попада-

ния паров из «чужих» источников датчики защищены экранами Э. Скорость напыления можно изменять, варьируя температуру источников. Иногда для фиксирования скорости напыления из двух источников одновременно удобно использовать один датчик, а второй – для контроля скорости нанесения только из одного из них.

Неоднородные пленки, т. е. пленки, у которых показатель преломления изменяется в направлении перпендикуляра к подложке, также можно получать вышеописанным способом. В этом случае по разработанной заранее программе изменяется скорость испарения каждого из материалов. Неоднородную пленку также можно получать испарением заранее подготовленной смеси из одного испарителя, температура которого изменяется по определенному закону.

217

Неоднородные пленки используют для получения ахроматических просветляющих покрытий, а также слабоотражающих поглощающих покрытий для солнцезащитных очков.

Глава 18. ВАКУУМНОЕ РАСПЫЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

18.1. Сущность метода

Рассмотрение методов получения оптических покрытий начнем с термического испарения. В этом случае распыляемый материал разогревают до достаточно высокой температуры одним из нижеперечисленных способов: в результате подвода джоулева тепла (резистивный нагрев), бомбардировки испаряемого материала высокоэнергетичными электронами (элект- ронно-лучевое испарение) и поглощения квантов электромагнитного поля (лазерный нагрев).

Вакуумные установки, используемые для нанесения оптических покрытий, удовлетворяют следующим требованиям:

обеспечивают давление остаточных газов порядка 10–6 Па; позволяют измерить давление паров в камере в процессе испарения; создают возможность поочередного или одновременного испарения

нескольких материалов; в процессе нанесения обеспечивают контроль толщины напыляемых

слоев и их оптических констант; обеспечивают напыление равномерных по толщине слоев на больших

площадях.

Принципиальная схема вакуумной установки для нанесения оптических слоев термическими методами приведена на рис. 18.1. На плите 1 установлен вакуумный колпак 2. Система насосов 3 создает под колпаком необходимое разрежение. Испаряемый материал помещают в испаритель 4, электропитание которого обеспечивает блок 5. Прекратить поступление распыляемого материала на подложки 6, размещенные на вращающемся столике 7, можно с помощью подвижной заслонки 8. Контроль толщины наносимых слоев осуществляется с помощью источника света 9 и измерительной системы 10.

В настоящий момент наиболее распространены испарители в виде проволочной спирали, лодочки, ленты с углублением, выполненные из металлов с высокой температурой плавления и низкой упругостью паров (вольфрам, молибден, тантал).

Для распыления больших количеств материалов применяются тигельные испарители. Тигли бывают открытого и закрытого типов. Их изготавливают из графита, нитрида бора, тугоплавких металлов и окислов.

Процесс нанесения слоя можно представить следующим образом. Материал помещают в испаритель и разогревают до нужной температуры. Молекулы, обладающие достаточным запасом энергии, покидают испаритель

218

и направляются в произвольном направлении, в том числе и к подложке, находящейся на расстоянии h от испарителя. Часть молекул конденсируется на подложке, на которой начинает расти слой напыляемого материала. Итак, процесс нанесения покрытия можно разделить на три этапа: испарение, перенос вещества от испарителя к подложке и конденсация.

Рис. 18.1. Схема вакуумной установки

18.2. Подготовка подложек к нанесению покрытий

Поскольку подложка представляет собой оптическую деталь, предназначенную для работы в приборе, она должна удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к этой детали, т. е. быть прозрачной в рабочей области спектра, однородной, поддаваться полировке, иметь заданную форму и размеры.

Перед нанесением покрытия подложку подвергают чистке. Под чисткой понимают разрыв связей между молекулами адсорбированного слоя и подложки. Способ чистки подбирается эмпирически. Различные материалы подложек обычно требуют разных методов очистки. Критериями подбора способа чистки являются процент выхода годных деталей и надежность работы покрытия.

Различают следующие виды загрязнений подложек: силикаты (песок, зола, пепел), различные волокна (нити хлобчатобумажных и синтетических тканей), окислы, органические материалы (масла) и т. д.

Способы очистки подложек основаны на воздействии на них или химических реагентов, или температуры и ионов.

Основные методы очистки подложек сведены в таблицу (табл. 18.1).

219