Технология оптического приборостроения

Таблица 18.1

Методы очистки подложек

220

18.3. Формирование покрытия

Существуют две основные группы методов получения оптических покрытий. Это вакуумные и химические методы. Обе группы находят широкое применение в технике. Существующие методы формирования покрытий можно описать следующей блок-схемой (рис. 18.2).

Формирование покрытия

Лазерное испарение Рис. 18.2. Методы формирования покрытий

В технической литературе вакуумное термическое испарение зачастую называют просто вакуумным распылением материалов.

221

18.4.Испарение материалов

Киспаряемому материалу тем или иным способом подводится энергия. В результате его температура растет. Над материалом образуется облако пара. Давление насыщенных паров Ps данного материала при темпе-

ратуре T описывается соотношением

lg Ps A B / T ,

где A и B – константы испаряемого вещества.

Существует понятие «условная температура испарения» Tусл. Это температура, при которой Ps = 1,33 Па. Если Tусл больше температуры

плавления Tпл испаряемого материала, то испарение происходит из расплава. Если Tусл < Tпл, то имеет место возгонка.

Скоростью испарения ω называют количество вещества, испаряемого в единицу времени, с, с единицы поверхности, см2. Эксперимент дает следующее выражение для расчета ω:

C(Ps P) / Po.

Здесь C – константа, обусловленная природой испаряемого вещества, P – давление над поверхностью испаряемого материала в момент напыления, Po – давление остаточных газов, которое должно быть достаточно

низкой величиной, поскольку молекулы остаточных газов могут оказаться замурованными в пленке, т. е. будут загрязнять покрытие. Во-вторых, молекулы испаряемого материала из-за рассеянья на молекулах остаточных газов вообще могут не попасть на подложку.

18.5. Перенос вещества от испарителя к подложке

Рассчитаем максимально допустимое значение Po . Количество моле-

кул N распыляемого материала, достигших подложки, при условии, что коэффициент конденсации равен единице, связано с числом молекул No ,

покинувших за это время испаритель, соотношением

где h – расстояние от испарителя до подложки;– длина свободного пробега молекул.

Для того чтобы молекулы испаряемого материала достигали положки, необходимо, чтобы ≥ h . Если >> h , то из (18.1) получим

N No (1 h / ).

222

Таким образом, число рассеянных молекул Nрас составляет

Nрас = Noh / .

Если Po выражено в паскалях, то можно рассчитать по формуле

Минимальное значение , при котором возможно нанесение слоя, равно h . В используемых на практике установках h ≈ 50 см. Тогда из (18.2)

получим максимальное значение Pо 1,33 10 2 Па, при котором на под-

ложке начнет расти слой. Однако чтобы исключить вредное влияние газов, десорбированных стенками камеры, эту величину следует уменьшить приблизительно еще на порядок. Таким образом, молекулы начнут достигать подложки при давлении остаточных газов около 10–3 Па.

В табл. 18.2 приведены результаты расчета влияния давления остаточных газов и скорости роста толщины слоя на загрязнения покрытий. Расчет проведен для пленок олова, напыляемых в атмосфере кислорода. В таблице указана относительная величина коэффициента k , равного отношению числа молекул кислорода, оседающих на единице поверхности в единицу времени, к числу молекул олова, осевших на этой же поверхности за это же время. Коэффициент конденсации взят равным 0,1. Чистота пленки считается приемлемой, если k = 10–3. Таким образом, чистую пленку олова можно получить, как следует из табл. 18.2, при давлении кислорода в камере 10–7 мм рт. ст. и скорости роста толщины слоя 10 нм/с или давлении 10–9 мм рт. ст. и скорости 0,1 нм/с.

Таблица 18.2

Зависимость скорости роста пленки от давления остаточных газов в камере

Для достижения высокого вакуума в системах используются разнообразные диффузионные и турбовакуумные насосы. Предварительное разрежение создается форвакуумными насосами. Скорость откачки высоковаку-

223

умных насосов составляет (0,5–7,0) 103 л/с. Для их успешной работы скорость откачки форвакуумных насосов должна составлять, как минимум, десять объемов вакуумной камеры в секунду.

Состав атмосферы в вакуумной камере отличается от состава атмосферы в окружающем пространстве. Первый зависит от проницаемости стенок камеры, состава рабочих жидкостей насосов, десорбции газов стенками камеры и арматурой. Понизить давление остаточных газов помогают размещенные в камере азотные ловушки. Остаточные газы не должны вступать в химические реакции со стенками камеры и испаряемым веществом.

Полезное использование испаряемого материала зависит от распределения потока паров в камере, которое определяется устройством используемого испарителя. При термическом испарении коэффициент полезного использования вещества составляет приблизительно 20 %.

18.6. Способы получения однородных по толщине покрытий

18.6.1. Условия получения однородных покрытий

При нанесении конкретного покрытия определенные требования предъявляются к распределению толщины слоя по поверхности подложки: распределение должно быть или равномерным по всей подложке (зеркала, интерференционные фильтры, просветляющие покрытия и т. д.), или изменяться по определенному закону (интерференционные фильтры переменной толщины, ослабители и т. д.). Распределение слоя по толщине зависит от формы подложки, ее расположения относительно испарителя, распределения температуры по поверхности подложки, чистоты подложки, конструкции испарителя.

Распределение паров испаряемого вещества в пространстве определяется конструкцией испарителя. Использующиеся на практике испарители по диаграмме направленности потока молекул можно разделить на точечные, поверхностные, протяженные и тигельные.

В идеальном случае точечный испаритель представляет собой малую сферу, температура поверхности которой постоянна. Испаритель можно считать малым, если его линейные размеры на порядок меньше расстояния от испарителя до приемной поверхности. Поскольку такой испаритель симметричен, то испарение происходит во всех направлениях равномерно, т. е. масса вещества dmт , испаряемая в телесном угле d (рис. 18.3) в еди-

ницу времени в любом направлении, задается соотношением

dmт 4m d .

Здесь m – скорость испарения со всей поверхности испарителя, г/с.

224

Испарение подчиняется закону Кнудсена, если:

камера откачана до давления, при котором рассеянье молекул испаряемого вещества на молекулах остаточных газов практически исключено;

скорость испарения невелика и столкновениями испаряемых молекул между собой можно пренебречь;

коэффициент конденсации равен единице.

Эти требования довольно легко осуществить. Они будут выполняться уже при вакууме 10–4 мм рт. ст., если температура испарителя составляет приблизительно 1000 °С, а стеклянная подложка тщательно почищена.

Протяженный источник можно представить в виде цилиндра, диаметр которого мал по сравнению с образующей, а температура поверхности постоянна.

Наиболее общий случай из рассмотренных представляет собой поверхностный испаритель, поскольку точечный и протяженный испарители можно рассматривать как частные случаи поверхностного.

Вслучае тигельных испарителей количество вещества, распыленного

впределах телесного угла d , в направлении, составляющем угол с нор-

малью к поверхности испаряемого материала, пропорционально cos n , где n = f ( ), и зависит от конструкции испарителя.

Количество вещества, осевшего в единицу времени на поверхности ds2

(см. рис. 18.3 и 18.4), нормаль к которой составляет угол с направлением распространения потока молекул, можно рассчитать из соотношений

Если на подложке осаждается однородный слой с плотностью , г/см3, то легко показать, что скорости роста толщины слоя d , см/с, для точечного dт и поверхностного dп испарителей будут рассчитываться по выражениям

Если коэффициент конденсации отличен от единицы, то он должен войти сомножителем в выражения (18.3)–(18.6).

На практике испарения преимущественно производятся на плоские и сферические поверхности. Рассмотрим эти случаи.

226

18.6.2. Испарение с малой площадки на параллельную ей плоскую поверхность

Толщина слоя (везде, если не оговорено особо, имеется в виду скорость роста толщины слоя, т. е. толщина слоя, нанесенного в единицу времени) в точке A (рис. 18.5) будет описываться соотношением

Рис. 18.5. Испарение с малой площадки

В точке О, расположенной непосредственно над испарителем (см. рис. 18.5), получим

dпо mh2 .

Следовательно,

18.6.3. Испарение с малого точечного испарителя на плоскую поверхность

Если испарение происходит с малой сферы (см. рис. 18.4), то очевидно, что

227

dпо m / 4 h2.

Как следует из (18.8) и (18.10), равнотолщинные слои можно получить, когда h >> и составляет 2 м и более.

Равномерное по толщине покрытие, кроме того, можно получить на поверхности сферы, если точечный испаритель находится в ее центре или если малый поверхностный испаритель является частью этой же сферы

(cos / r2 const ).

18.6.4. Кольцевые испарители

На сравнительно больших площадях равнотолщинные покрытия можно получить, если точечные или поверхностные испарители расположить по окружности, лежащей в плоскости, параллельной приемной поверхно-

сти (рис. 18.6).

а

б

Рис. 18.6. Нанесение вещества с кольцевого испарителя

На рис. 18.6 испаритель радиуса R расположен в плоскости X O Y . Параллельная ей плоскость XOY является приемной поверхностью. Рас-

228

считаем толщину слоя, нанесенного в окрестности точки A(O, A,O) при

распылении из кольцевого испарителя. Для этого слой разобьем на элементарные испарители, линейные размеры которых значительно меньше R . Предположим, что испарение происходит из одного из элементарных испарителей, расположенного в точке B , положение которой задается углом . Угловой размер испарителя .

Если из кольцевого испарителя в единицу времени испаряется m грамм вещества, то из элементарного испарится

m m

2

граммов. Согласно выражениям (18.7) и (18.9) для толщины слоя в окрестностях точки A при испарении из поверхностного и точечного испарителей соответственно получим

Здесь – коэффициент конденсации. Из рис. 18.6 видно, что r2 R2 A2 h2 2ARcos ,

где r – расстояние от источника B до точки A.

Если учесть испарение из всех частей испарителя, то толщину слоя в окрестностях точки A можно получить в результате интегрирования вы-

ражений (18.11) и (18.12):

Значение dт может быть определено численным методом.

229