Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК -1.doc
Скачиваний:
75
Добавлен:
16.11.2018
Размер:
4.56 Mб
Скачать

1.4. Выбор метода нанесения покрытий.

Весь комплекс вышеперечисленных требований к покрытию определяет его конструкцию и метод нанесения. Существует несколько основных групп формирования тонких пленок на поверхности деталей.

  1. Химическое осаждение:

  • осаждение из растворов

  • электрохимическое

  • анодное осаждение

  • осаждение из расплавов.

  1. Осаждение из паровой фазы:

  • пиролиз (метод вспышки)

  • газовое анодирование

  1. Вакуумное испарение:

  • резистивное

  • электронно-лучевое

  • лазерное

  • радиационное

  1. Ионно и ионно-плазменное распыление:

  • ионные пучки

  • все виды катодного распыления (на постоянном токе, высокочастотное, магнетронное и др.).

Глава 2

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ

2.1.Осаждение из растворов плёнкообразующих соединений (золь-гель методы).

Многие типы оптических покрытий могут быть получены осаждением из растворов пленкообразующих веществ. Растворы для создания покрытий с заданными оптическими свойствами должны иметь следующие характеристики:

  • хорошо растекаться,

  • обладать малой склонностью к кристаллизации,

  • обеспечивать хорошую смачиваемость подложки (иметь малый краевой угол),

  • иметь высокую долговечность,

  • обладать способностью нанесенной пленки превращаться в твердый однородный слой,

  • обладать большой адгезией к подложке,

  • не создавать трещины и помутнения в процессе высушивания

Покрытия из пленкообразующих веществ могут быть получены:

  • погружением образца в раствор (деталь покрывается пленкой при извлечении из раствора),

  • слив детали (полив) – нанесение раствора на вращающуюся подложку,

  • пульверизация тонко диспергирующим раствором.

Желаемую толщину пленки получают, регулируя скорость вращения или вытяжки подложки, концентрацию раствора и температуру отжига. Обычно концентрация раствора, влажность, атмосфера, температура отжига имеют строго фиксированные значения.

Для осаждения используют растворы органических или неорганических соединений металлов. Такие растворы образуют пленки со слабой склонностью к кристаллизации во время высыхания. В результате реакции пленкообразующего вещества с группами гидроксила или воды, которая постоянно присутствует на поверхности оптической детали, между материалами покрытия и подложкой создаются прочные химические связи. На поверхности оптических материалов (стекло, керамика, некоторые кристаллы) эти реакции протекают достаточно легко, но для гидролиза группы OR, где R – углеводородные соединения типа CH2, C2 H5 , для образования слоев требуется дополнительная энергия. Для механически прочных слоев их дополнительно отжигают (сушат) при температуре 300-350 С. При этом оптическая толщина слоя уменьшается, а показатель преломления увеличивается.

Толстые механически прочные пленки реально получить путем наслаивания слоев толщиной 0,02 мкм с промежуточным отжигом при t=300400С в течение 1,5-2 часов. Многослойные интерференционные системы, образованные из плёнок разного химического состава с различными свойствами (просветляющие, отражающие, светоделительные, поляризующие) гораздо труднее.

Для образования пленок из растворов используется более десятка химических соединений, но наиболее часто применяют этоксисоединения титана и кремния или их смеси. В результате реакции гидролиза на поверхности оптического элемента образуются оксиды или смеси оксидов этих элементов. В качестве материала с высоким показателем преломления используются слои из титановых соединений. Наиболее интересны плёнки TiO2, получаемые из органических растворов, т.к. их оптические характеристики зависят от сорта стекла, поскольку на структуру TiO2 большое влияние оказывают ионы натрия, которые всегда есть на поверхности силикатных стекол. Оксид кремния представляет особую ценность для практического применения, т.к. только он обладает низким показателем преломления (<1,5), независящим от метода изготовления.

Для приготовления растворов целесообразно использовать метиловый или этиловый ортоэфиры кремниевой кислоты. Гидролиз раствора можно вызвать добавлением незначительного количества соляной или азотной кислоты. Использование растворов с достаточно низкой концентрацией позволяет заметно уменьшить скорость осаждения геля – кремниевой кислоты. Показатель преломления SiO2 для 550 нм и дисперсия осажденных слоев практически совпадают с соответствующими величинами для кварцевого стекла. Показатель преломления незначительно зависит от температуры отжига и остается более низким до тех пор пока оптическая толщина слоя не превышает 150 нм. Геометрическая толщина слоя значительно уменьшается с повышением температуры отжига, что связано, по-видимому, с пористостью плёнок, причем в значительно большей степени, чем у пленок оксида титана. При формировании покрытий эффект уменьшения геометрической толщины слоя следует учитывать.

После охлаждения отожженных пленок наблюдается эффект уменьшения показателя преломления приблизительно на 0.5%. Это может быть объяснено явлениями хемосорбции и конденсации молекул воды, находящихся в атмосфере, в порах образовавшегося покрытия.

Оксид кремния является прозрачным в УФ области материалам, но степень его прозрачности зависит от чистоты пленкообразующего материала. При малых примесях (почти чистых растворах) пропускание пленок из SiO2 значительно ниже, чем у кварцевого стекла. (рис.2.1) Это отличие в пропускании объясняется тем, что после гидролиза или пиролитического разложения, в покрытиях остаются следы органических соединений, которые могут обладать значительным поглощением в УФ области. У пленок из SiO2 наблюдается значительное поглощение в ИК области спектра (7,8-11,5) мкм. Показатель преломления слоев SiO2 можно значительно уменьшить, если в исходный раствор ввести добавки, которые улетучиваются при повышении температуры вещества, или которые можно устранить выщелачиванием. Такое снижение показателя преломления приводит к уменьшению механической прочности слоя. Для увеличения показателя преломления слоев SiO2 можно использовать окислы почти всех веществ, слои которых долговечны и имеют более высокий показатель преломления.

При введении TiO2 образуются наиболее прочные и долговечные покрытия.

Осаждением из растворов можно получить окисные пленки всех металлов высшей валентности (элементы 3-5 группы периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева), если исходные материалы растворяются в органических растворителях и проявляют слабую склонность к кристаллизации. К окислам, которые могут быть использованы в виде слоев с хорошими оптическими свойствами, относятся: Al2O3, HfO2, La2O, PbO, SnO, ZrO2, TiO2, Tа2O5, SiO2.

Область применения пленок, полученных из раствора, зависит от технологии их нанесения. Достоинством метода погружения является возможность нанесения покрытия с 2-х сторон, недостаток – невозможность контроля физических параметров пленки. При поливе существует косвенный метод контроля.

Если методом погружения необходимо нанести слой не на две стороны, а на одну, то вторую сторону либо защищают лаком, либо (если это плоская сторона) склеивают с другой деталью.

Методом погружения чаще всего получают защитные покрытия и покрытия, снимающие статический заряд – антистатические покрытия, оптические свойства которых не нормируются.