5. Стекла для ик-области спектра. Техническое неорганическое стекло.

Стекла для ИК–области спектра представлены следующими видами стекол: К –515 (цинкосодержащие с определенной концентрацией фтористых соединений), 312М, ТБФ512, ИКС (ОСТ 3-3442-83 «Стекло оптическое бес кислородное. Технические условия» стекло с добавками серы, селена, телурита, элементов 4 и 5 групп таблицы Менделеева).

Существует 7 марок стекла ИКС, устойчивых у гамма – излучению.

Нормируются стекла для ИК-области спектра по следующим параметрам: показатель преломления, коэффициенту дисперсии, пропускание на определенной длине волны, граничной длины волны пропускания. Выпускаются выпускаются следующих размеров диаметр или сторона от 25 до 250 мм, толщиной от 5 до 25 мм, массой менее 5 кг.

Техническое неорганическое стекло делится на три основные группы: зеркальное, кварцевое, термометрическое. Зеркальное стекло содержит оксиды кремния, натрия или калия. Данное стекло бывает двух видов: сырое (поверхность, полученная после прокатки и отжига, остается необработанной); полированное (поверхность сырого шлифуется и полируется). Применяется для изготовления неответственных деталей (пробные стекла, пластины для интерференционных измерений, плоскопараллельных пластины). Обладает низким коэффициентом линейного расширения, высокой твердостью по сошлифовыванию (высокое содержание двуокиси кремния). Кварцевое стекло выплавляется из двуокиси кремния, обладает следующим набором свойств: малый коэффициент линейного расширения, высокой термической стойкостью, низким коэффициентом преломления и высокой прозрачностью в коротковолновой области спектра (200 нм), высокой температурой размягчения (нагрев до 1000ºС), высокая химическая устойчивость (к воде и кислотам), незначительная электропроводность, малые диэлектрические потери. Недастатком кварцевого стекла является не высокая оптическая однородность и однородность по двулучепреломлению. Применяется для изготовления пробных стекол и других деталей. Термометрическое обладает хорошей механической прочностью, химической стойкостью, прозрачностью. Используется для изготовления ампул уровня.

Билет №7

1. Пленкообразующие вещества. Контроль толщины слоев.

Пленкообразующие вещества. Основными критериями качества диэлектрических пленочных материалов являются: прозрачность, показатель преломления, однородность, плотность, адгезия, твердость, механические напряжения, устойчивость к воздействию окружающей среды и т. д.

Световые потери (поглощение, рассеяние) в диэлектрических пленках, используемых для большинства интерференционных покрытий, должны быть минимальны. Для многослойных покрытий с малыми потерями коэффициент поглощения К составляющих слоев не должен превышать 1 • 10^-4, для световодов К< 5 • 10^-8. Показатель преломления n диэлектрических пленок зависит от природы материала. Он возрастает с увеличением атомного веса элемента и ниже у соединений с преимущественно ионной связью. Показатель преломления осажденной пленки, как правило, ниже показателя преломления материала в массе и может изменяться в зависимости от структуры, размера зерен, плотности покрытия и других факторов. Увеличение показателя преломления с ростом размера зерен характерно для некоторых оксидных пленок. Низкая плотность пленок приводит к уменьшению показателя преломления. Показатель преломления пористой пленки возрастает при переносе ее из вакуума в атмосферу за счет сорбции воды. На микроструктуру, размер зерна и плотность упаковки существенное влияние оказывает температура подложки. Для более высоких температур характерны более высокие плотности и крупнозернистые структуры (при t_подл = 250 + 300 °С многие пленки имеют плотность более 0,9). На показатель преломления оказывает влияние неоднородность пленки, которая является результатом нестабильности параметров осаждения (давления остаточных газов, скорости осаждения, температуры подложки), а также результатом разложения, диссоциации нестойких соединений и смесей во время испарения.

Важнейшими характеристиками покрытий являются прочность на истирание и степень сцепления покрытий с подложкой (адгезия). Адгезия может быть увеличена за счет предварительной подготовки поверхности (очистки, тлеющего разряда, ионного полирования), нанесения тонких промежуточных (адгезионных) слоев. В целом ряде случаев адгезия выше для слоев, нанесенных на нагретую подложку. Наиболее хорошее сцепление со стеклянной подложкой (и другими материалами) имеют оксидные пленки.

Тонкие пленки обычно находятся в напряженном состоянии. Возникающие напряжения обусловлены структурой слоев (собственные напряжения) и различием термических коэффициентов растяжения пленки и подложки (термические напряжения). Напряжения могут приводить к растрескиванию и отслаиванию покрытий, к несовместимости пленочных комбинаций и деформации подложки. Путем сочетания слоев с напряжениями различного знака можно управлять напряжениями в многослойном покрытии.

В ряде случаев пленки должны быть устойчивы к воздействию низких и высоких температур, влаги, химических реагентов и другим воздействиям окружающей среды. Покрытия для лазеров должны быть устойчивы к лазерному.

Слои фторидов применяют преимущественно в качестве низко преломляющего компонента в УФ-, видимой и ИК-областях спектра, оксидные пленки — в УФ-, видимой и близкой ИК-областям спектра, а также в ИК-области спектра до 5-8 мкм. В области далее 8 мкм оксидные пленки применяют в качестве адгезионных и защитных. В ИК-области спектра в качестве высокопреломляющего компонента наиболее широко используют слои сульфидов, селенидов, теллуридов, металлов, слои германия, кремния, халькогенидные композиции и др.

Пленкообразующие материалы для термического испарения выпускаются в виде таблеток и гранул высокой химической чистоты. Таблетки и гранулы должны быть стехиометричны по составу и обладать достаточной плотностью. Подготовка промышленных материалов к нанесению предусматривает процессы прокаливания и обезгаживания. При использовании порошкообразных материалов операциям прокаливания и обезгаживания в ряде случаев предшествует процесс таблетирования.

Свойства тонких слоев зависят от качества обработки и подготовки поверхности подложки. Покрытия должны наноситься на поверхность с высоким качеством полирования и минимальным количеством дефектов: царапин, выколок, вскрытых пузырей, включений и т. п. (II-V классы чистоты). Подготовка поверхности перед нанесением покрытий состоит в ее чистке.

К основным компонентам, загрязняющим поверхность оптической детали, относятся воски, смолы, шеллаки, лаки, клеи оптические, масла, эмульсии и другие компоненты смазочно-охлаждающих жидкостей, остатки шлифовальных и полировальных порошков, отпечатки пальцев, пыль и т. д.

Покрытия наносятся в помещениях, структура, запыленность и микроклимат которых должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к специализированным участкам тонкопленочных покрытий.

Контроль толщины слоев. Толщина покрытий, геометрическая или оптическая является важнейшими параметрами и для их измерений известно большое число оптических способов.

Ряд способов имеет невысокую точность и применимы лишь к сравнительно толстым покрытиям (толщина более 1 мкм). К таким способам можно отнести способ, основанный на измерении оптической плотности слоев в зоне поглощения, например слоев двуокиси кремния для длины волны 9,2 мкм. Ограничения по точности обусловлены, в основном нелинейностью измерений оптической плотности слоев от их толщины. Погрешность порядка десятых долей микрона могут быть достигнуты при измерении толщины слоев с помощью двойного микроскопа. Слой в этом случае должен иметь ступеньку и его толщину определяют по изгибу изображения узкой светящейся щели, формированной освещенным микроскопом.

Также толщину пленок измеряют такими наиболее распространенными методами, как микровзвешиванием и многолучевой интерферометрии, так как это наиболее точный способ измерения толщины покрытия.

Метод микровзвешивания состоит в определении приращения массы Δm подложки после нанесения на нее пленки. При этом среднюю толщину пленки определяют по формуле

где F_п – площадь пленки на подложке; ρ_m – удельная масса нанесенного вещества.

Этот метод несложен, но требует, чтобы форма подложки была простой, а ее поверхность в хорошем состоянии. Кроме того, на точность измерений влияет удельная масса нанесенного материала, которая может изменяться в зависимости от условий технологических режимов (остаточного давления, загрязнений молекулами газа и др.).

При измерении толщины пленки взвешиванием, считают, что плотность нанесенного вещества равна плотности массивного вещества. Под эффективной толщиной пленки понимают толщину, которую она имела бы, если бы образующее ее вещество было равномерно распределено по поверхности с плотностью, равной плотности массивного вещества.

Чувственность метода взвешивания составляет 1 -10 мкм/м² и зависит от чувствительности весов и площади пленки на подложке F_n.

Метод многолучевой интерферометрии основан на наблюдении в микроскоп интерференционных полос, возникающих при рассмотрении в монохроматическом свете двух поверхностей, расположенных под углом друг к другу.

Перед измерением получают на образце так называемую ступеньку – резкую боковую границу пленки на подложке. Для этого маскируют часть подложки при осаждении пленки или химически удаляют часть осажденной пленки. В микроскоп наблюдают сдвиг интерференционных полос. Чередующие светлые и темные интерференционные полосы с шагом L на поверхности, как пленки, так и подложки смещаются относительно друг друга у их границы на значение l.

Измеряя с помощью микроинтерференционного микроскопа смещение какой–либо определенной полосы, рассчитывают толщину пленки по формуле

где λ_с – длина волны монохроматического света, равна 0,54 мкм; L= λ_с/2 – шаг между соседними интерференционными полосами; l – смещение интерференционной полосы.

Точность этого метода измерения толщины пленки составляет 15 – 30 нм.

Если пленка прозрачная, в месте “ступеньки” на нее и подложку осаждают дополнительно непрозрачную, хорошо отражающую свет металлическую пленку, толщина которой, чтобы уменьшить вносимую погрешность, должна быть много меньше толщины измеряемой пленки.

Термическим напылением или катодным распылением или катодным распылением изготовляют тонкослойные покрытия толщиной от десятков до нескольких сотен нанометров в диапазоне скоростей напыления (распыления) от долей до нескольких десятых нанометров в секунду. Контроль толщины и скорости нанесения оптических покрытий базируется на частотном и фотометрическом методах.

Частотный метод основан на регистрации изменения частоты кварцевого резонатора Δf при увеличении его массы в процессе конденсации слоя. В этом случае толщина пленки рассчитывается по формуле

(1)

где γ и γ₀ – плотность материала слоя и кварца, г/см³; Δd и d₀ – толщины осажденного слоя и кристалла кварца, см.

Точность определения толщины слоя связана с погрешностью измерения Δf, f₀ и γ.

Точность измерения определяется точностью применяемого частометра. Можно также измерять разностную частоту методом нулевых биений, для чего эталонный генератор выполняется перестраивающимся по частоте. Преимущество такого способа в постоянной цене деления шкалы частометра и большей точности измерений. Определение толщины слоев по формуле (1) возможно при известных значениях плотности. Поскольку эту величину определить трудно, строят экспериментальные кривые зависимости толщины слоя от смещения частоты Δf измерительного кварцевого генератора для различных материалов. Метод получил широкое применение благодаря высокой точности и простоте. Максимальная суммарная толщина слоя, напыляемого на кварцевый датчик, определяется максимальным сдвигом частоты. Существенным недостатком данных приборов является то, что помимо градуировки по запыленному материалу необходима периодическая чистка кварцевых датчиков. Однако метод универсален и позволяет измерить толщину любой по составу покрытий.

Фотометрический метод основан на явлении интерференции света в тонких слоях. Если показатель преломления наносимого материала ниже (выше), чем у подложки, то при монохроматическом освещении системы подложка – слой интенсивность отраженного излучения уменьшается и достигает минимума (максимума) при оптической толщине слоя, равняется λ/4 (λ – длина волны падающего излучения). При дальнейшем росте толщины слоя интенсивность отраженного света увеличивается и достигает максимума (минимума) при оптической толщине слоя λ/2. Измеряя число минимумов (максимумов), можно определить толщину слоя по формуле

где m – число минимумов (максимумов) отраженного света; λ – длина волны падающего излучения; n – показатель преломления.

Аналогично производится определение оптической толщины слоя при регистрации проходящего излучения.

Изложенный метод контроля получил название контроля при фиксированной длине волны. Его точность повышается при использовании устройств, содержащих дифференцирующие усилители.

При нанесении многослойных интерференционных покрытий часто используется фотометрический способ контроля толщин по спектральному распределению коэффициентов пропускания (отражения), который обладает большей точностью, чем контроль при фиксированной длине волны.

При этом методе проводят сравнение спектральных коэффициентов пропускания для двух длин волн λ₁ и λ₂ связанных зависимостью

,

Контроль сводится к сравнению коэффициентов пропускания τ_λ1 и τ_λ2, причем сигналом к прекращению процесса нанесения очередного слоя служит достижение заданного соотношения между τ_λ1 и τ_λ2.