Установки оптического нанесения покрытий

Вакуумная установка для нанесения оптических покрытий

Вакуумная установка позволяет в автоматическом режиме наносить многослойные оптические покрытия широкого назначения. Среди них: просветляющие покрытия, отражающие, интерференционные, поляризующие, токопроводящие покрытия, защитные, светопоглощающие и другие.

Характеристики вакуумного оборудования для нанесения оптических покрытий

1. Размеры вакуумных камер:
   — Диаметр: 700-1300 мм.
   — Высота или длина: 800-1500 мм.
   — Вакуумные камеры вертикального исполнения.
2. Помимо традиционных средств откачки, применяются криогенные и турбомолекулярные насосы.
3. Технологическая оснастка может быть как с нижним, так и верхним приводом вращения, со сменным куполом, планетарного действия.
4. Технологические источники:
   — электронно-лучевые испарители,
   — ионные источники газов,
   — резистивные испарители с дозатором напыляемого вещества,
   — магнетронные источники.
5. Стойки питания и управления установки предусматривают применение импортных комплектующих стран Великобритании, Германии, Японии, США: контроллеры откачки, технологического процесса, температуры, привод вращения технологической оснастки, прибор анализа плазмы и управления расходом технологического газа, спектральная система, система кварцевого контроля.

Описание вакуумной установки

Для традиционных средств откачки вакуумная система включает: форвакуумный агрегат с пластинчато-роторным и двухроторным насосом, высоковакуумный насос, азотную или фреоновую высоковакуумную ловушку, высоковакуумный затвор и клапаны пневматического действия.

В вакуумной камере размещаются: датчики контроля давлений, температуры, датчики спектрометрической системы, кварцевого контроля, технологическая оснастка, резистивные испарители, электронно-лучевой испаритель, ионизатор, дозатор напыляемого вещества, нагреватели, механизм перевода контрольных образцов с 8-ю сменными свидетелями. Технологическая оснастка планетарного вращения с 3-мя вращающимися дисками диаметром 300 мм, на которых размещаются оптические детали. Установка включает в себя две стойки управления и питания. Одна стойка обеспечивает управление установкой, вторая — питание и управление электронно-лучевым испарителем.

Вакуумная установка обеспечивает проведение технологического процесса в автоматическом режиме, с выводом всех характеристик на монитор компьютера.

Управление установкой

• Компьютер с программным обеспечением реального времени.
• Контроллеры фирмы Advantech или Siemens для управления установкой и контролем технологических процессов.

Характеристики программного обеспечения для управления и контроля

• Полностью автоматическая работа по рецептам пользователя.
• Полностью автоматическое, так и ручное управление циклом напыления посредством графического интерфейса пользователя.
• Модульная структура редактирования рецептов.
• Запись протоколов процесса, событий и ошибок.
• Визуализация данных в процессе напыления в виде: графиков роста пленки (скорости и толщины), параметров давления и температуры, скорости подачи газов и др.
• Доступ ко всем контроллерам и логическим функциям (сервис режим).
• Система помощи online.
• Система удаленного доступа для диагностики установки и ошибок.

Спектрометрическая система имеет два режима работы: для видимой области (350-850 нм) и для ИК-области (1000-2500 нм), разрешение в видимой области не хуже 1.5 нм, в ИК-области — 3-5 нм. Контроль толщины покрытий проводится по образцам свидетелям, расположенным в механизме перевода. Количество образцов: не менее 8 шт.

Дозатор управляет автоматической подачей испаряемых материалов, тем самым обеспечивает стехиометрический состав оптических покрытий. Нагреватели обеспечивают нагрев изделий до температуры 320 0 С. Время одного цикла для нанесения фильтров в зависимости от технологического процесса составляет 8 часов.

Выход годных изделий достигает до 80%, при этом 20% остальных изделий отличаются только по длине волны на 5-10%, что является высоким результатом.

Предложение включает в себя изготовление установки, передачу технологии нанесения покрытий, пуско-наладочные работы, обучение персонала.

Изготовитель обеспечивает запасными частями из расчета 12 месяцев работы установки. В перечне ЗИП указываются быстро изнашивающиеся детали и необходимые комплектующие.

Срок изготовления установки для нанесения оптических покрытий 6-7 месяцев.

Возможен вариант заключения договора по дальнейшему сервисному обслуживанию установки.

источник

Техника нанесения оптических покрытий. Понятие «просветления» оптики

Всю технологию нанесения покрытий вакуумным способом можно разделить на несколько стадий:

1 стадияРазработка конструкции покрытия, т. е. количество слоев, их последовательность, толщины. Выбор пленкообразующих материалов.

2 стадия.Подбор режимов нанесения покрытий, то есть скорость вращения держателей, степени вакуума, температуры нагрева подложек, вакуумной установки, вида тиглей и т.п.

3 стадия.Процесс нанесения покрытия собственно. В технологический процесс входят следующие операции: подготовки вакуумной установки, пленкообразующего материала и самих деталей и контрольного свидетеля. В подготовку вакуумной установки входит очистка вакуумной камеры от остатков испаряемого вещества, от предыдущего напыления, с помощью пылесоса, а также протирка всех деталей ситцевой салфеткой смоченной этиловым ректификованным спиртом, смешанным с эфиром соотношении 1:3, в том числе тигля электронно-лучевого испарителя и помещение в чашки тигля таблетки. Подготовка деталей и контрольного свидетеля заключается в визуальном осмотре деталей на отсутствие трещин и выколок с последующим обезжириванием поверхностей и контрольного свидетеля батистовой обезжиренной салфеткой, смоченной этиловым спиртом и протиркой поверхностей деталей и контрольного свидетеля сухой, обезжиренной батистовой салфеткой с проверкой в отраженном свет, а также помещение деталей и контрольного свидетеля в оправу, установка деталей и контрольного свидетеля в вакуумную камеру в карусель деталей и свидетелей соответственно.

4 стадия.Сам процесс нанесения покрытия. В него входят создание в вакуумной камере требуемого давления (вакуума), задание требуемой скорости вращения держателя, ионизационная чистка, включения фотометрического устройства контроля толщины напыляемого слоя. Также обезгаживание пленкообразующего материала, нагревание его до температуры испарения, выдержкой деталей в вакуумной камере некоторое время после выключения испарителей.

5 стадия.Контроль коэффициентов отражения, пропускания и других характеристик, требуемых по чертежу.

Явление просветления оптики. Процесс нанесения тонкой пленки на поверхность стекла с целью уменьшения интенсивности отраженного света получил название «просветление оптики», поскольку в приборе с просветленными оптическими деталями наблюдаемое изображение становится ярче. Если в сложном оптическом приборе количество проходящего света составляет 12 – 20 %, то тот же прибор с просветленной оптикой пропускает в 3 – 4 раза больше, причем количество рассеянного света также значительно уменьшается.

Просветляющие пленки могут быть нескольких видов. Выбор вида просветляющего покрытия зависит от функционального назначения детали, показателя преломления ее материала, прозрачности пленки в заданной области спектра, требований к прозрачности, химической и коррозионной устойчивости, и т.п.

Просветление осуществляется нанесением на поверхность детали одно-, двух- и трехслойных покрытий.

1. При однослойном просветлении наносят пленку вещества, показатель преломления которого меньше показателя преломления материала детали. Для оптических материалов, с показателем преломления (n_e) меньшим либо равным 1,5, необходимы пленки с показателем преломления приблизительно равным 1,22.

При использовании химических способов нанесения покрытий наиболее низкий показатели преломления (1,40 – 1,41) имеют пленки, образуемые из растворов некоторых фтороорганических полимеров, и пленки кремнезема (n_e = 1.44 – 1.45), получаемые травлением.

При нанесении пленок физическими способами, например, термическим испарением в вакууме, низкие показатели преломления имеют пленки: Na₃AlF₆ (n_e = 1,35); MgF₂ (n_e = 1.38); LiF (n_e =1.31); NaF (n_e = 1.33); CaF₂ (n_e =1.25 – 1.36).

Большинство этих веществ, или химически устойчивы, или имеют недостаточную механическую прочность. Из-за невыполнения условий n_пленки = √n_стекла просветляющее действие однослойных пленок эффектно лишь для материалов с высоким показателем преломления, более 1,7 (германатные, теллуритовые и бесО₂ стекла, германий, кремний и т. д.)

Полоса минимума отражения этих пленок мала. Спектральные характеристики однослойных пленок, наносимых на поверхность стекла, отличаются одинаковым и равномерным пропусканием в близкой УФ, видимой и близкой ИК областях спектра. В зависимости от показателя преломления стекла отражение может быть снижено до 1 – 3,5 %.

2. Двухслойное просветление заключается в нанесении на поверхность подложки последовательно двух слоев веществ: первого с большим и второго с меньшим показателем преломления, чем у просветляющего материала. Отражение света от двухслойной системы равно нулю, если показатель преломления пленки верхней n₁, нижней n₂ и стекла n_стекла связаны соотношением n₁/n₂ = √n_стекла.

Толщину слоев, обеспечивающих минимум отражения в заданном участке спектра, определяют расчетом. Пленки наносят из гидролизующихся растворов (Ti(OC₂H₅)₄ и Si(OC₂H₅)₄), термическим испарением сульфидов (сульфиды цинка и кадмия) и фторидов (дифторид магния, фториды натрия и калия), реактивным катодным распылением металлов, из которых оксиды ниобия, циркония и других образуют нижний, а оксид кремния верхний слой.

Минимум отражения в заданном участке спектра получают изменением общей толщины пленки с сохранением соотношения толщины слоев. Остаточный коэффициент отражения не зависит от показателя просветляемого материала. Основным недостатком двухслойного просветления заключается в том, что при значительном снижении коэффициента отражения в узкой спектральной области на других участках спектра он может даже увеличится по сравнению с непросветленной поверхностью. В приборах с большим числом оптических деталей избирательное снижение отражение света вызывает окрашенность изображения. Это не влияет на его резкость, но может исказить правильность цветопередачи.

3 Для оптических систем с большим числом деталей и деталей из материалов, прозрачных в УФ области спектра, необходимы покрытия, которые уменьшают отражения в широкой области спектра. Удовлетворяют этому требованию трехслойные покрытия. Для этого чтобы коэффициент отражения света такой системы был равен 0, показатель преломления n₁ верхней (граничащей с воздухом), нижней n₃ пленки и стекла n_ст должны находиться в соответствии n₃/n₁ = √n_ст. При этом показатель преломления нижнего слоя: n₃ = √n₁ 2 n_ст. Наиболее часто используются трехслойные пленки общей оптической толщиной, равной длине волны области максимального пропускания. Толщину среднего слоя принимают равной полудлины волны n₂h₂ = λ\2, первого и третьего n₁h₁ = n₃h₃ = λ/4. Трехслойные пленки равномерно уменьшают отражение до 0,3 – 0,5%. Измерением общей толщины пленки при сохранении соотношения для различных участков спектра. Эффект просветления трехслойной пленкой, нанесенной на стекло К8.

Дата публикования: 2015-01-26 ; Прочитано: 1979 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

источник

Методы нанесения просветляющих покрытий.

ОПТИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

НАНЕСЕНИЕ ПРОСВЕТЛЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ДЕТАЛЬ

Специальность 200204

ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Цель лабораторной работы:изучение процесса нанесения
просветляющих покрытий на оптические детали.

В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны
ознакомиться с методами нанесения просветляющих покрытий на
оптические детали, пленкообразующими материалами и их свойствами,
изучить технологический процесс нанесения двухслойного
просветляющего покрытия.

1. Основные положения.
Введение.

Оптические покрытия подразделяются на

— светоделительные;
— просветляющие;
— фильтрующие;
— защитные;

— токопроводящие;

— поляризующие;

Просветляющие покрытия используются для уменьшения
коэффициента отражения (р) в оптической детали для фиксированной
длины волны. Они состоят из тонких пленок различных материалов
определенной толщины.

Тонкослойные просветляющие покрытия характеризуются:

Ниже будет описана методика нанесения просветляющих
покрытий.

Теоретические сведения.

Основными параметрами конструкции оптических просветляющих
покрытий являются:

• оптические толщины слоев nh;

• показатели преломления слоев n_m, n_m-1 и т.д.;

• число слоев m.

Основными параметрами эффективности просветляющих
покрытий являются:

• интегральный коэффициент отражения

• спектральный коэффициент отражения

• ширина зоны просветления

которых составляет 0,5% или 1%;

рабочая длина волны

Просветляющие покрытия делают одно-, двух-, трехслойные и многослойные. Слои покрытия имеют толщины, кратные

Коэффициент отражения р рассчитывается по формуле:

где n₁ и n₂ — показатели преломления двух различных оптических сред.

Простейшее просветляющее покрытие — это однослойная пленка с
показателем преломления n₂ (рис.1):

При увеличении угла падения света увеличивается эффект
поляризации, возрастает эффект отражения от поверхности оптической
детали и минимум отражения смещается в коротковолновую область
спектра.

Двухслойные просветляющие покрытия применяются для снижения коэффициента отражения для либо для расширения
спектральной области минимального отражения. Различают три типа
конструкции таких покрытий:

Трехслойные просветляющие покрытия применяются для
равномерного уменьшения коэффициента отражения в широкой области
спектра (ахроматические покрытия). Три типа конструкций:

Многослойные покрытия включают двух- и трехслойные
покрытия как базовые. Эти покрытия позволяют получать
коэффициенты отражения, близкие к нулю, обеспечивать световую
насыщенность изображения при съемках под различными углами,
снизить до 0 блики при сложных условиях кинофотосъемки. 2 типа:

Методы нанесения просветляющих покрытий.

Существует ряд методов нанесения оптического покрытия на
деталь. К наиболее распространенным и часто используемым относятся
такие методы: 1- термическое и электронно-лучевое испарение в
вакууме, 2- катодное распыление в вакууме.

Сущность первого метода заключается в конденсировании на
поверхности подложки молекулярного потока плёнкообразующего
вещества, нагреваемого в испарителе. Испаритель и подложку помещают
в камеру с пониженным давлением. Для нагрева пленкообразующего
материала используется резистивный нагрев (сопротивление) или
мощность пучка электронной пушки (рис.2).

Второй метод основан на физическом явлении, заключающемся в
том, что в ионизированном газе под действием ударов положительных
ионов происходит разрушение материала катода-мишени. При
определенных физико-химических условиях становится возможным
перенос материала с поверхности мишени и конденсация распыленного
материала на поверхности оптической детали. Надо отметить, что
распыляемый материал осаждается на поверхности в виде тонкого и
равномерного слоя (рис.3).

1 — рабочая камера; 2 — испаритель из тугоплавкого металла(W, Та,
Мо); 3 — пленкообразующий материал; 4 — оптическая деталь с
наносимой пленкой; 5 — нагреватель; 6 — пары испаряемого
пленкообразующего материала.

Рис.2. Схема рабочей камеры установки получения покрытий путем

Каждый из конденсационных методов имеет свои достоинства
и недостатки. Метод термического испарения более универсален, чем
метод катодного распыления, им можно наносить покрытия практически
из любого элемента и соединения.

К преимуществам катодного распыления относятся:

• легкость нанесения покрытий из тугоплавких металлов, сплавов
металлов с различным давлением паров, а также возможность
нанесения полупроводниковых и диэлектрических покрытий сложного
химического состава путем реактивного распыления;

• получение плотных покрытий с высокой адгезией к подложке;

• легкость получения равнотолщинных покрытий на плоских
поверхностях большой площади.

1 — рабочая камера; 2 — катод-мишень; 3 — подложкодержатель; 4-оптическая деталь с наносимой пленкой; 5 — система напуска аргона.

Рис.3. Устройство для катодного распыления в вакууме.

К недостаткам катодного распыления, относятся такие моменты:
во время процесса катодного распыления возникает нагрев подложки из-
за интенсивного осаждения ионов пленкообразующего материала на её
поверхности, малая скорость нанесения покрытия -0,1 мкм/ч.

В условиях тлеющего разряда операции измерения и управления
затруднены, толщина покрытия обычно контролируется по мощности
разряда и длительности распыления, что во многих случаях приводит к
ошибкам, так как мощность разряда не определяет однозначно
интенсивность молекулярного потока.

Термическое испарение в вакууме также имеет ряд
преимуществ перед катодным распылением.

Покрытия получаются значительно более чистыми. Имеются
возможности снижения содержания примесей в покрытиях путем
обезгаживания и нанесения покрытий в сверхвысоком вакууме. При
термическом испарении значительно проще осуществляется контроль
параметров процесса, управление им, получение воспроизводимых
результатов.

К недостаткам метода термического испарения следует отнести
необходимость нагрева детали для лучшей адгезии получаемой пленки.
И вследствие этого ограниченное применение термического способа
для нанесения пленок на полимерную оптику.

1.3 Пленкообразующие материалы, применяемые в различных
областях спектра.

Для получения совершенных просветляющих покрытий методом
испарения в вакууме большое значение имеет качество исходных
пленкообразующих материалов. Под качеством исходных материалов
понимаются их высокая чистота (отсутствие или минимальное
содержание примесей) и плотность (минимальное содержание газов).

Для ультрафиолетовой области спектра, начиная от 0.15 — 0.2 мкм
выбор материалов для просветляющих покрытий весьма ограничен
(табл. 1.1).

В области >0,23 мкм для многослойных и просветляющих
покрытий в качестве материала с высоким показателем преломления (n_в)
используется двуокись гафния, а материала с низким показателем
преломления (n_н), двуокись кремния. Так же применяется окись скандия,
окись иттрия (n_в), двуокись магния (n_н).

Для области >0,35 мкм используются двуокись циркония (n_в),
двуокись титана (n_в) и другие оксиды и фториды.

Для видимой области спектра (0,4 -:- 0,73 мкм) используются как
перечисленные материалы, так и соединения металлов с серой.

Широкий выбор материалов по показателю преломления для
видимой области спектра составляет от 1,3 до 2,4.

В инфракрасной (ИК) области спектра используются те же
материалы, что и в ультрафиолетовой и в видимой областях, а так же
соединения металлов с селеном и теллуром.

Показатель преломления материалов для ИК области лежит в
диапазоне 1,3 -:- 5,3. По оптическим свойствам пригодно к
использованию в качестве пленкообразующих материалов не более 50
веществ.

Ограничение в применении материалов определяет их
совместимость — отсутствие химических реакций, радиоактивность,
сублимация — испарение материалов пленок в условиях их эксплуатации,
химическая устойчивость к воде, химическая устойчивость к активным
средам, механическая прочность.

источник